Цікавий погляд: чи можлива надсвітлова швидкість
«Хто спостерігає вітер, той не буде той сіяти; і хто дивиться на хмари, не буде жати», -писав Екклесіаст, який не передбачав появи супутників, зайнятих саме вітрами і хмарами, як ось Calipso (Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation).
Він запущений 28 квітня 2006 року з космодрому Ванденберг на сонячно-синхронну кругову орбіту висотою 705 км і нахилом 98,2° з метою вивчення хмарного покриву Землі.
Його поляризаційний лідар дозволяє розрізняти водяну пару, кристали льоду, рідкі та тверді частинки аерозолів. Якщо побачите в хмарах ланцюжок зелених світлових плям, то, швидше за все, це працює лазер супутника, посилаючи в надир (під кутом 3°) два променя 20 разів на секунду. Тривалість імпульсу 20 наносекунд. На поверхні Землі пляма лазера має розмір 90 × 370 метрів.
Незважаючи на стислість імпульсів, ланцюжки плям у хмарах вдається зняти, як було зроблено 8 березня 2021 року в Ростовській області.
Надихнувшись цим, відпустимо віжки наукової фантазії і візьмемо супутник на низькій орбіті з потужним обертовим лазером. Потім створимо в якості мішені кільцеву хмару навколо Землі радіусом приблизно 307 тис. км.
Розпорошимо, наприклад, аерозоль або дрібнодисперсний металевий пил. Радіус обраний для простоти, щоб промінь лазера долітав до кільця за 1 секунду. Можна б розгорнути і якось стабілізувати в космосі люмінесцентний екран-стрічку або ланцюжок кутових відбивачів, що зробить експеримент наочніше, але не будемо напружувати бюджет – тороїдальну хмару зробити простіше і дешевше.
Шкода, до речі, що 15 травня 1987 року втопили в океані породження зоряних воєн, спровокованих Рейганом, «Полюс» (він же «Скіф-ДМ» або виріб 17Ф19ДМ) здоровенний, довжиною 37 метрів, діаметром 4,1 метра і масою близько 80 тонн, динамічний макет бойової орбітальної платформи з лазером в 1 мегават і написом «Мир» на борту.
Солідний був апарат! У відсіку рухової установки розміщувалися 4 маршових двигуни, 20 двигунів орієнтації і стабілізації і 16 двигунів точної стабілізації, а також баки, трубопроводи та клапани пневмогідросістеми.
На бічних поверхнях відсіку стояли сонячні батареї, що розкриваються після виходу на орбіту. Цей «Скіф-ДМ», мабуть, підійшов би! Але для нього потрібна надпотужна ракета.
Приготувавшись таким чином, проведемо по кільцю лазерним променем – оборот за 1 секунду. Плями імпульсів пробіжать близько 1,93 млн. км, рухаючись в 6,5 разів швидше світла.
Чи зможемо ми засікти їх? Адже на такій відстані вони неабияк розпливуться. Так, на Місяці площа плями складає 25 кв. км. Зможемо.
Лазерна локація того ж Місяця ведеться ще з 1962 року, коли на ньому не було кутових відбивачів. Надіславши перший імпульс, через дві секунди отримаємо за допомогою телескопа його відзеркалення, а через три секунди прийде відлуння останнього імпульсу з тієї ж майже точки, але відокремленої від першої двома мільйонами кілометрів шляху, пройденого за одну секунду.
Взагалі-то цей старий умоглядний досвід не раз наводили для прикладу, пояснюючи, що фізичні закони не порушуються, і світловий зайчик рухається з фазовою швидкістю, яка може бути як завгодно високою.
Як от в променях пульсарів. Так, в статті «Чи можлива надсвітлова швидкість?» («Наука і життя», № 2, 2001) доктор технічних наук А. Голубєв пише:
«…Якщо взяти ліхтарик (або, скажімо, лазер, що дає вузький промінь) і швидко описати їм в повітрі дугу, то лінійна швидкість світлового зайчика буде збільшуватися з відстанню і на досить великій відстані перевищить с. Світлова пляма переміститься між точками A і В з надсвітловою швидкістю, але це не буде передачею сигналу з А в B, оскільки такий світловий зайчик не несе ніякої інформації про точку А».
І це так. Перенесення енергії та/або інформації з однієї точки кільця в іншу не відбувається. Але ж нам цього і не потрібно, на закони фізики ми не робимо замах, нас цікавить інше! Що ж?
А ось що: давайте промодулюємо наш лазер, щоб він посилав короткі імпульси (крапки) і втричі довші (тире), розбиваючи їх на підгрупи і групи пробілами. Таким ось чином: ••• • – • • – • •••• ••• • – • – — • – • – • – •••• – • – — • – • — ••• – – •• – – • • • – — – •• – — ••• – – • • –
Дізналися? Так, це азбука Морзе. Ген йдуть три крпки поспіль – це буква с, а три поспіль тире, ясна річ, буква о. Правда, у виконанні лидара Calipso ця абетка буде виглядати своєрідно.
З крапками все гаразд, при діаметрі до 5 км і тривалості імпульсу 20 нс їх розширення за рахунок руху променя складе всього 40 метрів, що при таких параметрах несуттєво. А ось з пробілами певна проблема, бо при 20 імпульсах в секунду вони вийдуть величезні, по 100 тис. км, тому на кільці з довжиною кола майже 2 млн. км поміститься всього лише 20 крапок і тире, і для запису цієї фрази (75 крапок і пробілів плюс 42 тире) доведеться зробити 6 обертів.
Втім, це вже технічні деталі і при хорошому лазері запис можна істотно ущільнити, так що місця вистачить навіть для сонетів Шекспіра, короткого викладу СТО (спеціальна теорія відносності) або ж для послання спостерігачам з Альдебарана, які прилетіли набирати статистику для формули Дрейка і чергують на базі на зворотному боці Місяця…
Казус в тому, що такий запис, погодьтеся, це безсумнівна передача інформації. І її прийом нами або іншими спостерігачами. І відбувається передача з надсвітловою швидкістю – прилади прибульців легко визначать це. Причому ні їм, ні нам неважливо буде, що передача інформації йде не від точки до точки хмарного кільця-екрану, а від його точок до спостерігачів.
Головне в швидкості передачі. Правда, другий казус полягає в тому, що повторити з цією ж швидкістю на своїх екранах зроблений запис ні ми, ні вони не зможемо, хіба що розмістивши на достатній відстані, застосувавши той же принцип і тим самим повторивши наш корисний експеримент.
Ось такою інформацією я з вами поділився, а вже ви обміркуйте її на дозвіллі. Так, можливо, вас цікавить, що означає зроблений лазером запис? Азбукою Морзе в ньому написано: «Надсвітлова швидкість неможлива».
Юрій КІРПІЧОВ, США
