Фотонный двигатель принцип работы: , , , , , , , , , , , |

Содержание

О фотонах, фотонных ракетах и…

В редакцию поступило письмо
от учителей физики школы № 6 г. Лысьва Пермской
обл. Е.Д.Багниной и Е.С.Увицкой: «В этом учебном
году на олимпиаде по физике космоса и астрономии
(муниципальный этап) была предложена следующая
задача.

Принцип действия фотонного
звездолета. В фокусе идеального параболического
зеркала находится источник фотонов,
получающихся в результате аннигиляции вещества
и антивещества. После отражения от зеркала
фотоны летят параллельным пучком. Найти скорость
звездолета, если его масса до начала движения
равна m, а после разгона – m₀. Какую часть
начальной массы можно разогнать до скорости 0,999с?

В связи с публикациями в
газете «Физика», касающимися методики
преподавания теории относительности, в
частности в связи с вопросом о массе, зависящей
от скорости, имеет ли смысл решать эту задачу?
Может быть, эту задачу можно решить, не используя
релятивистские законы?»

Ответ может представлять
интерес для многих учителей физики. Поэтому
приводим решение этой задачи с комментариями.

1. При анализе возможностей
гипотетической фотонной ракеты надо отделить
вопрос о том, как работает фотонный двигатель, от
вопроса о том, как происходит разгон ракеты с
таким двигателем. И в том и в другом случае для
анализа необходимо использовать законы частной
теории относительности (ЧТО). Решать
предложенную задачу с помощью нерелятивистских
законов сохранения энергии и импульса в принципе
неверно.

2. Суть конструкции фотонного
двигателя состоит в использовании реакции
аннигиляции вещества и антивещества, в которой
образуются фотоны.

Примером такой реакции может
служить аннигиляция пары протон–антипротон с
образованием двух g-квантов. Вообще любая
частица, аннигилируя со своей античастицей,
может превратиться в пару фотонов. Такая реакция
теоретически является самой выгодной для
создания реактивного двигателя, т.к. в ней
образуются частицы (фотоны), летящие с
максимально возможной скоростью с. Как установил
еще Циолковский, эффективность работы
реактивного двигателя прямо пропорциональна
скорости истечения реактивной струи (в данном
случае – потока фотонов). Во-вторых, в реакции
аннигиляции происходит теоретически
максимально эффективное «сгорание» топлива, т.к.
энергия покоя частиц и античастиц полностью
превращается в энергию фотонов.

Часто используемое выражение
«при работе фотонного двигателя масса
превращается в энергию» – неудачно. Правильно
говорить именно о переходе энергии из одной
формы (энергии покоя вещества и антивещества) в
другую (энергию фотонов).

Мы не обсуждаем вопрос о том,
можно ли реально создать фотонный двигатель.

3. Поставленные в задаче
вопросы связаны c этапом разгона фотонной ракеты.
При решении следует использовать релятивистские
законы сохранения энергии–импульса и
соотношение Эйнштейна, связывающее энергию,
импульс и массу частиц. Напомним эти соотношения.
Пусть Е, р, v и m – энергия, импульс, скорость и
масса частицы соответственно. Тогда:

E² = p²c²
+ m²c⁴;
(1)
p = Ev/c².

(2)

Пусть каждый отраженный от
зеркала фотон имеет импульс p_g. Поскольку
масса фотона равна нулю, то в силу соотношения (1)
энергия каждого фотона равна Е_g = cp_g, где p_g – модуль
импульса фотона. Так как все фотоны летят
параллельно друг другу, то суммарный импульс,
унесенный фотонами за время разгона ракеты, р = еp_g. Отсюда
полная энергия излученных фотонов равна E = cp.

В силу закона сохранения
импульса полный импульс системы «ракета и
излученные фотоны» равен нулю, т.е. сама ракета
получит в конце разгона импульс р₀ = –р. По
модулю эти импульсы равны, следовательно, полная
энергия излученных фотонов может быть выражена
через модуль импульса ракеты:

E = cp₀.

