スターウォーズ兵器の科学|物理

あなたがすでにスターウォーズならファンの皆さんは、物語の舞台が遥か彼方の銀河であることを知っているので、物理法則が適用されるはずです。一方、これらは明らかにフィクションです。それらの法律を適用する意味はありますか？はい、そうするのは楽しく、やりがいがあります。映画で示されている物理学が適切である場合もあれば、物理学の領域で高度な技術や新しい発見が必要な場合もあります。いずれにせよ、科学とは、問題が発生する特定の状況ではなく、問題に取り組むために必要な批判的思考プロセスに関するものです。ブロックを持ち上げる滑車の代わりに、ヨーダの力で岩を持ち上げることを考慮できない理由はありません!

それでも、映画は物理学のトピックを説明するために必要なすべての答えを常に提供するとは限りません。ライトセーバーとは正確には何ですか？それはプラズマですか、それとも光線ですか？映画以外で参照する情報源に応じて、どちらかになる可能性があります。ここでは、映画に描かれていることは間違いなく真実であると見なされますが、必要に応じて他の情報源が考慮されます.わかりやすくするために、すべての計算が詳細に示されているわけではありません。自分でそれらを再現したい場合は、入門物理学の本を利用してそれを行うことができます.科学の素晴らしさは、あなたがどこにいても、他の人の研究結果を再現できることです。

ライトセーバー

ライトセーバーはスターウォーズを作るものです、スターウォーズ .表面的には、見ていて楽しいだけです。また、登場人物が経験している葛藤や感情の激変を感じるのにも役立ちます。 帝国の逆襲の象徴的な「私はあなたの父です」の瞬間は何でしょうかルークとダース・ベイダーの間の前のライトセーバーの決闘がなければ?それらが映画の素晴らしい要素であることは明らかですが、科学は持ちこたえることができるのでしょうか?

スターウォーズの拡張宇宙ライトセーバーは、銀河中の場所 (ローグ・ワン のジェダを含む) で見つかったカイバークリスタルによって動力を与えられている (そして色付けされている) ことを立証します。）。これらの結晶には現実の根拠がありますか?それはさておき、色やデザインの違いはどれも実用的ですか？

通常、ライトセーバーの長さは約 3 フィートです。 3 フィートのビームを作成するのがどれだけ簡単かは、それが光のビームかプラズマのビームかによって異なります。

光子は向きを変えたり、空中で止めたりするのが非常に難しいため、光線を封じ込めるのは難しい。おそらく、長さ 3 フィートのビームを作成する最も簡単な方法は、剣の柄の反対側に鏡を置いて光を反射させることでしょう。オフのとき、ライトセーバーは柄よりも大きくないため、これは明らかに提示されたデザインではありません.ライトセーバーがオンになる音は、光で満たされた容器の蓋を開けたかのように鏡が外側に伸びる音かもしれませんが、まだ他の問題があります.

たとえば、ビームが可視光であるという事実 (確実に見ることができます!)。レーザーポインターを腕に当てたことがある人なら、皮膚を切らないことをご存知でしょう。可視光レーザーポインターの出力は、損傷を与える前に約 1000 倍にする必要があり、その出力のレーザーには大規模な冷却システムが必要です。さらに、私たちが知る限り、光線は、どんなに強力であっても、ブラスターによって発射されたプラズマのボルトをそらすことができません.同様に、光線はプラズマを吸収できません。

ビームをプラズマと考えると、別の懸念事項があります。適切に設計された電磁界は、原則として、約 3 フィートのサイズのプラズマを含むことができます (おそらく、プラズマを非常に楕円形の経路で送り、おおよそ円筒形を作成します)。プラズマはまた、傷を焼灼し、金属を溶かすのに十分なほど熱くなっています (映画で見られるライトセーバーの両方の側面)。良いスタートを切っていますが、プラズマの決闘を考えると問題が生じます。浮遊するプラズマが他の浮遊するプラズマと衝突することを期待するのは、スープが他のスープと衝突することを期待するようなものです。 2 つのプラズマは実際には互いに引き寄せられ (荷電粒子で構成されているため)、1 つになります。これはまた、ブラスターボルトをそらすことを困難にしますが、フォースライトニングをどのように吸収できるかを説明することができます.

