Домашнее чтение: "Интерстеллар. Наука за кадром"

Издательство «Манн, Иванов и Фербер» выпускает книгу «Интерстеллар. Наука за кадром» американского физика и по совместительству научного консультанта Кристофера Нолана Кипа Торна, а мы с ее помощи пытаемся разобраться в том, как устроена Вселенная

при первой встрече профессор Брэнд рассказывает Куперу об экспедициях программы «Лазарь», призванных найти человечеству новый дом. Купер отвечает: «В Солнечной системе нет пригодных для жизни планет, а до ближайшей звезды тысяча лет пути. Это, мягко говоря, бессмысленно. Так куда же вы их отправили, профессор?» Почему это бессмысленно (если под рукой нет червоточины), ясно, если задуматься, сколь велики расстояния до ближайших звезд.

Расстояния до ближайших звезд

Ближайшая (не считая Солнца) звезда, в системе которой может найтись планета, пригодная для жизни, —  это Тау Кита. Она находится в 11,9 светового года от Земли; то есть, путешествуя со скоростью света, до нее можно будет добраться за 11,9 года. Теоретически могут быть пригодные для жизни планеты, которые к нам ближе, но ненамного.

Чтобы оценить, насколько далека от нас Тау Кита, прибегнем к аналогии в гораздо меньших масштабах. Представьте, что это расстояние от Нью-Йорка до города Перт в Австралии — примерно половина земной окружности. Самая близкая к нам звезда (опять же не считая Солнца) — Проксима Центавра, 4,24 светового года от Земли, однако нет никаких подтверждений, что рядом с ней могут быть пригодные для жизни планеты. Если расстояние до Тау Кита — это расстояние Нью-Йорк — Перт, то расстояние до Проксимы Центавра  — это Нью-Йорк — Берлин. Немногим ближе, чем Тау Кита!

Из всех беспилотных космолетов, запущенных людьми в межзвездное пространство, дальше всего добрался «Вояджер-1», который сейчас находится в 18 световых часах от Земли. Его путешествие длилось 37 лет. Если расстояние до Тау Кита — это расстояние Нью-Йорк — Перт, то от Земли до «Вояджера-1» всего три километра: как от Эмпайр-стейт-билдинга до южного края Гринвич-Виллидж. Это гораздо меньше, чем от Нью-Йорка до Перта. 

От Земли до Сатурна еще ближе — 200 метров, два квартала от Эмпайр-стейт-билдинга до Парк-авеню. От Земли до Марса — 20 метров, а от Земли до Луны (наибольшее расстояние, на которое до сих пор путешествовали люди) — всего семь сантиметров! Сравните семь сантиметров с половиной кругосветного путешествия! Теперь понимаете, какой скачок должен произойти в технологиях, чтобы человечество могло покорять планеты за пределами Солнечной системы?

Скорость полета в XXI веке

«Вояджер-1» (разогнавшись с помощью гравитационных пращей вокруг Юпитера и Сатурна) отдаляется от Солнечной системы со скоростью 17 километров в секунду. В «Интерстелларе» космолет «Эндюранс» путешествует от Земли до Сатурна в течение двух лет, со средней скоростью около 20 километров в секунду. Наибольшая скорость, достижимая в XXI веке при использовании ракетных двигателей в сочетании с гравитационными пращами, составит, на мой взгляд, около 300 километров в секунду. Если мы отправимся к Проксиме Центавра со скоростью 300 километров в секунду, перелет займет 5 000 лет, а перелет до Тау Кита — 13 000 лет. Что-то долговато. Чтобы с технологиями XXI века добраться в такую даль побыстрее, нужно что-то наподобие червоточины. 

Технологии далекого будущего

Хитроумные ученые и инженеры приложили немало стараний, разрабатывая принципы технологий будущего, которые сделали бы полеты с околосветовыми скоростями реальностью. Вы найдете достаточно информации о таких проектах в интернете. Но, боюсь, пройдет не одна сотня лет, прежде чем людям удастся их воплотить в жизнь. Однако они, на мой взгляд, убеждают, что для сверхразвитых цивилизаций путешествия со скоростями от одной десятой скорости света и выше вполне возможны.