(3)

Запишем закон сохранения
энергии:

mc² = Е₀ + Е,

(4)

где начальная энергия равна
энергии покоя ракеты до разгона, Е0 – энергия
ракеты после разгона, Е – энергия излученных за
время разгона фотонов. С учетом соотношения (3)
формула (4) запишется в виде:

mc² = Е₀ + ср₀.

(5)

Кроме этого, из общего
соотношения (1) следует, что после разгона

E₀² – (cp₀)²
= m₀²c⁴.
(6)

Уравнения (5) и (6) позволяют
найти связь между начальной и конечной массами
ракеты и достигнутой в результате разгона
скоростью v. Действительно, в силу соотношения (2)
cр₀ = Е₀v/c = bE₀, где b = v/c. Подставляя это соотношение в
формулы (5) и (6), получим:

mc² = (1 + b)E₀;

(7)

m₀²c⁴ =
(1 – b²)E₀².

(8)

Разделив выражение (8) на
квадрат выражения (7), находим:

(9)

Это есть ответ на второй
вопрос задачи.

Выражая b через отношение масс, получаем
ответ на первый вопрос задачи:

(10)

При v = 0,999с отношение m₀/m
» 0,02.

Заметим, что данная задача
взята из книги И.И.Воробьева «Теория
относительности в задачах» [М.: Наука, 1989].

А.В.Берков, канд. физ.-мат. наук,
доцент МИФИ, г. Москва

Фотонная ракета. Битва за звезды-2. Космическое противостояние (часть II)

Фотонная ракета

Другим способом создания тяги является фотонная ракета. Принцип ее работы довольно прост.

Если на космическом корабле находится мощный источник световых (или каких-либо иных электромагнитных) волн, то, посылая их в одну сторону, можно, как и в случае частиц вещества, создать силу, движущую корабль в другую — противоположную сторону. Эта движущая сила, или тяга, является реакцией фотонов, выбрасываемых источником света на корабле, точно так же как возникает подобная реакция при отражении солнечных лучей «зеркальным парусом».

Ничем не отличалась бы она по существу и от тяги любого реактивного двигателя, за исключением того, что, как указывалось выше, в них реактивная тяга создается вытекающими частицами вещества, а в нашем случае такими же «вытекающими» фотонами.

Этот двигатель отличается от традиционных еще и тем, что скорость «истечения» из него «рабочего вещества» значительно больше. Мало того, это вообще наибольшая возможная скорость «истечения», ибо не существует в природе скорости, большей скорости света. Таким образом, наш фотонный двигатель является как бы идеальным, предельно возможным.

К сожалению, фотонные ракеты могут быть применены только для полетов на очень большие расстояния — например к другим звездам. Их тяга так мала, что только в очень длительном и, следовательно, дальнем полете фотонная ракета может достичь достаточно большой скорости полета.

Понятно, что излучатель фотонного двигателя должен отличаться от обычного прожектора не только размерами.

Установите сколь угодно большой прожектор или сколько угодно много таких прожекторов на космической ракете, и вы не получите нужного результата — тяга такого фотонного двигателя будет ничтожно малой по сравнению с его массой.

Чтобы увеличить тягу, нужно излучать гораздо больше энергии, чем это в состоянии сделать простой прожектор. Ведь энергия, излучаемая раскаленной поверхностью, зависит от температуры поверхности. Но как бы ни была раскалена твердая поверхность, ее температура будет во всех случаях значительно меньше температуры поверхности Солнца (она равна, как известно, примерно 5500 °C).

