Artykuły na tym blogu są nieoficjalnymi tłumaczeniami XKCD What If. Teraz również na Facebooku!

09.03.2013

Wskaźnik laserowy


Oryginalny artykuł: Laser Pointer

Gdyby wszyscy ludzie na ziemi skierowali na Księżyc wskaźniki laserowe, czy zmieniłby on zauważalnie kolor?
— Peter Lipowicz


Gdybyśmy użyli zwykłych wskaźników laserowych - nie.

Przede wszystkim, nigdy wszyscy ludzie na Ziemi nie widzą Księżyca jednocześnie. Co prawda moglibyśmy zebrać całą ludzkość w jednym miejscu, ale jak przekonaliśmy się kilka tygodni temu, nie jest to dobry pomysł. Zamiast tego, wybierzmy czas, w którym Księżyc jest widoczny przez maksymalną ilość ludzi. Ponieważ większość populacji żyje pomiędzy południkiem 0° a 120°, powinniśmy wybrać moment, kiedy Księżyc znajduje się gdzieś ponad Morzem Arabskim.

Następnie musimy wybrać fazę Księżyca w której przeprowadzimy eksperyment. Powierzchnia Księżyca w czasie nowiu jest ciemniejsza, przez co łatwiej go rozjaśnić. Jednak Księżyc w nowiu jest widoczny głównie w ciągu dnia.

Pomijając jasność, optymalnym momentem byłby prawdopodobnie 27 grudnia 2012, kiedy Księżyc w pełni świecił wysoko nad Bombajem i Islamabadem. Tamtej nocy Księżyc był widoczny dla pięciu miliardów ludzi — dla większości Azji, Europy i Afryki.

Na potrzeby naszego eksperymentu wybierzemy jednak Księżyc w pierwszej lub trzeciej kwadrze, dzięki czemu będziemy mogli obserwować efekt wskaźników laserowych na ciemnej stronie Księżyca. 21 grudnia 2012 nad Eurazją świecił Księżyc w pierwszej kwadrze. Jednak aby odciąć się od wszelkich nawiązań do bzdur na temat końca kalendarza Majów, wybierzemy Księżyc w trzeciej kwadrze z 4 stycznia 2013, pół godziny po północy UTC. W Azji nastał już dzień, jednak w Europie i Afryce ciągle panowała noc.

Oto nasz cel:

Księżyc, w polowie oświetlony, w połowie ciemny, zasłonięty przez Księżyc.

Typowy wskaźnik to czerwony laser o mocy 5 miliwatów. Wiązka dobrej jakości lasera jest wystarczająco skoncentrowana, żeby rzeczywiście trafić w Księżyc, jednak byłaby rozrzucona po dużym obszarze. Dodatkowo atmosfera Ziemi rozproszyłaby wiązkę i pochłonęła część światłą, jednak większość fotonów dotarłaby do powierzchni Księżyca.

Przerywana linia pokazuje wielkość wiązki laserowej na powierzchni Księżyca.

Załóżmy, że każdy z pięciu miliardów ludzi na zachodniej półkuli ma wystarczająco stabilną rękę aby trafić w Księżyc oraz, że światło jest równomiernie rozłożone na powierzchni.

Pół godziny po północy (UTC) każdy kieruje swój laser w księżyc i naciska przycisk.

Oto co się dzieje:

Ludzie celują wskaźniki laserowe w Księżyc. Nie widać żadnego efektu.

Cóż, efekt nie jest zbyt spektakularny.

Jednak tego można się było spodziewać. Światło słońca na powierzchni Księżyca ma moc nieco ponad jeden kilowat na metr kwadratowy. Powierzchnia przekroju Księżyca to około 10^13 metrów kwadratowych, Księżyc otrzymuje zatem około 10^16 watów — 10 petawatów energii. To daje dwa megawaty na osobę, wiele rzędów wielkości więcej niż nasze pięciomiliwatowe wskaźniki laserowe.

Człowiek w kapeluszu pytający co by było, gdybyśmy użyli większej mocy.

5 miliwatów to bardzo słabe lasery. Użyjmy większych!

Laser o mocy jednego wata to bardzo niebezpieczna zabawka. Taki laser jest nie tylko w stanie oślepić, jest również w stanie spowodować poparzenia a nawet wzniecić ogień. Oczywiście takie lasery nie są dopuszczone do sprzedaży.

Żarcik! Taki laser można kupić za około 1000PLN.

Przypuśćmy zatem, że wydamy 7 bilionów złotych na zielone jednowatowe lasery dla całej populacji zachodniej półkuli Ziemi. (Uwaga do polityków: projektem "jednowatowy zielony laser dla każdego" możecie wygrać mój głos.) Wybór koloru zielonego jest nieprzypadkowy. Środek widzialnego zakresu promieniowania przypada na kolor zielony, dzięki czemu nasz wzrok jest bardziej czuły na ten kolor światła.

Ludzie celują silniejsze lasery w Księżyc. Brak widocznego efektu.

Pffff.

