Вы когда-нибудь играли с карманным лазером, задаваясь вопросом, как далеко будет распространяться его свет? Могли бы вы, непослушный ученик в классе на Земле, досадить бедному учител. на Марсе, размахивая своей лазерной указкой?
Короткий ответ: нет. К тому времени, когда свет наконец достигнет Марса, он будет в миллион раз тусклее самого слабого света, видимого человеческим глазом.
Но вам не нужно верить нам на слово. Математика, необходимая для вычисления ответа, удивительно проста.
Отчасти вдохновленный выступлением на недавнем астрономическом совещании, которое изучало, можем ли мы обнаружить фотоны от потенциальных инопланетян, обитающих на экзопланетах, Inside Science выполнила некоторые из наших собственных расчетов, чтобы увидеть, может ли гипотетический инопланетянин Галилей наблюдать фотоны, приходящие с Земли.
Все, что нам нужно, - это уравнение для вычисления скорости распространения лазерного луча в пространстве. Из этого мы можем использовать простую геометрию, чтобы получить диаметр луча, когда он попадает в свою цель. Наконец, мы делим выходную мощность лазера на площадь конечного освещенного пятна и вуаля! -- вот насколько интенсивен лазер в месте назначения. Хотя то, как люди или инопланетяне воспринимают яркость этого света, гораздо менее прямолинейно, для целей этого упражнения мы рассматриваем яркость и интенсивность света как одно и то же.
Ваша карманная лазерная указка
Мощность для средней лазерной указки составляет жалкие 0,005 Вт. Однако из-за узкой траектории лазерного луча, если вы направите его прямо в ваш глаз с расстояния вытянутой руки, маленькая освещенная точка на вашем глазном яблоке будет в 30 раз ярче, чем полуденное солнце. Поэтому не делайте этого ни дома, ни где-либо еще.
Тем не менее, узкий луч будет распространяться на большие расстояния. Примерно в 100 метрах от красной лазерной указки ее луч примерно в 100 раз шире и выглядит так же ярко, как 100-ваттная лампочка на расстоянии 1 метра. Если смотреть с самолета на высоте 12 километров - при условии, что там нет облаков или смога, - указатель будет таким же ярким, как четверть Луны. С Международной космической станции он потускнеет и станет таким же ярким, как самая яркая звезда в ночном небе - Сириус.
Для Стармана, манекена, управляющего автомобилем Tesla, который недавно запустила в космос компания Илона Маска Space X, ваша маленькая красная лазерная указка будет слишком тусклой, чтобы ее заметить. Если вы хотите привлечь его внимание, вам нужно что-то более яркое.
Противокорабельная ракета большой дальности для борьбы с авианосцами
ВМС США могут иметь то, что нам нужно. Согласно последним сообщениям, их нынешняя цель заключается в разработке лазера, который является одновременно материально-техническим и достаточно мощным, чтобы уничтожить входящие крылатые ракеты. Такой лазер должен был бы выдавать около 500 000 ватт мощности - в 100 миллионов раз больше, чем ваша карманная лазерная указка. Эти лазеры обычно работают в инфракрасном спектре, который невидим для человека. Но ради этого упражнения мы предположим, что и звездный человек, и марсиане могут видеть в инфракрасном диапазоне.
Лазеры оружейного класса также имеют тенденцию иметь гораздо большее отверстие или апертуру, которая вопреки здравому смыслу заставляет лазерный луч распространяться меньше, тем самым повышая способность луча поддерживать свою интенсивность на более длинных расстояниях.
Из-за большей апертуры, если лазерный луч ракеты направлен на Луну, инфракрасное пятно, которое он создаст на поверхности, будет иметь только около 2,4 километра в поперечнике. Для сравнения, невероятно тусклая красная точка от вашей карманной лазерной указки будет иметь ширину 12,8 километров, как только она достигнет Луны.
Если бы вы могли видеть в инфракрасном диапазоне и стояли на Луне под лучом военного лазера, она выглядела бы примерно в 30 раз ярче, чем полная Земля. Это довольно ярко,но не ослепительно. Это все еще только одна тысячная яркости полуденного солнца на Земле.
К тому времени, когда луч достигнет марсиан - если мы примем кратчайшее возможное расстояние между Землей и Красной планетой, которое составляет около 55 миллионов километров, - прожектор будет иметь около 320 километров в поперечнике. Его свет все еще должен быть заметен - примерно вдвое ярче, чем самая яркая звезда в небе без солнца, - но не совсем захватывает внимание.
охоже, нам нужно больше энергии.
Самый мощный лазер, когда-либо построенный
Несколько научных объектов по всему миру имеют огромные лазеры, которые работают с мощностью более тысячи триллионов ватт. Другими словами, эти лазеры имеют такую же мощность, как миллион триллионов карманных лазерных указок - это почти миллиард лазерных указок для каждого человека на планете!
Если бы они работали непрерывно, то эти лазеры израсходовали бы весь мировой запас электроэнергии за считанные секунды. К счастью, единственная причина, по которой эти лазеры могут излучать такую мощную энергию, заключается в том, что они концентрируют высвобождение в течение чрезвычайно короткого периода времени-обычно менее триллионной доли секунды. Чрезвычайно короткий лазерный импульс затем фокусируется до точки диаметром в несколько тысячных миллиметра и может быть в 10 триллионов триллионов раз ярче поверхности нашего Солнца. Он настолько силен, что ученые используют его, чтобы разорвать само пустое пространство в поисках новых знаний о фундаментальных законах нашей Вселенной.
Что, если мы просто хотим использовать это для развлечения и стрелять в космических захватчиков? Один из главных недостатков заключается в том, что эти лазеры обычно производят ультрафиолетовый свет, который в основном поглощается атмосферой Земли. Если мы не хотим превращать наш воздух в плазму, нам придется построить нашу супер-лазерную пушку размером с здание в космосе.
За то очень короткое время, что мы могли позволить себе запустить лазер на Марс, он будет излучать ультрафиолетовый свет в тысячу раз интенсивнее, чем полуденное солнце на Земле, на площади в 240 километров в поперечнике. Будем надеяться, что у марсиан есть какой-нибудь солнцезащитный крем под рукой.
К сожалению, как мы уже знаем, маленьких зеленых человечков нет ни на Марсе, ни, скорее всего, где-либо еще в нашей Солнечной системе. Однако существуют тысячи открытых экзопланет-планет, вращающихся вокруг звезд за пределами нашей Солнечной системы, - многие из которых имеют возможность содержать жизнь. А что, если мы попытаемся привлечь их внимание?
Проксима Центавра, расположенная примерно в четырех световых годах от нас, является ближайшей звездой и вращается вокруг нескольких экзопланет. Если бы мы направили туда наш самый мощный лазер, то к тому времени, когда свет достигнет его, он будет казаться ярче, чем самая яркая звезда выглядит для нас в ясном ночном небе. Итак, через четыре года после того, как мы запустили наш лазер, если есть какой-нибудь инопланетный астроном, смотрящий на нужное место в их ночном небе, он может заметить наносекундную вспышку ультрафиолетового света и спросить: "Что это было?"