トラクタービーム

トラクタービームは、遠く離れた物体を別の物体に引き寄せることができる装置です。^[1]この概念はフィクションに由来しています。この用語は、EE スミスが小説「Spacehounds of IPC 」 （1931 年）で作った造語です（以前の「アトラクタービーム」を更新したものです）。1990 年代以降、技術と研究はトラクタービームの実現に向けて努力し、微視的レベルでは一定の成功を収めています。^{[2]あまり一般的ではありませんが、反発する同様のビームは}プレッサービームまたはリパルサービームとして知られています。重力インパルスビームと重力推進ビームは、トラクタービームとリパルサービームの概念と一致する、 フリンジ物理学の研究分野です。

明確な境界を持つコリメートビーム内に閉じ込められた力場は、トラクタービームとリパルサービームの主な特徴の 1 つです。 ^[3]いくつかの理論では、コリメートビームが存在しないため、反発効果はトラクタービームとリパルサービームの範疇には入らないと予測されています。^[要出典]たとえば、^[要説明]ヒューズ研究所のRobert L. Forward は、一般相対性理論によって、加速された凝縮物質を含むらせん状のトーラスの軸に沿って、重力のような反発力の非常に短いインパルスを生成できることを示しました。^{[4] [5]}主流の科学界は Forward の研究を受け入れました。^[要出典]

オーストリア、インスブルックの科学基礎研究所 (IGW) のWalter Dröscherとドイツのザルツギッターにある応用科学大学および CLE GmbH の Jocham Häuser によるBurkhard Heimの理論の派生では、非常に強い磁場の上を回転するリングによって重力光子の反発力場が生成される可能性があると予測した。^[6] Heim の理論とその派生は、主流の科学界では異端物理学として扱われてきた。しかし、Forward、Droöscher、Häuser の研究は、予測された衝撃と場の効果が明確に定義された平行領域に限定されていなかったため、反発ビームや牽引ビームの一種とは見なされなかった。^[要出典]

以下は、リパルサーとトラクター ビームの概念に似た他の注目すべき実験と理論の概要です。

1960年7月、業界誌「ミサイル・アンド・ロケッツ」は、ライアン航空機会社の研究エンジニアであるマーティン・N・カプランが、反重力力を別の物体に向ける、または別の物体から遠ざける能力につながる可能性のある実験を行ったと報じた。^[7]

1964年、ニールス・ボーア研究所の物理学者レオポルド・ハルパーンと北欧理論物理学研究所のB・ローランは、一般相対性理論と量子論によって、レーザーのような方法で重力子を生成し増幅できることを示した。 ^{[8]彼らは、原理的には、誘導共鳴放射を使用することで、}重力子 ビームの形の重力放射を生成し増幅できることを示した。

1992年、タンペレ工科大学のYevgeny Podkletnov教授とR. Nieminenは、電磁的に浮上した巨大な複合超伝導ディスクの上にある物体の重量が変動することを発見しました。^[9] 3年後、Podkletnovはトロイダルディスク超伝導体を使用した追加実験の結果を報告しました。^[10] 彼らは、超伝導体の角速度が増加すると、サンプルの重量が-2.5%から+5.4%の間で変動すると報告しました。ディスクの角速度と電磁周波数の特定の組み合わせにより、変動は0.3%の減少で安定しました。トロイダルディスクを使用した実験では、最大1.9～2.1%の減少が得られました。両方の実験セットに関する報告では、重量減少領域は円筒形で、ディスクの上方少なくとも3メートルにわたって垂直に伸びていると述べられています。 1995年秋には、遮蔽帯の境界における排出力の定性的な観測が報告された。^{[11] [疑わしい–議論が必要]}世界中のいくつかのグループがポドクレトノフの重力遮蔽観測を再現しようとした。^{[12] [さらなる説明が必要]}