Вот три варианта передвижения с околосветовой скоростью, которые мне кажутся особенно интересными.

Термоядерный синтез

Термоядерный синтез — наиболее популярный из этих трех вариантов. Научно-исследовательские работы по созданию электростанций на основе управляемого термоядерного синтеза были начаты в 1950 году, и полным успехом эти проекты увенчаются не раньше 2050 года. Целый век научно-исследовательских работ! Это кое-что говорит о масштабе сложностей. Пусть к 2050 году на Земле появятся термоядерные электростанции, но что можно сказать о космических полетах на термоядерной тяге? Двигатели наиболее удачных конструкций смогут обеспечить скорости около 100 километров в секунду, а к концу этого столетия предположительно и до 300 километров в секунду. Однако для околосветовых скоростей понадобится совершенно новый принцип использования термоядерных реакций. Возможности термоядерного синтеза можно оценить с помощью простых расчетов. Когда два атома дейтерия (тяжелого водорода) сливаются, образуя атом гелия, примерно 0,0064 их массы (при грубом округлении — один процент) переходит в энергию. Если преобразовать ее в кинетическую энергию (энергию движения) атома гелия, то атом приобретет скорость в одну десятую от скорости света. Стало быть, если мы сможем преобразовать всю энергию, полученную от синтеза ядерного топлива (дейтерия), в направленное движение космолета, то достигнем скорости около c/10, а если проявить смекалку — и несколько большей. В 1968 году Фриман Дайсон, замечательный физик, описал и исследовал примитивную конструкцию космолета на термоядерной тяге, способную — в руках достаточно развитой цивилизации  — обеспечить скорости такого порядка. Термоядерные бомбы («водородные» бомбы) взрываются сразу за полусферическим амортизатором, диаметр которого — 20 километров. Взрывы толкают корабль вперед, разгоняя его, по самым смелым оценкам Дайсона, до одной тридцатой скорости света. Более совершенная конструкция может быть способна на большее. В 1968 году Дайсон пришел к выводу, что использовать двигатель такого типа будет возможно не раньше чем в конце XXII столетия, через 150 лет от настоящего момента. Я считаю, что это оценка чересчур оптимистична.

Лазерный луч и световой парус

В 1962 году Роберт Форвард, еще один весьма уважаемый мною физик, написал для научно-популярного журнала статью о космолете с парусом, который приводится в движение выпущенным издалека сфокусированным лазерным лучом [Forward 1962]. В академической статье 1984 года он развил и уточнил эту концепцию. Лазерный массив, работающий на солнечной энергии и расположенный в космосе или на Луне, генерирует лазерный луч мощностью в 7,2 тераватта (за год потребляющий примерно вдвое больше, чем общее потребление электричества в США за 2014 год). С помощью линзы Френеля диаметром в 1 000 километров этот луч фокусируется на парусе диаметром в 100 километров и весом в 1 000 тонн, который закреплен на более легком космолете. (Необходимая точность направления луча — до миллионных долей секунды дуги.) Световое давление луча толкает парус и космолет, к половине 40-летнего путешествия до Проксимы Центавра разгоняя его примерно до одной четверти от скорости света. Затем, в течение второй половины пути, космолет использует модификацию того же механизма, чтобы замедлиться, и в итоге его скорость оказывается достаточно мала, чтобы совершить посадку на планету (можете придумать, как должно происходить торможение?). Форвард, как и Дайсон, считал, что реализовать предложенный им способ передвижения можно будет в XXII веке. Я, глядя на связанные с этим технические сложности, думаю, что времени понадобится больше.

