¿Hay algo sobre los fotones y/o el espacio-tiempo que permitiría la detección de un ataque basado en energía desde una distancia de diez segundos luz?

Diez segundos luz es una distancia muy larga: 1,86 millones de millas (3 millones de Km). A modo de comparación, la luna está a unos 1,3 segundos luz de la Tierra y la distancia más corta registrada entre la Tierra y Marte es de 187 segundos luz .

Supongamos que un acorazado atacante tiene la capacidad de bloquear a un acorazado defensor a diez segundos luz de distancia (esta capacidad, sea la que sea, no beneficia al defensor). El haz de energía es fotónico y emite aproximadamente 10 9 julios de energía a una distancia de diez segundos luz. Supongamos también que el haz puede enfocarse lo suficiente como para que llegue con no más de un metro de dispersión.

A los efectos de la pregunta, supongamos que el barco defensor no sabe que el barco atacante está presente.

Finalmente, supongamos que si la nave defensora pudiera detectar el rayo entrante con dos segundos de sobra, podría maniobrar para evitar el ataque. (Ah, y sin escudos. Es un gran problema para la nave defensora ser golpeada por 10 9 julios de energía durante cualquier período de tiempo).

Bien, una cosa más. Ignora el tiempo que el arma de energía está activada. Eso es realmente irrelevante para la pregunta. Si el haz estaba en un attosegundo o en los diez segundos de tránsito no cambia la pregunta.

Pregunta: ¿Hay algo sobre los fotones y/o el espacio-tiempo que sepamos o teoricemos hoy que sugiera que es posible que la nave defensora detecte el rayo de energía entrante antes de que golpee la nave (idealmente dos segundos antes de que golpee la nave, pero en absoluto es la pregunta)?

Tenga en cuenta la etiqueta de ciencia dura .

EDITAR  Me disculpo porque me fui a la cama después de escribir la pregunta y no vi ninguno de los comentarios. Obviamente, es cierto que los fotones en sí mismos no pueden detectarse antes de impactar en los sensores de la nave defensora, lo que sugeriría que no hay forma de detectar el haz entrante. Sin embargo, la sonda espacial Voyager detectó el arco de la magnetosfera solar y el viento antes de pasar al espacio interestelar, donde encontró plasma caliente. Me hizo preguntarme si el paso de la luz podría "empujar" algo delante de ella, como el arco de la magnetosfera solar o el viento, y esa ráfaga entrante de "algo" podría usarse para detectar el rayo entrante.

Desde esta perspectiva, podría ser necesario indicar dónde se está produciendo el ataque, ya que el viento solar y la magnetosfera retienen la mayor parte de las cosas que podrían "expulsarse" del sistema solar, lo que significa que podría ser más fácil tener una detección exitosa. en el espacio interestelar. Sin embargo, eso también podría significar simplemente que es más difícil dentro de un sistema solar, pero no imposible. En el peor de los casos, considere ambas ubicaciones. Si todos creemos que la luz puede usarse para empujar una nave espacial, entonces parece obvio que, siempre que haya algo que empujar, ese algo podría usarse para detectar el rayo entrante.

Los comentarios no son para una discusión extensa; esta conversación se ha movido a chat .
Supongo que no está interesado en las soluciones de banda lateral, es decir, ¿esperar que la otra nave abra las puertas de la bahía de armas?
¿Dónde está el proceso de producción del rayo de la nave que dispara en el espectro entre "pulsar un botón; una bandada de fotones se lanza instantáneamente hacia el objetivo" y "algún tipo con un traje espacial con pinzas de varias longitudes tiene que frotar dos agujeros negros cargados durante unos minutos para construir suficiente carga para disparar el arma"? Tal vez no detectamos el rayo, detectamos toda la agitación electromagnética durante los segundos antes de que se vaya. (imágenes similares a esta: Considere la dispersión visible de los rayos tributarios durante el segundo (s) antes del lanzamiento del rayo principal de la Estrella de la Muerte).
@Willk, eso es casi un duplicado. La única diferencia práctica es que estoy interesado en qué características de la luz, si las hay, permitirían a alguien detectar el haz de luz entrante.
@bta, una condición de la pregunta es que el barco defensor no se dé cuenta del barco atacante.
Esta observación no tiene mucho que ver con su pregunta, pero no sería tan difícil construir una defensa pasiva contra un estallido de luz visible de Gigajoule. Crear una defensa que funcione contra un estallido de Gigajoule de rayos X o gammas ("grassers") sería mucho más difícil...
Los rayos X y los rayos gamma de @poncho son luz: son fotones y parte del espectro electromagnético, al igual que la luz visible y las ondas de radio. No especifiqué una frecuencia, solo la cantidad de energía entregada en el momento del impacto, e indiqué que era irrelevante para la pregunta.

