"Schilde hoch!" - Dies ist der erste Auftrag, der in der endlosen Serie "Star Trek" seiner Crew eine harte Stimme von Captain Kirk verleiht. Gehorsam gegenüber dem Befehl schaltet die Besatzung die Kraftfelder ein, um das Raumschiff "Enterprise" vor feindlichem Feuer zu schützen.
In der Star Trek-Geschichte sind Kraftfelder so wichtig, dass ihr Zustand den Ausgang eines Kampfes bestimmen kann. Sobald die Energie des Kraftfeldes erschöpft ist und der Rumpf der Enterprise Schläge erhält, wird er umso stärker zerquetscht. Schließlich wird eine Niederlage unvermeidlich.
Was ist ein Schutzkraftfeld? In der Science-Fiction ist es eine täuschend einfache Sache: eine dünne, unsichtbare und doch undurchdringliche Barriere, die Laserstrahlen und Raketen gleichermaßen leicht reflektieren kann. Auf den ersten Blick scheint das Kraftfeld so einfach zu sein, dass die Schaffung - und bald - der darauf basierenden Kampfschilde unvermeidlich erscheint. Sie erwarten also, dass nicht heute oder morgen ein unternehmungslustiger Erfinder bekannt geben wird, dass es ihm gelungen ist, ein Schutzkraftfeld zu erhalten. Aber die Wahrheit ist viel komplizierter.
Wie Edisons Glühbirne, die die moderne Zivilisation radikal verändert hat, kann das Kraftfeld ausnahmslos alle Aspekte unseres Lebens tiefgreifend beeinflussen. Das Militär würde das Kraftfeld nutzen, um unverwundbar zu werden und auf seiner Basis einen undurchdringlichen Schutzschild vor feindlichen Raketen und Kugeln zu schaffen. Theoretisch könnte man auf Knopfdruck Brücken, großartige Autobahnen und Straßen bauen. Ganze Städte würden wie durch Zauberei in der Wüste entstehen; Alles in ihnen, bis auf die Wolkenkratzer, würde ausschließlich aus Kraftfeldern gebaut werden. Kraftfeldkuppeln über Städten würden es ihren Einwohnern ermöglichen, Wetterereignisse willkürlich zu kontrollieren - Sturmwinde, Schneestürme, Tornados. Unter dem sicheren Baldachin des Kraftfeldes könnten Städte sogar am Grund der Ozeane gebaut werden. Glas, Stahl und Beton könnten völlig aufgegeben werden,Ersetzen aller Baumaterialien durch Kraftfelder.
Seltsamerweise stellt sich heraus, dass das Kraftfeld eines dieser Phänomene ist, die im Labor äußerst schwer zu reproduzieren sind. Einige Physiker glauben sogar, dass dies überhaupt nicht möglich sein wird, ohne seine Eigenschaften zu ändern.
Michael Faraday
Das Konzept des physikalischen Feldes stammt aus den Werken des großen britischen Wissenschaftlers des 19. Jahrhunderts. Michael Faraday.
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Faradays Eltern gehörten der Arbeiterklasse an (sein Vater war Schmied). Er selbst in den frühen 1800er Jahren. war ein Lehrling für den Buchbinder und hatte eine ziemlich elende Existenz. Der junge Faraday war jedoch fasziniert von dem jüngsten riesigen Durchbruch in der Wissenschaft - der Entdeckung der mysteriösen Eigenschaften zweier neuer Kräfte, Elektrizität und Magnetismus. Er verschlang eifrig alle Informationen, die ihm zu diesen Themen zur Verfügung standen, und besuchte Vorträge von Professor Humphrey Davy vom Royal Institute in London.
Professor Davy hat sich bei einem fehlgeschlagenen chemischen Experiment einmal schwer die Augen verletzt. brauchte eine Sekretärin, und er brachte Faraday in diese Position. Allmählich gewann der junge Mann das Vertrauen der Wissenschaftler der Royal Institution und konnte seine eigenen wichtigen Experimente durchführen, obwohl er oft eine abweisende Haltung ertragen musste. Im Laufe der Jahre wurde Professor Davy zunehmend eifersüchtig auf die Erfolge seines talentierten jungen Assistenten, der in experimentellen Kreisen zunächst als aufstrebender Stern galt und mit der Zeit den Ruhm von Davy selbst in den Schatten stellte. Erst nach Davys Tod im Jahr 1829 erhielt Faraday wissenschaftliche Freiheit und machte eine ganze Reihe überraschender Entdeckungen. Ihr Ergebnis war die Schaffung von Stromgeneratoren, die ganze Städte mit Energie versorgten und den Kurs der Weltzivilisation veränderten.
