Military technologies based upon new physical principles

Sobolev Vladislav Evgen'evich director for information technology at NTS-Komcentr Company 109147, Russia, Moscow, str. Nizhegorodskaya, 1A qutrit@mail.ru Other publications by this author

Согласно военной доктрине Российской Федерации, наша страна «оставляет за собой право применить ядерное оружие в ответ на применение против нее и (или) ее союзников ядерного и других видов оружия массового поражения, а также в случае агрессии против Российской Федерации с применением обычного оружия, когда под угрозу поставлено само существование государства».

Ядерное оружие является одним из основных сдерживающих факторов в современной геополитической обстановке. Это обусловлено тем очевидным фактом, что полномасштабное применение ядерного оружия против любой страны-агрессора приведет к ее уничтожению либо, по меньшей мере, нанесению ей колоссального ущерба.

Как известно, предпосылкой для начала разработки ядерного (атомного) оружия в рамках военного проекта США под кодовым названием «Манхэттен» стали проведенные в конце 1930-х гг. работы Л. Силарда и Э. Ферми, показавшие принципиальную возможность запуска цепной ядерной реакции. Эти работы явились причиной обращения А. Эйнштейна к президенту США Ф. Рузвельту в письме, в котором отмечалась необходимость начать работы по созданию оружия, основанного на новых физических принципах – атомной бомбы. При этом А. Эйнштейн отмечал, что атомная бомба может оказаться слишком тяжелой для ее доставки по воздуху на самолете, однако полагал, что ее можно будет доставить в порт противника на корабле и взорвать, уничтожив порт и прилегающую территорию ^[1].

Обозначенная А. Эйнштейном проблема доставки ядерного боеприпаса к цели актуальна и в настоящее время. Несмотря на появление современных баллистических ракет, существенно превосходящих по своим характеристикам как крылатые ракеты, так и самолеты, которые исторически являлись первыми средствами доставки ядерного оружия, все существующие в настоящее время средства доставки имеют общий недостаток, обусловленный ограничением на скорость полета.

Очевидно, что скорость нанесения удара по цели является ключевым фактором в любом военном конфликте, с применением любого вида оружия, в том числе при нанесении ракетно-ядерного удара. Чем выше скорость нанесения удара, тем выше вероятность успешного поражения цели до того, как противник успеет принять меры защиты и нанести ответный удар. Чем больше расстояние до цели, тем более важной является скорость нанесения удара. Фактор скорости становится наиболее важным при ведении боевых действий на больших расстояниях, в том числе в космическом пространстве. По всей вероятности, эта проблема приобретет особую актуальность уже в ближайшие десятилетия вследствие начала реализации Россией и США соответствующих космических программ по колонизации Луны и Марса.

Поскольку максимальной скоростью распространения материи, возможной в рамках существующих в современной физике теоретических представлений, является скорость света, т. е. скорость распространения электромагнитных волн в вакууме (ок. 300 тыс. км/с), то очевидно, что максимальной скоростью поражения цели обладает оружие, способное доставлять боевой заряд (или любой другой поражающий элемент) до цели со скоростью света. Все существующие типы ракет осуществляют движение со скоростями на порядки ниже, чем скорость света. Очевидно, что задача практического создания ракет, способных перемещаться со скоростью света, является невозможной не только в настоящее время, но и, видимо, будет нереализуемой даже в отдаленной перспективе, поскольку теория относительности накладывает ограничения на возможность движения массивных объектов со световыми скоростями. Со скоростью света в вакууме распространяется, по определению, сам свет, а также другие виды электромагнитного излучения (квантом которого является фотон – безмассовая частица). Массивные частицы (электроны, протоны и т. д.) не могут двигаться со скоростью света, однако способны достигать скоростей, близких к световой, что позволяет создать пучковое (ускорительное) оружие ^[2], основанное на принципе нанесения удара пучком частиц, движущихся с околосветовыми скоростями. Однако задача разгона массивной ракеты до околосветовой скорости является несоизмеримо более сложной, чем разгон частиц в ускорителе, поскольку, во-первых, огромная масса ракеты предполагает необходимость огромных мощностей для создания реактивной тяги, необходимой для достижения околосветовой скорости, а во-вторых, потребуется решить проблему создания материалов для постройки ракеты, способных выдерживать движение с такими скоростями.

Реактивное движение основано на законе сохранения импульса и сводится к выбросу рабочего тела в направлении, противоположном требуемому направлению движения ракеты. При этом скорость движения ракеты напрямую зависит от скорости выброса рабочего тела, однако ни химические, ни ядерные реакции, известные в настоящее время, не позволяют достичь скоростей истечения рабочего тела, достаточных для разгона ракеты до околосветовых скоростей.