Respuestas (7)

Dado que es una pregunta difícil: la respuesta es NO, la nave defensora no puede hacer nada para detectar el ataque láser entrante de la nave enemiga que no ve .

La argumentación es obvia: la velocidad de la luz es la forma más rápida de propagar información, de modo que la información llega como un estallido láser de un gigajulio. Dado que, según sus condiciones, el barco que defiende no sabe nada sobre el atacante, no puede detectar ningún preparativo para el disparo.

Para resolver ese problema, el defensor puede aplicar exactamente la misma táctica que los barcos (y están en ejercicios militares) usando contra los submarinos: simplemente cambiar periódicamente el rumbo al azar.

Si esa nave defensora tiene un tamaño característico de 100 m, solo necesita disparar sus propulsores laterales en direcciones e intervalos aleatorios (pero no más de 10 segundos) con deltaV un poco más de 10 m/s. Significa que gastará alrededor de 1 m/s de su reserva deltaV cada segundo. Por lo tanto, garantiza que el atacante a una distancia de 10 segundos luz siempre tendrá un objetivo desactualizado. El límite de velocidad de propagación de la información funciona en ambos sentidos.

Los aviones bombarderos de la Segunda Guerra Mundial también utilizaron la misma táctica (de cambio de dirección periódica y semialeatoria) para evitar las críticas.
Starship Operators tiene muchas batallas espaciales como esta. Es una tensión interesante.
@ksbes, el intervalo entre los impulsores de encendido puede ser de hasta 20 segundos. Para apuntar el láser, la nave atacante necesita conocer la posición, el rumbo y la velocidad de la otra nave, ¡y esta información también viaja a la velocidad de la luz!
Los insectos en la Tierra usan el mismo truco, confiando en que son mucho más livianos que sus depredadores.
"La velocidad de la luz es la forma más rápida de propagar información, de modo que la información llega como un estallido láser de gigajulios". +1 solo por esto
Usar 1 m/s^2 o incluso 1/2 m/s^2 de deltaV no es barato. Delta-V es precioso . Realmente solo quieres quemarlo cuando realmente lo necesitas . En cambio, ¿qué pasa con el momento angular? Haces girar la nave al azar y la ubicación de sus órganos vitales es impredecible. ¿O masa de reacción unida a cuerdas que se pueden enrollar al azar?

No verás venir el láser, pero lo verás cargándose para disparar.

La respuesta de Ksbes es una muy buena idea si sabe que está en una pelea, pero si no está al tanto como lo estipula el OP, es probable que no esté haciendo correcciones de rumbo importantes continuas.

En cuanto a la solución de su problema, no podrá ver el rayo que se dirige hacia usted, pero los láseres que acumulan suficiente jugo para causar un daño significativo consumen MUCHA energía. Y generar energía crea calor que también se irradia a la velocidad de la luz. Si bien es posible que no puedas ver la nave a 10 l de distancia mientras se esconde y espera para tenderte una emboscada, una vez que esté lista para actuar, deberá cargar sus reactores para cargar el arma. Si el arma tiene un tiempo de carga de 2 segundos y sus sensores son lo suficientemente sensibles, entonces sería el calor de cargar el arma lo que le indicaría que algo está a punto de dispararle.

Esto le daría el momento en que necesita comenzar a pilotar evasivamente y luego todo en la respuesta de Ksbes es válido para avanzar.