Der Schlüssel zu Faradays größten Entdeckungen waren Kraftfelder oder physische Felder. Wenn Sie Eisenspäne über einen Magneten legen und ihn schütteln, stellt sich heraus, dass die Späne in ein Muster passen, das einem Spinnennetz ähnelt und den gesamten Raum um den Magneten einnimmt. Die "Fäden des Netzes" sind die Faradayschen Kraftlinien. Sie zeigen deutlich, wie sich elektrische und magnetische Felder im Raum verteilen. Wenn Sie beispielsweise das Magnetfeld der Erde grafisch darstellen, werden Sie feststellen, dass die Linien von irgendwo im Nordpolgebiet stammen und dann zurückkehren und im Südpolgebiet wieder in die Erde gehen. Wenn Sie die Kraftlinien des elektrischen Blitzfeldes während eines Gewitters darstellen, stellt sich heraus, dass sie an der Spitze des Blitzes zusammenlaufen.
Der leere Raum für Faraday war überhaupt nicht leer; Es war voller Kraftlinien, die entfernte Objekte bewegen konnten.
(Faradays arme Jugend verhinderte, dass er eine formale Ausbildung erhielt, und er hatte wenig Mathematikkenntnisse. Infolgedessen waren seine Notizbücher nicht mit Gleichungen und Formeln gefüllt, sondern mit handgezeichneten Diagrammen von Feldlinien. Ironischerweise war es sein Mangel an mathematischer Ausbildung, der ihn dazu brachte, großartige Diagramme zu entwickeln Kraftlinien, die heute in jedem Physiklehrbuch zu sehen sind. Das physikalische Bild in der Wissenschaft ist oft wichtiger als der mathematische Apparat, mit dem es beschrieben wird.)
Historiker haben viele Annahmen darüber gemacht, was Faraday genau zur Entdeckung physikalischer Felder geführt hat - eines der wichtigsten Konzepte in der Geschichte der gesamten Weltwissenschaft. Tatsächlich ist die gesamte moderne Physik ausnahmslos in der Sprache der Faradayschen Felder geschrieben. 1831 machte Faraday eine wichtige Entdeckung auf dem Gebiet der physischen Felder, die unsere Zivilisation für immer veränderte. Als er eines Tages einen Magneten - ein Kinderspielzeug - über den Drahtrahmen trug, bemerkte er, dass im Rahmen elektrischer Strom erzeugt wurde, obwohl der Magnet ihn nicht berührte. Dies bedeutete, dass das unsichtbare Feld eines Magneten Elektronen dazu bringen konnte, sich in einiger Entfernung zu bewegen und einen Strom zu erzeugen.
Faradays Kraftfelder, die bis zu diesem Moment als nutzlose Bilder galten, die Frucht einer müßigen Fantasie, erwiesen sich als echte materielle Kraft, die Objekte bewegen und Energie erzeugen konnte. Heute können wir mit Sicherheit sagen, dass die Lichtquelle, mit der Sie diese Seite lesen, von Faradays Entdeckungen im Elektromagnetismus angetrieben wird. Der sich drehende Magnet erzeugt ein Feld, das die Elektronen in den Leiter drückt und sie in Bewegung versetzt, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird, der dann zur Stromversorgung der Glühbirne verwendet werden kann. Stromerzeuger basieren auf diesem Prinzip und versorgen Städte auf der ganzen Welt mit Energie. Zum Beispiel bewirkt ein Wasserstrahl, der von einem Damm fällt, dass sich ein riesiger Magnet in einer Turbine dreht. der Magnet drückt Elektronen in den Draht und bildet einen elektrischen Strom; Strom wiederumfließt durch Hochspannungskabel zu unseren Häusern.
Mit anderen Worten, Michael Faradays Kraftfelder sind genau die Kräfte, die die moderne Zivilisation antreiben, all ihre Erscheinungsformen - von elektrischen Lokomotiven bis zu den neuesten Computersystemen, dem Internet und Taschencomputern.
Seit anderthalb Jahrhunderten inspirieren Faradays physikalische Felder weitere Forschungen von Physikern. Einstein zum Beispiel war so stark beeinflusst, dass er seine Gravitationstheorie in der Sprache der physikalischen Felder formulierte. Faradays Werke haben mich auch stark beeindruckt. Vor einigen Jahren habe ich erfolgreich die Stringtheorie in Bezug auf Faradaysche physikalische Felder formuliert und damit den Grundstein für die Stringfeldtheorie gelegt. In der Physik bedeutet es, jemandem, den er mit Kraftlinien denkt, ein ernstes Kompliment zu machen.
