Лазерная указка

Если каждый человек на Земле наведёт лазерную указку на Луну в одно и то же время, изменит ли она цвет?

— Питер Липовиц

Только если мы не будем использовать обычные лазерные указки.

Первая вещь, которую мы должны осознать, что все одновременно не могут увидеть Луну. Мы можем собрать всех в одной точке, но мы это уже проходили пару недель назад. Вместо этого давайте возьмём время, когда Луна видна наибольшему числу людей. И, поскольку 75% людей живут между 0° в. д. и 120° в. д., мы должны сделать это где-то в районе Аравийского моря.

Мы можем светить как в новолуние, так и в полнолуние. В новолуние Луна темнее, что позволит намного легче увидеть наши лазеры. Но в это время Луна — более сложная мишень, потому что её видно главным образом в течение дня, это снижает эффект.

Наименьшая освещённость Луны будет 27 декабря 2012 года в 19:00 UTC (14:00 EST), в полнолуние, когда Луна будет в небе над Мумбаи и Исламабадом. В этом месте Луна будет видима примерно пяти миллиардам человек — большей части Азии, Европы и Африки. Это примерно столько, сколько вообще людей могут её увидеть одновременно.

Давайте лучше возьмём Луну в первой четверти, чтобы мы смогли увидеть эффект на тёмной стороне. Мы пропустим Луну в этой фазе 21 декабря, чтобы не поощрять Майянскую чушь, и возьмём 4 января 2013 года, полпервого ночи (GMT). Как раз в это время в Восточной Азии будет день, но в Африке и Европе — ночь.

Вот наша цель:

В типичных лазерных указках используется красный лазер, чаще мощностью 5 милливатт, наиболее качественные их образцы имеют достаточно мощный луч, чтобы добить до Луны. Атмосфера немного рассеет луч и поглотит часть излучения, но большая часть света успешно дойдёт.

Давайте представим, что каждый достаточно точно попадёт в Луну, и, более того, свет распространится только на её поверхность.

Полпервого ночи (GMT) каждый прицелится и нажмёт на кнопку.

И вот что произойдёт:

Это разочаровывает.

Тем не менее это имеет смысл. Солнечный свет сообщает Луне около киловатта энергии на квадратный метр. Общая площадь Луны примерно $10^\text{13}$ квадратных метров, и она купается в $10^\text{16}$ ватт солнечной энергии — это 10 петаватт или два мегаватта на человека — намного больше, чем выдают 5 милливаттные лазерные указки. Есть много факторов, влияющих на эффективность каждой части системы, но радикально ничего не изменится.

5 милливатт для слабаков. Мы можем и лучше.

Лазер мощностью 1 ватт — чрезвычайно опасная штука. Он по-прежнему недостаточно мощный, чтобы ослепить, но его достаточно, чтобы обжечь кожу или поджечь что-то. Очевидно, что такой лазер нельзя легально заказать в США.

Ничего подобного! Вы можете купить его за $300.

Так что мы потратим 2 триллиона долларов, чтобы купить каждому по одноваттному зелёному лазеру. (Памятка кандидату в президенты: это обещание получит мой голос.) Вдобавок к повышенной мощности, зелёный лазер намного ближе к центру видимого спектра, так что глаз более чувствителен к нему, и поэтому свет кажется более ярким.

И каков эффект:

Чёрт.

Лазерные указки выдают около 150 люмен света (больше, чем большинство фонарей) с коэффициентом расходимости 5 угловых минут. Указка освещает Луну примерно на пол-люкса. Сравните это с 130 000 люкс от Солнца. (Даже если мы идеально наведём все указки, они будут выдавать только полдюжины люксов на 10% поверхности Луны.)

Для сравнения: свет от Луны освещает земную поверхность примерно на один люкс. Это означает не только то, что излучение лазеров настолько слабое, что увидеть его с Земли невозможно, но и что если вы будете на Луне, лазерный луч всё равно будет намного слабее, чем лунный свет у нас на Земле.

За последние десять лет в производстве литиевых батарей и светодиодов достигнут значительный прогресс, рынок энергоэффективного освещения буквально взорвался. Но ясно, что это освещение не скоро заменит обычное. Так что давайте не будем на нём останавливаться, а возьмём продукцию компании Nightsun.

Вы можете не знать это название, но, скорее всего, вы видели его в действии: прожекторы на полицейских машинах, вертолётах береговой охраны. Они выдают больше 50 000 люмен и могут превратить ночь в день на небольшом участке земли.

Угол расхождения луча составляет несколько градусов, и нам нужно поставить фокусирующие линзы, чтобы уменьшить его до половины градуса. Этого достаточно, чтобы добить до Луны.

И вот что вышло:

Это сложно заметить, но у нас есть прогресс! Луч выдаёт около 20 люкс освещённости, что сильнее освещения на ночной половине Луны почти в два раза! Тем не менее это сложно разглядеть, и это никак не влияет на светлую половину.

Давайте заменим Nightsun на массив IMAX-проекторов — пара 30 киловаттных, охлаждаемых водой, ламп с суммарным выходом более миллиона люменов.

По-прежнему плохо видно.

На верхушке отеля Люксор в Лас-Вегасе расположен самый мощный источник освещения на Земле. Давайте дадим такой же всем.

Ого! Давайте добавим линз, чтобы сфокусировать световой поток на Луне:

Наш свет определённо виден, так что мы достигли своей цели. Отличная работа, команда!