イタリアの物理学者ジョヴァンニ・モダネーゼは、マックス・プランク物理学研究所のフォン・フンボルト研究員として、ポドクレトノフの観察を理論的に説明する最初の試みを行った。^{[11] [13]} 彼は、遮蔽効果と遮蔽領域の境界でのわずかな反発力は、局所宇宙定数の誘導変化によって説明できると主張した。モダネーゼは、超伝導体内の局所宇宙定数の変化に対する反応に関するいくつかの効果を説明した。^[14]高エネルギー物理学研究所（北京） のニン・ウーは、2001年に開発した量子ゲージ重力理論を使用して、ポドクレトノフの観察を説明した。^[15] ウーの理論は、相対重力損失を0.03％（報告された範囲0.3〜0.5％よりも1桁小さい）と概算した。^[要出典]

ムンバイのタタ基礎研究所のCS・ウニクリシャンは、この効果が重力遮蔽によって引き起こされた場合、遮蔽領域の形状は重力遮蔽の影に似たものになるだろうと示した。例えば、ディスク上の遮蔽領域の形状は円錐形になる。円錐の頂点のディスク上方の高さは、遮蔽ディスクの地球上方の高さに比例して変化する。^{[16]ポドクレトノフとニーミネンは、重量減少領域の形状を}クライオスタット の上の天井まで伸びた円筒形であると説明した。^[要出典]

アンドレイ・ローデ教授率いるオーストラリア国立大学（ANU）の科学者チームは、トラクタービームに似た装置を作製し、小さな粒子を空中で1.5メートル移動させた。 ^[17] しかし、この装置は新しい重力場を作り出すのではなく、ドーナツ型のラゲール・ガウスレーザービームを利用している。このビームは、ビーム軸に沿って暗いコアを囲む高強度の光のリングを持っている。この方法は、光泳動を使用して粒子をビームの中心に閉じ込め、粒子の照射された部分の温度が高くなり、表面に当たる空気分子により多くの運動量を与える。この方法のため、このような装置は空気がないため宇宙では機能しない。ローデは、この装置は地球上で、例えば微小な危険物やその他の微小物体の輸送など、実用的な用途があると述べた。^{[18] [19]}

ジョン・シンコとクリフォード・シュレヒトは、マクロなレーザートラクタービームとして逆推力レーザー推進の一種を研究した。想定される用途としては、最大約100km離れた宇宙物体の遠隔操作^[20] 、宇宙ゴミの除去^[21]、軌道上で漂流した宇宙飛行士や道具の回収^{[22]などがある。}

ソレノイドモードの光に基づく機能的なトラクタービームは、 2010年にニューヨーク大学の物理学者によって実証されました。^[23] これらの非回折ビームの螺旋状の強度分布は、照射された物体を捕捉する傾向があり、通常、物体を光軸に沿って押し下げる放射圧を克服するのに役立ちます。 ソレノイドビームの螺旋波面から伝達された軌道角運動量は、捕捉された物体を螺旋に沿って上流に押し上げます。ベッセルビームとソレノイドトラクタービームの両方が、NASAによって宇宙探査への応用が検討されています。^[24]

2011 年 3 月、中国の科学者たちは^[詳細]、特定の種類のベッセルビーム(中心で回折しない特殊な種類のレーザー) が、特定の微小粒子に引っ張るような効果を生み出し、それをビーム源に向かって押し進めることができると仮定しました。^{[25] [26]}基礎となる物理は、放射多極子の干渉による前方散乱の最大化です。彼らは、負の (引っ張る) 光学力を実現するための必要条件は、粒子内の多極子の同時励起であることを明示的に示しています。伝播方向に沿った光子の総運動量投影が小さい場合、引力光学力が可能です。^[27]中国の科学者は、この可能性が光学マイクロマニピュレーションに実装される可能性があることを示唆しています。^[要出典]

2013年、科学機器研究所（ISI）とセントアンドリュース大学の科学者らは、顕微鏡レベルで物体を引っ張るトラクタービームを開発した。^[28]この研究では、この技術が生物医学研究に潜在性がある可能性があるとしている。ゼマネク教授は「チーム全体が何年もかけて、光による粒子送達のさまざまな構成を調査してきた」と述べている。^{[この引用には引用が必要]} ブルゾボハティ博士は「これらの方法は、基礎的なフォトニクスだけでなく、生命科学への応用にも新たな機会をもたらしている」と述べている。^{[この引用には引用が必要]} チズマー博士は「光と音響による粒子操作の類似性から、この概念がフォトニクス分野以外の分野での刺激的な将来の研究を刺激すると期待している」と述べている。^{[この引用には引用が必要]}