Vier grundlegende Wechselwirkungen
Eine der größten Errungenschaften der Physik in den letzten zwei Jahrtausenden war die Identifizierung und Definition der vier Arten von Wechselwirkungen, die das Universum beherrschen. Alle von ihnen können in der Sprache der Felder beschrieben werden, denen wir Faraday verdanken. Leider hat jedoch keine der vier Arten die vollen Eigenschaften der Kraftfelder, die in den meisten Science-Fiction-Büchern beschrieben sind. Lassen Sie uns diese Arten der Interaktion auflisten.
1. Schwerkraft. Die stille Kraft, die unsere Füße davon abhält, die Stütze zu verlassen. Es lässt die Erde und die Sterne nicht zusammenbrechen, trägt zur Erhaltung der Integrität des Sonnensystems und der Galaxie bei. Ohne Schwerkraft würde uns die Drehung des Planeten mit einer Geschwindigkeit von 1.000 Meilen pro Stunde von der Erde in den Weltraum werfen. Das Problem ist, dass die Eigenschaften der Schwerkraft genau das Gegenteil der Eigenschaften fantastischer Kraftfelder sind. Die Schwerkraft ist die Anziehungskraft, nicht die Abstoßung; es ist extrem schwach - natürlich relativ; es funktioniert in enormen astronomischen Entfernungen. Mit anderen Worten, es ist fast das genaue Gegenteil der flachen, dünnen, undurchdringlichen Barriere, die in fast jedem Science-Fiction-Roman oder Film zu finden ist. Zum Beispiel wird eine Feder auf dem Boden vom ganzen Planeten angezogen - der Erde,Aber wir können die Schwerkraft der Erde leicht überwinden und die Feder mit einem Finger anheben. Der Aufprall eines unserer Finger kann die Schwerkraft eines ganzen Planeten überwinden, der mehr als sechs Billionen Kilogramm wiegt.
2. Elektromagnetismus (EM). Die Kraft, die unsere Städte beleuchtet. Laser, Radio, Fernsehen, moderne Elektronik, Computer, Internet, Elektrizität und Magnetismus sind alles Konsequenzen der Manifestation elektromagnetischer Wechselwirkungen. Es ist vielleicht die nützlichste Kraft, die die Menschheit im Laufe ihrer Geschichte nutzen konnte. Im Gegensatz zur Schwerkraft kann es sowohl zur Anziehung als auch zur Abstoßung wirken. Es ist jedoch aus mehreren Gründen nicht für die Rolle eines Kraftfelds geeignet. Erstens kann es leicht neutralisiert werden. Beispielsweise kann Kunststoff oder ein anderes nichtleitendes Material leicht ein starkes elektrisches oder magnetisches Feld durchdringen. Ein Stück Plastik, das in ein Magnetfeld geworfen wird, fliegt frei hindurch. Zweitens wirkt der Elektromagnetismus in großen Entfernungen, es ist nicht einfach, ihn in einer Ebene zu konzentrieren. Die Gesetze der EM-Wechselwirkung werden durch die Gleichungen von James Clerk Maxwell beschrieben, und es scheint, dass Kraftfelder keine Lösung für diese Gleichungen sind.
3 und 4. Starke und schwache nukleare Wechselwirkungen. Eine schwache Wechselwirkung ist die Kraft des radioaktiven Zerfalls, die den radioaktiven Kern der Erde erwärmt. Diese Kraft steckt hinter Vulkanausbrüchen, Erdbeben und Kontinentalplattendrift. Durch eine starke Wechselwirkung können die Atomkerne nicht zerfallen. Es versorgt die Sonne und die Sterne mit Energie und ist für die Beleuchtung des Universums verantwortlich. Das Problem ist, dass die nukleare Wechselwirkung nur in sehr geringen Entfernungen funktioniert, meist innerhalb des Atomkerns. Es ist so stark mit den Eigenschaften des Kerns selbst verbunden, dass es äußerst schwierig ist, ihn zu kontrollieren. Derzeit kennen wir nur zwei Möglichkeiten, um diese Wechselwirkung zu beeinflussen: Wir können ein subatomares Teilchen in einem Beschleuniger in Stücke zerbrechen oder eine Atombombe zur Detonation bringen.
