Связь на гравитационных волнах — возможна

Разговоры о передаче информации сквозь планету с помощью гравитационных волн (ГВ) обычно скатываются в научную фантастику: нам предлагают либо двигать нейтронные звезды, либо строить резонаторы из вымышленных материалов, выдерживающих давление света в тысячи атмосфер. https://habr.com/ru/articles/1030402/

Но если отбросить фантазии и посмотреть на пределы современных оптических технологий, выясняется поразительная вещь. Гравитационный телеграф можно спроектировать уже сегодня. Да, это будет установка класса Mega Science, сравнимая по сложности и стоимости с детекторами LIGO. Но в отличие от фундаментальных научных приборов, у этой установки есть колоссальный коммерческий потенциал.

В этой статье мы разберем физически и инженерно корректную архитектуру Когерентного Гравитационного Трансивера.

Архитектура передатчика: Вакуум и стоячие волны

Обычная электромагнитная стоячая волна — это уже идеальный пульсирующий квадруполь. В ней пучности электрического и магнитного полей сдвинуты в пространстве и перетекают друг в друга с удвоенной частотой света. Это заставляет саму метрику пространства микроскопически “дышать”.

Как выглядит передатчик:

• На плоской площадке уложено 100 вакуумных труб длиной по 300 метров. (альтернативно одна прямоугольная камера)

• Внутрь закачивается свет инфракрасных лазеров — 1000нм.

• Ввод лазерного луча осуществляется сбоку, что позволяет использовать на концах труб “глухие” топовые диэлектрические зеркала с максимальным порогом разрушения.

• Внутри этого вакуума формируется стоячая волна общей циркулирующей мощностью в сотни мегаватт.

Форма луча (Фокусировка в линию) Ширина нашей установки составит около 3 метров, а длина — 300 метров. Поскольку мы работаем с высокочастотной гравитационной волной (длина ГВ составит 500 нм), наша площадка работает как гигантская фазированная антенна. Дифракция ГВ-луча здесь подчиняется законам оптики. Пройдя 12 700 километров сквозь Землю, луч разойдется неравномерно:

• Вдоль 300-метровой оси луч почти не расширится (около 2 сантиметров).

• Вдоль 3-метровой ширины расхождение составит около 2 метров.

Мощность гравитационного луча от такой установки (для зеркал 10см) составит 10^−13 Ватт (или 100 фемтоватт) . Это невероятно огромная мощность для гравитационных волн!

Приемник: Главный секрет радиофизики в ОТО

Итак, гравитационный луч прилетает в Австралию, где стоит точно такой же ангар-приемник. И тут кроется главная ошибка многих физиков-теоретиков.

Если мы выключим лазеры в приемнике и будем “слушать” гравитацию, мы ничего не поймаем. На частоте 10^15 Герц огромные зеркала обладают инерцией и не сдвинутся ни на долю нанометра. Пассивный приемник мертв.

Секрет в том, что приемник ТОЖЕ должен быть передатчиком. В Австралии мы включаем лазеры и создаем в вакуумных трубах точно такие же мощные стоячие волны. Наш приемник начинает генерировать свою собственную гравитационную волну. И вот тут начинается магия когерентного взаимодействия пространства и света.

Куда девается энергия? Представьте, что прилетевшая сквозь Землю гравитационная волна встречается со встречной волной, которую прямо сейчас излучает приемник. Поскольку обе волны созданы лазерами, мы можем управлять их фазой. Если мы настроим сдвиг фазы приемника так, чтобы две гравитационные волны оказались в противофазе, они попытаются погасить друг друга (деструктивная интерференция). Пространство в этой точке станет “плоским”.

Но энергия не может просто исчезнуть! По закону сохранения энергии в Общей теории относительности (эффект когерентного идеального поглощения), энергия прилетевшей гравитационной волны целиком сбрасывается обратно в электромагнитное поле приемника.

Извлечение сигнала: Сдвиг фазы света

Гравитационная волна выступает как параметрический модулятор. Отдавая свою энергию стоячей световой волне в приемнике, она рождает в вакууме новые фотоны.

В зависимости от тонкой настройки фазы между нашей лазерной накачкой и прилетевшей ГВ, эти новые фотоны могут либо увеличить амплитуду (яркость) стоячей волны, либо сдвинуть её фазу. Для современной измерительной оптики детектировать изменение фазы гораздо проще и точнее, чем ловить микроскопические изменения амплитуды на фоне мегаваттного лазера. Вызванный гравитацией фазовый сдвиг легко считывается классическими интерферометрами, расположенными на выходе оптической системы.

Шум и реальность

Главным врагом этой системы является не гравитация, а квантовая природа самого света. Фемтоваттный полезный сигнал пытается затеряться в дробовом (квантовом) шуме нашего мощного лазера в приемнике.

Но мы умеем с этим бороться:

1. Использование технологии “сжатого вакуума” (squeezed light), которая уже сегодня штатно работает на детекторах LIGO.

2. Массив из 100 труб собирает синхронный полезный ГВ-сигнал, в то время как квантовый шум в каждой трубе случаен. Суммирование каналов радикально давит шум.

3. Синхронное детектирование (Lock-in amplification) — передатчик модулирует (“моргает”) фазу сигнала с заданной частотой, а приемник аппаратно отфильтровывает всё, что не попадает в этот строгий ритм.

Резюме

Чтобы звонить сквозь Землю, человечеству не нужно ждать изобретения супер зеркал. Архитектура из двух связанных оптических макро-резонаторов, работающих в режиме параметрического гомодинного приема/передачи, физически абсолютно корректна и не требует выдуманных материалов.

Да, это установка уровня Mega Science. Её создание потребует серьезных вакуумных систем, передовой сейсмоизоляции и технологий квантовой оптики. Но Гравитационный Телеграф решает вполне понятную задачу — создание ультимативного канала связи с минимально возможным пингом. А значит, инвестиции в этот проект могут прийти не только от фундаментальной науки, но и от глобальных финансовых рынков (для высокочастотного трейдинга) или .