プラズマの色は温度によって異なります。その点で、赤いライトセーバーは緑のライトセーバーよりもエネルギーが低く、それぞれが同じ材料で作られていると仮定します.緑色の光は赤色の光よりも多くのエネルギーを持っているため、これは光から作られた場合にも当てはまります.赤または緑のプラズマを生成することは非常に困難です。研究室でも恒星でも、ほとんどのプラズマは主に水素を使用して生成されます。これは、水素ベースのプラズマの色をよく知っていることを意味します。しかし、コバルトプラズマを作ったら、違う色に見えるでしょうか?調べるには、その実験を行うだけです。

プラズマは高温であり、プラズマが十分に存在する限り、プラズマに近づくことも高温になります。プラズマはしばしば数百万度の温度になるため、プラズマスティックを手に持つと重度の火傷を負う可能性があります。太陽は 9,300 万マイルも離れており、有害な放射線のほとんどを遮断する大気があるにもかかわらず、太陽から身を守るために日焼け止めを着用する必要があります。小型の棒状の太陽を手に持つには、少なくとも SPF 10,000 が必要です。

ライトセーバーがどのように機能するかについては確かに別の説明があるかもしれませんが、それは現実に基づいていないか (たとえば、カイバークリスタルの魔法を使用)、または単なる光やプラズマ以上のものを含む信じられないほどのエンジニアリングの偉業である可能性があります.

ブラスター

ブラスターは スターウォーズ のどこにでもあります .銀河帝国と反乱同盟軍はそれらを使用し、ドロイドはそれらを使用し、密輸業者と賞金稼ぎはそれらを使用する傾向があるようです.一部の人 (つまり、ジェダイ) にとっては、それらは「不器用またはランダム」ですが、ほとんどの人にとっては資産です。特に物議を醸すケースでは、誰かが座っている間にわずか数フィート離れたところからブラスターショットをかわします.これは、エピソード IV の「ハンが最初に撃った」シーンです。;元のリリースでは、ハンが賞金稼ぎのグリードを先制して撃ち殺すため、ハンがショットをかわす必要はありません。後のリリースでは、グリードが撃ち、ハンがかわしてから撃ち返すようにシーンが編集されています。このような至近距離で射撃をかわすことができることを知ることは、武器のぎこちない、またはランダムな性質を説明するのに役立つかもしれません.

ブラスターをレーザー兵器と呼ぶ情報源もあれば、プラズマ兵器と呼ぶ情報源もあります。両方のオプションを検討します。プラズマ兵器の場合、ブラスターはティバナガス (クラウドシティなどで採掘される物質) を圧縮します。圧縮された後、ティバナガスはエネルギーを与えられ、ブラスターのバレルからボルトの形でターゲットに向かって発射されます。このシナリオでは、ブラスターボルトは、有限の形状 (多くの場合、線) に閉じ込められた放出されたプラズマのビームです。ティバナは架空の物質であるため、これを理解するためにいくつかの実世界の資料を見ることができます.

まず、ティバナガスがティバナプラズマになる温度を知る必要があります。材料がプラズマに変化する温度はほぼ一定であるため、ティバナガスがプラズマに変化する適切な温度は華氏 360,000 度であると推定できます。そのようなガスが体に触れると、その熱が体に伝わります。非常に高い温度では、ほとんどの材料はほぼ同じ比熱 (熱エネルギーを蓄える能力) を持っています。十分なプラズマが存在する場合、360,000 度のプラズマボルトは体のあらゆる部分を蒸発させる可能性が高いと言えます。

ただし、プラズマを発射するブラスターには問題があります。プラズマは、電磁場からの力を受ける荷電粒子のスープで構成されています。時速 73 マイルで撃たれたプラズマボルト (スターウォーズ のブラスターボルトの速度の適切な推定値) ) ボルトを右または左に 1.5 フィート移動させるには、地球の磁場よりも約 100 万倍弱い磁場しか必要としません (ターゲットが 33 フィート離れている場合)。これは、ブラスターが明らかにランダムであり、ストームトルーパーがひどい狙いを持っているように見える理由を説明することができます.漂遊磁場のわずかな部分が、ボルトの経路を予期せず変更する可能性があります。実際、ストームトルーパーが地球に向けて発砲した場合、ボルトはターゲットを逃すだけでなく、非常に狭い円を描いて移動し、発砲元の銃に命中します.