Obwohl Science-Fiction-Schutzfelder nicht den bekannten Gesetzen der Physik entsprechen, gibt es Lücken, die wahrscheinlich in Zukunft die Erzeugung von Kraftfeldern ermöglichen. Erstens gibt es vielleicht eine fünfte Art grundlegender Interaktion, die noch niemand im Labor sehen konnte. Es kann sich beispielsweise herausstellen, dass diese Interaktion nur in Abständen von wenigen Zentimetern bis zu einem Fuß funktioniert - und nicht in astronomischen Abständen. (Richtig, die ersten Versuche, den fünften Interaktionstyp zu erkennen, führten zu negativen Ergebnissen.)
Zweitens können wir das Plasma möglicherweise dazu bringen, einige der Eigenschaften des Kraftfelds nachzuahmen. Plasma ist der "vierte Zustand der Materie". Die ersten drei uns bekannten Materiezustände sind fest, flüssig und gasförmig; Dennoch ist Plasma die häufigste Form von Materie im Universum: ein Gas aus ionisierten Atomen. Die Atome im Plasma sind nicht miteinander verbunden und frei von Elektronen und haben daher eine elektrische Ladung. Sie können leicht mit elektrischen und magnetischen Feldern gesteuert werden.
Die sichtbare Materie des Universums existiert größtenteils in Form verschiedener Arten von Plasma; Daraus entstehen Sonne, Sterne und interstellares Gas. Im normalen Leben begegnen wir fast nie Plasma, weil dieses Phänomen auf der Erde selten ist; Trotzdem ist das Plasma zu sehen. Alles, was Sie tun müssen, ist einen Blick auf den Blitz, die Sonne oder einen Plasma-Fernseher zu werfen.
Plasmafenster
Wie oben erwähnt, ist es möglich, das Gas unter Verwendung magnetischer und elektrischer Felder zu halten und zu formen, wenn es auf eine ausreichend hohe Temperatur erhitzt wird und somit Plasma erhalten wird. Beispielsweise kann Plasma wie eine Folie oder ein Fensterglas geformt sein. Darüber hinaus kann ein solches "Plasmafenster" als Trennwand zwischen Vakuum und gewöhnlicher Luft verwendet werden. Auf diese Weise wäre es im Prinzip möglich, die Luft im Raumschiff zu halten und zu verhindern, dass sie in den Weltraum entweicht. Plasma bildet in diesem Fall eine bequeme transparente Hülle, die Grenze zwischen offenem Raum und Schiff.
In Star Trek wird das Kraftfeld teilweise verwendet, um das Abteil zu isolieren, in dem sich das kleine Space Shuttle befindet und von wo aus es aus dem Weltraum startet. Und es ist nicht nur ein cleverer Trick, um Geld für Dekorationen zu sparen. Ein solcher transparenter unsichtbarer Film kann erzeugt werden.
Das Plasmafenster wurde 1995 vom Physiker Eddie Gershkovich am Brookhaven National Laboratory (Long Island, New York) erfunden. Dieses Gerät wurde entwickelt, um ein weiteres Problem zu lösen - das Problem des Schweißens von Metallen mit einem Elektronenstrahl. Der Acetylenbrenner des Schweißers schmilzt das Metall mit einem heißen Gasstrom und verbindet dann die Metallteile miteinander. Es ist bekannt, dass der Elektronenstrahl Metalle schneller, sauberer und billiger als herkömmliche Schweißverfahren schweißen kann. Das Hauptproblem beim Elektronenschweißverfahren besteht darin, dass es im Vakuum durchgeführt werden muss. Diese Anforderung ist sehr unpraktisch, da eine Vakuumkammer gebaut werden muss - vielleicht so groß wie ein ganzer Raum.
Um dieses Problem zu lösen, erfand Dr. Gershkovich das Plasmafenster. Dieses Gerät ist nur 3 Fuß hoch und 1 Fuß im Durchmesser; es erwärmt das Gas auf eine Temperatur von 6500 ° C und erzeugt so ein Plasma, das sofort in die Falle elektrischer und magnetischer Felder fällt. Plasmapartikel üben wie Partikel eines Gases einen Druck aus, der verhindert, dass Luft in die Vakuumkammer eindringt und diese füllt. (Bei Verwendung in einem Plasmafenster strahlt Argon genau wie das Kraftfeld in Star Trek einen bläulichen Schimmer aus.)
Das Plasmafenster wird offensichtlich in der Raumfahrtindustrie und in der Industrie breite Anwendung finden. Selbst in der Industrie erfordert Mikrobearbeitung und Trockenätzen oft ein Vakuum, aber die Verwendung in einem Herstellungsprozess kann sehr teuer sein. Mit der Erfindung des Plasmafensters wird es nun einfach und kostengünstig, ein Vakuum auf Knopfdruck zu halten.
