Минусы оружия из антиматерии

Очень трудно удержать материю снаружи и антиматерию внутри.

Антивещество делает влажный динамит похожим на чудо-хлеб. Черствый чудо-хлеб. Если вы посмотрите на антиматерию неправильно, она взорвется.

1. Чтобы содержать антиматерию, вы должны тщательно удерживать любую частицу материи. Это означает, что антиматерия должна находиться в полном вакууме. Я не уверен, как можно создать вакуум, полностью лишенный молекул газа. Даже одна молекула газа там, которая соприкоснется с антивеществом, вызовет взрыв, который разрушит ваш вакуумный аппарат, и последует (намного) более мощный взрыв.

2. Пылесосы работают насосами, которые откачивают любой газ. Теоретически антиматерией может быть любой элемент, но до сих пор производилась антиматерия — антиводород и антигелий. Если ваша антиматерия хоть немного сублимируется в вакуум, в вашем вакууме будут плавающие молекулы антиматерии. Когда вакуумный насос выкачивает молекулу антивещества, она касается внутренностей насоса. Это произведет взрыв, который разрушит ваш вакуумный аппарат и т.д. и т.п.

3. Даже если у вас идеальный вакуум божественного уровня и абсолютно не поддающаяся сублимации антиматерия, космические лучи все время проходят сквозь все. Иногда они идут прямо по материи здесь, на земле. Иногда они сталкиваются с молекулой вещества, с которым сталкиваются. Космические лучи состоят из материи. Если кто-то коснется антиматерии, это вызовет взрыв, который разрушит ваше устройство сдерживания и т. д.

Чтобы удержать антивещество, вам понадобится какой-то супервакуум — может быть, что-то, что электрически заряжает любые близлежащие молекулы, а затем отталкивает их своим зарядом. Это будет работать намного лучше в глубоком космосе, где молекул газа меньше. Это сработает и для заряженных космических лучей. Вам придется удерживать антивещество на месте с помощью магнитной левитации или того же трюка с зарядом, который вы используете, чтобы исключить газ, направленный внутрь.

Все это делает обычные взрывчатые вещества такими удобными и дружелюбными.

Когда вы имеете дело с антиматерией, вам нужно преодолеть три проблемы: стоимость, создание и сдерживание. В ОП говорится, что создание больших количеств антивещества теперь осуществимо и, я полагаю, рентабельно, поэтому мы будем рассматривать первую и вторую проблемы как решенные. Это оставляет сдерживание.

Содержать антивещество очень сложно, но, я бы сказал, не невозможно.

Представьте себе небольшой твердый блок антиматерии, скажем, антижелеза. Даже 1 кг вещества будет иметь мощность, сравнимую с Царь-бомбой, самым мощным ядерным оружием, когда-либо взорванным.$^1$. Лучший способ удержать его — поднять на магнитной подушке (предпочтительно над высокотемпературным сверхпроводником ) в идеальном вакууме.

Давайте сначала рассмотрим вопросы, поднятые Уилком в его предыдущем ответе.

1. Качество вакуума: ни одна вакуумная камера не идеальна, но даже с современными технологиями мы можем делать это достаточно хорошо.

В настоящее время мы можем строить массивные вакуумные камеры , способные поддерживать 130$\mu$Па давления . Я предполагаю, что небольшое количество газа, оставшегося в камере, представляет собой просто воздух при комнатной температуре (для упрощения расчетов я использую 300 К и предполагаю, что это чистый азот с массой 28 АМЕ на частицу). Важен порядок величины. Если какие-либо энергии, которые мы получаем от этого, ближе к костру, чем к ядерной бомбе, это, вероятно, управляемо.

Сколько энергии излучает камера от следовых молекул газа, сталкивающихся с антивеществом? Преобразовывая закон идеального газа, мы получаем

Полная энергия на кубический метр камеры, при условии, что весь газ преобразуется в энергию, равна плотности$D$раз$c^2$:$\sim 131 MJ/m^3$. WolframAlpha говорит, что это примерно столько же энергии, сколько сжигается галлон бензина. По общему признанию, большинство вакуумных камер, построенных сегодня, не хотели бы, чтобы их подожгли, но мы говорим о будущем, и они строят эту камеру специально для хранения антивещества. Это скорее костер, чем ядерная бомба, так что это просто инженерная проблема.

2. Вакуумное испарение: антиматерия (а также внутренние стенки камеры) будет слегка кипеть в вакууме, также высвобождая энергию в результате аннигиляции материи и антиматерии. Это проблема?

Опять же, величины массы, с которыми мы имеем дело, слишком малы, чтобы иметь значение. Вот график давления, вызванного кипением различных металлов в вакууме:

Как видите, железо (Fe) так мало испаряется в вакууме при температуре 300 К, что его давление буквально зашкаливает (даже после преобразования из мм рт.$\mu$Па). Пока вы не строите стенки камеры из чего-то с более высоким давлением, такого как магний (Mg), вам, вероятно, не нужно об этом беспокоиться.