Лучше подойдут, естественно, раскаленные газовые и в особенности плазменные излучатели (так, Зенгер предложил плазменный излучатель с температурой 150 000 °К). Однако тут возникают другие трудности, помимо связанных с устройством и эксплуатацией высокотемпературных источников излучения. С ростом температуры изменяется (увеличивается) частота излучения, то есть характер излучаемых квантов энергии. Увеличение энергии кванта связано с уменьшением его длины волны (ведь квант — это своеобразная частица, частица-волна), то есть излучение становится все более коротковолновым. Возрастает число квантов ультрафиолетового света и рентгеновского излучения, становящегося все более жестким. Когда температура становится столь большой, что начинают идти ядерные реакции, то появляется и гамма-излучение. Но отражение таких коротковолновых лучей непростая задача: эти лучи, как известно, с легкостью проходят через вещество. Поэтому оказывается необходимым создание принципиально иных «зеркал» вместо обычного рефлектора В частности, для этого предложены такие необычные методы, как использование «электронных» или «плазменных зеркал» в виде стабилизованного плотного облака электронов или плазмы. Известно ведь, что коротковолновые лучи постепенно преломляются и наконец отражаются от электропроводящей среды. Однако чтобы создать такое электронное или плазменное облако, нужны колоссальные давления, наподобие возникающих при атомном взрыве. Должно быть решено немало и других сложнейших проблем.

Так, например, откуда звездолет будет черпать энергию, необходимую для питания фотонного двигателя. Совершенно ясно, что химическая энергия для этого непригодна Но даже в миллионы раз большая энергия деления атомов урана в этом случае также недостаточна С помощью энергии термоядерных реакций можно было бы, пожалуй, осуществить простейший из межзвездных перелетов. Но только полное использование потенциальной энергии вещества в состоянии решить проблему межзвездного полета фотонной ракеты.

Но как можно себе представить высвобождение всей энергии, заключенной в веществе? Известны ли науке методы такого высвобождения?

Есть по крайней мере один такой путь, уже освоенный наукой. Он связан с явлением «аннигиляции» вещества, то есть с процессом столкновения элементарной частицы вещества, например электрона, с ее так называемой античастицей, в данном случае позитроном. При таком столкновении обе частицы «аннигилируют» — исчезают с одновременным выделением энергии, масса которой в точности равна массе исчезнувших частиц. Электрон и позитрон почти во всем одинаковы, за исключением знака электрического заряда, в других случаях частица и античастица различаются и иными свойствами. Предполагается, что может существовать, или действительно существует, вещество (его называют иногда антивеществом), состоящее из античастиц, которое по всем своим физико-химическим свойствам не отличается от обычного вещества.

Выделение энергии в процессах аннигиляции связано с рождением фотонов большей или меньшей энергии. Вот почему идеальным звездолетом была бы аннигиляционная фотонная ракета с полным выделением в ней потенциальной (иногда ее называют «эйнштейновской») энергии вещества.

В такой ракете в фокусе отражателя должен находиться «аннигилятор», в который из двух различных баков поступали бы вещество и антивещество. Образующийся в процессе аннигиляции мощнейший поток фотонов или других электромагнитных квантов, отброшенный назад отражателем, и создавал бы необходимую для полета тягу.

Легко видеть, что в настоящее время речь может идти лишь о теоретической идее фотонной ракеты. Ведь пока еще никто не видел антивещества, неизвестно, как его хранить и подавать в аннигилятор, неизвестно, каким должен быть отражатель фотонов и так далее.

Несмотря на обилие принципиальных неясностей, связанных с реализацией идеи фотонной ракеты, сама эта идея вызывает большой интерес. Это не случайно, ведь такая ракета — идеальное средство для межзвездных перелетов.

Но даже для фотонной ракеты подобный перелет связан с колоссальной затратой «рабочего вещества». Так, для полета продолжительностью 30–40 лет в фотонном двигателе придется «сжечь» в световую энергию примерно 10 миллиардов тонн вещества! Выделившейся при этом энергии хватило бы для расплавления оболочки земного шара на глубину в сотни километров. Не удивительно, что иногда предлагают, чтобы фотонный звездолет, отправляясь в свой далекий путь, захватывал с собой в качестве «топлива» какой-нибудь астероид.

Но так ли уж обязательно захватывать с собой все запасы фотонного «топлива»? Неужели нельзя заправляться в полете? Отвечая на этот вопрос, мы вплотную подходим к вопросу «внешних ресурсов».

