Представьте задачу: передать сообщение на противоположную сторону Земли с идеальным пингом напрямую сквозь ядро, не используя спутники или ретрансляторы. Радиоволны сквозь планету не пройдут. Нейтрино поймать — задача для циклопических подземных резервуаров. Выход один — гравитационные волны (ГВ). Для них Земля прозрачна, как стекло.
Современные детекторы ловят низкочастотные гравитационные волны от слияния черных дыр. Но мы не можем крутить черные дыры в лаборатории. Зато мы можем спроектировать сверхвысокочастотный (СВЧ) гравитационный приемопередатчик, который уместится в здании. Фундаментальная физика говорит, что это реально. Инженерия говорит, что придется попотеть. Давайте прикинем «цыферки».
Излучатель: магия «светового пунктира»
По Общей теории относительности гравитацию создает не только масса, но и любая энергия. Свет несет энергию, а значит, пульсирующий сгусток света будет генерировать гравитационную рябь.
Но если просто запустить мощный луч лазера между двумя зеркалами, ничего не выйдет. Образуется обычная стоячая волна. Энергия в ней распределена равномерно и статично. Чтобы пространство начало «дрожать», нам нужно, чтобы вся эта гигантская масса энергии резко меняла свое состояние во времени.
Здесь мы применим хитрость: запустим в зеркальный резонатор «световой пунктир».
Мы берем жесткий ультрафиолет (длина волны 10 нанометров) и отправляем его сверхкороткими импульсами: импульс длиной ровно 10 нм, затем пауза 10 нм, затем снова импульс. Получается пунктирная линия из света, летящая между зеркалами.
Поскольку длина резонатора подобрана идеально, встречные потоки таких «пунктиров» начинают накладываться друг на друга абсолютно синхронно во всем объеме трубы. Если сильно замедлить время, мы увидим следующее:
В один момент встречные световые сгустки проходят друг сквозь друга. Энергия концентрируется в сверхплотные микро-узлы. Свет выглядит как яркий прерывистый пунктир.
Спустя долю фемтосекунды сгустки расходятся, заполняя пустоты. Энергия равномерно размазывается по трубе. Свет выглядит как сплошная линия.
Вся гирлянда из миллиардов нано-сгустков пульсирует одновременно. Каждый такой микро-сгусток — это крошечный гравитационный генератор. Из-за идеальной синхронизации их волны не гасят друг друга, а складываются (когерентное излучение).
Геометрия: почему выгодна длинная труба
Здесь есть потрясающий закон масштабирования. Наш главный ограничитель — это световое давление на зеркала. Допустим, наши гипотетические зеркала выдерживают давление в 1000 атмосфер.
Если мы начнем раздвигать зеркала (увеличивать длину трубы), сохраняя то же самое предельное давление на них, общая энергия света внутри трубы будет расти линейно. Но количество пульсирующих нано-сгустков (наша фазированная решетка) тоже растет!
В когерентных системах мощность излучения пропорциональна квадрату числа излучателей. Это значит, что при одинаковом давлении на зеркала, мощность гравитационной волны растет квадратично от длины резонатора. Труба длиной 10 метров излучает в 100 раз мощнее метровой. Поэтому нам выгодна длинная и узкая конструкция.
Считаем мощность Бог-машины
Мощность гравитационной волны зависит от квадрата частоты, поэтому мы и выбрали ультрафиолет (10 нм), а не радио.
Возьмем резонатор площадью 1 кв. метр и длиной 1 метр. Давление 1000 атмосфер означает, что внутрь закачано около 50 Мегаджоулей энергии (как взрыв 10 кг тротила, запертый в виде света). Формула для когерентного резонатора: P = (8 G / c^5) w^2 * E^2
Где:
G / c^5 — коэффициент «жесткости» вакуума (~2.2 * 10^-52).
w — круговая частота для 10 нм (~1.8 * 10^17 рад/с).
E — энергия (5 * 10^7 Джоулей).
Считаем: (2.2 10^-52) (3.2 10^34) (2.5 * 10^15) = 0.017 Ватт.
Почти 20 милливатт чистой гравитационной энергии! Кажется, что это мало, но благодаря дифракции на сверхкороткой длине волны (10 нм) из трубы выйдет абсолютно прямой луч. На расстоянии до Луны он расширится всего на пару метров. А сквозь Землю пройдет вообще без потерь.
Примечание: Конечно, сегодня не существует зеркал с отражением «10 девяток» (99.99999999%) для рентгена, да еще и держащих 1000 атмосфер давления света. Но наука о материалах развивается: возможно, это будут плазменные окна или активные метаматериалы. В рамках теоретической физики это решаемая проблема.
Приемник в Австралии: симметрия физики
Итак, наш излучатель в Москве шлет гравитационные импульсы прямо сквозь ядро планеты. Как их поймать в Сиднее?
В физике есть принцип: хороший излучатель — это хороший приемник. Чтобы собрать прилетевшую гравитационную волну всем объемом, наш детектор должен быть точной копией передатчика. Мы строим такую же трубу и запускаем в нее такой же «световой пунктир»
Когда гравитационная волна (несущая информацию об изменениях метрики) прошивает австралийскую трубу насквозь, она начинает взаимодействовать со всей этой колоссальной пульсирующей массой света. Из-за высочайшей частоты (10 нм) размер детектора уровня гигантского LIGO нам не нужен — достаточно тех же нескольких метров.
(Да, существует так называемый эффект Герценштейна — конвертация гравитации в свет в сильном магнитном поле, но его КПД настолько близок к нулю, что строить на нем детектор бессмысленно).
Важный инженерный дисклеймер: Если честно, как именно технически правильно «снять» полезный сигнал с такого активного приемника, я пока не до конца придумал. Чтобы понять, какой именно параметр нужно выводить на фотодетектор и как отфильтровать шум от колоссальной энергии самого лазера, вся эта теория требует серьезных компьютерных симуляций квантовой электродинамики в искривленном пространстве-времени.
Итог
Мы только что набросали концепт канала связи, для которого не существует преград. Да, сегодня создание передатчика упирается в пределы прочности материалов, а снятие сигнала с детектора требует серьезного моделирования. Но физические принципы работают безупречно.
Возможно, гравитационный телеграф — это не фантастика, а просто следующий шаг эволюции связи после оптоволокна.
P.S. Этот мысленный эксперимент получился весьма масштабным. Если среди вас есть физики-теоретики, оптики или математики — добро пожаловать в комментарии. Будет интересно обсудить интерференцию тензоров энергии-импульса и способы съема сигнала с когерентного детектора!
P.P.S. статья написана в процесе подготовки 21-го сезона научной фантастики "Эволюция хаоса" https://habr.com/ru/articles/1021504/