Ученые придумали «нейтринный лазер»: луч, который проходит сквозь Землю и позволит общаться с подводными лодками без всплытия

Представьте себе луч, для которого не существует преград. Он без малейших усилий проходит сквозь тысячи километров горных пород, океанской воды и раскаленного металла земного ядра. Долгое время эта идея существовала лишь на страницах научно-фантастических романов, например, у Станислава Лема. Сегодня она обретает конкретные физические очертания. Учёные из Массачусетского технологического института (MIT) и Техасского университета в Арлингтоне совершили значимый шаг в мире физики: они разработали теоретическую модель устройства, которое может стать первым в истории нейтринным лазером.

Что такое нейтрино и почему обычный лазер здесь бессилен

Нейтрино — элементарные частицы с чрезвычайно малой массой (по меньшей мере в миллион раз легче электрона) и без электрического заряда. Они практически не взаимодействуют с веществом: триллионы нейтрино ежесекундно проходят сквозь человеческое тело и всю планету, не оставляя следов.

Идея использовать нейтрино для связи через Землю была выдвинута ещё в 1977 году, когда физики предложили направлять нейтринные лучи для передачи сообщений. В 2009 году физик Патрик Хубер из Вирджинского технологического института опубликовал в журнале Physics Letters B. статью «Submarine neutrino communication», где показал техническую осуществимость такой связи с использованием высокоэнергетического нейтринного пучка от мюонного накопительного кольца. В 2012 году исследователи из Фермилаб впервые в истории передали закодированное слово «neutrino» с помощью нейтринного луча сквозь 240 метров твёрдой породы.

Принцип работы нейтринного лазера

В сентябре 2025 года научный мир обогатился теоретическим исследованием, опубликованным в журнале Physical Review Letters. Американские физики Бенджамин Джонс и Джозеф Формаджио представили концепцию инновационного устройства: компактного нейтринного лазера.

Ключевая идея основана на квантовом явлении сверхизлучения, впервые описанном Робертом Дике в 1954 году. Сверхизлучение возникает, когда группа идентичных атомов излучает энергию коллективно, формируя сигнал значительно более интенсивный и когерентный, чем сумма излучений отдельных атомов. До недавнего времени считалось, что создать лазер на нейтрино невозможно: нейтрино являются фермионами, а не бозонами, и для них не работает принцип вынужденного излучения, лежащий в основе обычных лазеров. Однако сверхизлучение применимо и к фермионам, что открыло путь к концепции нейтринного лазера.

Схема устройства выглядит следующим образом. В качестве демонстрационного материала учёные используют облако атомов с радиоактивной природой, например, рубидий-83. Затем это облако подвергают экстремальному охлаждению, доводя температуру до уровня, который даже ниже, чем в межзвёздном пространстве. В результате достигается особое агрегатное состояние — бозе-эйнштейновский конденсат (БЭК). В таком состоянии атомы утрачивают свою индивидуальность и объединяются в целостную квантовую структуру, занимающую одно и то же квантовое состояние.

В обычных условиях рубидий-83 распадается очень медленно: период полураспада составляет около 82 дней, то есть половина атомов испускает нейтрино лишь спустя почти три месяца. Однако расчёты показали, что в состоянии бозе-эйнштейновского конденсата радиоактивный распад синхронизируется и резко ускоряется. Для облака из одного миллиона атомов рубидия-83 синхронизированный распад занял бы считанные минуты, а не недели.

Причина такого ускорения кроется в квантовой суперпозиции. В группе идентичных атомов, находящихся в бозе-эйнштейновском конденсате, невозможно определить, какой именно атом распался в данный момент. Каждый атом существует в суперпозиции состояний «распался» и «не распался». По мере накопления распадов возникает множество возможных последовательностей: какой атом распался первым, какой вторым, и так далее. Эта квантовая неопределённость лавинообразно ускоряет процесс радиоактивного распада и, соответственно, генерацию нейтрино.

В результате вместо хаотичного излучения нейтрино во всех направлениях формируется интенсивный, когерентный и направленный пучок — по сути, нейтринный аналог лазерного луча.

Технические вызовы

Концепция нейтринного лазера остаётся теоретической и требует решения ряда сложнейших технических задач. Главное препятствие — получение бозе-эйнштейновского конденсата на основе радиоактивных атомов. До сих пор никто в мире не смог получить конденсат из радиоактивных элементов: они распадаются слишком быстро, что делает их охлаждение до сверхнизких температур чрезвычайно сложной задачей.

Дополнительные сложности связаны с требованиями безопасности при работе с радиоактивными материалами и необходимостью чрезвычайно точного контроля температуры и квантового состояния атомов. Тем не менее исследователи настроены оптимистично и планируют создать небольшую настольную демонстрационную установку для проверки своей идеи в лабораторных условиях.

Как подводная лодка примет сигнал

Для детектирования нейтринного сигнала на подводной лодке предполагается использовать два основных метода. Первый метод основан на регистрации черенковского излучения. Когда высокоэнергетическое нейтрино взаимодействует с молекулой морской воды, оно порождает мюон — заряженную частицу, которая движется в воде со скоростью, превышающей скорость света в данной среде. Это вызывает голубое свечение — черенковское излучение, которое может быть зафиксировано чувствительными фотодетекторами.

Второй метод предполагает прямое детектирование мюонов, проходящих сквозь корпус подводной лодки. При достаточной интенсивности нейтринного пучка можно смонтировать детектор непосредственно на корпусе субмарины, что избавляет от необходимости размещать громоздкие приёмные антенны в толще воды.

Существующие нейтринные обсерватории, такие как IceCube в Антарктиде, KM3NeT в Средиземном море и Байкальский нейтринный телескоп GVD, уже доказали работоспособность подобных методов детектирования. IceCube, расположенный на глубине от 1450 до 2450 метров в антарктическом льду, фиксирует черенковское излучение от мюонов, порождённых нейтрино высоких энергий. KM3NeT, состоящий из тысяч оптических сенсорных модулей, обнаруживает черенковское излучение на глубине до 3500 метров.

Патрик Хубер рассчитал, что при использовании мюонного накопительного кольца скорость передачи данных составит около 10 бит в секунду — это меньше, чем VLF, но значительно больше, чем ELF, и при этом связь возможна на полной скорости и глубине без всплытия.

Нейтринный лазер теоретически мог бы обеспечить ещё более высокие скорости передачи данных благодаря большей когерентности и направленности пучка, а также более высокой частоте генерации импульсов. Однако количественные оценки для этого подхода пока отсутствуют.

Перспективы и возможные применения

Помимо связи с подводными лодками, нейтринный лазер может найти применение в других областях. Способность нейтрино проходить сквозь любые препятствия делает эту технологию привлекательной для связи с подземными объектами: шахтами, бункерами, подземными лабораториями, а также для космической связи, особенно с аппаратами на обратной стороне Луны или других планет, когда прямая радиовидимость отсутствует.

В фундаментальной физике нейтринный лазер мог бы стать инструментом для точного измерения массы нейтрино и изучения природы тёмной материи. В медицине радиоактивные изотопы, образующиеся в процессе распада, могли бы использоваться для диагностики рака и визуализации опухолей.