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Ракета-носитель «Н-1»: история катастроф

Ракета-носитель «Н-1»: история катастроф
Место Королева на посту руководителя ОКБ-1 (с 1966 года — Центральное конструкторское бюро экспериментального машиностроения, ЦКБЭМ) занял Василий Мишин. К сожалению, этот замечательный конструктор не обладал тем упорством, которое

Проект «Глобальная ракета»

Проект «Глобальная ракета»
17 октября 1963 года Генеральная Ассамблея ООН приняла резолюцию 1884, призывающую все нации воздержаться от выведения на орбиты вокруг Земли или размещения в космосе ядерных вооружений или любых других видов оружия массового

Ракета-носитель «Энергия»

Ракета-носитель «Энергия»
14 мая 1987 года агентство ТАСС сообщило, что в период с 11 по 13 мая Генеральный секретарь ЦК КПСС Михаил Горбачев находится на космодроме Байконур и в городе Ленинске. В ходе пребывания в этих местах он имел многочисленные встречи и беседы с учеными,

Ракета «Рейнботе»

Неуправляемая ракета «Тайфун»

Авиационная ракета Х-4

Авиационная ракета Х-4
Примечание: снаряд Х-4 класса «воздух-воздух» не следует смешивать со снарядом «Фриц-Х» фирмы «Рейнметалл-Борзиг», который являлся радиоуправляемой бомбой класса «воздух—земля» , в принципе сходной с американской радиоуправляемой бомбой

Ракета А-9 + А-10 (проект)

Исследовательская ракета «АЭРОБИ»

Исследовательская ракета «ВИКИНГ»

Исследовательская ракета «ВИКИНГ»
Результаты пусков ракеты «Викинг»
Все пуски (за исключением ракеты № 4) производились на полигоне Уайт Сэндз. Результаты: № 1, 2 — преждевременная отсечка двигателя, течь в турбине; № 3 — отсечка двигателя по радиокоманде из-за

Прелюдия: ракета

Прелюдия: ракета
Давно задуманная немцами ракетная атака на Англию наконец была осуществлена. Целью стал Лондон.
Германская ракета представляла собой впечатляющее техническое достижение… Ее максимальная скорость составляла около четырех тысяч миль в час, и время ее

П. Клушанцев КОСМИЧЕСКАЯ РАКЕТА

П. Клушанцев
КОСМИЧЕСКАЯ РАКЕТА
Что такое космическая ракета? Как она устроена? Как летит? Почему в космосе путешествуют именно на ракетах?Казалось бы, все это давно и хорошо нам известно. Но давайте на всякий случай проверим себя. Повторим азбуку.Наша планета Земля

Ракета как самолет

Ракета как самолет
Не только выбор цели, удачные или неудачные решения конструктивных проблем самих космических аппаратов определяют возможности и перспективы космической техники. Не меньшее значение будет иметь и экономическая сторона дела: а во сколько то или иное

БАЛЛИСТИЧЕСКАЯ РАКЕТА СТАРТУЕТ С МОРЯ

БАЛЛИСТИЧЕСКАЯ РАКЕТА СТАРТУЕТ С МОРЯ
Наступил наконец долгожданный момент. Ракета погружена в шахту, проведены генеральные испытания. На утро следующего дня, 16 сентября, назначен выход в море.Но как ни велико желание осуществить пуск, технический руководитель выход

2. Ракета-машина сложная

2. Ракета-машина сложная
Класс основ ракетного оружия увешан плакатами, схемами, диаграммами, здесь стоят макеты различных ракет, их узлов, агрегатов. У большого красочного плаката стоит офицер с указкой в руке. На его груди «ромбик» — значок об окончании высшего

Ракета со «спецбоеприпасом»

Ракета со «спецбоеприпасом»
Пусковая установка РПК-1 «Вихрь»
Первым ПЛРК, созданным для надводных кораблей под руководством Н. П. Мазурова, стал комплекс РПК-1 «Вихрь», принятый на вооружение в 1968 году. Головным разработчиком был НИИ-1 ГКОТ (с 1966 г. – МИТ), помимо которого в

Графический интерфейс статистики

Photon | Фотонный двигатель

PUN Classic (v1), PUN 2 и Bolt находятся в режиме обслуживания. Мы будем поддерживать Unity 2022 с PUN 2, но новых функций добавляться не будет. Конечно, все ваши проекты PUN & Bolt будут продолжать работать и работать с известной производительностью в будущем.
Для любых предстоящих или новых проектов: пожалуйста, переключитесь на Photon Fusion или Quantum.