Aber kann ein Plasmafenster als undurchdringlicher Schutzschild verwendet werden? Wird es vor einem Kanonenschuss schützen? Man kann sich das zukünftige Auftreten von Plasmafenstern mit viel höherer Energie und Temperatur vorstellen, die für die Verdunstung von hineinfallenden Gegenständen ausreichen. Um jedoch ein realistischeres Kraftfeld mit aus der Science-Fiction bekannten Eigenschaften zu erzeugen, ist eine mehrschichtige Kombination mehrerer Technologien erforderlich. Jede Schicht ist möglicherweise nicht stark genug, um eine Kanonenkugel zu stoppen, aber zusammen können mehrere Schichten ausreichend sein.
Versuchen wir uns die Struktur eines solchen Kraftfeldes vorzustellen. Die äußere Schicht, wie beispielsweise ein aufgeladenes Plasmafenster, wurde auf eine Temperatur erwärmt, die ausreicht, um Metalle zu verdampfen. Die zweite Schicht könnte ein Vorhang aus energiereichen Laserstrahlen sein. Ein solcher Vorhang aus Tausenden sich kreuzenden Laserstrahlen würde ein räumliches Gitter erzeugen, das durch ihn hindurchtretende Objekte erwärmen und effektiv verdampfen würde. Wir werden im nächsten Kapitel mehr über Laser sprechen.
Ferner können Sie sich hinter dem Laservorhang ein räumliches Gitter aus "Kohlenstoffnanoröhren" vorstellen - winzige Röhren, die aus einzelnen Kohlenstoffatomen bestehen und deren Wände ein Atom dick sind. Somit sind Rohre um ein Vielfaches stärker als Stahl. Die längste Kohlenstoffnanoröhre der Welt ist derzeit nur etwa 15 mm lang, aber wir können bereits den Tag vorhersehen, an dem wir Kohlenstoffnanoröhren beliebiger Länge herstellen können. Nehmen wir an, dass ein räumliches Netzwerk aus Kohlenstoffnanoröhren gewebt werden kann. In diesem Fall erhalten wir einen extrem haltbaren Bildschirm, der die meisten Objekte widerspiegeln kann. Dieser Bildschirm ist unsichtbar, da jede einzelne Nanoröhre in der Dicke mit einem Atom vergleichbar ist, das räumliche Netzwerk der Kohlenstoffnanoröhren jedoch die Festigkeit jedes anderen Materials übertrifft.
Wir haben also Grund zu der Annahme, dass die Kombination eines Plasmafensters, eines Laservorhangs und eines Bildschirms aus Kohlenstoffnanoröhren als Grundlage für die Schaffung einer nahezu undurchdringlichen unsichtbaren Wand dienen kann.
Aber selbst ein solcher mehrschichtiger Schild kann nicht alle Eigenschaften demonstrieren, die Science-Fiction einem Kraftfeld zuschreibt. Es ist also transparent, was bedeutet, dass der Laserstrahl nicht gestoppt werden kann. Im Kampf mit Laserkanonen sind unsere mehrschichtigen Schilde unbrauchbar.
Um den Laserstrahl zu stoppen, muss die Abschirmung zusätzlich zu den oben genannten eine stark ausgeprägte Eigenschaft von "photochromatisch" oder variabler Transparenz aufweisen. Gegenwärtig werden Materialien mit solchen Eigenschaften bei der Herstellung von Sonnenbrillen verwendet, die sich verdunkeln können, wenn sie UV-Strahlung ausgesetzt werden. Eine variable Transparenz des Materials wird durch die Verwendung von Molekülen erreicht, die in mindestens zwei Zuständen existieren können. In einem Zustand der Moleküle ist ein solches Material transparent. Unter dem Einfluss von UV-Strahlung wechseln die Moleküle jedoch sofort in einen anderen Zustand und das Material verliert seine Transparenz.
Vielleicht können wir eines Tages mithilfe der Nanotechnologie eine Substanz erhalten, die so stark wie Kohlenstoffnanoröhren ist und deren optische Eigenschaften ändern können, wenn sie einem Laserstrahl ausgesetzt werden. Ein Schild aus einer solchen Substanz kann nicht nur Partikelströme oder Kanonenhülsen stoppen, sondern auch einen Laserschlag. Derzeit gibt es jedoch keine Materialien mit variabler Transparenz, die den Laserstrahl stoppen können.