Гравитационные пращи у двойной черной дыры

Третий способ — это моя собственная сумасбродная  — крайне сумасбродная! —вариация одной из идей Дайсона [Dyson 1963]. Представьте, что вы решили за несколько лет облететь изрядную часть Вселенной, совершив не просто межзвездное, а межгалактическое путешествие с околосветовой скоростью. Вы можете это сделать с помощью пары черных дыр, вращающихся одна вокруг другой (так называемая двойная черная дыра). У этих дыр должны быть сильно вытянутые эллиптические орбиты, причем достаточно большие, чтобы приливные силы не уничтожили ваш звездолет. Используя химическое или ядерное топливо, вы выводите корабль на орбиту вблизи одной из черных дыр — орбиту раскручивания. Корабль приближается к дыре, делает вокруг нее несколько оборотов, а затем в момент, когда дыра движется практически прямо в направлении дыры-спутника, корабль перелетает ко второй дыре и начинает кружиться вокруг нее. Если черные дыры все еще движутся навстречу друг другу (а это продолжается недолго), вы перелетаете обратно к первой дыре. Если же нет, кружение продолжается; нужно оставаться на орбите вокруг второй дыры до тех пор, пока дыры не начнут снова двигаться навстречу друг другу, и лишь тогда отправиться к первой дыре. Таким образом, перелетая от дыры к дыре только в моменты их встречного движения, корабль набирает все большую и большую скорость, которая приближается к скорости света настолько, насколько это вам угодно (при условии достаточно вытянутых орбит двойной дыры). Чтобы контролировать время кружения около каждой из дыр, вам, что примечательно, понадобится лишь небольшое количество ракетного топлива. Главное — выйти на критическую орбиту вокруг дыры и затем начать кружение. О критической орбите я расскажу в главе 27, а пока достаточно отметить, что эта орбита крайне нестабильна. Это напоминает кружение на мотоцикле по гладкой кромке вулканического кратера. Если вы чутко держите равновесие, на кромке можно оставаться сколь угодно долго, но если вы решите съехать с накатанной, достаточно малейшего отклонения руля, чтобы мотоцикл понесся прочь от кратера. Точно так же, если вы решите покинуть критическую орбиту, малейшее усиление ракетной тяги позволит центробежным силам взять верх и отбросить корабль прочь, к другой черной дыре. Когда скорость звездолета достаточно приблизится к световой, вы можете сойти с критической орбиты и устремиться к далекой галактике, которую выбрали пунктом назначения. Путешествие может быть далеким, до 10 миллиардов световых лет. Но когда вы движетесь с околосветовой скоростью, время для вас течет гораздо медленнее, чем на Земле. Если скорость достаточно близка к световой, вы сможете добраться до своей цели за несколько лет, а то и меньше (по вашему персональному времени), а приближаясь к цели, притормозить с помощью другой двойной черной дыры, если вы ее там найдете! Вернуться домой можно тем же способом, правда, возвращение может оказаться не слишком радостным: в вашей галактике пройдут миллиарды лет, хотя вы-то постареете лишь на несколько лет. Представляете, что вы там обнаружите?Использование подобных гравитационных пращей дает цивилизации возможность широко распространиться по межгалактическому пространству. Главная (и, возможно, непреодолимая) сложность при этом — поиск или создание подходящих двойных черных дыр. Найти двойную дыру для стартового разгона, быть может, получится без проблем (если цивилизация достаточно высокоразвитая), но двойная дыра для финишного торможения — совсем другое дело. Что с вами будет, если не найдется подходящей двойной черной дыры для торможения или если вы пролетите мимо нее из-за недостаточно точной наводки? Дополнительные сложности обусловлены здесь расширением Вселенной. (Если не вдаваться глубоко: из-за расширения Вселенной стартовая точка и финишная в течение полета будут постоянно отдаляться друг от друга, то есть кораблю потребуется на путь больше времени, чем если бы Вселенная не расширялась. — Прим. науч. ред.) Подумайте об этом. 

Какими бы привлекательными ни казались все эти технологии будущего, слово «будущее» здесь ключевое. С технологиями XXI века мы неспособны достичь других звездных систем быстрее, чем за тысячи лет пути. Наша единственная, призрачная надежда на межзвездный перелет — это червоточина, как в «Интерстелларе», или еще какая-нибудь предельная форма искривления пространства — времени.