В свою очередь, электромагнитное поле способно распространяться со скоростью света без необходимости дополнительного разгона, поскольку скорость света – это естественная скорость распространения электромагнитного поля. Этот фундаментальный факт позволяет сказать, что в отношении скорости распространения поражающего фактора до цели наибольшим преимуществом перед всеми другими видами оружия обладает оружие, основанное на принципе направленного распространения электромагнитного поля (электромагнитных волн). На этом принципе основаны, в частности, широко используемые в настоящее время средства радиоэлектронной борьбы (РЭБ) ^[3], суть которых сводится к нарушению функционирования и выведению из строя радиоэлектронных систем противника посредством направленного электромагнитного излучения.

Следует отметить, что поскольку электромагнитные поля способны оказывать воздействие не только на радиоэлектронные системы, но и на биологические объекты, в том числе и на человека, то этот принцип может использоваться для воздействия электромагнитными излучениями на войска и население. Такое оружие известно как радиочастотное. Его поражающее действие основано на использовании электромагнитных излучений сверхвысокой или чрезвычайно низкой частоты. Примером практической реализации радиочастотного оружия является разработанная в США «Система активного отбрасывания» (англ. Active Denial System) ^[4].

В зависимости от применяемого частотного диапазона и других характеристик электромагнитного излучения радиочастотное оружие может оказывать широкий спектр поражающего воздействия на организм человека, вплоть до летального. Это позволяет осуществлять уничтожение живой силы противника, не разрушая при этом инженерную и транспортную инфраструктуру городов, как это происходит, например, при ракетно-бомбовом ударе. Однако важным недостатком такого оружия является тот фундаментальный факт, что электромагнитные волны могут быть экранированы как природными средами, так и искусственными материалами, что делает невозможным поражение подземных и подводных целей, а также любых целей, находящихся в укрытиях, обеспечивающих защиту от электромагнитных излучений.

К отдельному виду оружия направленной электромагнитной энергии относится лазерное оружие. Созданием лазерного оружия в настоящее время занимается, в частности, компания Lockheed Martin (США), неоднократно демонстрировавшая практические результаты своих работ по созданию лазерного оружия наземного базирования ^[5]. По заказу ВМС США аналогичные работы по созданию лазерного оружия для размещения на боевых кораблях ведет компания Northrop Grumman ^[6]. Несомненно, что дальнейшая разработка систем лазерного и других видов электромагнитного оружия приведет к появлению и внедрению новых стратегий и тактик ведения боевых действий. В сравнении со скоростью движения современных ракет лазерный импульс движется чрезвычайно быстро, что позволяет рассматривать лазерное оружие как эффективное средство ПРО.

Существующие в настоящее время системы лазерного оружия обладают недостатками, связанными прежде всего с необходимостью оснащать такие системы массивными источниками энергии, способными генерировать лазерный импульс достаточной мощности. Этим же обусловлен и тот факт, что известные в настоящее время системы лазерного оружия способны поражать цели лишь на относительно небольших расстояниях. Однако очевидно, что дальнейшие работы в этом направлении приведут к созданию боевых лазерных систем, способных поражать любые цели на дистанциях, достаточных для ведения военных действий не только на Земле, но и в космосе.

Однако интуитивно представляется, что было бы ошибкой считать, что развитие военных технологий будет идти по ортоэволюционному пути. Одним из первых на эту проблему, без связи с военными технологиями, а применительно к развитию цивилизации вообще, обратил внимание С. Лем ^[7], отмечавший ошибочность ортоэволюционных сценариев развития цивилизации, т. е. таких сценариев, в рамках которых технологическое развитие происходит как эволюция по прямой, без качественных изменений. В контексте ортоэволюционных сценариев развития технологий древние греки, например, представляли бы будущее как мир, в котором океаны бороздят огромные весельные суда с веслами километрового размера, а человек каменного века видел бы будущее, в котором везде используются очень остро отточенные камни. Очевидно, что подобное ортоэволюционное прогнозирование является ошибочным.

Было бы наивным полагать, что технологии будущего будут отличаться от существующих в настоящее время известных нам технологий лишь количественно: ракеты станут быстрее, а лазеры мощнее. Как отмечал Т. Кун ^[8], анализируя историю развития науки, в действительности развитие научного знания происходит не по прямой, а скачкообразно, в результате научных революций. Каждая такая революция приводит к смене научной парадигмы, т. е. к качественному изменению доминирующих научных представлений. В свою очередь это приводит к появлению принципиально новых технологий и к качественному скачку в технологическом развитии.

Далее мы рассмотрим физические принципы, которые теоретически могут быть положены в основу создания качественно новых видов оружия.

