Гамма-лазер, который изменит мир и позволит межзвездные путешествия: чего добились физики

В 50-х годах прошлого века физик Ойген Зенгер выдвинул гипотезу, что если бы материю можно было полностью преобразовать в частицы света или фотоны, то сами фотоны могли бы стать источником энергии для разгона ракеты до межгалактических скоростей. Но тогда это считалось фантастикой, а за последние годы эта гипотеза снова приобрела популярность. Чтобы создать идеальный лазер, группа ученых занимается разработкой технологии, которая могла бы поддерживать когерентные гамма-лучи, самую энергичную форму света в нашей Вселенной. Если физики смогут создать когерентные гамма-лучи так же, как обычный лазер производит когерентные лучи видимого света, то эта технология могла бы открыть межзвездные путешествия. Хотя гамма-лазер все еще является концепцией, он считается одной из важнейших проблем в физике, пишет Popular Mechanics.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Проблема гамма-лазеров

Гамма-лучи, которые человек не может увидеть, возникают во время взрывов сверхновых, а также их излучают нейронные звезды с сильным магнитным полем – пульсары. Гамма-лучи движутся через космос со скоростью света и имеют самые маленькие длины волн и самую высокую частоту, а потому попадают в самую крайнюю часть электромагнитного спектра. С момента изобретения первого лазера в 1961 году ученые узнали, как стабилизировать гамма-лучи в когерентный пучок, что является необходимым шагом на пути к разработке любой лазерной технологии.

Традиционный лазер возбуждает электроны в газе, жидкости или твердом теле для выпуска когерентного излучения. Фотонные излучения синхронизированы друг с другом и вместе создают более сильный эффект. Это отличается от света, который излучает лампа накаливания, потому что ее излучение не когерентно или случайно, в зависимости от того, какие атомы возбуждены в любой момент. Чтобы создать когерентное гамма-излучение физики должны манипулировать огромным количеством атомных ядер, чтобы они находились в возбужденных состояниях, известных как изомеры.

Ученым необходимо исследовать, что происходит, когда плотные пучки быстрых электронов сталкиваются с сильным лазерным полем, чтобы выпустить высокоэнергетический свет. Именно этим сейчас занимаются физики из Университета Рочестера, США, вместе с учеными из исследовательского центра ELI Beamlines в Чехии. По словам ученых, они не первые, кто пытался создавать гамма-лучи таким образом. Но в новом исследовании используется квантовая электродинамика, которая является передовым подходом к решению этой проблемы.

Физики проанализируют, как один или два электрона излучают свет. В конечном итоге они надеются работать со многими электронами, чтобы производить когерентные гамма-лучи. Если ученые узнают, как поддерживать когерентность и стабильность луча в течение длительных периодов времени, гамма-лучи могут стать новым источником энергии для создания антиматерии. Это материя, имеющая противоположный электрический заряд.

Гамма-лазеры и межзвездные путешествия

Новое исследование основано на более ранних научных работах, в которых изучалось когерентное гамма-излучение. Например, в 2012 году группа физиков предложила приводить космический корабль в движение с помощью гигаэлектронвольтного гамма-лазера. То есть это проект фотонной ракеты, которая работает за счет уничтожения материи и антиматерии, как и предлагал Зенгер. Ученые предположили, что эту идею можно воплотить в жизнь.

Принцип работы состоит в следующем. Протоны и антипротоны будут уничтожать друг друга, создавая мощный всплеск гамма-излучения. Затем сфокусированный лазерный луч концентрированного гамма-излучения будет запущен внутри космического корабля и создаст "фотонную лавину". Магнитное поле будет поглощать импульс отдачи луча и передавать его космическому кораблю, обеспечивая ему тягу.

В 2020 году, физики в другом исследовании гамма-лучей для приведения в движение космической ракеты предложили способы использования водородного топлива для генерации необходимой мощности.

Когда люди смогут попасть в соседнюю галактику?

Но перед тем, как люди смогут отправится в соседнюю галактику с помощью космических кораблей, работающих на гамма-лучах, ученым необходимо преодолеть проблему когерентности луча. В 2019 году американские физики провели эксперимент с позитронием (содержит позитроны, то есть антиподы электронов и электроны) и сверхтекучим жидким гелием. Это форма гелия, похожая на сверхпроводник, без сопротивления, вязкости или трения. Гелий обеспечил защиту для позитрония. Взаимодействие позитронов создавало гамма-лучи, если они оставались в квантовом состоянии, известном как конденсат Бозе-Эйнштейна.

Одной из проблем разработки и стабилизации гамма-излучающих изомеров является то, что они слишком быстро выпускают свою энергию, чтобы поддерживать большую популяцию изомеров одновременно. К счастью, некоторые изотопы химических элементов могут обеспечивать более энергичные гамма-лучи с меньшими затратами энергии для поддержания своих изомеров, и физики рассматривают их как потенциальное решение проблемы когерентного пучка.

Гамма-лазер следующего поколения, возможно, не позволит людям в ближайшие десятилетия попасть в соседнюю галактику Андромеды, но если будет создана базовая технология, то это путешествие может стать возможным в более отдаленном будущем.

Как уже писал Фокус, астрономы рассказали, сколько на самом деле существует галактик во Вселенной. Проблема в том, что ученые могут видеть лишь небольшую часть Вселенной, а потому более точные оценки касаются именно этого участка космоса.