Vật lí học và chiến tranh - Từ mũi tên đồng đến bom nguyên tử (Phần 63)

TÊN LỬA TẦM XA

Chẳng mấy chốc sau khi phát triển bom khinh khí, người ta nhận ra rằng cần có một hệ thống phóng tốt hơn. Thoạt đầu, máy bay ném bom tầm xa được sử dụng, và khi ấy nước Mĩ có ưu thế nổi bật về máy bay ném bom tầm xa. Nhưng khi tên lửa trở nên phức tạp hơn và tầm xa của chúng được mở rộng, thì điều ai cũng thấy là chúng sẽ là một hệ thống phóng thích hợp hơn nhiều.

Như ta đã thấy ở phần trước, người Đức đã phát triển các tên lửa đạn đạo đầu tiên lúc gần kết thúc Thế chiến II. Thành công nhất là V-2, nó được phát triển bởi Wernher von Braun và nhóm của ông. Mặc dù chưa từng được công khai như sau thời hậu chiến, nhưng von Braun cũng đang nghiên cứu một tên lửa có thể bắn tới nước Mĩ. Nó được gọi là “Dự án America”. Với tầm xa lớn hơn nhiều, Hitler từng hi vọng sử dụng nó tấn công các trung tâm ở Mĩ. May thay, nó chưa từng được phát triển và sử dụng.

Khi chiến tranh kết thúc, von Braun và nhiều nhà khoa học tên lửa khác của Đức di cư sang Mĩ, còn một số người khác thì sang Liên Xô. Và rất nhanh sau đó, Chiến tranh Lạnh xảy ra, với cả hai nước đều tàng trữ số lượng lớn vũ khí hạt nhân cùng với số lượng lớn tên lửa tầm xa bắn chúng đi. Quả vậy, một vài dự án đã khởi động. Lúc đầu chúng chỉ là các mở rộng của chương trình V-2 của Đức, nhưng các cải tiến xuất hiện nhanh chóng, cùng với người Liên Xô sớm dẫn trước. Tháng Tám 1957, Liên Xô phóng tên lửa đạn đạo liên lục địa đầu tiên, họ gọi là R-7. Và trong vòng một thời gian ngắn, họ còn phóng vệ tinh quỹ đạo đầu tiên, Sputnik – gây sốc rất nhiều cho người Mĩ. Sau đó là phóng con người đầu tiên bay vào không gian, nhà du hành vũ trụ Yuri Gagarin.

Nước Mĩ lập tức triển khai một chương trình “vội vã” nhằm đuổi kịp, và khi người Nga cho nổ quả bom khinh khí đầu tiên của họ vào năm 1953, tình thế càng thêm cấp bách. Các kế hoạch phát triển tên lửa Atlas được khởi động vào năm 1954, nhưng mãi đến năm 1958 nó mới được phóng thành công.

Chẳng mấy chốc, có hai chương trình. Một là phát triển tên lửa đạn đạo liên lục địa (ICBM) có thể mang vũ khí hạt nhân.6 Chương trình kia, do Tổng thống Kennedy khởi động cùng lúc, được gọi là chương trình Apollp, và nó sử dụng các tên lửa Saturn. Chương trình Apllo có mục tiêu đưa con người lên Mặt Trăng. Nhiều tên lửa trước đó, như Atlas, Redstone, và Titan, tạo nền tảng cho cả chương trình này và chương trình ICBM.

ICBM là một tên lửa đạn đạo với tầm xa hơn ba nghìn năm trăm dặm, và ICBM thường được thiết kế để mang đầu nổ hạt nhân. Nhiều ICBM ngày nay có tầm xa lên tới mười hai nghìn dặm. ICBM hiện đại thường mang nhiều thiết bị quay vào khí quyển độc lập, hay MIRV, mỗi thiết bị mang một đầu nổ hạt nhân riêng. Điều này khiến mỗi ICBM hiệu quả hơn và chết chóc hơn nhiều do nó có thể đánh trúng vài mục tiêu cùng một lúc. MIRV hoạt động được là do các đầu nổ hạt nhân (bom khinh khí) đã trở nên nhỏ hơn nhiều theo năm tháng. Ngoài ra, bản thân các tên lửa cũng trở nên nhỏ hơn và nay có tầm xa lớn hơn nhiều.