Esta es la mejor respuesta que cumple con el objetivo de la pregunta. Puede postular un pico de calor/radiación/neutrino que alcanza su punto máximo 2 segundos antes del rayo de energía entrante como resultado de los reactores u otras fuentes de energía que se conectan para alimentar o cargar el arma.
Demasiado menor para una edición, pero dices 'ly' para años luz, pero la pregunta es en segundos luz. :)
@gracias, error tipográfico corregido.
Este es mi instinto también; la ciencia dura dicta que tiene una capacidad de generador finita, necesitaría algún tipo de capacitancia, y cuanto más rápido lo cargue, más caliente se vuelve. La preparación para disparar puede proporcionar una advertencia, al igual que en la guerra submarina, donde los submarinos enemigos pueden escuchar la inundación de los tubos de torpedos y la apertura de las puertas, incluso si no lo habían detectado previamente, siempre que estén escuchando.
Alternativamente, es posible que vea la luz perdida de una falla cercana y que el siguiente disparo llegue un par de segundos después.

La velocidad de la luz es la forma más rápida para que la información viaje. Es absolutamente imposible (a partir de un punto de vista de ciencia dura) que su nave objetivo sepa que la nave que dispara ha disparado antes de que sea golpeada (o antes de que el disparo falle si se apuntó incorrectamente)

Todavía hay algunas formas en las que podrías evitar que te dispare un atacante que no sabes que está allí.

  • Alterar aleatoriamente su curso: la propagación de información a la velocidad de la luz corta en ambos sentidos. Si tu atacante está a 10 segundos luz de ti y ajustas aleatoriamente tu rumbo al menos cada 10 segundos (es incluso mejor si el tiempo entre cambios de rumbo también es aleatorio), es imposible que sepa dónde estás con suficiente certeza. para una orientación precisa. Entonces no tienen más remedio que dejarte ir o disparar tiros que seguramente fallarán.
    • ventajas: muy buena protección, prácticamente a cualquier distancia que desee
    • contras: tienes que quemar combustible extra para todo este baile alrededor de la ruta que realmente quieres tomar. Si desea protección a distancias más cortas, o de armas de mayor área de efecto, debe cambiar de rumbo de manera más drástica y más frecuente. Los cambios aleatorios, por supuesto, son bastante desagradables para cualquier persona a bordo.
  • Esté atento a una parte temprana del proceso de disparo: en una pelea en la ciudad, generalmente no es posible reaccionar a un fogonazo antes de que la bala lo golpee, pero es posible estar atento a un destello de la mira del francotirador. De manera similar, puede ser posible detectar alguna parte temprana del proceso de disparo del atacante, por ejemplo, el bloqueo de orientación o el calentamiento del arma. Siempre que esta primera parte del proceso ocurra lo suficiente antes de que el arma se dispare, la nave objetivo tiene la oportunidad de actuar.
    • ventajas: no utiliza combustible adicional y no causa molestias a nadie a bordo cuando no está bajo ataque
    • contras: mantener una vigilancia constante en toda la esfera celeste es complicado. Para evitar los puntos ciegos (aunque es cierto que estos puntos ciegos estarán cerca del barco, por lo que son menos relevantes aquí), necesitará al menos cuatro puntos de observación. También se necesitará bastante potencia informática para comparar rápidamente todos estos datos para buscar anomalías que podrían deberse a un atacante. Dependiendo de cuánto tiempo dure el proceso de disparo, es posible que tenga muy poco tiempo para esquivar, por lo que puede requerir una acción evasiva más extrema que en el primer caso (por ejemplo, si el proceso de disparo toma 2 segundos, debe haberse movido más que el ancho del rayo dentro de 2s, mientras que con esquivar constantemente, tienes 10s para hacerlo)

Creo que las desventajas de cambiar el curso aleatoriamente son tan altas que es poco probable que quieras hacerlo, a menos que creas que hay muchas posibilidades de que te ataquen*. Es casi seguro que estar atento y solo cambiar a ajustes de curso aleatorios una vez que se detecta al enemigo es la mejor opción disponible en su mundo de ciencia dura.

