Текст книги "Всё о космических путешествиях за 60 минут"

Колонизация других миров в целом и терраформирование в частности подняли также этические вопросы. Напрашиваются неизбежные параллели с первыми европейскими поселенцами, прибывшими в Австралию или Америку. Хочется надеяться, однако, что мы усвоили урок и, когда терраформирование станет технологически возможным, будем эксплуатировать, колонизировать или терраформировать миры и называть их своими лишь после того, как выясним, что они безжизненны и бесплодны и смогут стать подходящей средой обитания для человека.

Железный человек в космосе

Рекорд по самому длительному непрерывному пребыванию в космосе установлен российским космонавтом Валерием Поляковым, который с 8 января 1994 года по 22 марта 1995 года, то есть в общей сложности 437 дней, находился на орбите вокруг Земли на космической станции «Мир». Поляков – врач, специализирующийся на космической медицине. Его отобрали для полетов еще в 1972 году, но свое первое космическое путешествие он совершил лишь в 1988-м. Он вызвался добровольцем на марафонское пребывание на станции «Мир», чтобы оценить воздействие длительного космического полета на организм человека. В итоге выяснилось, что наибольшее влияние пребывание в космосе оказало на его психическое здоровье и настроение. Физическая же форма Полякова оставалась на удивление хорошей, без каких-либо продолжительных побочных эффектов. После приземления он даже сам вышел из капсулы (большинство возвращающихся космонавтов несут), что уже довольно неплохо после 15 месяцев в невесомости. Поляков также установил рекорд по суммарному времени нахождения в космосе. Однако теперь эта честь принадлежит его коллеге – космонавту Геннадию Падалке, который провел там 879 дней в ходе шести полетов.

10. Как добраться до звезд

В космическом море звезды – это другие солнца.

Карл Саган. Космос (1980)

В 2012 году «Вояджер-1» стал первым космическим аппаратом, запущенным с Земли, вышедшим в межзвездное пространство. Стартовавший в 1977 году, он пролетел мимо Юпитера и Сатурна, а затем с помощью гравитационного маневра был переведен на траекторию, которая вывела его из Солнечной системы. В августе 2012 года диспетчеры полета сообщили, что «Вояджер-1», будучи на расстоянии 18 миллиардов километров от Солнца, официально пересек гелиопаузу. Эта граница, где солнечный ветер сталкивается с туманным газом, составляющим межзвездную среду, представляет собой край Солнечной системы и начало межзвездного пространства.

В ноябре 2019 года его собрат, «Вояджер-2», тоже начал свое путешествие в межзвездном пространстве. «Вояджеры» входят в элитный клуб из пяти космических кораблей, которые достигли необходимой скорости, чтобы вырваться из гравитационного поля Солнца. Остальные три – «Пионер-10», «Пионер-11» и «Новые горизонты», пролетевший мимо Плутона в 2015 году.

Когда «Вояджер-1» покинул Солнечную систему, он был в 121 раз дальше от Солнца, чем Земля. Но это пустяк по сравнению с расстояниями до других звезд в нашей галактике Млечный Путь. Ближайшая к Солнцу звезда, Проксима Центавра в системе Альфа Центавра, удалена от нас на 4,3 световых года. Это примерно 4 триллиона километров, или более чем в 270 000 раз больше расстояния от Земли до Солнца. Поистине огромная дистанция, которую нужно преодолеть. При скорости 17 км/с, с которой двигается «Вояджер-1», и даже если бы он летел в правильном направлении (а это не так), у него ушло бы 70 000 лет, чтобы добраться до Проксимы Центавра.

Все это вызывает естественные сомнения относительно того, смогут ли роботизированные космические аппараты, не говоря уже о людях, когда-либо совершить путешествие к другим звездным системам и исследовать их. И все же есть несколько смелых – кто-то сказал бы фантастических – идей на бумаге, которые однажды могут сделать межзвездные космические путешествия реальностью.

Ad astra[15]15
  В переводе с латинского – «К звездам».