漂遊磁場がプラズマボルトの軌道にどれだけ影響するかを考えると、元のスクリプトに示されているように、ブラスターは確かにレーザー銃である可能性があります。光は方向転換しにくいため、レーザーガンの精度ははるかに高くなります。また、ボルトを生成するために必要なエネルギーも少なくなります。レーザーを思い浮かべると、「発射」してもインストルメントパネルに害を与えたり破壊したりしないレーザーを思い浮かべるでしょう。これは、レーザーポインターが最も普及しており、(ほとんどの場合) クラス 1 レーザーであるためです。レーザー兵器はクラス 4 レーザーである可能性が最も高く、皮膚を焼き、可燃物に点火し、間違いなく視覚障害を引き起こす可能性があります。

通常、クラス 4 レーザーの出力は 500 ミリワットを超えます。つまり、レーザーが皮膚に数秒間接触すると、重度の火傷を負うことになります。より強力なレーザーは明らかにより多くのダメージをより迅速に与えますが、これはレイアがエンドアに当たったときに受けるダメージと一致しているようです.

おそらく、これらがレーザー光線であるという考えに対する最良の議論は、すべての光が光の速度で移動するということです.これらのブラスターボルトは、光よりもかなり遅く移動しています。それらは、光が移動する毎秒 186,000 マイルではなく、毎秒 100 フィートに近く移動します。映画では、ブラスターが赤くなり、人が命中するまでに 1 ～ 2 秒かかります。もしこれが光の速さで移動する実際のレーザーなら、それは地球に立っているときに月面で誰かを攻撃するのにかかる時間だろう.

これらの説明はどちらも、映画で見られるものと一致しません。最も可能性の高い説明を1つ選択する必要がある場合、それはプラズマの説明です.ブラスターを設計したエンジニアが光を遅くする方法を見つけたよりも、ブラスターが赤いシーンには磁場がない可能性が高い.

エレクトロスタッフ

スターウォーズ エレクトロスタッフとして知られる武器化されたスタッフを提供します。主にグリーヴァス将軍の護衛が使用するエレクトロスタッフは、6 フィートの棒で構成されており、どちらかの端の最後の 1 フィートほどを持続的に電気が流れています。 エピソード III でグリーヴァス将軍から首相を救出する際に、オビ＝ワンとアナキンに対して中程度の効果で使用されていることがわかります。 .電化された端を持つスタッフを持つことはどれほど難しいでしょうか?このような武器を使用することに何か問題はありますか?ライトセーバーの刃を止めることができるでしょうか？強く投げたら、宇宙船の窓を割ることができますか?

約 1 フィートの距離にわたって持続的な放電を発生させるには、大きな電位が必要です。その距離だけで火花を発生させるには、空気をイオン化するのに十分な大きさの電位差を作成する必要があります。地球上では、これは 1 フィートあたり約 100 万ボルトを意味します。それはたくさんのように聞こえますが、そのような武器の設計は十分に簡単です.両端に端から約 1 フィートの金属リングがあり、スタッフの両端に高電圧電極がある場合、内部電源によって継続的に充電され、空気の電気的絶縁破壊によって放電されるコンデンサのように機能します。

では、これはどのように機能するのでしょうか? 2 つの金属リングがあり、1 つはスタッフの端にあり、非常に高い電圧に充電されています。譜表の中心に近いもう一方のリングは接地されています。これにより、電荷を蓄えるように設計されたデバイスであるコンデンサと呼ばれるものが作成されます。コンデンサの電荷が増加すると、2 つのリング間の電界が比例して増加します。最終的に、リング間の電場は、電子を原子から分離し、一時的に空気を高伝導性のプラズマに変えることができるポイントに到達します。電荷がリング間を流れるようになると、リングは完全に放電されます (一方の負電荷が他方の正電荷を相殺するために移動するため)。その後、これらの金属リングを再充電するのは電源次第です。

この兵器の作成は実現可能ですが、実用的であるとは限りません。エレクトロスタッフの問題は、端を充電していることであり、それらを放電するのに最も便利な場所は、金属リング (端から 1 フィート離れた場所) です。スタッフの端を金属面から 1 フィート未満にすると、代わりにそこで放電する可能性があります。オビ＝ワンとマグナガードの 1 人との戦いを見て、杖の先端が金属の 1 フィート以内にある頻度を確認してください。武器の端を体から遠ざけることは一般的に良い考えですが、金属でできていて、武器が回路を焼き尽くす場合は特に重要です。