Si tiene buenos CMG o ruedas de reacción y su nave no es una bola y tiene una gran cantidad de energía, puede ahorrar mucho combustible girando en ciertos ejes de vez en cuando. Si te imaginas el clásico Destructor Estelar en forma de cigarro o algo así, podría simplemente inclinarse hacia abajo o girar a la derecha y esquivar la mayoría de los disparos mientras gasta relativamente poco combustible. El contraataque a esto es apuntar solo dentro de cierta parte del centro de masa de la nave... lo que significa que tu objetivo se encogió en un porcentaje.
En "Buscando una parte temprana del proceso de disparo", solo necesita (según el consultante) 2 segundos de advertencia, no el retraso total de la velocidad de la luz. Esto supone que la nave es capaz de hacer correcciones de rumbo lo suficientemente drásticas en 2 segundos para no estar donde habría estado en el momento de la llegada del láser.
@BBeast buen punto, corregiré mi respuesta
@William, si su nave es convexa, el atacante siempre puede apuntar al centro de masa y tener un golpe garantizado. Una nave de dos lóbulos puede hacer el truco, pero necesitarás muchos puntales si quieres aleatorizar tu orientación en 20 segundos sin convertirte en un par de naves de un solo lóbulo.
No estoy seguro de cómo aplicar el adjetivo "convexo" en este contexto. "Simplemente pueden disparar a su centro de masa" ya es una gran victoria para usted, ya que significa que su nave se volvió potencialmente mucho más pequeña en términos de sección transversal orientable. Y, por supuesto, una rotación más rápida es mejor para fines evasivos y requeriría mucha integridad estructural, cualquier cantidad de rotación aleatoria a lo largo de los ejes cortos de la nave es una evasión que no necesita gastar combustible. De lo contrario, creo que el costo de combustible para rotar la nave podría ser menor que traducirlo. Si nada más, es más espacio para la aleatoriedad.
convexo tiene un bastante obvio ¿no? Es decir, no hay línea entre dos puntos en la superficie del barco que no esté contenida por el barco o que no esté completamente en la superficie del barco (este último solo si los dos puntos entre los que se traza la línea están en una sola cara plana)
aunque no es realmente la propiedad relevante. Queremos considerar la sección transversal promediada por rotación del barco, es decir, para una función "es parte del barco" f(r,θ,φ) tomamos la integral de [f(r,θ-α,φ-β) sin(θ-α) dα dβ] para -π/2 ≤ α ≤ π/2, -π ≤ β ≤ π y la tarea es entonces minimizar el máximo de este funcional sujeto a las consideraciones de ingeniería que tengamos. Se podría configurar una colección de esferas densas que contengan los diversos sistemas conectados por corredores delgados y livianos, de modo que cada esfera esté a una distancia diferente (pero grande) del centro de masa, lo que debería minimizar este funcional.
un tratamiento más riguroso requeriría muchas más y más restricciones formales, pero probablemente se pueda hacer desglosando el cálculo funcional que no he usado durante algunos años.

Sin bloqueo de objetivo

Un "bloqueo de objetivo", como se usa en el lenguaje militar moderno, se refiere a un radar activo que genera imágenes de un objetivo con una resolución y precisión bastante altas. Un objetivo que está a 10 segundos luz de distancia no puede ser "bloqueado" en este sentido del término. Se puede detectar de forma pasiva, observando la radiación del cuerpo negro o el calor del motor, o de forma activa, enviando pulsos EMR (radar/lidar).

Ahora, independientemente de si es activo o pasivo, ¡cualquier información de posicionamiento que se reciba tiene necesariamente 10 segundos de antigüedad! Como observa cualquier otra respuesta, pueden pasar muchas cosas en 10s. ¡El tiempo entre un ping de posicionamiento y el haz en el objetivo es de 20 segundos!

Segmentación pasiva

A menos que el barco esté iluminado por el sol, o que se aleje activamente del atacante, será muy difícil detectarlo de manera precisa y pasiva. Si el defensor tiene motores muy eficientes que no filtran energía de empuje por los costados, el único EMR que verá es cualquier brillo de cuerpo negro que el defensor no pueda ocultar. A 10 segundos luz, este brillo será muy débil . Y tampoco se resolverá bruscamente, porque saldrá de cada parte del barco, yendo en todas las direcciones. Será borroso y en movimiento. Entonces, lo mejor que puede hacer el atacante es construir un modelo predictivo de dónde estará el barco en 10 segundos, y esperar que no cambie de rumbo en ese tiempo. Eso no es un "bloqueo". Eso es literalmente un tiro en la oscuridad .

