Текст книги "Наука «Звёздных Войн»"

Каковы шансы уцелеть в астероидном поясе?

«Сэр, наши шансы уцелеть в астероидном поясе приблизительно 1 к 3720».

Это классическая фраза С-3РО. Но Хану Соло малоинтересны шансы – он пытается выжить и ради этого готов пойти на любой риск.

Но насколько верны подсчеты С-3РО? Особенно если учесть, что наши герои все-таки выжили. Как вообще можно делать подобные предсказания?

Хан Соло – человек азартный. Иначе у него и не было бы «Тысячелетнего сокола». Когда он решает провести корабль через пояс астероидов, С-3РО говорит ему о шансах, чтобы объяснить, насколько безумна эта идея. Но действительно ли шансы так малы?

В Великобритании 70 % взрослого населения участвуют в национальной лотерее, несмотря на то что шанс сорвать джекпот один к 45 миллионам. Значит, участники лотереи безумнее Хана Соло? Не совсем.

Хотя многие мечтают выиграть джекпот, это не единственный способ добиться успеха в лотерее, ведь в ней есть и другие призы. Шансы получить наименьший приз – достаточно реалистичные 1 к 96, а следующий по величине – 1 к 2179. Так что можно сказать, что люди, играющие в лотерею, менее иррациональны, чем Хан Соло, рискующий при вероятности 1 к 3720.

Но есть и другой фактор. Цена проигрыша. В лотерее вы рискуете парой долларов, в то время как Хан Соло ставит на кон свою жизнь, а также жизни Чуи и Леи. Если бы жители Великобритании, покупая лотерейный билет, каждый раз рисковали жизнью, то число участников было бы значительно меньше, чем 70 % населения. Ведь большинство отказывается играть в русскую рулетку, где шанс выжить 5 к 1 – 83 %! Для сравнения, озвученные С-3РО шансы 1 к 3720 – это 0,027 %. Или в 3 090 раз ниже, чем при игре в русскую рулетку. Так что Хан Соло – тот еще псих!

Когда мы выбираем тот или иной вариант, то обычно имеем дело с возможными, а не гарантированными результатами наших поступков. Вероятность – это мера того, насколько возможно, что какое-то событие произойдет. В данном случае мы говорим об успешном пролете через пояс астероидов.

Когда вы бросаете монетку, то возможных результатов всего два. Если проводить чистый эксперимент, без каких-либо уловок, то у каждого результата равный шанс реализоваться. Это называется пятьдесят на пятьдесят, поскольку каждый вариант выпадает в 50 % случаев.

Представьте, что в скачках участвуют две лошади. Если для обеих все условия и характеристики равны, то у каждой из них шанс выиграть 50 %. Но так не бывает. Огромное количество факторов влияет на результат. Лошади – разные, как и их жокеи. У них различный уровень опыта, тренированности и таланта; даже погода может предопределить победу одной из них.

Чтобы дать надежный прогноз какого-либо события, необходимо обладать знаниями о том, как различные факторы могут повлиять на результат. Это касается и скачек, и спортивных соревнований, и даже наличия снега на Рождество. В букмекерских конторах людей, составляющих прогнозы, называют компиляторами ставок. Используя свое знание определенного вида спорта, они могут установить, насколько удачным будет исход соревнования.

Лучший способ спрогнозировать результат – проанализировать, как подобные события развивались в прошлом. Для С-3РО это означает получить как можно больше данных о попытках пройти через пояс астероидов. Результаты анализа, возможно, покажут, что на каждый корабль, успешно прошедший через пояс астероидов, приходятся 3720, которым подобное не удалось.

Но такой расчет не учитывает таланта конкретного пилота, размеров и маневренности корабля, условий, при которых он вошел в астероидный пояс. Даже если все эти факторы известны, для каждого из них надо определить вероятность, высчитать которую без достаточных данных машине вроде С-3РО будет не под силу.

Вот почему важной чертой для компилятора ставок является способность предчувствовать результат, исходя из собственного опыта и интуиции, которой С-3РО, будучи роботом, не обладает. Ему не под силу понять человеческие амбиции и то влияние, которое они могут оказать на результат. Таким образом, любая оценка, приведенная С-3РО, будет далека от правды, ведь в ней не учитывается самый главный фактор – человеческий. Насколько же велика была опасность?