3. Космические лучи: случайные протоны, летящие через вселенную, иногда попадают в ядро ​​антиматерии. Это проблема?

Нет. Опять же, это вопрос масштаба. Согласно Википедии , общий поток составляет всего около$10^4$частиц в секунду на квадратный метр (при условии, что частицы с энергией менее 1 ГэВ даже не смогут пройти через атмосферу). Это намного ниже, чем давление окружающей среды в вакуумной камере, поэтому им можно пренебречь.

Так о чем нам беспокоиться?

1. Потеря мощности: если вы хотите использовать эти бомбы как ядерное оружие, вы должны быть готовы хранить их годами, заправленными и готовыми. Для непрерывной работы вакуума требуется непрерывная энергия, в отличие от ядерного оружия, которое может просто сидеть там. И вам нужно построить обширные системы безопасности, чтобы в случае отключения электроэнергии вы не взорвали свою собственную страну.
2. Радиация: Как я уже говорил, из-за реакций с остаточным газом в камере ваша бомба из антивещества будет излучать столько же энергии, сколько и костер, более или менее. Это не обязательно нанесет вред устройству, но, к сожалению, очень сильно навредит всем, кто не находится за свинцовым экраном, поскольку он находится в форме высокоэнергетических электронов, позитронов и гамма-лучей, которые очень легко проходят сквозь стенки камеры.
3. Транспорт: Эта вещь заставляет меня нервничать, просто думая об этом. Нужна очень хитрая инженерия, чтобы эта штука не взорвалась, если вы ее неправильно покачаете. Если это загружается в самолет или ракету, вам нужно учитывать изменения в ускорении и запрограммировать свои магниты для компенсации, иначе он наверняка наткнется на что-нибудь в полете.
4. Фонарики: я не шучу. Облучение антиматерии обычным светом заставит ее выбрасывать позитроны из-за фотоэлектрического эффекта . Когда-то давно я подсчитал, что даже если бы антиматерия была идеально изолирована, но вы посветили на нее фонариком, результирующее гамма-излучение могло бы убить вас за секунды. Ваша вакуумная камера, вероятно, не сделана из стекла или чего-то еще, так что это, вероятно, не проблема. Я просто нахожу забавным, что антивещество настолько изменчиво, что вы можете буквально умереть, посмотрев на него неправильно.

Ни одна из этих вещей не дисквалифицирует; оружие на антивеществе возможно при наличии достаточных усилий, финансирования и изобретательности.

Но, честно говоря, стоит ли оно того? Я бы сказал, что это главная причина, по которой оружие из антивещества непрактично: нам не нужно более сильное оружие. Никакие две ядерные державы никогда не воевали, потому что ядерные бомбы достаточно ужасны.

$^1$: Я предполагаю, что вся масса в конечном итоге будет преобразована в энергию с помощью старого доброго$E = m c^2$. Это небезопасное предположение для ядерного оружия, поскольку большая часть расщепляющегося материала выбрасывается взрывом до того, как он успевает высвободить свою массовую энергию. Но, по крайней мере, на Земле у антивещества нет этой проблемы. Как только антиматерия выйдет наружу, она будет продолжать взаимодействовать с окружающей материей, пока не исчезнет полностью.

Однако, как указывает пользователь 110866, куда именно пойдет эта энергия, очень сложно, поскольку здесь нет устойчивой цепной реакции, поэтому я не могу точно сказать, какая часть ее будет преобразована в тепло или ударную волну, а не просто сильно облучая окружающую среду. область.

Хранилище:

Антивещество нельзя хранить легко и безопасно. Как вы его содержите?

Риск для других вещей, таких как оборудование и персонал, кажется довольно большим. Больше, чем, скажем, при использовании термоядерного устройства.

Радиационные опасности.

Когда частица более сложная, чем электрон, аннигилирует со своей античастицей, в результате получается мешанина странных глюонов, чьи конечные дочерние частицы зависят от того, с чем еще они сталкиваются. Если вы не очень тщательно уничтожаете изолированные частицы, как это делают люди в физических экспериментах, вы можете получить такие продукты, как высокоэнергетические нейтроны и гамма-лучи, летающие вокруг. Это как раз те типы побочных продуктов, которые облучают окружающую среду реакции деления и создают радиоактивные осадки.

Если вы хотите убить кого-то, не превращая весь район в радиологически опасную зону, вам следует придерживаться низкоэнергетической физики, такой как обычная баллистика или взрывчатка. Может быть, хороший рельсотрон.

Вещи, которые будут использоваться в качестве оружия, требуют, чтобы у вас был специальный механизм «взведения». Хорошо, если механизм постановки на охрану избыточен по отношению к обычному узлу активации. Также хорошо, если механизм пассивный. Для производства оружия хорошо, если у вас есть пассивные прекурсоры и хранится небольшое количество нестабильного материала.