Orientación activa

Esto es mucho más peligroso, porque cualquier marina espacial que se precie sabrá qué frecuencias se usan normalmente para apuntar y tendrá sensores pasivos para detectar cualquier intento de escaneo. La orientación activa prácticamente anuncia tanto sus intenciones hostiles como su dirección, lo que le da al objetivo 10 segundos para maniobrar fuera de su "bloqueo". Debido a que puede arrojar mucha energía a su objetivo de imagen, puede obtener una imagen mucho más nítida de él. Un haz coherente y colimado con una gran cantidad de fotones puede resolver la ubicación y la velocidad de su objetivo con tanta precisión como esté dispuesto a gastar energía. ¡Pero cuanta más energía gastes en imágenes, más información tendrá el defensor sobre tu ubicación también! Entonces, ¡es realmente una especie de sistema de orientación bidireccional!

ECM

Lo que quiere hacer un defensor es frustrar la capacidad del atacante para determinar su posición y dirección. La mejor manera de hacerlo es a través del sigilo y la desorientación: es decir, señuelos. Desea asegurarse de que su nave no tenga ángulos agudos agradables que reflejen las frecuencias de orientación más comunes para el atacante. Desea deflectores EM que reboten la energía y la reflejen en ángulos oblicuos que estén lejos del atacante (así es más o menos cómo funcionan los recubrimientos de pintura sigilosos en la actualidad). Puede llevar esto un paso más allá manteniendo una flota de drones que escolten su barco a distancia. Pueden tener "reflexión sintonizable". Es decir, pueden tener un lado brillante diseñado para parecerse a su barco y un lado sigiloso y aburrido diseñado para ocultarse. Al manipular estos drones, combinados con las características de sigilo de tu nave,

Además, una vez que recibe un ping de orientación, puede lanzar activamente señuelos con una velocidad lateral decente para engañar activamente al radar de orientación en una trayectoria diferente. El truco consiste en que los señuelos presenten una firma de radar convincente que podría ser plausiblemente su barco, sin exagerar y anunciar que son solo señuelos. Estoy seguro de que habría una carrera armamentista en torno a esta tecnología.

ECCM

Para superar el problema del "bloqueo bidireccional", así como para mitigar los efectos de ECM, los atacantes implementarán contramedidas, como sus propios señuelos de orientación. Estos serán drones que están diseñados para volar en una trayectoria que enmascara el barco atacante y también proporciona una apertura de radar efectiva mucho más amplia para capturar rebotes perdidos del radar de orientación. Así es como funciona la tecnología anti-sigilo actual en la actualidad (múltiples estaciones terrestres captan rebotes de radar falsos para ensamblar una imagen virtual).

El resultado final serán enormes esferas de posibles posiciones de naves, con el atacante y el defensor maniobrando en algún lugar dentro de esas esferas. Y a menos que sean severamente superados, es ambiguo decir que un barco es el atacante y el otro el defensor.

Si bien los puntos sobre los desafíos de la orientación y detección precisas son buenos, impugnaría que el objetivo sea "muy débil" a 10 segundos luz. Las cifras en projectrho.com/public_html/rocket/spacewardetect.php#nostealth indican que, para parámetros razonables, una nave espacial simplemente navegando con su soporte vital y los reactores en funcionamiento son visibles a distancias del orden de 100 segundos luz. Este es un objeto de ~300K contra un fondo de 4K, después de todo. Pero estoy de acuerdo en que este objeto será un pequeño punto, pero podría usar la óptica láser como óptica telescópica ya que su láser puede enfocar tan lejos.

Si quieres apegarte a la ciencia dura, no hay nada que puedas hacer, ya que cualquier radiación que indique que están disparando (visible o no) viajará a la misma velocidad que el pulso real que dañará la nave.

Si insiste en que esto sea necesario para su historia, puedo ver dos opciones.

La primera opción se basa en estimar cuándo disparará tu enemigo, según la imagen que ves de la nave enemiga 15 segundos antes de que dispare (por ejemplo), como el movimiento de las torretas, el encendido de las armas, etc., que llegará 5 segundos antes que tú. son golpeados por su pulso. Si conoce aproximadamente la velocidad de disparo que su arma puede lograr a partir de ese momento, puede deducir cuándo necesita comenzar a realizar acciones evasivas nuevamente.

Esto solo funcionaría si el enemigo solo tiene una batería principal. Si tienen 4, como solían hacer los acorazados de la Segunda Guerra Mundial, entonces podrían simplemente escalonar el disparo de cada batería para que te veas constantemente obligado a moverte evasivamente.