これらの棒の 1 つは、ライトセーバーを止めたり、宇宙船の窓を割ったりすることができますか?短い答えは、それぞれノーと十分に強く投げられた場合です。ライトセーバーを止められる可能性はありますが、映画で示されている方法ではできません。杖の先端に稲妻を発生させるには、大きな電界が必要です。プラズマ (ライトセーバーのセクションを参照) は荷電粒子のスープであるため、スタッフの電場はすべての荷電粒子に強い力を及ぼし、ライトセーバーのビームを分散させる可能性があります (封じ込めシールド）。窓を割る場合、最も強いガラスは約 1 ギガパスカルの圧力 (ダイヤモンドを形成するのに必要な圧力の約 10 分の 1) で割れます。これは、インビジブルハンドの窓を割るために、スタッフが約 200 万ポンドの力を加える必要があることを意味します。端が充電されているという事実は力を増加させないので、基本的には、一般的なスタッフが窓を割ることができるかどうか疑問に思っています.答えは…確かに、十分に強く投げれば.

イオンキャノン

帝国の逆襲のオープニングで、ホスの秘密基地が帝国によって発見されました。その後の避難では、反乱軍はイオン砲を使用して、避難する輸送船をカバーします。数発の射撃で、彼らはスター・デストロイヤーを倒すことができます。その後、ミレニアム・ファルコンがデス・スコードロンによって追跡されているため、ハンと会社はホスの小惑星帯に飛び込みます.追跡中、スターデストロイヤーは大砲を使用して小惑星を蒸発させ、船に与えられるダメージを最小限に抑えようとします。 1 回の爆発で、小惑星は微視的な破片に吹き飛ばされます。

イオン砲の破壊力は一度だけ明示されている。これは帝国の逆襲の始まりですスター・デストロイヤーが反乱軍基地の近くにある地上のイオン・キャノンからの数回の爆発によって破壊されたとき.爆発による構造的損傷はそれほど大きくないようですが、船内のすべてのコンピューターを焼き尽くすほどの強い電流が船に流れているようです。これは、非常に強力な電磁パルスと同じ効果です。この強さの爆発は、おそらく米国の家庭が 1 年間に使用するのとほぼ同じエネルギーを必要とするでしょう.

使用中の重火器の 2 つ目の例は、スターデストロイヤーが小惑星を蒸発させる場合です。これがイオン砲であることは明示されていませんが、イオン砲と同じくらい強力です。何かを気化させるには、それが溶けて蒸発するまで加熱する必要があります。これに必要なエネルギー量を見積もるには、ホスフィールド内の小惑星の正確なサイズと構成を知る必要があります。太陽系の典型的な小惑星は主に鉄またはケイ酸塩岩であるため、これらの物質の特性を推定に使用できます。サイズを見積もるには、小惑星がスターデストロイヤーの下面に衝突したときの衝撃の大きさを見ることができます。これらすべてをまとめると、スター・デストロイヤーの重火器からの爆風は約 10 ジュール、つまり広島上空での原子爆弾の爆発で放出されたエネルギー量の約 10 倍になると言えます。

これらの兵器に動力を供給するには大量のエネルギーが必要であることは明らかですが、これを達成することは不可能ではありません。ただし、このような強力な武器を発射することになると、他の懸念事項があります。たとえば、イオンビームは、ブルーミングとして知られるプロセスを経ることがあります。ビーム内のすべてのイオンが同じ電荷を持っている場合 (電子ビームなど)、それらは時間の経過とともに互いに反発し合い、ビームが広がり、ターゲットに到達したときに効果がなくなります。熱ブルーミングは、イオンが空気中の粒子にぶつかるときにも発生します。ホスに雪が降っているという事実は、発生する開花の量を増やすだけです.

地上配備のイオン兵器と、スター・デストロイヤーに搭載される可能性のある兵器の両方について、他にも懸念事項があります。磁場内でイオンのビームを発射すると (確かにホスには必要ありません)、イオンは運動方向に垂直な力を受けます。これにより、粒子が円形の経路を移動します (詳細については、ブラスターのセクションを参照してください)。

ホスに磁場がなくても、スターデストロイヤーは磁場のある惑星や恒星の近くを飛行します。

イオン兵器を設計する場合、円盤状または球状の設計が理にかなっています。イオンを有効な兵器として十分に加熱するためには、イオンを加速しながら円形の経路で移動させるのが最も簡単でしょう。発砲したい場合は、この経路でそれらを保持している磁場をオフにすることができ、武器は直線でビームを発射します.これは、イオンビームを十分な速度まで加速するのに時間がかかるため、ショット間に時間がかかる理由と、ホスベースのイオンキャノンの球形を説明することができます.

パトリック・ジョンソンは、ジョージタウン大学の教職員であり、主に入門物理学を教えています。