…Ну.

Министерство обороны разработало мегаваттные лазеры, спроектированные для уничтожения ракет на маршевой траектории^[1].↲Маршевая траектория — участок 5–6.

Боинг YAL-1 несёт химический кислородно-йодный лазер^[2]↲Химические лазеры — очень мощная штука. Мощнее них только лазеры с ядерной накачкой. Вот тут про описанный лазер можно почитать.↳ мощностью в мегаватт, смонтированный на основе Боинг 747. Это инфракрасный лазер, так что его луч невидим, но мы можем представить лазер, работающий в диапазоне видимого света с аналогичной мощностью. Давайте дадим такой каждому.

Наконец-то мы достигли яркости солнечного света!

Мы также потребляем 5 петаватт энергии, что вдвое больше среднего мирового потребления электрической энергии.

Ну ладно, давайте поставим мегаваттный лазер на каждом квадратном метре поверхности Азии. Включение массива 50 триллионов лазеров израсходует все резервы нефти примерно за две минуты, но в течение этих двух минут Луна будет выглядеть вот так:

Луна светится настолько же ярко, как утреннее солнце, но по истечении двух минут лунный реголит нагреется настолько, что начнёт светиться сам.

Хорошо, но это будет за гранью правдоподобности.

Самый мощный лазер на Земле — сфокусированный лазер в Национальном комплексе лазерных термоядерных реакций, лаборатории по исследованию термоядерных реакций. Это ультрафиолетовый лазер с мощностью в 500 тераватт. Однако он испускает единичные импульсы, длящиеся несколько наносекунд, так что общая энергия, которую он выдаёт, эквивалентна энергии четверти чашки бензина.

Давайте представим, что мы нашли способ обеспечить его энергией и бить из него постоянно, дать его каждому и нацелить их все на Луну. К несчастью, поток энергии лазера превратит атмосферу в плазму, мгновенно поджигающую земную поверхность и убивающую всех нас.

Но давайте предположим, что лазеры каким-то образом пройдут через атмосферу, никак на неё не повлияв.

И даже при этих условиях Земля будет сожжена. Отражённый от Луны свет будет в четыреста тысяч раз ярче, чем полуденное солнце. Лунный свет будет достаточно ярким, чтобы испарить океаны меньше, чем за год.

Но забудем про Землю, что случится с Луной?

Даже одного давления излучения будет достаточно, чтобы разогнать Луну на одну миллионную. Это ускорение не будет заметно первое время, но через годы его хватит, чтобы оторвать Луну от земной орбиты.

Если бы давление излучения было единственной действующей силой…

50 мегаджоулей энергии достаточно, чтобы испарить килограмм камня. У лунного камня плотность примерно 3 кг/литр, так что лазеры будут передавать достаточно энергии, чтобы испарять четыре метра лунных скал каждую секунду:

$$ \frac{5\text{ миллиардов людей}\times 500\frac{\mathrm{тераватт}}{\text{человек}}}{\pi\times\text{радиус Луны}^2}\times20\frac{\mathrm{мегаджоулей}}{\mathrm{килограмм}}\times 3\frac{\mathrm{килограмм}}{\mathrm{литр}}\approx4\ \frac{\mathrm{метр}}{\text{секунду}} $$

Тем не менее реальная лунная порода не будет испаряться настолько быстро по причинам, которые на самом деле важны.

Когда кусочек скалы испаряется, он не исчезает. Поверхностный слой становится плазмой, но плазма преграждает путь лазерному лучу.

Наши лазеры вливают всё больше и больше энергии в плазму, и она становится всё горячее и горячее. Частички врезаются друг в друга, в поверхность Луны, улетают в космос на умопомрачительных скоростях.

Этот поток частиц превращает поверхность Луны в ракетный двигатель, на удивление эффективный. Использование лазеров для удаления поверхности материала называется лазерной абляцией, и это — один из многообещающих методов космических путешествий.

Хотя Луна и очень массивна, медленно, но верно плазменный поток начинает отталкивать Луну от Земли. (Поток, конечно, достигнет поверхности Земли и уничтожит лазеры, но в настоящий момент мы считаем, что они неуязвимы.) Плазма также будет стекать с поверхности Луны, но это сложно смоделировать.

Но если мы предположим, что частички плазмы будут вылетать со скоростью 500 км/сек, понадобится несколько месяцев, чтобы вытолкнуть Луну за пределы действия лазеров. Она сохранит большую часть своего веса, но преодолеет силу гравитации Земли и перейдёт на орбиту вокруг Солнца.

Технически, Луна не будет новой планетой, согласно определению планеты IAU. И, поскольку новая орбита будет пересекать земную, это будет карликовая планета, типа Плутона^[3].↲Плутон — не планета, потому что планетой, по определению, является тело «вблизи орбиты которого имеется „пространство, свободное от других тел“». А Плутон пересекается орбитой с Нептуном.↳ Эта пересекающаяся с земной орбита будет вызывать периодические непредсказуемые орбитальные возмущения. Это с равной вероятностью может вызвать падение на Солнце, вылет за пределы Солнечной системы или столкновение с другой планетой, возможно даже с нашей. Я думаю, все согласятся, что в данном случае мы это заслужили.

И победитель:

Ну, теперь-то уж точно хватит мощности.