каламбур
| v2

переключиться на версию 1

PhotonStatsGui — это простой компонент графического интерфейса для отображения отслеживаемых сетевых показателей во время выполнения.
Он доступен из пакетов PUN и PUN+ в папке «UtilityScripts».

Использование

Просто добавьте компонент PhotonStatsGui к любому активному игровому объекту в иерархии.
Во время выполнения в окне отображается количество сообщений.

Убедитесь, что в инспекторе установлен флажок «Статистика трафика включена». Он контролирует, собирается ли статистика трафика вообще. То же значение имеет переключатель «Статистика включена» в графическом интерфейсе.

Несколько переключателей позволяют настроить окно:

: показать кнопки для «включить статистику», «сбросить статистику» и «в журнал»
traffic: Показать сетевой трафик нижнего уровня (байт в направлении)
здоровье: Показать время отправки, отправки и их самые длинные промежутки

Наверх

Статистика сообщений

Самые верхние значения показывают счетчик для «сообщений».
Любая операция, ответ и событие засчитываются.
Отображается общее количество исходящих, входящих и сумма этих сообщений, а также среднее значение за отслеживаемый промежуток времени.
Входящие сообщения будут умножаться на игроков в каждой комнате.
Если каждый отдельный клиент отправляет много, количество сообщений быстро увеличивается.

Наверх

Статистика трафика

Это счетчики байтов и пакетов. Здесь учитывается все, что уходит или приходит через сеть.
Даже если сообщений немного, они могут случайно оказаться огромными и по-прежнему вызывать разрыв соединения менее мощными клиентами.
Вы также видите, что есть пакеты, отправленные, когда вы не отправляете сообщения.
Они поддерживают связь.

Наверх

Статистика здравоохранения

Блок, начинающийся с «наибольшей дельты между», касается производительности вашего клиента.
Мы измеряем, сколько времени прошло между последовательными вызовами отправки и отправки.
Их следует вызывать десять раз в секунду. Если эти значения превысят одну секунду, проверьте, почему Обновление вызовы задерживаются.
Пока вы загружаете ресурсы, PhotonNetwork. IsMessageQueueRunning должен быть отключен ( false ).

Наверх

Кнопка «Статистика включена» (включение статистики трафика)

Библиотека Photon может отслеживать различную сетевую статистику, но обычно эта функция отключена.
PhotonStatsGui включит отслеживание и покажет эти значения.

Наверх

Кнопка «Сброс»

Это сбрасывает статистику, но продолжает ее отслеживать.
Полезно отслеживать количество сообщений для разных ситуаций.

Наверх

Кнопка «В журнал»

Нажатие просто регистрирует текущие значения статистики.
Это может быть полезно для обзора того, как все развивалось, или просто в качестве справки.

В начало документа

обратных вызовов C# | Фотонный двигатель

каламбур
| v2

переключиться на версию 1

C# SDK предоставляет интерфейсы обратного вызова, которые вы можете реализовать в своих классах:

Интерфейсы обратных вызовов Photon Realtime C# SDK:

IConnectionCallbacks : обратные вызовы, связанные с соединением.
IInRoomCallbacks : обратные вызовы, которые происходят внутри комнаты.
ILobbyCallbacks : обратные вызовы, связанные с лобби.
IMatchmakingCallbacks : обратные вызовы, связанные с поиском партнеров.
IOnEventCallback : один обратный вызов для любого полученного события. Это эквивалентно событию C# LoadBalancingClient.EventReceived .
IWebRpcCallback : один обратный вызов для получения ответа операции WebRPC.
IOnErrorInfoCallback : один обратный вызов для получения события ErrorInfo.