В Солнечной системе астероиды тоже встречаются. Самые известные их скопления – это околоземные астероиды, троянские астероиды Юпитера и главный пояс астероидов.

Когда дело доходит до полета через область астероидов, основными факторами являются их размеры, скорость и густота. Астероиды вокруг планеты Хот расположены очень близко друг к другу. Значит, это либо свежеобразовавшийся пояс астероидов, либо результат недавнего столкновения нескольких крупных астероидов.

В Солнечной системе бóльшая часть астероидов находится между орбитами Марса и Юпитера, в главном поясе. Их размеры варьируются от нескольких метров до 900 километров в поперечнике. Иногда они сталкиваются, распадаются на обломки и разлетаются друг от друга.

Из сотен миллионов астероидов главного пояса около 25 миллионов имеют размер больше 100 м в поперечнике, а размером больше 100 км могут похвастаться лишь две сотни астероидов. Несмотря на их огромное количество, подсчитано, что общая масса объектов в главном поясе составляет лишь 4 % массы Луны. Представьте теперь, что при такой общей массе объекты образуют кольцо вокруг Солнца, и вы поймете, что они расположены не очень плотно друг к другу.

Среднее расстояние между астероидами составляет 965 тысяч километров, то есть они отстоят друг от друга в два раза дальше, чем Луна от Земли. Так что шансы уцелеть в главном поясе весьма велики.

Первым космическим аппаратом, прошедшим через главный пояс астероидов, была межпланетная станция «Пионер-10»[19]19
  «Пионер-10» – автоматическая межпланетная станция НАСА, основной целью которой было изучение Юпитера. Запуск состоялся 3 марта 1972 года, а главный пояс астероидов она пересекла в феврале 1973 года.


[Закрыть]. Все последующие аппараты также без проблем пересекали его. Таким образом, на основании фактических данных, вероятность успеха при прохождении главного пояса астероидов составляет 100 %. Специалисты НАСА подсчитали, что шанс столкновения аппарата с астероидом составляет примерно один к миллиарду.

Главный пояс астероидов – не единственный во вселенной. Например, в системе Эпсилон Эридана – одной из ближайших звезд – астрономы обнаружили два астероидных пояса различной плотности.

После всего вышесказанного каковы же на самом деле шансы Хана пройти через поле астероидов?

Когда С-3РО говорил о шансах он, конечно же, не понимал, насколько талантливым и везучим пилотом был Хан Соло. Вдобавок психологические параметры, которые могли повлиять на способность Хана фокусироваться на задаче и преуспеть в ее решении, слишком непредсказуемы.

Роботу было бы проще предсказать траектории астероидов. Теоретически, будь у него хорошие сенсоры, он мог стать более подходящим пилотом для навигации между астероидами, чем Хан Соло. А еще более удачным решением было бы оборудовать корабль системой раннего оповещения, которая помогла бы вообще избежать вхождения в поле астероидов.

Подобная система была разработана на Земле против айсбергов. После гибели «Титаника» был организован Международный ледовый патруль, отслеживающий ситуацию с айсбергами в Северной Атлантике и передающий необходимые данные судам.

У нас есть и система слежения за астероидами. Координационный центр планетарной защиты, созданный под эгидой НАСА, отвечает за раннее обнаружение потенциально опасных объектов (PHOs) – астероидов или комет, орбита которых пролегает на близком расстоянии от Земли, и достаточно больших, чтобы достичь поверхности нашей планеты при попадании в атмосферу.

Но если С-3РО говорил о конкретной ситуации, то, вероятно, и шансы он определял касательно конкретного поля астероидов. Возможно, он просто повторял статистические сведения из банка данных. Хотя лучше воспользовался бы другой информацией.

Например, данными об укрепленном корпусе «Сокола» и его дефлекторных щитах, а также о высокой маневренности корабля – если бы он учел все это, то, несомненно, шансы выживания в его расчетах были бы выше. Также помогло бы знание о типе астероидов в данном регионе.

Современные ученые считают, что многие астероиды не являются одним цельным камнем, а состоят из нескольких камней, слабо скрепленных друг с другом, – иногда подобные конгломераты называют «грудой щебня». Столкновение с таким астероидом вряд ли нанесло бы значительный урон «Тысячелетнему соколу», защищенному щитами.

Подводя итог, можно сказать, что шансы уцелеть в случайно встреченном «астероидном поле» вряд ли можно рассчитать, не имея под рукой достаточно полной информации обо всех факторах, способных повлиять на развитие ситуации. Одно можно сказать наверняка – если пояс астероидов подобен главному поясу Солнечной системы, то шансы на успех весьма велики.