Użyte lasery mają jasność około 150 lumenów (więcej niż większość latarek) skoncentrowane w wiązce szerokości około 5 minut kątowych. Zatem tarcza Księżyca zostanie rozjaśniona o około pół luksa — to niewiele w porównaniu z 130000 luksów światła słonecznego. Nawet gdyby wszystkie lasery były skierowane dokładnie w ten sam punkt, rozjaśnilibyśmy około 10% tarczy księżyca jedynie o kilka luksów.

Dla porównania, Księżyc w pełni rozjaśnia powierzchnię Ziemi o około jeden luks. Zatem nasze lasery byłyby nie tylko zbyt słabe, żeby dostrzec z Ziemi efekt ich działania na tarczę Księżyca. Gdybyśmy się znaleźli na Księżycu, światło laserów wydawałoby się słabsze, niż Księżyc w pełni widziany z Ziemi.

Człowiek w kapeluszu pytający co by było, gdybyśmy użyli większej mocy.

Dzięki udoskonaleniu technologii baterii litowo-jonowych oraz diod LED, na rynku dostępne jest wiele nowoczesnych, silnych latarek. Ale zwykłe latarki niewiele tu pomogą. Chyba, że wszyscy ludzie na ziemi dostaną Nightsun.

Nightsun to lampy montowane na helikopterach amerykańskiej policji i straży przybrzeżnej. Generują one światło rzędu 50000 lumenów. To wystarczająco dużo, żeby na niewielkim obszarze noc zamienić w dzień. Wiązka światła ma szerokość kilku stopni, będziemy więc musieli zastosować soczewki, żeby uzyskać wiązkę szerokości pół stopnia — równej średnicy tarczy Księżyca.

Oto efekt:

Ludzie celują reflektory Nightsun w Księżyc. Ciężko powiedzieć, czy efekt jest widoczny.

Ciężko to dostrzec, ale robimy pewien postęp. Uzyskaliśmy 20 luksów - to dwukrotnie więcej niż jasność ciemnej części tarczy Księżyca! Jednak to wciąż za mało, żeby dostrzegalnie rozjaśnić jasną stronę Księżyca.

Człowiek w kapeluszu pytający co by było, gdybyśmy użyli większej mocy.

Zamieńmy zatem lampy Nightsun na projektory IMAX — parę chłodzonych wodą lamp o łącznej mocy 30000 watów, które dają w sumie ponad milion lumenów.

Ludzie celują reflektory IMAX z soczewkami na Księżyc. Efekt jest bardzo słaby, ale widoczny.

Wciąż ledwie dostrzegalne.

Człowiek w kapeluszu pytający co by było, gdybyśmy użyli większej mocy.

Na szczycie hotelu Luxor w Las Vegas jest zainstalowany najsilniejszy reflektor na Ziemi. Dajmy wszystkim po jednym takim reflektorze.

Bateria hoteli Luxor celuje reflektorami w Księżyc. Światło jest słabo widoczne na ciemnej stronie.

A następnie zainstalujmy na każdym odpowiedni układ soczewek, aby skupić całe światło na tarczy Księżyca.

Bateria hoteli Luksor celuje reflektorami w Księżyc. Ciemna strona jest wyraźnie jaśniejsza.

Ciemna strona Księżyca jest wyraźnie jaśniejsza, zatem odnieśliśmy sukces. Dobra robota!


Człowiek w kapeluszu pytający co by było, gdybyśmy użyli większej mocy.

... No dobrze.

Zainteresujmy się projektem amerykańskiego Ministerstwa Obrony, które wyprodukowało chemiczny laser tlenowo - jodowy o mocy jednego megawata, przeznaczony do niszczenia rakiet w locie. Był on zamontowany na samolocie YAL-1, typu Boeing 747. Laser ten świecił w podczerwieni, nie był zatem widoczny dla ludzkiego oka, ale równie dobrze moglibyśmy zbudować podobne lasery pracujące w świetle widzialnym. Po jednym dla każdego.

Grupa samolotów celuje megawatowymi laserami w Księżyc. Ciemna strona niemal dorównuje jasnością jasnej stronie.

W końcu zdołaliśmy dorównać jasności światła słonecznego!

Kosztem pięciu petawatów mocy - dwukrotnie przewyższyliśmy średnie użycie mocy przez naszą cywilizację.

Człowiek w kapeluszu pytający co by było, gdybyśmy użyli większej mocy.

Ok. Zainstalujmy jeden megawatowy laser na każdym metrze kwadratowym Azji. Ziemskie rezerwy ropy wystarczyłyby na zasilanie tych 50 bilionów laserów przez około 2 minuty. Jednak przez te dwie minuty Księżyc wyglądałby tak:

Megawatowe lasery pokrywające powierzchnię Azji celują w Księżyc.

Księżyc świeci tak jasno, jak poranne Słońce. Po dwóch minutach księżycowy regolit jest rozgrzany do czerwoności.

Człowiek w kapeluszu pytający co by było, gdybyśmy użyli większej mocy.