PUN 2 специальных интерфейса обратного вызова:

Помимо Photon Realtime C#, PUN 2 добавляет несколько эксклюзивных интерфейсов.
Мы разделим их на две группы в зависимости от их «области действия» и того, как они обрабатываются:

Все классы, реализующие любые интерфейсы обратного вызова Photon Realtime или General PUN 2, кроме IPunInstantiateMagicCallback , должны быть зарегистрированы и отменены.
Звоните PhotonNetwork.AddCallbackTarget(this) и PhotonNetwork.RemoveCallbackTarget(this) .

Все классы, реализующие любые интерфейсы обратного вызова PhotonView , кроме IPunObservable , должны быть зарегистрированы и не зарегистрированы.
Вызовите photonView.AddCallbackTarget(this) и photonView.RemoveCallbackTarget(this) .
Интерфейсы IPunObservable обрабатываются через инспектор и не являются частью системы добавления и удаления.

Вы можете реализовать один или несколько интерфейсов для каждого класса.
Вы также можете реализовать один и тот же интерфейс несколькими классами.
Плата за это заключается в том, что классы, реализующие эти интерфейсы, могут стать слишком длинными или иметь неиспользуемые методы.

Например, в Unity можно использовать MonoBehaviour , OnEnable() и OnDisable() или Start() / Awake() и OnDestroy() .

Реализация этих интерфейсов необязательна, но рекомендуется, поскольку мы считаем, что это может сделать ваш код более читабельным и удобным для сопровождения.
Это также упрощает управление потоком и состояниями Photon, предоставляя точное время для выполнения некоторой логики.
Другие альтернативы могут потребовать использования полей флагов состояния, опроса для проверки сетевого состояния клиента или подписки на все изменения состояния сетевого клиента или полученные события или ответы на операции.
Это требует глубоких знаний о некоторых внутренностях или низкоуровневых деталях Photon, которых вы можете избежать и сосредоточиться на своей игре.

Если в одном из методов обратных вызовов реализованных интерфейсов возникает необработанное (неперехваченное) исключение, все остальные реализованные для того же интерфейса, той же сигнатуры и еще не вызванные не будут вызываться.
Это связано с тем, что реализованные методы обратного вызова интерфейса одной и той же сигнатуры мы вызываем в цикле в порядке их регистрации (что может быть случайным в Unity, если прописать в MonoBehaviour метода).

Причины выбора интерфейсов вместо других способов реализации системы обратных вызовов:

обеспечение соблюдения сигнатур методов обратных вызовов, что гарантируется компилятором при реализации интерфейсов
группировка обратных вызовов, логически связанных в один класс
по сравнению с другими методами предоставления обратных вызовов, он имеет меньше накладных расходов на мусор и позволяет избежать утечек памяти

Если у вас есть метод, который имеет точную сигнатуру как один из методов интерфейса обратных вызовов, или вы хотите скрыть методы обратных вызовов (если не выполняется приведение), вы можете выбрать явную реализацию интерфейса.

Наследование от класса MonoBehaviourPunCallbacks — самый простой и быстрый способ реализации обратных вызовов PUN2:

это MonoBehaviour , который позволяет вам выборочно переопределять обратные вызовы, которые вам нужны, и только те, которые вам нужны
нет необходимости запоминать все интерфейсы обратных вызовов, так как он реализует большинство из них: IConnectionCallbacks , IMatchmakingCallbacks , IInRoomCallbacks , ILobbyCallbacks , IWebRpcCallback и IOnErrorInfoCallback
он уже обрабатывает регистрацию и отмену регистрации обратных вызовов от вашего имени (соответственно в OnEnable() и OnDisable() )
он расширяет MonoBehaviourPun , который легко предоставляет PhotonView в свойстве, если последний прикреплен к тому же GameObject

Тем не менее, вы должны быть осторожны, так как:

он реализует не все интерфейсы обратных вызовов, но большинство.