По определению в вооруженном конфликте противник почти наверняка попытается повредить вашу инфраструктуру (логистическую, техническую, административную). Современные методы безопасного хранения антивещества требуют постоянного питания.

Таким образом, в нынешнем представлении это оружие будет чем-то вроде ядерного оружия, только хуже (по крайней мере, ядерное оружие не взрывается при хранении). Вам бы не хотелось раздавать пешим войскам "гранаты на антивеществе" в масштабе 10000-х. Вы бы не хотели "пуль из антивещества" в миллионах - это было бы логистическим кошмаром во время вооруженного конфликта, сохраняя их в безопасности - наземные мины, неразорвавшиеся бомбы и так достаточно плохи, не имея неявного таймера и отравления гамма-излучением.

Итак, теперь давайте рассмотрим «классические» варианты использования.

• «суперядерное оружие» — пока вы не планируете взрывать планеты, термоядерные бомбы, кажется, хорошо работают для большинства применений.
• "мини-ядерное оружие" - ни один актор на государственном уровне не стал бы распространять такую ​​технологию. Использование для состояний неясно
• Разрывные боеприпасы - я мог бы представить, что они имеют смысл в очень ограниченных условиях, но это пограничный случай.

Единственный вариант использования (кроме разрушения планеты), который я мог бы предположить реалистичным, - это «управляемые радиационные мины». Вы проектируете защитную оболочку таким образом, чтобы получить значительное количество гамма-излучения, и вы управляете защитной оболочкой таким образом, чтобы оно было линейным, а не экспоненциальным. Так выставляешь нагрузку и таймер, и через несколько часов уже безопасно (если ничего сильно не активировалось для входа в зону), но до этого смертельное гамма-излучение (до этого у противника есть возможность уничтожить сдерживание - взрыв + сильный импульс радиации) или его экранирование. сделайте много маленьких из них и объедините это со скрытностью, вы можете включать и выключать облучение контролируемых противником областей в плохие для них времена.

Как указывали другие, антиматерию трудно как производить, так и содержать.

Наиболее известное свойство антиматерии состоит в том, что для каждой частицы материи существует противоположно заряженная, но в остальном идентичная «анти» частица. Полная картина немного сложнее, поскольку другие квантовые свойства также меняются местами. Например, антинейтроны электрически нейтральны, как и нейтроны, но имеют противоположный изоспин и поэтому сильно взаимодействуют, как протон. Таким образом, невозможно захватить антивещество в виде протон-антинейтронного или псевдодейтронного ядра.

Самая сложная часть производства заключается в том, что антиматерия создается только путем рассеяния фотонов очень высокой энергии на материю. Исключением является эмиссия позитронов, которая встречается очень редко. Таким образом, для производства антивещества потребуются очень большие машины (ускорители частиц), которые потребляют гораздо больше энергии, чем производят.

Единственные античастицы, которые могут быть захвачены, — это заряженные, поскольку они могут удерживаться в магнитных полях. К сожалению, группировка большого количества заряженных частиц создает электростатический дисбаланс, поскольку магнитные поля должны быть намного сильнее, чем электрические поля, которые они содержат, небольшое количество заряженной антиматерии требует непропорционально большого, но очень точного магнитного удержания, что также очень энергетически невыгодно.

Помимо производственных затрат, каковы основные недостатки использования антивещества?

Предполагая, что вы смогли преодолеть эти очевидные проблемы, есть еще несколько подзаголовков, которые необходимо учитывать при использовании антиматерии. @Cadence упомянула важную проблему продуктов аннигиляции пар. Чтобы уточнить, парная аннигиляция производит фотоны очень высокой энергии, которые имеют тенденцию рассеиваться и могут образовывать пары, если антинуклоны были аннигилированы. Таким образом, очень трудно получить контролируемое количество энергии от взаимодействия, и поэтому действительно было бы трудно использовать ее для движения.

Использование его в качестве оружия вызовет аналогичные проблемы. Вычислить массу покоя антивещества (умножить на 2) для расчета полной энергии, передаваемой при детонации, непросто, поскольку излучение высокой энергии будет рассеиваться.

Тип антиматерии будет важен, например, если используются только позитроны-электроны с низким KE, результирующая энергия будет слишком низкой, чтобы создавать пары при рассеянии, и фотоны будут распространяться во всех направлениях. Причина того, что ядерное оружие так невероятно разрушительно, заключается в том, что оно создает устойчивые ядерные реакции; производя цепи сильно экзотермических реакций и, таким образом, огромные взрывы. Аннигиляцию антивещества необходимо откалибровать по правильной энергетической шкале, чтобы вызвать аналогичные цепные реакции. Проникновение фотонов имеет тенденцию быть очень глубоким ниже порога образования пар, но это уменьшит тенденцию к возникновению поддерживающих реакций.