Najpotężniejszy laser na Ziemi znajduje się w Narodowym Zakładzie Zapłonu, amerykańskim laboratorium poświęconym badaniu syntezy termojądrowej. Jest to ultrafioletowy laser o mocy 500 terawatów. Jednak może on utrzymać taką moc jedynie w krótkich impulsach rzędu kilku nanosekund. Energia dostarczona w takim impulsie jest równa w przybliżeniu energii zawartej w ćwierci kubka benzyny.

Wyobraźmy sobie, że dysponujemy podobnym laserem, który jest wstanie świecić jednostajnie przez dłuższy czas oraz, że dysponujemy odpowiednim źródłem energii. Następnie rozdajmy po jednym egzemplarzu wszystkim ludziom i wycelujmy w Księżyc. Niestety energia laserów natychmiast zamieniłaby atmosferę w gorącą plazmę i spaliła powierzchnię Ziemi. Nikt nie miałby szans przeżyć.

Załóżmy jednak, że w jakiś sposób laser przenika przez atmosferę.

W takiej sytuacji Ziemia wciąż staje w płomieniach. Światło odbite od Księżyca byłoby 4 tysiące razy jaśniejsze niż Słońce w środku dnia. To wystarczająco dużo, żeby wygotować oceany w ciągu roku.

Ale kogo interesuje Ziemia... Zobaczmy co by się stało z Księżycem.

Ciśnienie promieniowania laserów byłoby wystarczające, aby spowodować przyspieszenie równe jednej milionowej g. To przyspieszenie nie byłoby zauważalne natychmiast. Jednak w skali lat wystarczyłoby, aby wyrzucić Księżyc z orbity Ziemi.

... gdyby ciśnienie promieniowania było jedyną siłą którą musimy brać pod uwagę ...

40 megadżuli to wystarczająca ilość energii, żeby wyparować kilogram skały. Zakładając, że skały na Księżycu mają średnią gęstość około 3 kilogramów na litr, lasery dostarczyłyby energię mogącą wyparować 4 metry sześcienne skał księżycowych na sekundę.


Jednak w rzeczywistości skały księżycowe nie parują tak szybko z powodu, który okazuje się być bardzo istotny. Kiedy fragment skały paruje, nie znika tak po prostu. Powierzchnia Księżyca zamienia się w plazmę, jednak plazma wciąż blokuje drogę wiązce laserowej.

Lasery dostarczają plazmie coraz więcej energii, rozgrzewając ją do coraz wyższej temperatury. Cząsteczki odbijają się od siebie i od powierzchni Księżyca, ostatecznie uciekają w przestrzeń z ogromną prędkością.

Ten ciągły przepływ materii zamienia powierzchnię Księżyca w silnik rakietowy. W dodatku zaskakująco wydajny. Proces usuwania materiału z powierzchni przy użyciu lasera nazywa się "ablacja laserowa" i jest obiecującą metodą napędu statków kosmicznych.

Księżyc jest masywny. Jednak plazma z rozbitych skał powoli i konsekwentnie odpycha go od Ziemi. (strumień plazmy również zniszczyłby kompletnie powierzchnię Ziemi, wraz z laserami, ale już wcześniej przyjęliśmy ciche założenie, że lasery są niezniszczalne). Plazma również zdziera powierzchnię Księżyca. To skomplikowane fizyczne oddziaływanie, które sprawia, że całość jest trudna do zamodelowania.

Możemy zgadywać, że cząsteczki plazmy są wyrzucane z prędkością około 500 km/s. W takim przypadku Księżyc zostałby wypchnięty poza zasięg laserów w kilka miesięcy. Do tego czasu Księżyc utrzyma większość masy, ale ucieknie grawitacji Ziemi i zacznie krążyć bezpośrednio wokół Słońca.

Technicznie rzecz biorąc, według definicji Międzynarodowej Unii Astronomicznej, Księżyc nie stanie się planetą ponieważ jego orbita będzie przecinać orbitę Ziemi. Księżyc dołączy do Plutona w gronie planet karłowatych. Nie należy się tym specjalnie przejmować, bo do tego czasu Międzynarodowa Unia Astronomiczna podzieli los reszty naszej cywilizacji - zginie w piekle promieniowania i plazmy odbitej od Księżyca. Okresowe przecięcia orbity Księżyca i Ziemi będą prowadzić do trudnych do przewidzenia zaburzeń grawitacyjnych. Ostatecznie Księżyc zostanie wyrzucony w stronę Słońca lub zewnętrznego Układu Słonecznego. Jest również możliwe, że wcześniej zderzy się z którąś z wewnętrznych planet. Bardzo prawdopodobne, że z naszą. Myślę jednak, że wszyscy się zgodzą, że w pełni na to zasłużymy.

Tak więc efekt będzie wyglądał następująco:

Wszyscy celują 500 terawatowe lasery w Księżyc. Księżyc nas opuszcza.

I to, w końcu, jest wystarczająca ilość mocy.

Brak komentarzy:

Prześlij komentarz