ANUの物理学者たちは、直径1ミリメートルの5分の1の粒子を最大20センチメートルの距離まで輸送できる可逆的なトラクタービームを開発した。これは、これまでの実験の約100倍の距離である。物理工学研究学校のウィスワフ・クロリコウスキー教授によると、「このような大規模なレーザービームの実証は、レーザー物理学者にとって一種の聖杯である」という。^[29]この研究は2014年にネイチャー誌 に掲載された。 ^[30]同年、ANUのホルスト・プンツマン博士と彼のチームは、水上で機能するトラクタービームを開発した。これは、石油流出の封じ込め、浮遊物の制御、または海岸の波打ち際の形成の研究に使用できる可能性がある。^[31]

2015年、研究チームは音波を使って物体を持ち上げたり移動させたりできる世界初のソニックトラクタービームを開発しました。^[32] Instructablesのウェブページには、基本的な装置の作り方の手順が掲載されています。^[33]

2016年、ライス大学の科学者たちは、テスラコイルがテスラフォレシスと呼ばれるプロセスを通じて物質を操作できる力場を生成できることを発見しました。 ^[34]

2016年12月、研究者らはトラクタービームを使用して細菌細胞の動きを操作することに成功し、トラクタービームが将来生物科学に応用される可能性が開かれた。^[35]

2018年、テルアビブ大学のアロン・バハバード博士率いる研究チームは、アルキメデスのねじの光学類似物を実験的に実証した。これは、らせん状の強度のレーザービームの回転が、光学的に捕捉されたマイクロメートル規模の空中炭素系粒子の軸方向運動に変換されるものである。この光学ねじにより、粒子は、光学流の上流または下流で、制御された速度と方向で、半センチメートル以上容易に搬送された。^[36]

2019年、ワシントン大学の研究者らはトラクタービームを使用して「フォトニックナノソルダリング」と名付けられたプロセスでナノスケールの材料を組み立てました。^[37]

SF映画やテレビ番組では、トラクタービームやリパルサービームは、通常、小さなターゲットエリアをカバーする可視光線の細い可聴光線として描かれています。トラクタービームは、宇宙船や宇宙ステーションで最もよく使用されます。一般的に、次の3つの方法で使用されます。^{[引用が必要]}

1. 貨物、乗客、シャトルクラフトなどを固定または回収するための装置として。これは現代の船舶のクレーンに類似しています。
2. 工作員が即席の武器として使用できる物体を捕獲する装置として
3. グラップリングフックと同様に、敵の逃走を防ぐ手段として。

後者の場合、通常はトラクター ビームに対する対抗手段を講じることができます。対抗手段には、プレッサー ビーム (より強いプレッサー ビームはより弱いトラクター ビームに対抗します) や、プレーン シアー( 別名 シアー プレーン) (トラクター ビームを「切断」して無効にする装置) などがあります。架空の世界では、シールドでトラクター ビームをブロックしたり、大量のエネルギーをビームに沿ってその発生源に送ることでジェネレーターを無効にしたりすることができます。^[要出典]

牽引ビームと加圧ビームは武器として併用できる。敵の宇宙船の片側を引き寄せながらもう片側をはじくことで、船体に深刻な損傷を与えるせん断効果を生み出すことができる。このようなビームの破壊的な使用法のもう 1 つは、圧迫力と牽引力を素早く交互に使用して、船に構造的損傷を与え、乗組員に致命的な力を与えることである。^[要出典]

トラクタービームによって引き寄せられる2つの物体は、通常、共通の重心に向かって引き寄せられます。つまり、小型宇宙船が惑星などの大型物体にトラクタービームを当てると、宇宙船は惑星に向かって引き寄せられ、その逆は起こりません。^{[3] [より適切な情報源が必要]}