Magnetschwebetechnik
In der Science-Fiction haben Kraftfelder neben der Abwehr von Treffern durch Strahlenwaffen eine weitere Funktion: Sie dienen als Unterstützung, mit der Sie die Schwerkraft überwinden können. In Back to the Future fährt Michael Fox ein Hoverboard oder Floating Board. Dieses Ding ähnelt in allem einem bekannten Skateboard, nur dass es durch die Luft über der Erdoberfläche "reitet". Die Gesetze der Physik, wie wir sie heute kennen, erlauben nicht die Implementierung eines solchen Anti-Schwerkraft-Geräts (wie wir in Kapitel 10 sehen werden). Aber Sie können sich in Zukunft die Schaffung anderer Geräte vorstellen - schwimmende Bretter und schwimmende Autos auf einem Magnetkissen; Mit diesen Maschinen können wir große Gegenstände leicht anheben und halten. Wenn in Zukunft "Supraleitung bei Raumtemperatur" zu einer erschwinglichen Realität wird,Eine Person kann Objekte mithilfe von Magnetfeldern in die Luft heben.
Wenn wir den Nordpol eines Permanentmagneten zum Nordpol eines anderen Magneten desselben Magneten bringen, stoßen sich die Magnete gegenseitig ab. (Wenn wir einen der Magnete umdrehen und ihn mit seinem Südpol zum Nordpol des anderen bringen, werden zwei Magnete angezogen.) Das gleiche Prinzip - dass sich die gleichen Pole der Magnete abstoßen - kann verwendet werden, um große Gewichte vom Boden zu heben. In mehreren Ländern werden bereits technisch fortschrittliche Magnetfederzüge gebaut. Solche Züge fahren nicht entlang der Gleise, sondern in minimalem Abstand über ihnen. gewöhnliche Magnete halten sie im Gewicht. Züge scheinen in der Luft zu schweben und können dank Null Reibung Rekordgeschwindigkeiten erreichen.
Das weltweit erste kommerzielle automatisierte Transportsystem mit Magnetfederung wurde 1984 in der britischen Stadt Birmingham eingeführt. Es verband das Terminal des internationalen Flughafens mit dem nahe gelegenen Bahnhof. Magnetschwebebahnen fahren auch in Deutschland, Japan und Korea, obwohl die meisten nicht für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt sind. Der erste kommerzielle Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebebahn fährt in Shanghai auf einem fahrenden Streckenabschnitt. Dieser Zug fährt mit einer Geschwindigkeit von bis zu 431 km / h auf der Autobahn. Ein japanischer Magnetschwebebahn in der Präfektur Yamanashi beschleunigte auf eine Geschwindigkeit von 581 km / h - das heißt, er bewegte sich viel schneller als herkömmliche Züge auf Rädern.
Magnetisch hängende Geräte sind jedoch extrem teuer. Eine Möglichkeit, ihren Wirkungsgrad zu steigern, ist die Verwendung von Supraleitern, die beim Abkühlen auf Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ihren elektrischen Widerstand vollständig verlieren. Das Phänomen der Supraleitung wurde 1911 von Heike Kamerling-Onnes entdeckt. Sein Kern war, dass einige Substanzen, wenn sie auf eine Temperatur unter 20 K (20 ° über dem absoluten Nullpunkt) abgekühlt werden, jeglichen elektrischen Widerstand verlieren. Wenn das Metall abgekühlt wird, nimmt sein elektrischer Widerstand in der Regel allmählich ab. {Tatsache ist, dass zufällige Schwingungen von Atomen die Richtungsbewegung von Elektronen in einem Leiter stören. Wenn die Temperatur abnimmt, nimmt der Bereich zufälliger Schwankungen ab und Elektrizität erfährt weniger Widerstand.) Aber Kamerling-Onnes stellte zu seinem eigenen Erstaunen festdass der Widerstand einiger Materialien bei einer bestimmten kritischen Temperatur stark auf Null abfällt.
Die Physiker haben die Bedeutung dieses Ergebnisses sofort verstanden. Über große Entfernungen gehen in Übertragungsleitungen erhebliche Mengen an Strom verloren. Aber wenn der Widerstand beseitigt werden könnte, könnte Elektrizität für fast nichts überall übertragen werden. Im Allgemeinen könnte ein elektrischer Strom, der in einem geschlossenen Stromkreis angeregt wird, Millionen von Jahren ohne Energieverlust darin zirkulieren. Darüber hinaus wäre es aus diesen außergewöhnlichen Strömen nicht schwierig, Magnete mit unglaublicher Kraft zu erzeugen. Und mit solchen Magneten wäre es möglich, große Lasten ohne Anstrengung zu heben.