Можно высказать уверенность, что уже в ближайшем будущем основой для технологического прорыва станет практическое использование геометрических и топологических свойств пространства-времени. Тот факт, что физические явления могут быть обусловлены геометрией пространства-времени, стал очевиден с момента создания общей теории относительности (ОТО), в которой впервые была показана тесная связь физики с геометрией: такой физический объект как гравитационное поле выражается в ОТО через кривизну пространства-времени.

В настоящее время одной из наиболее перспективных теорий, способных обеспечить объединение и геометризацию всех известных физических взаимодействий, является обобщение различных суперструнных теорий в виде М-теории  ^{[9, 10]}, в которой пространство-время оказывается 11-мерным. Базовым объектом в М-теории является не точечная частица, а многомерная мембрана, представляющая собой протяженный объект с двумя или большим числом измерений. В зависимости от того, как именно вибрируют мембраны в 11-мерном пространстве, человек может воспринимать это в своем трехмерном евклидовом пространстве как, например, массу, заряд или спин частицы. Таким образом, любая наблюдаемая человеком форма материи или энергии является проявлением различных взаимодействий мембран в многомерном пространстве.

Существование дополнительных измерений предполагает наличие множества геометрических и топологических свойств пространства-времени, использование которых может стать основой для разработки широкого комплекса прорывных технологий в самых разных областях. Технологии, основанные на использовании многомерности пространства-времени, можно назвать многомерными технологиями. В частности, в рамках одной из работ по данной теме нами было показано ^[11], что многомерные технологии могут быть положены в основу создания принципиально новых систем кодирования и записи информации, которые гипотетически могут использоваться инопланетными цивилизациями. Очевидно, что понимание принципов кодирования информации, используемых противником, имеет огромное значение при перехвате вражеских сообщений. Как известно, криптоанализ немецкой шифровальной машины «Энигма» британскими спецслужбами, который привел к возможности расшифровки сообщений, внес заметный вклад в поражение Германии во второй мировой войне.

Также можно говорить о теоретической возможности создания многомерных систем связи, основанных на передаче информации по дополнительным пространственным измерениям. Такой способ передачи информации обеспечивает принципиальную невозможность обнаружения и перехвата передаваемых сообщений традиционными способами, основанными на использовании детекторов, работающих в рамках трехмерной евклидовой геометрии. В качестве частного случая практической реализации многомерных устройств записи и хранения информации можно рассматривать спинтронные носители информации, элементом памяти в которых является спин ^[12].

Спин представляет собой такой же независимый параметр частиц как масса и заряд (при этом некоторые частицы могут обладать нулевым спином, так же как есть частицы с нулевым электрическим зарядом или с нулевой массой покоя). Важно отметить, что все существующие в настоящее время электротехнические устройства и системы радио- и электросвязи для своей работы используют поступательное движение заряженных частиц (электронов) и электромагнитных полей (волн) в рамках трехмерного евклидова пространства. В этом смысле все эти устройства являются трехмерными, поскольку функционируют в рамках трех пространственных измерений. Принципиальным отличием спинтронных устройств от устройств традиционной электроники является использование спиновой степени свободы, которая не связана с поступательным (трансляционным) движением в трехмерном евклидовом пространстве, а фактически представляет собой независимую степень свободы. Таким образом, спинтронные устройства можно назвать многомерными, поскольку, в отличие от обычной электроники, рассматривающей лишь трансляционное движение частиц в рамках трехмерного пространства, т. е. пространства с тремя степенями свободы, спинтронные устройства учитывают и дополнительную – спиновую – степень свободы.

Важным свойством спина является то, что в отличие от массы и заряда, спин частицы является не постоянным, а может принимать одно из двух значений: «спин вверх» и «спин вниз», т. е. фактически спин можно рассматривать как бинарный элемент. При этом, в отличие от массы и заряда, спин возможно изменить внешним воздействием, т. е. можно менять спин частицы с состояния «спин вверх» на «спин вниз» и наоборот. Это свойство спина позволяет говорить о возможности создания широкого комплекса технологий управления спином. В частности, такие технологии положены в основу активно разрабатываемых в настоящее время квантовых компьютеров ^[13], элементом памяти которых является спин (кубит). В 2012 г. компания IBM (США) объявила ^[14] о прорыве в области спинтроники и проведении успешных экспериментальных работ по созданию прототипа спинтронной компьютерной памяти, в которой информация кодируется посредством спинового состояния электронов. При этом необходимо подчеркнуть, что спектр теоретически возможных технологий, основанных на использовании спина как элемента памяти для кодирования информации, не сводится только к разработке квантовых компьютеров. Есть основания полагать, что принцип управления спиновым состоянием материи может быть положен в основу комплекса технологий военного назначения. В СССР работы в этом направлении велись в рамках программы исследования спинорных полей ^[15].