[Закрыть]

В 2016 году российский предприниматель Юрий Мильнер и знаменитый космолог и астрофизик Стивен Хокинг анонсировали Breakthrough Starshot – амбициозный проект по отправке флотилии миниатюрных роботизированных космических аппаратов к Проксиме Центавра. Согласно концепции проекта они должны посетить Проксиму Центавра b – планету, которая была открыта в 2016 году международной группой астрономов с помощью телескопов Европейской южной обсерватории в Чили. Проксима Центавра b интересна тем, что считается каменистой, похожей на Землю планетой, и расположена она в зоне обитаемости – области вокруг звезды, где условия являются подходящими для существования жизни.

Никто и ничто не способно перемещаться быстрее скорости света за возможным исключением дурных вестей – они, как известно, подчиняются собственным законам.

Дуглас Адамс. В основном безвредна (1992)

В движение космические аппараты приведут солнечные паруса (см. главу 8). Однако вместо солнечного света ускорение им обеспечит наземная лазерная установка. Эту идею, пытаясь придумать способ управления солнечными парусами во тьме межзвездного пространства, впервые выдвинул американский физик и писатель-фантаст Роберт Форвард в 1970-х годах. Для Breakthrough Starshot потребуется лазерная установка с общей выходной мощностью 100 ГВт. Это огромное число. Для сравнения: крупнейшая в мире атомная электростанция «Касивадзаки-Карива» в Японии вырабатывает примерно 8 ГВт энергии.

Сами космические аппараты будут размером всего в несколько сантиметров в поперечнике и весом около грамма или даже меньше. Но при этом на каждом из них планируется разместить четыре крошечные камеры, компьютер, двигатели, плутониевую батарею, радиопередатчик и светоотражающий парус, достигающий 16 м². Первые рабочие прототипы аппаратов были успешно запущены на низкую околоземную орбиту в 2017 году.

Текущий план предусматривает запуск корабля с аппаратами на высокую околоземную орбиту. И уже отсюда они будут стартовать. Лазеры сфокусируют на каждом из них лучи примерно на 10 минут. Полученная тяга окажется невелика – но ее будет достаточно, чтобы поднять несколько сотен граммов с поверхности Земли, – однако в космосе она сможет невероятно быстро разогнать столь легкий аппарат до 15–20 % от скорости света. На такой скорости путешествие до Проксимы Центавра b займет 20–30 лет, плюс понадобится еще 4,3 года, чтобы полученные данные – по радиоволнам, передающимся со скоростью света, – добрались до Земли.

На такой скорости столкновения с частицами пыли могут оказаться катастрофическими. Поэтому для обеспечения запаса прочности предусматривается запуск около 1000 аппаратов.

Критики высказали соображение, что многие технологии должны будут стать в десятки раз совершеннее, чтобы Breakthrough Starshot стал успешным. Тем не менее команда ученых – научных консультантов проекта, в их числе астрофизик Ави Леб, нобелевский лауреат Сол Перлмуттер и британский астроном Мартин Рис, – считает, что это возможно.

Самореплицирующиеся зонды

Breakthrough Starshot, пожалуй, самый многообещающий проект по отправке космического аппарата из наглей звездной системы в другую. Но что потом? Если для достижения ближайшей звезды требуется более 20 лет, то прохождение через 100 миллиардов звезд остальной части нашей галактики займет невероятное количество времени. Одним из предложенных решений является разработка роботизированного зонда, способного осуществить перелет к другим звездам и собирать данные о них и их планетах автономно, без прямого контроля с Земли.

Земля – это прекрасное место, но она не может существовать вечно. Рано или поздно нам придется обратиться к звездам. Breakthrough Starshot – захватывающий первый шаг в этом путешествии.

Стивен Хокинг (2016)

Как своего рода примитивная форма жизни зонды тоже могут быть способны к самовоспроизведению. За счет ресурсов, обнаруженных на астероидах и других планетах, используя их при помощи механики, электроники и даже наноинженерии – путем переупорядочения материалов на атомарном или молекулярном уровне, – космические аппараты и их потомки могли бы распространяться по всей Галактике, собирая данные и знания и создавая все больше собственных копий в ходе полетов.

