HỎI. Nếu tất cả mọi người trên Trái đất đều cùng nhau chỉ bút laser về phía Mặt trăng thì Mặt trăng có đổi màu không?

— Peter Lipowicz

ĐÁP. Không, nếu chúng ta chỉ dùng con trỏ laser thông thường.

Đầu tiên ta phải chú ý rằng không phải tất cả chúng ta đều nhìn thấy Mặt trăng cùng lúc. Ta có thể tập hợp tất cả mọi người lại cùng một chỗ, nhưng hãy đơn giản là chọn một thời điểm sao cho số người có thể đồng thời nhìn thấy Mặt trăng là nhiều nhất có thể. Vì khoảng 75% dân số thế giới đang sống trong khoảng giữa 0° kinh Đông và 120° kinh Đông, chúng ta nên thử làm điều này khi Mặt trăng nằm ở đâu đó trên biển Ả Rập.

Chúng ta có thể thử chiếu sáng lúc trăng non hoặc khi trăng tròn. Trăng non tối hơn, nên dễ nhìn thấy ánh sáng laser của chúng ta hơn. Nhưng trăng non là một mục tiêu khó nhằn, vì nó chủ yếu thấy được dưới ánh sáng ban ngày, làm mất mọi hiệu ứng lên nó.

Hãy chọn lúc trăng bán nguyệt, lúc ta có thể so sánh hiệu quả của những tia laser trên phần tối với phần sáng của Mặt trăng.

Đây là mục tiêu của chúng ta.

Bút laser đỏ thông thường có công suất khoảng 5 milliwatt, và một con trỏ laser loại tốt có thể sẽ có chùm tia đủ hẹp để chạm tới Mặt trăng, mặc dù nó sẽ trải rộng trên bề mặt khi nó tới đó. Bầu khí quyển sẽ làm méo chùm sáng một tí và hấp thụ nó một chút, nhưng phần lớn ánh sáng sẽ tới được bề mặt Mặt trăng.

Giả sử tất cả mọi người đều đứng vững vàng để nhắm vào Mặt trăng, nhưng không có gì hơn nữa, và ánh sáng trải đều trên bề mặt Mặt trăng.

Nửa tiếng sau nửa đêm (GMT), tất cả nhắm vào Mặt trăng và bấm nút. Và đây là điều xảy ra:

Chà, thất vọng nhỉ.

Tuy vậy, điều này là hiển nhiên thôi. Ánh sáng Mặt trời tại bề mặt Mặt trăng có công suất lớn hơn một kilowatt năng lượng trên mét vuông một tí. Vì tiết diện ngang của Mặt trăng vào khoảng 1013 mét vuông, nên tổng công suất ánh sáng Mặt trời tới bề mặt Mặt trăng vào khoảng 1016 watt – 10 petawatt, hoặc 2 megawatt cho một người – hơn xa công suất chiếu sáng 5 milliwatt của bút laser. Có nhiều hệ số khác nhau cho từng phần của hệ thống này, nhưng chúng không làm ảnh hưởng tới phương trình cơ bản.

Laser công suất 1 W là thứ cực kỳ nguy hiểm. Nó không chỉ đủ mạnh để làm mù mắt bạn mà còn có thể đốt cháy da và làm mọi thứ bùng cháy. Hiển nhiên là pháp luật Mỹ không cho phép người tiêu dùng thông thường mua những laser như thế.

Đùa thôi! Bạn có thể mua một cái với giá 300 đô. Chỉ cần tìm kiếm “Laser 1 W cầm tay.”

Vậy nếu giả sử ta chi 2.000 để mua laser xanh lá 1 W cho tất cả mọi người. (Các ứng viên tổng thống chú ý: chính sách này sẽ mua được phiếu bầu của tôi.) Ngoài việc mạnh hơn, ánh sáng laser xanh lá nằm ở gần giữa quang phổ khả kiến, nên mắt sẽ nhạy hơn với nó và do đó trông nó có vẻ sáng hơn. Dưới đây là kết quả:

Khỉ thật!

Cây laser chúng ta đang dùng phát ra khoảng 150 lumen (mạnh hơn phần lớn đèn pin) trong một chùm tia rộng khoảng 5 phút.[1] Ánh sáng này chiếu sáng bề mặt Mặt trăng với độ rọi vào khoảng nửa lux, trong khi ánh sáng Mặt trời chiếu sáng bề mặt của nó với độ rọi khoảng 130.000 lux. (Thậm chí nếu tất cả chúng ta đều ngắm chính xác cũng sẽ chỉ tạo ra độ rọi khoảng 6 lux lên 10% bề mặt Mặt trăng.)