Toàn bộ ICBM lúc đầu đều được phóng từ các địa điểm trên mặt đất, cố định, rất yếu, có thể bị tấn công dễ dàng. Điều này đã thay đổi rất nhiều trong tiến trình Chiến tranh Lạnh. Nhiều ICBM được đặt trong các silo được bảo vệ, chủ yếu ở các bang phía bắc. Ngoài ra, ngày nay chúng đã đủ nhỏ để có thể phóng ra từ các xe tải nặng và xe chạy trên ray, khiến chúng khá linh động. Tuy nhiên, vị trí phóng hiệu quả nhất, chính là các tàu ngầm hạt nhân. Một khi lò phản ứng hạt nhân được phát triển và hoàn thiện, chúng lập tức được sử dụng trong tàu ngầm, và chúng tỏ đặc biệt hữu hiệu trong tàu ngầm. Trong khi tàu ngầm điện-diesel phải nổi lên mặt nước thường xuyên, thì tàu ngầm hạt nhân có thể lặn một lần lâu hàng tháng. Và hầu như chẳng cần nạp nhiên liệu lại cho chúng; nhiên liệu đủ cho lò phản ứng của tàu ngầm hoạt động tới ba mươi năm được chở dễ dàng trên tàu ngầm đó. Trong một số trường hợp, lò phản ứng phát điện dùng để chạy chân vịt, và trong các trường hợp khác lò phản ứng sinh hơi nước lái các tuabin. Tuy nhiên, chế tạo tàu ngầm hạt nhân rất tốn kém, và bởi vậy, chỉ vài ba quốc gia sở hữu chúng mà thôi.

Toàn bộ tàu ngầm hạt nhân của Mĩ ngày nay được trang bị tên lửa đạn đạo có tầm xa liên lục địa. Tuy nhiên, lợi thế lớn nhất của tàu ngầm về mặt này là nó có độ linh động cao, tương đối khó phát hiện (mặc dù có thể dò tìm tàu ngầm bằng sonar), và đủ to để chở vài bộ MIRV.

Chẳng bao lâu sau khi ICBM mang đầu nổ được phát triển, một số nước bắt đầu nghiên cứu khả năng đương đầu với chúng. Đặc biệt, liệu có thể phát triển một tên lửa có khả năng bắn hạ một ICBM đang tới hay không? Các hệ thống như vậy được gọi là hệ thống chống tên lửa đạn đạo (ABM). Nghiên cứu đầu tiên về khả năng của một hệ thống như thế thật ra đã được Bell Labs thực hiện tận hồi giai đoạn cuối Thế chiến II. Người Anh bị bắn phá bởi các tên lửa V-1, sau đó đến V-2, và họ đang tìm kiếm một cách phòng thủ. V-1 không phải tên lửa dẫn đường, và máy bay chiến đấu của Anh và pháo binh mặt đất có thể bắn hạ một số tên lửa kiểu này. Nhưng khi tên lửa đạn đạo V-2 xuất hiện, có vẻ như không có cách phòng thủ nào do vận tốc và cao độ lớn của chúng. Thật vậy, nghiên cứu Bell Labs kết luận rằng không có cách nào bắn hạ tên lửa V-2. Đó là khi chưa ra đời máy vi tính tốc độ cao, và vào giữa thập niên 1950 một số quốc gia thật sự đang xem xét khả năng của hệ thống ABM.

Các hệ thống như thế ngày nay được phân chia thành hai loại: một loại hướng trực tiếp đến ICBM và loại kia chống các tên lửa nhỏ hơn. Hiện nay, chỉ có hai hệ thống có thể đánh chặn ICBM, vì chúng là một thử thách lớn hơn nhiều so với các tên lửa nhỏ hơn. Nước Mĩ đã phát triển cái gọi là hệ thống phòng thủ đánh chặn từ mặt đất (GMD). Hệ thống này đã được thử nghiệm rộng khắp trong nhiều năm, với cả thành công lẫn thất bại. Nó vẫn đang được thực hiện. Nước Mĩ ngày nay có một vài hệ thống chiến thuật tầm ngắn, nhỏ hơn, hoạt động hiệu quả hơn.