Насколько вероятны межзвездные перелеты как в «Звездных войнах»?

Люк Скайуокер находится в системе Дагоба у Йоды. Он узнаёт, что его друзья на планете Беспин попали в беду. Он прыгает в свой Х-крыл и отправляется к ним. Если взглянуть на карту вселенной «Звёздных войн», то можно увидеть, что от системы Дагоба до Беспина минимум 10 тысяч световых лет. Люка не пугает перспектива полета на такое расстояние в тесной кабине. На дорогу у него уходит от силы несколько часов.

Как мы помним, Эйнштейн утверждал, что невозможно передвигаться быстрее скорости света. Очевидно, жители вселенной «Звёздных войн» не задумываются об этой проблеме. Они не следуют законам физики, а срезают расстояние через гиперпространство.

Правда, подобной способностью обладают не все космические корабли – остальным приходится довольствоваться старой доброй досветовой скоростью. К сожалению, мы тоже попадаем в эту группу.

С точки зрения современной науки, насколько возможны межзвездные перелеты в духе «Звёздных войн»?

Путешествие на другие планеты может занять месяцы или годы, но полет до соседней звездной системы – даже ближайшей – может длиться десятилетия или даже века.

На сегодняшний день рекорд на самый дальний полет от Земли принадлежит экипажу корабля «Апполон-13», который в 1971 году обогнул Луну. Астронавты, находившиеся в лунном модуле, названном «Водолей», отлетели от Земли на 400 171 км. Их полет в обе стороны занял чуть меньше шести дней.

Нельзя сказать, что миссия прошла гладко. Во время полета возникло множество проблем, и то, что астронавты «Аполлона-13» вернулись домой, говорит о таланте и упорстве всех участников экспедиции, включая специалистов на Земле.

Удивительно, что по прошествии почти полувека со времен миссий «Апполонов» мы так и не приблизились к полету на другую планету, не говоря уже о другой звездной системе. Мы еще очень и очень далеки от межзвездных путешествий.

Важным вопросом остается поддержание жизни экипажа на протяжении долгого путешествия в столь враждебной среде. Проблемы вызывает даже шестимесячный полет на Марс – представьте, насколько сложнее будет с путешествием за пределы Солнечной системы.

Тем не менее кое-что мы смогли отправить туда. Зонд «Вояджер-1», запущенный в 1977 году, на сегодняшний день удалился от нас более, чем на 20 миллиардов километров (в 134 раза больше, чем расстояние от Земли до Солнца), летя сквозь межзвездное пространство.

В настоящий момент его скорость составляет 62 тысячи километров в час. Если бы «Вояджер» направлялся к ближайшей звезде – Проксиме Центавра, – то полет занял бы еще 73 700 лет.

Недавно была запущена инициатива Breakthrough Starshot, поддерживаемая Стивеном Хокингом. Участники проекта собираются с помощью наземного лазерного комлекса разогнать рой сверхлегких нанозондов с солнечными парусами. Теоретически зонды могут достичь скорости 200 миллионов км/ч. При такой скорости на полет к Альфе Центавра у них уйдет около 20 лет. Оттуда зонды смогут передавать изображения планет и другую информацию.

Очевидно, что для пилотируемых миссий такие варианты не подходят, но не стоит забывать, что мы в космосе еще немногим более полувека.

К тому же космические программы не дешевые. Они требуют больших вложений, солидной инфраструктуры и сотрудничества многих организаций. Приведем пример: чтобы послать человека на Луну в 1969 году, потребовалось 400 тысяч сотрудников, поддержка 20 тысяч организаций и университетов, а также 24 миллиарда долларов. А какова сегодня ситуация с космическими технологиями?

За последний век летательные аппараты, построенные человеком, проделали огромный путь к совершенству.

И кажется, самые заметные рывки в развитии этой технологии связаны с войной.

Появление самолетов изменило всю сферу транспорта, а катализатором стала Первая мировая война. Скачок в развитии ракетных технологий тоже произошел благодаря войне – на этот раз Второй мировой, которая породила ракету «Фау»-2. А последовавшая за ней холодная война привела к космической гонке, в результате которой появились первые межконтинентальные баллистические ракеты.