So sánh một chút, ánh trăng tròn chiếu sáng bề mặt Trái đất với độ rọi khoảng 1 lux, có nghĩa là laser của chúng ta không chỉ quá yếu để quan sát được từ Trái đất mà nếu bạn đứng trên Mặt trăng, ánh sáng laser trên bề mặt còn mờ hơn ánh trăng trên Trái đất.

Nhờ những tiến bộ công nghệ về đèn LED và pin lithium trong mười năm qua, thị trường đèn pin hiệu suất cao đã phát triển mạnh mẽ. Nhưng rõ ràng là các đèn pin sẽ không hiệu quả. Vì thế hãy bỏ qua tất cả những điều này và đưa cho mỗi người một chiếc đèn Nightsun.

Có thể bạn chưa nghe thấy tên nó bao giờ, nhưng rất có thể bạn đã từng nhìn thấy đèn tìm kiếm được gắn trên trực thăng của cảnh sát hoặc Lực lượng Bảo vệ bờ biển. Với quang thông trên 50.000 lumen, nó có khả năng làm cho một vùng đất chuyển từ đêm sang ngày. Chùm sáng này rộng khoảng vài độ, nên chúng ta cần một thấu kính hội tụ để làm cho nó hẹp lại tới chừng nửa độ để tới được Mặt trăng.

Dưới đây là kết quả:

Thật khó nhìn, nhưng đã tiến bộ. Độ rọi đã đạt tới 20 lux, sáng gấp đôi độ sáng nền của môi trường ở phần tối. Tuy nhiên, vẫn khá khó để quan sát được và tất nhiên chẳng ảnh hưởng gì tới nửa phần sáng.

Hãy đổi mỗi cái Nightsun lấy dàn máy chiếu IMAX – một cặp đèn chiếu công suất 30.000 W làm mát bằng nước với độ sáng tổng cộng hơn một triệu lumen.

Vẫn hầu như không nhìn thấy!

Những chiếc đèn pha mạnh nhất Trái đất được đặt trên đỉnh khách sạn Luxor ở Las Vegas. Hãy cho mỗi người một cái.

Tí quên, hãy thêm một hệ thấu kính cho mỗi cái để toàn bộ chùm sáng đều hướng vào Mặt trăng.

Ánh sáng của chúng ta chắc chắn nhìn thấy được, nên chúng ta đã hoàn thành mục tiêu! Cả nhóm đã làm rất tốt!

Xem nào…

Bộ Quốc phòng Mỹ đã phát triển thành công máy phát laser có công suất cỡ megawatt, được thiết kế để phá hủy các tên lửa ngay trên đường tấn công.

Boeing YAL-1 là một laser hóa học oxy-iod công suất hàng megawatt, gắn trên máy bay 747. Đó là một laser hồng ngoại, nên ta không thể nhìn thấy trực tiếp, nhưng ta có thể tưởng tượng mình tạo ra một laser phát ra ánh sáng khả kiến có công suất tương tự.

Cuối cùng chúng ta đã đạt tới độ sáng của ánh sáng Mặt trời!

Chúng ta cũng đang tiêu thụ công suất 5 petawatt, gấp đôi công suất tiêu thụ điện trung bình của thế giới.

Được thôi, hãy gắn mỗi laser công suất cỡ megawatt trên mỗi mét vuông bề mặt của châu Á. Hệ thống gồm 50 nghìn tỷ laser này sẽ sử dụng toàn bộ trữ lượng dầu của Trái đất trong khoảng 2 phút, nhưng trong 2 phút đó, Mặt trăng sẽ trông như thế này:

Mặt trăng sẽ tỏa sáng giống như Mặt trời giữa buổi sáng, và vào cuối hai phút đó, lớp đất đá rời (regolith) của Mặt trăng sẽ bị nung nóng tới mức phát sáng rực rỡ.

Và bây giờ, ta hãy vững tin hơn bước ra ngoài phạm vi của tính hợp lý.

Tia laser mạnh nhất thế giới là tia laser tổng hợp (confinement beam) đặt tại Hệ thống Kích hoạt Quốc gia (National Ignition Facility), trung tâm thí nghiệm chuyên nghiên cứu dùng laser để khởi phát các phản ứng nhiệt hạch. Đó là một laser cực tím, có công suất đầu ra khoảng 500 terawatt. Tuy nhiên, nó chỉ phát những xung đòn kéo dài một vài nano giây, nên năng lượng toàn phần cung cấp chỉ trong đương với khoảng ¼ chén xăng.

Hãy tưởng tượng chúng ta tìm được cách nào đó tạo ra năng lượng và phát nó liên tục, phân phối nó cho tất cả mọi người và hướng tất cả về Mặt trăng. Thật không may là các dòng năng lượng laser sẽ biến khí quyển thành plasma, lập tức kích lửa bề mặt Trái đất và giết chết tất cả chúng ta. Nhưng chúng ta lại giả sử bằng cách nào đó, các tia laser sẽ truyền qua khí quyển mà không có tương tác.