CÁC VŨ KHÍ KHÁC: LASER

Một vũ khí hiện đại quan trọng khác của chiến tranh là laser. Khi những laser đầu tiên được phát triển vào thập niên 1960, người ta cho rằng chúng sẽ sớm trở thành thứ vũ khí nguy hiểm, có lẽ thay thế súng. Nói chung, Buck Rogers và nhiều tác giả khoa học viễn tưởng khác trước đây đã dùng từ “súng bắn tia”, và người ta tin rằng chúng sẽ sớm trở thành thực tế. Tuy nhiên, như chuyện vỡ lẽ, chúng đã không thay thế súng truyền thống, nhưng trong thời gian gần đây chúng đã được dùng để bắn hạ máy bay không người lái và có thể vô hiệu hóa tàu thuyền nhỏ. Chúng cũng được sản xuất rộng rãi để đánh dấu mục tiêu nhằm xác định tầm xa.7

Mặc dù cho đến nay laser được sử dụng hạn chế với vai trò vũ khí chiến tranh, nhưng laser thật sự có tiềm năng đáng kể trong lĩnh vực đó, và chúng đã được sử dụng rộng rãi trong các dụng cụ thường ngày. Chúng được dùng trong máy chơi đĩa DVD và máy in laser, cùng với máy quét mã vạch ở các cửa hàng tiện lợi, và công dụng của chúng trong y khoa đã đem lại một cuộc cách mạng trong phẫu thuật. Hơn nữa, chúng còn được sử dụng rộng khắp trong công nghiệp khoan cắt và hàn.

Nguồn gốc của laser có thể truy nguyên đến một bài báo từ rất sớm của Einstein. Trong một bài báo còn sớm hơn nữa, Niels Bohr ở Đan Mạch nêu giả thuyết rằng các nguyên tử gồm hạt nhân (proton) cùng với các electron xoáy tít xung quanh chúng trong các quỹ đạo rời rạc khác nhau, tương ứng với các năng lượng khác nhau. Thật vậy, ta có thể phác họa một sơ đồ năng lượng đơn giản cho một nguyên tử. Bohr đề cập tới khả năng các electron nhảy tới nhảy lui giữa các mức năng lượng này, nhưng chính Einstein là người đặt ý tưởng này lên một nền tảng vững chắc.

Cấu trúc cơ bản của một nguyên tử

Cấu trúc cơ bản của một nguyên tử.

Trong sơ đồ trên, ta thấy một vài mức năng lượng cùng với electron ở một số mức. Khi một electron hấp thụ một photon ánh sáng, nó chuyển lên một mức cao hơn, hay mức kích thích; nghĩa là, lên quỹ đạo ở xa hạt nhân hơn. Thông thường nó chỉ ở lại mức đó trong một khoảng thời gian ngắn rồi nhảy trở xuống mức ban đầu (gọi là mức cơ bản của nó). Khi electron chuyển từ một trạng thái kích thích sang một trạng thái thấp hơn, nó phát ra một photon ánh sáng. Hiện tượng này gọi là sự phát xạ tự phát. Einstein còn nêu ra khái niệm phát xạ cảm ứng; trong trường hợp này, electron đã ở trong một trạng thái kích thích. Nếu chiếu một photon vào electron này, nó có thể bị ép xuống một trạng thái năng lượng thấp hơn, nhưng nó không hấp thụ photon đó. Thật vậy, nó phát ra một photon khác khi nó rơi xuống trạng thái thấp hơn, thế nên ta có hai photon hiện ra trong quá trình ấy. Và điều đặc biệt quan trọng, chúng đều có cùng bước sóng, và chúng cùng pha với nhau.

Sự phát xạ tự phát

Sự phát xạ tự phát.