Trotz der wunderbaren Möglichkeiten von Supraleitern ist ihre Verwendung sehr schwierig. Es ist sehr teuer, große Magnete in Tanks mit extrem kalten Flüssigkeiten aufzubewahren. Um Flüssigkeiten kalt zu halten, wären riesige kalte Fabriken erforderlich, die die Kosten für supraleitende Magnete auf himmelhohe Höhen erhöhen und sie unrentabel machen würden.
Aber eines Tages könnten Physiker in der Lage sein, eine Substanz herzustellen, die auch bei Erwärmung auf Raumtemperatur supraleitende Eigenschaften beibehält. Supraleitung bei Raumtemperatur ist der heilige Gral der Festkörperphysiker. Die Herstellung solcher Substanzen dürfte der Beginn der zweiten industriellen Revolution sein. Die starken Magnetfelder, die Autos und Züge hängen lassen können, werden so billig, dass selbst „gleitende Autos“wirtschaftlich rentabel sein können. Es ist sehr wahrscheinlich, dass mit der Erfindung von Supraleitern, die ihre Eigenschaften bei Raumtemperatur behalten, die fantastischen Flugmaschinen, die wir in den Filmen "Zurück in die Zukunft", "Minority Report" und "Star Wars" sehen, Realität werden.
Grundsätzlich ist es durchaus denkbar, dass eine Person einen speziellen Gürtel aus supraleitenden Magneten anlegen kann, der es ihr ermöglicht, frei über dem Boden zu schweben. Mit einem solchen Gürtel könnte man wie Superman durch die Luft fliegen. Im Allgemeinen ist die Supraleitung bei Raumtemperatur ein so bemerkenswertes Phänomen, dass die Erfindung und Verwendung solcher Supraleiter in vielen Science-Fiction-Romanen beschrieben wird (wie in der Reihe von Romanen über die Ringwelt, die 1970 von Larry Niven erstellt wurde).
Seit Jahrzehnten suchen Physiker erfolglos nach Substanzen, die bei Raumtemperatur supraleitend sind. Es war ein langwieriger, langweiliger Prozess - durch Versuch und Irrtum danach zu suchen und ein Material nach dem anderen zu testen. 1986 wurde jedoch eine neue Klasse von Substanzen entdeckt, die als "Hochtemperatursupraleiter" bezeichnet wurden. Diese Substanzen erlangten Supraleitung bei Temperaturen in der Größenordnung von 90 ° über dem absoluten Nullpunkt oder 90 K. Diese Entdeckung wurde zu einer echten Sensation in der Welt der Physik. Die Luftschleuse schien sich geöffnet zu haben. Monat für Monat konkurrierten Physiker miteinander, um einen neuen Weltrekord für Supraleitung aufzustellen. Für eine Weile schien es sogar so, als würde die Supraleitung bei Raumtemperatur von den Seiten der Science-Fiction-Romane verschwinden und Realität werden. Nach mehreren Jahren rasanter Entwicklung begann sich die Forschung auf dem Gebiet der Hochtemperatursupraleiter zu verlangsamen.
Derzeit gehört der Weltrekord für Hochtemperatursupraleiter zu einer Substanz, bei der es sich um ein komplexes Oxid aus Kupfer, Calcium, Barium, Thallium und Quecksilber handelt, das bei 138 K (-135 ° C) supraleitend wird. Diese relativ hohe Temperatur ist noch sehr weit von der Raumtemperatur entfernt. Dies ist aber auch ein wichtiger Meilenstein. Stickstoff wird bei 77 K flüssig und flüssiger Stickstoff kostet ungefähr das gleiche wie normale Milch. Daher kann zum Kühlen von Hochtemperatursupraleitern gewöhnlicher flüssiger Stickstoff verwendet werden, der kostengünstig ist. (Natürlich müssen Supraleiter, die bei Raumtemperatur so bleiben, überhaupt nicht gekühlt werden.)
Eine andere Sache ist unangenehm. Derzeit gibt es keine Theorie, die die Eigenschaften von Hochtemperatursupraleitern erklären würde. Darüber hinaus erhält ein unternehmungslustiger Physiker, der erklären kann, wie er arbeitet, einen Nobelpreis. (In den bekannten Hochtemperatursupraleitern sind Atome in genau definierten Schichten organisiert. Viele Physiker schlagen vor, dass es die Schichtung des Keramikmaterials ist, die es den Elektronen ermöglicht, sich in jeder Schicht frei zu bewegen und so Supraleitung zu erzeugen. Aber wie und warum dies geschieht, ist immer noch ein Rätsel.)