Trong trường hợp đó, Trái đất vẫn sẽ bị bắt lửa. Ánh sáng phản xạ từ Mặt trăng sẽ mạnh hơn 4.000 lần so với Mặt trời giữa trưa. Ánh trăng đó sẽ đủ sức đun cạn các đại dương của Trái đất trong vòng chưa đầy một năm.

Nhưng hãy quên Trái đất đi – xem chuyện gì sẽ xảy ra với Mặt trăng?

Chỉ riêng áp suất ánh sáng của laser cũng đủ để tăng gia tốc Mặt trăng tới một phần mười triệu g (gia tốc trọng trường). Gia tốc này không thấy được trong ngắn hạn, nhưng qua vài năm, nó sẽ lớn dần tới mức đủ để đẩy nó ra khỏi quỹ đạo quay quanh Trái đất…

… nếu áp suất ánh sáng là lực duy nhất tham gia vào quá trình.

Năng lượng 40 megajoule đã đủ để làm bốc hơi một ký đá. Giả sử đá trên Mặt trăng có khối lượng riêng trung bình vào khoảng 3 kglít, chùm laser của chúng ta cấp đủ năng lượng để làm bay hơi nền đá của Mặt trăng với tốc độ 4 m mỗi giây.

Tuy nhiên, đá Mặt trăng sẽ không bốc hơi nhanh như vậy vì một lý do hóa ra rất quan trọng.

Khi một lượng đá bốc hơi, nó sẽ không biến mất. Lớp bề mặt của Mặt trăng sẽ trở thành plasma, và lớp plasma này sẽ chặn đường chùm tia.

Chùm laser của chúng ta sẽ ngày càng mất nhiều năng lượng, và plasma thì ngày càng nóng. Từng nguyên tử bật ra khỏi nhau, lao vào bề mặt Mặt trăng và cuối cùng bị thổi tung vào không gian với tốc độ khủng khiếp.

Dòng vật chất này biến bề mặt Mặt trăng thành một động cơ tên lửa có hiệu quả đáng ngạc nhiên. Sử dụng laser để thổi tung vật chất bề mặt như vậy được gọi là ăn mòn laser (laser ablation), và nó mở ra một phương pháp triển vọng cho quá trình đẩy tàu vũ trụ.

Mặt trăng rất lớn, nhưng động cơ phản lực plasma từ đá chắc chắn sẽ từ từ đẩy nó ra xa Trái đất. (Động cơ phản lực đó cũng sẽ mài nhẵn bề mặt Trái đất và phá hủy các máy laser, nhưng chúng ta đang giả sử chúng là bất khả xâm phạm.) Plasma cũng sẽ lột bề mặt của Mặt trăng lên theo một tương tác phức tạp khó mô hình hóa lại được.

Nhưng nếu chúng ta phỏng đoán rằng các hạt trong plasma có tốc độ trung bình khoảng 500 kms thì sẽ mất vài tháng để Mặt trăng bị đẩy ra khỏi tầm laser. Nó sẽ giữ được phần lớn khối lượng, nhưng thoát khỏi trường hấp dẫn của Trái đất và đi vào một quỹ đạo dẹt vòng quanh Mặt trời.

Về nguyên tắc, Mặt trăng sẽ không trở thành một hành tinh mới, theo định nghĩa của Hiệp hội Thiên văn Quốc tế (IAU) về hành tinh. Vì quỹ đạo mới của nó cắt quỹ đạo của Trái đất nên nó sẽ được coi là một hành tinh lùn như sao Diêm Vương. Quỹ đạo này của nó sẽ gây ra sự nhiễu loạn quỹ đạo khó lường theo chu kỳ. Cuối cùng, nó hoặc là sẽ bị hút vào Mặt trời, hoặc bị đẩy ra khỏi Hệ Mặt trời, hoặc đâm sầm vào một hành tinh nào đó – rất có thể là hành tinh của chúng ta. Tôi nghĩ chúng ta đều tán đồng rằng trong trường hợp đó, bị như vậy là đáng lắm. Kết quả chung cuộc:

Cuối cùng thì thế này chắc cũng là đủ công suất.

❀ ❀ ❀

[1] Tương tự, thang đo cường độ gió F (Fujita) đã được thay thế bằng thang EF (Fujita mở rộng). Đôi khi, một đơn vị đo trở nên lỗi thời bởi vì xài nó rất kinh khủng – chẳng hạn, “kip” (1.000 pound lực), “kcfs” (hàng nghìn foot khối mỗi giây), và “độ Rankine” (độ F trên độ không tuyệt đối). (Tôi đã phải đọc các bài báo kỹ thuật sử dụng các đơn vị này.) Những khi khác, bạn có thể nhận thấy rằng các nhà khoa học chỉ muốn có thứ gì đó để “chỉnh” mọi người.