Đó là một hiện tượng thú vị, thế nhưng trong mấy năm trời chẳng ai chú ý đến nó. Tuy nhiên, trong Thế chiến II, radar đã được phát triển và sử dụng rộng rãi, thành ra có sự quan tâm đáng kể với việc tiếp tục phát triển nó sau chiến tranh. Một trong những lĩnh vực hấp dẫn là khả năng có một bộ khuếch đại vi sóng; nói cách khác, một dụng cụ sẽ làm tăng cường, hay khuếch đại, vi sóng. Joseph Weber thuộc Đại học Maryland trở nên đặc biệt quan tâm đến dụng cụ này. Sau khi nghiên cứu tường tận vấn đề, ông đi tới kết luận rằng có thể chế tạo một bộ khuếch đại khai thác sự phát xạ cảm ứng. Tuy nhiên, ông chỉ ra rằng người ta sẽ phải cần đến cái gọi là “nghịch đảo dân cư”. Một sự nghịch đảo như thế xảy ra khi mức năng lượng cao của một nguyên tử chứa nhiều electron hơn các mức thấp hơn. Đây không phải là tình huống bình thường; các electron trong nguyên tử thường được phân bố sau cho có nhiều nhất ở các mức năng lượng thấp, và ít electron ở các mức năng lượng cao.

Sự nghịch đảo dân cư

Một sơ đồ năng lượng tiêu biểu cho thấy số electron trong mỗi mức năng lượng.

Sự nghịch đảo dân cư

Sự nghịch đảo dân cư.

Thế nhưng làm thế nào có thể tạo ra sự nghịch đảo dân cư? Hiển nhiên sẽ cần một nguồn năng lượng buộc các electron nhảy lên các mức năng lượng cao hơn, và những nguồn năng lượng thích hợp sớm được tìm thấy. Ngày nay, chúng ta gọi chúng là bơm.

Weber đã thiết kế một máy khuếch đại vi sóng mà ông nghĩ là sẽ hoạt động được, nhưng ông không chế tạo nó. Nhiệm vụ này chừa lại cho Charles Townes thuộc Đại học Columbia. Townes cũng đang nghiên cứu vi sóng và xem xét khả năng có một máy khuếch đại. Ông quyết định thiết lập sự nghịch đảo dân cư bằng cái ông gọi là hộp cộng hưởng, đó là một cái hộp với các thành phản xạ. Ông nghĩ ra một phương pháp bơm các electron bên trong hộp cộng hưởng này lên trạng thái kích thích, và bằng cách làm thế ông đã thành công trong việc tạo ra sự nghịch đảo dân cư. Ngoài ra, ông còn nghĩ ra một phương pháp cho phép các electron thình lình rơi xuống trạng thái cơ bản. Bức xạ chúng giải phóng khi hiện tượng này xảy ra là bức xạ vi sóng “kết hợp”; nói cách khác, các bước sóng đều đồng nhịp và có cùng pha và cùng tần số (xem sơ đồ). Trong quá trình này, ông đã tạo ra nguyên mẫu đầu tiên của cái ngày nay gọi là maser (trong khi maser sử dụng bức xạ vi sóng, laser sử dụng ánh sáng nhìn thấy).

Charles Townes

Charles Townes

Chẳng mấy chốc sau khi tạo ra maser, Townes bắt đầu nhìn đến khả năng có một dụng cụ tương tự sử dụng sóng quang học hay ánh sáng nhìn thấy. Dụng cụ này tỏ ra chẳng dễ dàng gì. Các photon quang học không giống lắm với photon vi sóng, và Townes mất mấy năm nghiên cứu mới chế tạo được một chiếc. Dụng cụ mới, gọi là laser (viết tắt cho máy khuếch đại ánh sáng bằng sự phát bức xạ cảm ứng), ngày nay làm lu mờ hẳn maser vì nó có nhiều công dụng hơn trong xã hội hiện đại.