Mangelndes Wissen zwingt die Physiker, durch Versuch und Irrtum auf altmodische Weise nach neuen Hochtemperatursupraleitern zu suchen. Dies bedeutet, dass die berüchtigte Supraleitung bei Raumtemperatur jederzeit, morgen, in einem Jahr oder überhaupt nicht entdeckt werden kann. Niemand weiß, wann ein Stoff mit solchen Eigenschaften gefunden wird und ob er überhaupt gefunden wird.
Wenn jedoch Supraleiter bei Raumtemperatur entdeckt werden, wird ihre Entdeckung wahrscheinlich eine große Welle neuer Erfindungen und kommerzieller Anwendungen hervorrufen. Magnetfelder, die millionenfach stärker sind als das Erdmagnetfeld (0,5 Gauß), können an der Tagesordnung sein.
Eine der Eigenschaften aller Supraleiter ist der Meissner-Effekt. Wenn Sie einen Magneten über einen Supraleiter legen, schwebt der Magnet in der Luft, als würde er von einer unsichtbaren Kraft unterstützt. [Der Grund für den Meissner-Effekt ist, dass der Magnet die Eigenschaft hat, ein eigenes "Spiegelbild" im Inneren des Supraleiters zu erzeugen, so dass sich der reale Magnet und seine Reflexion gegenseitig abstoßen. Eine weitere grafische Erklärung für diesen Effekt ist, dass ein Supraleiter für ein Magnetfeld undurchdringlich ist. Es drückt irgendwie das Magnetfeld aus. Wenn Sie einen Magneten über einem Supraleiter platzieren, werden daher die Kraftlinien des Magneten beim Kontakt mit dem Supraleiter verzerrt. Diese Kraftlinien drücken den Magneten nach oben und lassen ihn schweben.)
Wenn die Menschheit die Möglichkeit bekommt, den Meißner-Effekt zu nutzen, kann man sich die Autobahn der Zukunft mit einer Beschichtung aus solchen Spezialkeramiken vorstellen. Dann können wir mit Hilfe von Magneten, die an unserem Gürtel oder am Boden des Autos angebracht sind, auf magische Weise über die Straße schweben und ohne Reibung oder Energieverlust zu unserem Ziel eilen.
Der Meissner-Effekt funktioniert nur mit magnetischen Materialien wie Metallen, aber supraleitende Magnete können auch zum Schweben nichtmagnetischer Materialien verwendet werden, die als Paramagnete oder Diamagnete bekannt sind. Diese Substanzen an sich sind nicht magnetisch; sie erwerben sie nur in Gegenwart und unter dem Einfluss eines externen Magnetfeldes. Paramagnete werden von einem externen Magneten angezogen, Diamagnete werden abgestoßen.
Wasser ist zum Beispiel diamagnetisch. Da alle Lebewesen aus Wasser bestehen, können auch sie in Gegenwart eines starken Magnetfeldes schweben. In einem Feld mit einer magnetischen Induktion von etwa 15 T (30.000-mal stärker als das Erdmagnetfeld) ist es Wissenschaftlern bereits gelungen, kleine Tiere wie Frösche zum Schweben zu bringen. Wenn jedoch die Supraleitung bei Raumtemperatur Realität wird, können große nichtmagnetische Objekte unter Ausnutzung ihrer diamagnetischen Eigenschaften in die Luft gehoben werden.
Zusammenfassend stellen wir fest, dass Kraftfelder in der Form, in der Science-Fiction-Literatur sie normalerweise beschreibt, nicht mit der Beschreibung der vier grundlegenden Wechselwirkungen in unserem Universum übereinstimmen. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, dass eine Person in der Lage sein wird, viele der Eigenschaften dieser fiktiven Felder mithilfe von mehrschichtigen Abschirmungen nachzuahmen, einschließlich Plasmafenstern, Laservorhängen, Kohlenstoffnanoröhren und Substanzen mit variabler Transparenz. In Wirklichkeit kann ein solcher Schild jedoch nur in wenigen Jahrzehnten oder sogar in einem Jahrhundert entwickelt werden. Und wenn die Supraleitung bei Raumtemperatur entdeckt wird, hat die Menschheit die Möglichkeit, starke Magnetfelder zu nutzen. Vielleicht wird es mit ihrer Hilfe möglich sein, Autos und Züge in die Luft zu heben, wie wir in Science-Fiction-Filmen sehen.
Unter Berücksichtigung all dessen würde ich Kraftfelder als Klasse I der Unmöglichkeit klassifizieren, dh sie als etwas definieren, das für die heutigen Technologien unmöglich ist, aber in einer modifizierten Form innerhalb des nächsten Jahrhunderts oder so implementiert wird.