Поскольку любой объект живой и неживой природы состоит из атомов, состоящих из частиц, обладающих спином, то любой объект, в том числе и человека, можно рассматривать как трехмерную информационную матрицу, состоящую из элементов памяти, представленных в виде спинов составляющих этот объект частиц. Ориентируя спины частиц определенным образом (в этом случае говорят, что частица является спин-поляризованной), мы можем записать на любой физический объект информацию, закодированную в виде метастабильного спинового состояния отдельных частиц. В простейшем случае все спины частиц, из которых состоит объект, могут иметь состояние «спин вверх» или «спин вниз», однако теоретически пространственная спиновая конфигурация любого физического объекта может быть сколь угодно сложной.

Вопрос о том, к каким последствиям для организма человека приведет изменение его спиновой структуры, по всей видимости, требует дальнейших исследований. Нельзя исключать возможность создания специальных технических средств, позволяющих дистанционно изменять спиновую структуру организма человека посредством облучения электромагнитными волнами с определенными характеристиками. Такое оружие можно назвать спинтронным.

Поскольку любой физический объект может рассматриваться в качестве спинтронного запоминающего устройства, в котором элементом памяти является спин, то гипотетически это позволяет записывать информацию на любую область пространства (физического вакуума), программируя эту область пространства как компьютер ^{[16, 17]}. Это позволяет говорить о возможности создания принципиально новых технологий управления пространством, о создании «разумного» пространства, работающего как компьютер.

Теоретические возможности управления пространством не ограничиваются только управлением спиновым состоянием материи, есть и другие направления, которые могут позволить решить различные задачи военно-прикладного характера.

Как уже отмечалось выше, одним из ключевых факторов при нанесении ядерного удара является его скорость, обусловленная скоростью движения средства доставки заряда к цели. Поскольку существующие в настоящее время ракеты, основанные на принципе реактивного движения, не способны перемещаться со световыми скоростями даже теоретически, решение этой проблемы может быть найдено при использовании альтернативных способов перемещения, не сводящихся к реактивному движению.

Одним из возможных решений в этом направлении может являться использование варп-двигателей (англ. warp drive – двигатель искривления) ^[18]. Одна из известных теоретических моделей варп-двигателя была предложена ^[19] М. Алькубьерре на основе решений уравнений Эйнштейна. Принцип работы варп-двигателя заключается в локальном изменении геометрии пространства-времени вокруг движущегося объекта (например, космического корабля): сжимая пространство впереди космического корабля и расширяя его позади, теоретически становится возможным осуществлять движение не только со скоростью света, но и со сверхсветовыми скоростями, что является принципиально недостижимым при использовании традиционного реактивного способа движения. Очевидно, что практическая реализация такого способа перемещения в пространстве позволит использовать варп-двигатели для создания средств доставки ядерного заряда к цели на скоростях, недостижимых реактивными ракетами даже теоретически. Движение с такими скоростями также гарантирует невозможность перехвата и уничтожения известными в настоящее время способами, что делает такие средства передвижения неуязвимыми для систем ПВО и ПРО, основанных на использовании ракетного и других видов традиционного оружия.

Наряду с разработкой транспортных средств доставки, основанных на новых физических принципах, особый интерес представляет теоретическая возможность создания новых типов оружия, не сводящихся к использованию цепной ядерной реакции и ядерной энергии. В частности, необходимо отметить так называемое аннигиляционное оружие,  в основе которого лежит известный в физике принцип аннигиляции (взаимного уничтожения) материи и антиматерии с выделением энергии ^[20]. По аналогии с тем, как цепная ядерная реакция приводит к выделению энергии в виде ядерного взрыва, результатом аннигиляции частиц и античастиц является выделение большого количества энергии, которая может быть использована для создания взрыва огромной мощности. Построенная на этом принципе аннигиляционная бомба теоретически может существенно превосходить по своей мощности ядерное оружие.

Основной проблемой для практического создания аннигиляционного оружия в настоящее время является сложность получения антивещества в достаточных объемах. Впрочем, надо отметить, что аналогичная проблема существовала и на начальном этапе создания атомного оружия, когда добыча радиоактивных элементов (урана и плутония) в требуемых количествах представляла определенные трудности.

В качестве еще одной важной с военно-прикладной точки зрения теоретической возможности необходимо отметить поиск путей обнаружения или создания так называемых «кротовых нор» или червоточин (англ. wormhole) – гипотетических топологических объектов, представляющих собой своего рода туннель, соединяющий две удаленные области пространства-времени. Существование таких туннелей допускается общей теорией относительности. Теоретически «кротовая нора» может соединять две области пространства-времени, взаимно удаленные как на небольшие расстояния, так и на огромные расстояния (вплоть до миллиардов световых лет), позволяя преодолевать эту дистанцию практически мгновенно. Более того, кротовая нора может соединять различные точки во времени, что открывает теоретическую возможность для перемещений во времени.