Nguyên lí cơ bản của laser giống với maser. Mỗi laser tạo ra một chùm ánh sáng trong đó tất cả các photon là kết hợp. Trong một chùm sáng thông thường, các photon thuộc nhiều bước sóng khác nhau (ánh sáng trắng gồm đủ màu sắc, mỗi màu có một bước sóng khác nhau), và các sóng đó không đồng bộ với nhau; do đó, chúng dễ dàng bị tản lạc ra khỏi chùm tia thành ra chùm tia không thể tập trung sắc nét. Trong một chùm laser, các photon (hay các sóng) là kết hợp và cùng tần số nên chúng có thể dễ dàng tập trung sắc nét.

ánh sáng kết hợp

Chùm tia phía trên: ánh sáng kết hợp. Chùm tia phía dưới: ánh sáng không kết hợp.

Như trong trường hợp vi sóng, ở đây cũng cần một hộp cộng hưởng; tuy nhiên, ở laser, nó thường được gọi là hộp cộng hưởng quang học. Môi trường bên trong hộp quang được gọi là môi trường phát laser; nó là một vật liệu có các đặc tính cần thiết cho sự khuếch đại ánh sáng bằng sự phát xạ cảm ứng. Để có sự khuếch đại này cần có một cái bơm; nó thường là một mạch điện hoặc một đèn flash. Các gương được đặt ở hai đầu của hộp quang, một gương bán trong suốt để một phần ánh sáng có thể đi xuyên qua nó. Ánh sáng bên trong hộp phản xạ tới lui trong môi trường phát laser và được khuếch đại mỗi lần nó đi qua. Về cơ bản, môi trường này là một tập hợp nguyên tử bị kích thích bởi một nguồn bên ngoài. Tự thân môi trường có thể ở dạng lỏng, khí, rắn, hoặc plasma.

Môi trường phát laser được “bơm” lên một trạng thái kích thích; nói cách khác, các nguyên tử bên trong nó ở trong trạng thái kích thích đó sau khi bơm hoạt động. Cuối cùng thì đạt tới sự nghịch đảo dân cư trong đó các trạng thái năng lượng cao đông đúc hơn các trạng thái năng lượng thấp. Chùm tia phản xạ tăng dần cường độ cho đến cuối cùng nó đủ mạnh để xuyên thấu qua gương bán mạ. Cái ló ra là một chùm laser kết hợp.

Townes, cùng với người học trò Arthur Schawlow, là nhóm người đầu tiên thiết kế một laser hoạt động được, nhưng họ không chế tạo nó. Tuy nhiên, họ thật sự công bố một bài báo về nó, và họ đăng kí bằng sáng chế cho ý tưởng vào tháng Bảy 1958. Một công nhân nghiên cứu tại TRG Incorporated tên là Gordon Gould cũng đang nghiên cứu một dụng cụ tương tự. Gould thử đăng kí bằng sáng chế cho dụng cụ của ông vào tháng Tư 1959, nhưng đăng kí của ông bị từ chối, mặc dù Gould đã mô tả việc chế tạo laser của ông trong một cuốn sổ tay trước khi Townes và Schawlow đăng kí sáng chế của họ. Một vài phiên tòa đã diễn ra sau đó, và mất mấy năm mới dàn xếp xong.8 Ngày nay, hai nhóm đều được công nhận là đã phát minh ra laser, độc lập nhau.

Tuy nhiên, người đầu tiên thật sự chế tạo một laser hoạt động được là Theodore Maiman thuộc Phòng Nghiên cứu Hughes ở California. Dụng cụ của ông hơi khác với của Townes, Schawlow, và Gould; họ thiết kế một dụng cụ sử dụng chất khí làm môi trường phát laser. Maiman sử dụng một thỏi ruby cùng với một đèn flash xoắn ốc cuộn quanh nó làm máy bơm.