Именно баллистические ракеты позволили человечеству вступить в космическую эру, выведя на орбиту сначала первый искусственный спутник, а в 1961 году и первого человека – Юрия Гагарина. Очевидно, война является хорошим двигателем для развития новых технологий.

Меньше чем через десять лет после выхода в космос человек ступил на поверхность нового мира, достигнув его с помощью ракеты «Сатурн-5». Около полувека «Сатурн-5» был самой большой из когда-либо построенных ракет, но ракета SLS[20]20
  SLS – Space Launch System (Система космических запусков (англ.)) – сверхтяжелая ракета-носитель, первый старт которой запланирован на конец 2018 года.


[Закрыть], разрабатываемая НАСА, должна побить этот рекорд.

НАСА описывает ее как транспортное средство для новой эры исследования космоса за пределами земной орбиты. Впрочем, некоторые разрабатываемые космические аппараты доберутся до орбиты без помощи ракеты-носителя.

Крылатые космопланы будут стартовать за счет собственных двигателей. Кстати, именно так и поступают корабли во вселенной «Звёздных войн». Несколько подобных проектов сейчас находится на разных стадиях разработки. Среди них можно отметить космоплан Skylon, который планируется использовать на низкой околоземной орбите. Компания Virgin Galactic также собирается в ближайшее время запустить свой флот космических аппаратов.

Если говорить о межзвездных путешествиях, то две технологии, которые мы можем увидеть в «Звёздных войнах», действительно применяются при полетах в космосе.

Ионные двигатели, установленные на СИД-истребителях[21]21
  СИД-истребитель (в оригинале TIE f ghter) – истребитель Галактической Империи. Аббревиатура СИД означает «Сдвоенный ионный двигатель».


[Закрыть], используются в спутниках связи и космических зондах, таких как Dawn[22]22
  Dawn – космический зонд НАСА, запущенный в 2007 году для исследования главного пояса астероидов.


[Закрыть].

Правда, в отличие от СИД-истребителей, корабли с такими двигателями движутся медленно и плавно – во всяком случае поначалу. Ионные двигатели направляют разогнанные заряженные частицы в одну сторону, что позволяет толкнуть корабль в другую. Прелесть этих двигателей в том, что они весьма эффективно расходуют топливо и при постоянном ускорении могут развить весьма большую скорость.

Но, как и в случае с химическим ракетным двигателем, их скорость ограничена количеством имеющегося топлива. Когда оно заканчивается, двигатель не может больше ускоряться. К сожалению, ионный двигатель не подходит, если вы хотите в течение своей жизни добраться до другой звездной системы.

В «Атаке клонов» граф Дуку после битвы с Энакином, Оби-Ваном и Йодой отправляется с Джеонозиса на Корусант. Его корабль «Панворкка-116» оснащен солнечным парусом. Но, поскольку путь лежит практически на другой конец галактики, ему приходится воспользоваться гипердрайвом.

Так есть ли толк от солнечного паруса?

Если мы говорим о межзвездных путешествиях, то парус поможет покинуть звездную систему. Он способен еще увеличить скорость, используя эффект гравитационной пращи[23]23
  Гравитационная праща – маневр, при котором космический корабль облетает небесное тело, используя его гравитационное поле для увеличения скорости. Впервые осуществлен космическим аппаратом «Луна-3» при облете Луны в 1959 году.


[Закрыть] на пути из системы. Однако, поскольку излучение звезды с удалением от нее становится слабее, парус не даст вам набрать достаточную скорость для быстрого путешествия к соседней звезде.

Сегодня НАСА готовит солнечный парус для миссии по изучению околоземных астероидов, которая начнется в 2018 году. Согласно расчетам, после трех лет пути парус поможет зонду развить скорость 240 тысяч км/ч (0,022 % скорости света).

Пассажирам подобного судна придется долго ждать, прежде чем оно разгонится. А потом им потребуется еще достаточно много времени – и соотвествующего расстояния, – чтобы затормозить перед тем, как они достигнут пункта назначения. Такие технологии не прокатят у жителей вселенной «Звёздных войн».

К сожалению, земные технологии в части межзвездных путешествий не так развиты, как в «Звёздных войнах».

Там разумные расы используют двигатели гиперпространства – гипердрайвы. Мы же пока не знаем, сможем ли в будущем достичь – или превысить – скорости света. За исключением гипотетического существования червоточин, описанных теоретиками, известные законы физики на сегодня отрицают возможность столь быстрого перемещения.