スタートレックでは、トラクタービームは、エミッターからの2本のビームによって作成されたサブスペース/重力子干渉パターンの焦点にターゲットを配置することで機能すると想定されています。ビームが正しく操作されると、ターゲットは干渉パターンに沿って描画されます。ビームの極性を変更することで、ターゲットをエミッターに近づけたり遠ざけたりすることができます。ビームの範囲はエミッターが移動できる最大質量に影響し、エミッターはそのアンカー構造に大きな力をかけます。^[38]

• ラドヤード・キプリングの『ABC のように簡単』 （1912 年）では、ある女性が政治的な声明として公衆の面前で自殺しようとしたときに、航空管制局の飛行船の 1 つによって生成された「飛行ループ」が使われています。ループは女性の手からナイフを引き抜き、飛行船に向かって引き寄せる代わりに 50 ヤード先まで投げ飛ばしました。また、その後も 1 秒ほど女性の腕を固く固定し続けました。ジョン・ブルナーは、キプリングの SF 作品集の序文で、これがトラクター ビームの最初の描写である可能性があると述べています。
• EE スミスは、1931 年にAmazing Stories誌に連載された小説Spacehounds of IPCの中で、「トラクター ビーム」(以前の「アトラクター ビーム」の改良版) という用語を作り出した。彼のSkylark of Spaceシリーズ (1929 年以降) の主人公は、「アトラクター ビーム」と「リペラー ビーム」を発明した。リペラーは、物質の発射体に対する防御力場として等方的に放射することもできる。この装置は、スミスのLensmanシリーズにも登場する。
• フィリップ・フランシス・ナウランのバック・ロジャースの小説『アルマゲドン2419年』 （1928年）では、敵の飛行船は支援と推進のために「リペラービーム」を使用していましたが、^[39]これはエドガー・ライス・バローズの『火星のジョン・カーター』シリーズ（初版1912年 - 1943年）で火星の飛行船の支援と推進に使用された「第8光線」ビームに似ています。
• トム・スウィフト- トム・スウィフト・ジュニアの著書『トム・スウィフトと深海ハイドロドーム』（1958 年）で、トムは「リペラトロン」を発明しました。この装置は、特定の化学元素をはじくように設定できます。これは、海底に泡の生息地を作成するために使用され、また、彼の宇宙船チャレンジャーの推進システムとしても使用されました。
• ジェームス ホワイト著のセクタージェネラルシリーズ: 1963 年の小説「スター サージョン」は、ラトラーと呼ばれる複合トラクター/プレッサー ビーム兵器の元になっています。この兵器は、1 分間に数回、ターゲット (船全体または船体の一部) を 80 g s で引き寄せては反発させます。この小説には、「反発スクリーン」と呼ばれる力場のタイプも登場します。
• アーサー・C・クラークの『トリガー』では、小説の冒頭でトラクタービームの開発が取り上げられています。
• ロバート A. ハインラインの『シックス コラム』では、トラクター/プレッサー ビームは、小説に登場する「新たに発見された磁気重力スペクトルまたは電気重力スペクトル」の物理学の産物であると説明されています。

• バック・ロジャースの漫画 - 当初はリパルサービームのみだったが、1970年代にはトラクターが登場した。
• アイアンマンのさまざまなアーマースーツには通常、主な武器システムの 1 つとして手のひらに取り付けられたリパルサー ビーム プロジェクターが搭載されています。

• スタートレック(テレビシリーズ、映画、書籍、ゲーム)。この概念の最も目立ち、象徴的な使用例の 1 つ。このようなビームを繰り返し使用し、一貫してトラクター ビームと呼んでいる数少ない著名な架空の描写の 1 つ。 ^{[引用が必要]}

• 力場（物理学）
• 光学リフト
• 光ピンセット
• 光浮上
• サイコキネシス
• 静止フィールド

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• 小規模な実際のソニック トラクター ビーム効果。Wayback Machineで 2016 年 2 月 1 日にアーカイブされたBBC ニュース。