Sin embargo, este es un comportamiento perfectamente sensato para una nave en combate, ya que la nave enemiga solo sabe dónde estabas hace 10 segundos y necesita predecir dónde estarás. Al cambiar constantemente de rumbo mientras se cierra la distancia o se lanzan municiones guiadas, será tan difícil para el enemigo golpear el barco como adivinar cuándo disparará el barco enemigo (suponiendo que el barco pueda acelerar razonablemente en relación con su tamaño, siempre que que 1/2 * aceleración * tiempo de vuelo ^ 2 es mayor que la longitud de su barco, debería estar bien).

La segunda opción, que es sustancialmente más manual y no es ciencia dura en absoluto, es crear agujeros de gusano muy pequeños en las cercanías de la nave enemiga. Al observar la nave a través de ese agujero de gusano, pueden obtener una ventaja de aproximadamente 10 segundos (ignorando el tiempo para procesar los datos una vez que los recibe). Esto le daría suficiente tiempo para prepararse una vez que disparen.

Si puede usar agujeros de gusano, ¿por qué no disparar el láser a través del agujero después de verificar si el enemigo todavía está allí? Además, la etiqueta de ciencia dura está en vigor.
@NomadMaker, estamos, por supuesto, más allá del ámbito de la ciencia pura en este momento, por lo que cualquier justificación es puramente agitar la mano. Dicho esto, tal vez los agujeros de gusano se desestabilicen cuando una cierta cantidad de energía pasa a través de ellos. El umbral podría ser lo suficientemente alto para las observaciones, pero demasiado bajo para pasar suficiente energía para hacer algo más que calentar ligeramente la pintura del enemigo.
No obtendrá imágenes de una nave espacial a 10 segundos luz sin un telescopio del tamaño de un planeta pequeño. Es posible que pueda saber que está allí por medios ópticos / de radio, etc., pero eso es todo, a menos, por supuesto, que la nave atacante emita algo así como un rayo de orientación o que la bomba sea de alguna manera detectable como se sugiere en otra parte.
@ChrisH, no vas a golpear una nave espacial a 10 segundos luz con un láser a menos que estés disparando a través de un telescopio del tamaño de un planeta pequeño. Después de todo, los límites de difracción funcionan en ambos sentidos.
@Mark buen punto, por lo que ambas naves necesitarían un telescopio de este tipo. Excepto que un haz de Bessel podría generar energía pero no imágenes, y podría llevarlo a un telescopio del tamaño de "eso no es luna". Ahora estoy evitando pensar en lentes gravitacionales con las naves a ambos lados de una estrella de neutrones.

Como dicen otras respuestas, la velocidad de la luz es un límite de velocidad estricto : dentro de la comprensión de la física actual, no hay forma de evitarlo.

Sin embargo, esto no significa que no haya esperanza. Esto solo significa que la distancia de diez segundos luz es esencialmente irrelevante . Las posibilidades son exactamente las mismas que si nuestro defensor estuviera justo al lado del atacante, oa un año luz de distancia.

Entonces, lo que esto significa es que el defensor debe ser capaz de anticipar el disparo de alguna manera. Esto podría suceder de varias maneras. Una idea: el disparo en sí es un proceso no instantáneo, que implica unos segundos de carga del láser antes de que se libere el pulso principal, y esta carga es detectable a través de algunas emisiones sutiles, si el defensor tiene un sensor sintonizado para escucharlas. (Esto no requiere que el defensor sepa de la presencia del atacante: piense en ellos como una cebra cautelosa, siempre alerta por el olor de los leones).

En respuesta a la edición de la pregunta, no ayuda intentar usar la capacidad de la luz para impulsar algo. Cuando la luz hace eso, simplemente le da un empujón en la dirección dada, pero nunca lo suficiente como para mantener la cosa por delante del frente de onda. En cierto sentido, la respuesta "No" a su pregunta es solo una reafirmación vívida del principio de que nada puede viajar más rápido que la luz. Un fotón nunca envía una advertencia antes de sí mismo.

¿Hay algo sobre los fotones y/o el espacio-tiempo que permitiría la detección de un ataque basado en energía desde una distancia de diez segundos luz?
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