Может быть, бóльшая часть космоса так и останется для нас недоступной, и судьбой нам предначертано обжить только близлежащие звезды. Однако исследователи из Института будущего человечества в Оксфорде придерживаются более амбициозных взглядов:

Путешествие между галактиками и, возможно, даже колонизация всей обозримой вселенной – достаточно простая задача для цивилизации, достигшей межзвездных путешествий, не требующая значительных затрат энергии и ресурсов… Если мы захотим, то человечество, вероятно, сможет достигнуть этого в обозримом будущем.

Почему корабли в «Звездных войнах» наклоняются, когда маневрируют в вакууме?

Конечно, мы все видели захватывающие космические сражения, гарантирующие «Звёздным войнам» место среди классики жанра космической оперы.

Вражеские СИД-истребители со свистом нагоняют Х-крылы Повстанцев, которые маневрируют, пытаясь уйти из-под огня лазеров противника.

В финале сражения Дарт Вейдер в сопровождении двух СИД-истребителей преследует Люка Скайуокера, но ему на помощь приходит Хан Соло на «Тысячелетнем соколе», сбив один истребитель. Затем он наклоняет корабль и уходит вправо, давая Люку возможность произвести выстрел, который разрушит Звезду Смерти.

Тот факт, что «Тысячелетний сокол» наклоняется, необычен, поскольку наклон необходим только при полете в атмосфере. Почему же в «Звёздных войнах» при повороте наклоняются корабли, летящие в вакууме?

Наклон летательных аппаратов связан с аэродинамикой. Проще говоря, аэродинамика – это то, как воздух движется вокруг вещей. На Земле воздуха предостаточно, в отличие от вакуума космического пространства. Поэтому при проектировании и постройке летательных аппаратов аэродинамические свойства рассматриваются лишь касательно тех, которые летают на планетах с атмосферой.

Крыло создает подъемную силу благодаря движению воздуха над ним, а точнее, благодаря движению крыла в воздухе. Двигаясь по воздуху, аппарат сталкивается с лобовым сопротивлением, которое можно было бы назвать врагом подъемной силы. Бороться с сопротивлением легче, если придать судну аэродинамическую форму.

Центром масс называют условную точку, относительно которой массы всех элементов системы находятся в равновесии. Если приложить к летательному аппарату силу в направлении, не проходящем через его центр масс, то он повернется, изменив свое положение в пространстве.

Для описания движения в пространстве используются три оси, связанные с самим аппаратом и образующие так называемую связанную систему координат.

Движения летательного аппарата относительно трех осей – это крен, рысканье и тангаж. Рассмотрим их на примере самолета. Тангажем называют движение относительно поперечной оси, когда опускается или поднимается нос самолета. Рысканьем называется движение вокруг вертикальной оси – оно схоже с тем, как мы поворачиваем голову вправо-влево. И, наконец, крен – это движение относительно продольной оси, когда самолет наклоняется, поднимая одно крыло и опуская другое. За контроль над этими движениями отвечают руль высоты, руль направления и элероны – так называемые рулевые, или контрольные, поверхности.

Когда самолет движется в каком-либо направлении, на поворот уходит время. Обычно протяженность поворота определяется по его радиусу. Чем быстрее движется предмет, тем больше места ему нужно для поворота, поэтому у сверхзвукового истребителя F-16 Fighting Falcon радиус поворота будет больше, чем у легкомоторной «Цессны».

Так при чем же тут повороты с наклоном?

Когда самолет поворачивает, он не просто рыскает, что привело бы к большому радиусу поворота. Вместо этого он использует подъемную силу.

При обычном горизонтальном полете подъемная сила направлена вертикально вверх, поддерживая самолет в равновесии с силой притяжения Земли. Но, если самолет накренится, часть подъемной силы будет направлена в ту сторону, куда самолет поворачивает. Именно она помогает самолету повернуть быстрее.

Если вы посмотрите на большинство космических кораблей в мире «Звёздных войн», то вы не увидите у них рулевых поверхностей, необходимых для смены ориентации в пространстве. Выглядит логичным, потому что корабли были построены для полетов в космосе, где законы аэродинамики не действуют.

Несмотря на это, при поворотах корабли наклоняются, как самолеты в земной атмосфере. Очевидно, в космосе корабли используют другой способ смены направления, не связанный с аэродинамическими свойствами.