Bước tiếp theo, tất nhiên, là sử dụng laser làm vũ khí chiến tranh. Các dụng cụ giống laser như súng bắn tia đã được khai thác trong truyện khoa học viễn tưởng trong nhiều năm. Tuy nhiên, hóa ra thì sử dụng laser làm vũ khí khó khăn hơn nhiều so với tưởng tượng, và ít có khả năng để một vũ khí giống laser sẽ thay thế các trang bị nhỏ cầm tay trong tương lai gần. Trở ngại chủ yếu là vì laser đòi hỏi một nguồn năng lượng khổng lồ, và bởi vậy, có những vấn đề kĩ thuật nghiêm trọng. Tuy nhiên, các vũ khí lớn hơn là có thể, và hải quân trong thời gian gần đây đã chế tạo một món có khả năng vô hiệu hóa tàu địch và bắn hạ máy bay không người lái của phe địch. Ưu điểm lớn nhất của một laser như thế này là nó không đòi hỏi đạn dược tốn kém. Tuy nhiên, bản thân laser đó sẽ tương đối đắt đỏ.

Một hình thức laser trông có tiềm năng đáng kể là laser tia X. Nó tạo ra một chùm tia X kết hợp thay vì một chùm sáng quang học; do đó, nó mang nhiều năng lượng hơn. Nó là một phần của Sáng kiến Phòng thủ Chiến lược được đề xuất vào năm 1983 (thỉnh thoảng được gọi là “Star Wars”). Các laser như thế được cấp năng lượng bằng các vụ nổ hạt nhân. Tuy nhiên, các thử nghiệm rốt cuộc cho thấy chúng không khả thi.

Vật lí học và chiến tranh
Barry Parker - Bản dịch của TVVL
<< Phần trước | Phần tiếp theo >>

TẢI XUỐNG EBOOK

Vui lòng ghi rõ "Nguồn Thuvienvatly.com" khi đăng lại bài từ CTV của chúng tôi.

Nếu thấy thích, hãy Đăng kí để nhận bài viết mới qua email
Tin tức vật lý
Downlaod video thí nghiệm

Thêm ý kiến của bạn

Security code
Refresh

Các bài khác


250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 92)
05/07/2020
Hiệu ứng Doppler 1842 Christian Andreas Doppler (1803–1853), Christophorus Henricus Diedericus Buys Ballot (1817–1890) “Khi viên sĩ quan cảnh
250 Mốc Son Chói Lọi Trong Lịch Sử Vật Lí (Phần 91)
05/07/2020
Quang học sợi 1841 Jean-Daniel Colladon (1802–1893), Charles Kuen Kao (sinh 1933), George Alfred Hockham (sinh 1938)   Khoa học về sợi
Thời gian có thật sự trôi không?
28/06/2020
Các định luật vật lí hàm ý rằng sự trôi qua của thời gian là một ảo giác. Để né tránh kết luận này, chúng ta phải suy
Chuyện kể của một hạt muon
19/06/2020
Khám phá muon từng khiến các nhà vật lí bối rối. Ngày nay, các thí nghiệm quốc tế sử dụng hạt vốn từng khó hiểu này để
Vì sao lực hấp dẫn khác với những lực còn lại?
17/06/2020
Chúng tôi hỏi bốn nhà vật lí tại sao lực hấp dẫn lạc lõng trong số các lực của tự nhiên. Và chúng tôi nhận được bốn
Cấp độ trong vật lí học
13/06/2020
Không giống triết học, logic học, hay toán học thuần túy, vật lí là một khoa học vừa mang tính kinh nghiệm vừa mang tính định
Tương lai của tâm trí - Michio Kaku (Phần cuối)
13/06/2020
TRIẾT HỌC VÀ KHOA HỌC THẦN KINH Cuộc tranh luận giữa Nguyên lý Copernican và Nguyên lý Nhân loại cũng tạo ra tiếng vang trong khoa
Các nghịch lí Zeno
09/06/2020
ACHILLES VÀ CON RÙA “Mọi chuyển động đều là ảo giác.” Xếp thứ nhất trong chín nghịch lí của chúng ta có từ hai thiên

Chúng tôi hiện có hơn 60 nghìn tài liệu để bạn tìm

360 độ

Vật lý 360 độ là trang tin nhanh, trao đổi chuyên đề vật lý và các khoa học khác cũng như các nội dung liên quan đến dạy và học.
Hi vọng các bạn giúp chúng tôi bằng cách đăng kí làm CTV.
Liên hệ: banquantri@thuvienvatly.com