На службе у войны: негласный союз астрофизики и армии - Эвис Лэнг

В этих каскадах встречаются и мюоны: высокоэнергетические и более тяжелые аналоги электронов. Они не особенно стабильны: в среднем через полумиллионную долю секунды они распадаются на частицы с меньшей энергией, в том числе электроны. По сравнению со временем жизни многих других субатомных частиц полумиллионная доля секунды все равно что вечность. Но так как эта лавина частиц движется относительно нас и наших наземных приемников с такой огромной скоростью, для мюонов время течет медленнее, чем для нас. Здесь мы входим в причудливый мир специальной теории относительности Эйнштейна. Для этого раздела физики не имеет значения, кем или чем вы являетесь: животным, растением или минералом. Если вы двигаетесь с большой скоростью, происходят некоторые странные вещи, и одна из них заключается в том, что ваши внутренние часы тикают медленнее, чем кажется тем, кто наблюдает за вами извне. Ваше время «замедляется». И мюоны в ливнях космических лучей поразительным образом позволяют убедиться в существовании этого явления. Из-за того что они летят с такой большой скоростью, мы видим, что до своего распада они живут вдесятеро дольше – ив результате проникают в атмосферу Земли гораздо глубже, чем теоретически должны.

Даже если вы не будете лететь так же быстро, как мюон, вы все равно можете испытать на себе эффект замедления времени. Проведите полгода на Международной космической станции, которая движется вокруг Земли со скоростью пяти миль в секунду (всего 0,0027 % скорости света), и вы постареете на 0,005 секунды меньше, чем те, кто остался на Земле.

III

Так как все, что теплее абсолютного нуля, излучает тепло, регистрировать инфракрасные лучи на расстоянии означает, по сути, регистрировать все. Точка. В результате любой астрофизик, как и любой генерал, контрреволюционер, шпион, полицейский и дрон, которым требуется идентифицировать не видимую иным способом цель, будет искать ее в инфракрасном свете. Правда, военному при этом еще необходимо отличать источник угрозы от того, что угрозы не представляет. Просто зарегистрировать пятно необычно интенсивного инфракрасного света недостаточно. Разведчикам необходимо знать «тепловую подпись» своей цели, чтобы они могли выделить и отличить ее от множества других инфракрасных источников, заполняющих район боевых действий.

В космосе более холодные его обитатели – с температурой ниже примерно 1000 Кельвинов (700 градусов по Цельсию), то есть планеты, потухшие звезды, космическая пыль и разнообразные галактические облака, особенно те, в которых вот-вот появятся новые звездные системы, – больше светят в инфракрасных лучах, чем в какой-либо другой полосе спектра. Все, что горячее, начинает светиться и в видимых лучах, делаясь видимым для любого, кто на них смотрит: вначале это свечение вишнево-красное, по мере того как температура объекта повышается, он раскаляется добела и, наконец, становится голубым. Так что, если хотите увидеть холодные объекты, вам лучше всего подойдет инфракрасный телескоп.

Кроме того, инфракрасный свет проходит сквозь облака газа и пыли гораздо легче, чем видимый, даже когда этот видимый свет очень ярок. И здесь самое время поговорить об инфракрасном обозрении всего неба и программе ВВС США «Инфракрасный фон неба».

Чтобы отличить инфракрасную характеристику летящей к президентскому дворцу ракеты от инфракрасной характеристики безобидного небесного тела, генералу нужна карта неба. Генерал обеспечивает финансирование. Астрофизик обеспечивает карту. В то время как открытие гамма-всплесков было непрогнозированным побочным продуктом рутинной работы военной разведки, полноразмерные инфракрасные карты неба были заранее запланированным результатом инициированной военными работы по обеспечению разведки необходимым ей инструментом. В информационной справке, составленной ВВС, об этом говорится так:

Защита от баллистических ракет – важная задача. Для ее решения необходимо разработать технологии регистрации и отслеживания тактических и стратегических баллистических ракет от момента их запуска до перехвата. Эффективное отслеживание холодных и тусклых целей в ИК-спектральном диапазоне требует умения отличать ИК-характеристику цели от фона, на котором цель наблюдается. Проблема заключается в том, что фон может маскировать или имитировать цель. Поэтому ключевой технической задачей является измерение и моделирование всего возможного спектра фонов, в частности фонов высокой сложности, и проектирование на основе этого систем ИК-сенсоров, максимизирующих возможность идентификации цели.

Эта проблема не ограничивается инфракрасным диапазоном. Любое измерение, каким бы способом оно ни выполнялось, всегда связано с риском спутать полезный сигнал с фоновым шумом. Мы все знаем, что такое шум в буквальном смысле этого слова. В тихом помещении вы можете обращаться к любимому нежным шепотом, и каждое слово будет понятно, в то время как на шумной вечеринке в переполненной комнате вам придется почти кричать, чтобы вас услышали и поняли, – ваше высказывание было зарегистрировано. В понятие «шум» входит любой нежелательный сигнал, который искажает измерение полезной информации.

Когда исследования инфракрасных лучей только начинались, большинство ученых полагало, что тепловое излучение и видимый свет представляют собой независимые физические сущности. Однако в 1835 году Андре-Мари Ампер опубликовал заметку, в которой предлагал считать и то и другое результатом «вибраций». Первые ИК-детекторы представляли собой усовершенствованные версии термометра, приспособленные для непритязательных демонстраций, таких как измерение тепловой характеристики коровы, находящейся на расстоянии в четверть мили от измерителя. Но летом 1878 года, когда само слово «инфракрасный» еще не было придумано и открывший инфракрасное излучение Уильям Гершель пользовался термином «тепловые лучи», безымянный комментатор журнала Scientific American описал дерзкое предложение Томаса Альвы Эдисона произвести обзор неба в поисках невидимых источников тепла. Для того чтобы выполнить такой обзор, изобретенный Эдисоном теплочувствительный астрономический прибор тазиметр предполагалось установить на большом телескопе и исследовать с его помощью «части неба, представляющиеся пустыми»:

Доселе наука не дала нам никакого намека на возможность исследовать огромные и таинственные внешние области пространства, в которых не только никогда не регистрировалось видимое световое излучение, но ничто не указывает на саму возможность такой регистрации когда-либо в будущем, даже с наиболее дальнозоркими и чувствительными оптическими приспособлениями. Но теперь появилась надежда расширить наше положительное знание на области пространства столь отдаленные, что даже свет иссякает и теряется прежде, чем преодолеет эти громадные расстояния. И если в какой-либо точке этого пустого пространства тазиметр отмечает возрастание температуры и делает это неизменно, законным выводом будет, что наш инструмент находится в области действия небесного тела, либо несветящегося, либо столь удаленного, что оно оказывается вне зоны видимости нашего телескопа. Возможно также, что таким способом мы обогатимся знанием об огромном множестве более близких к нам тел – погасших солнц или слабо отражающих планет, – неизвестных ныне, ибо они не испускают света.