Такие зонды, или, скорее, идея таких зондов – ни один подобный аппарат пока не был создан и запущен, – известны как зонды фон Неймана – в честь американского математика венгерского происхождения Джона фон Неймана. В 1940-х годах он математически доказал, что самовоспроизводящиеся машины являются наиболее эффективным способом исследования космоса. В 1980 году эту мысль развил американский нанотехнолог Роберт Фрайтас, который сделал подробные расчеты, продемонстрировавшие применимость зондов фон Неймана в качестве метода исследования Галактики.

Компьютерные эксперименты, проведенные в 2013 году, показали, что зонды могут использовать звездный аналог гравитационного маневра: пролетая вокруг быстро движущихся звезд, резко увеличить свою скорость, что позволит рою зондов исследовать всю галактику Млечный Путь примерно за 10 миллионов лет. Казалось бы, слишком большой промежуток времени, но в астрономических масштабах это одно мгновение.

Некоторые ученые ссылаются на очевидное отсутствие каких-либо инопланетных зондов фон Неймана, курсирующих по наглей Солнечной системе, в качестве доказательства того, что другой разумной жизни в Галактике нет. Однако даже наши технологии сегодня способны производить настолько миниатюрные роботизированные космические аппараты, что их весьма сложно обнаружить. Например, аппараты проекта Breakthrough Starshot крошечные – всего несколько сантиметров. Вполне возможно, что за нами уже наблюдают, но мы об этом не знаем.

Если мы планируем отправлять корабли к другим звездным системам, чтобы стать многопланетной цивилизацией, нам нужно сосредоточиться на лазерах. Это следующий шаг.

Илон Маск (2014)

Отправить роботов по всей Галактике – это одно, но как смогут путешествовать люди? Писатели-фантасты часто изображают космонавтов, находящихся в спячке во время дальних космических перелетов. В 2019 году ЕКА провела исследование по использованию химически вызванной спячки. Была доказана возможность замедления человеческого метаболизма на 75 %, что значительно снижает потребность в жизнеобеспечении. Это теоретическое исследование показало, что спящий экипаж рейса на Марс позволил бы уменьшить массу космического аппарата более чем на треть из-за уменьшенной потребности космонавтов в воде, еде и кислороде. И это, безусловно, существенно облегчило бы путешествие. В настоящее время подобная технология рассматривается только для межпланетных миссий. Однако, если она докажет свою эффективность, полеты за пределы Солнечной системы станут следующим шагом.

Нарушая закон

В научной фантастике люди часто превышают скорость света, путешествуя по галактикам. И хотя это кажется невероятным, подобное не выглядит таким уж невозможным, как пытался нас убедить Эйнштейн. Существует пара способов устроить это, и оба основаны на теориях того же Эйнштейна. Но все же восприятие любого из них как фактической реальности требует изрядной доли воображения.

Основным препятствием для движения быстрее света является специальная теория относительности Эйнштейна 1905 года. Она описывает движение тел и по большей части согласуется с законами Ньютона, но когда речь идет об очень высоких скоростях, теория и законы расходятся. И теория Эйнштейна подтверждается экспериментом.

Благодаря локальному расширению пространства-времени за космическим кораблем и аналогичному сжатию перед ним, движение быстрее скорости света… возможно.

Мигель Алькубьерре (1994)

Специальная теория относительности была вдохновлена теорией электромагнетизма Максвелла, одним из следствий которой является утверждение, что скорость света – фундаментальная константа природы, а значит, должна оставаться неизменной в любой системе отсчета. Представьте, что вы едете на машине, движущейся со скоростью 50 км/ч, позади машины, скорость которой 30 км/ч, то есть, по сути, вы приближаетесь к этой машине со скоростью 20 км/ч. Теория Максвелла предполагала, что подобное не относится к свету: как бы быстро вы ни передвигались, свет всегда будет двигаться с одинаковой скоростью.

Эта мысль стала одним из краеугольных камней специальной теории относительности. Из нее вытекают и некоторые важные следствия: например, идеи о том, что в движущейся системе отсчета длина тел сокращается, а время течет медленнее и что энергию и массу можно считать эквивалентными, связанными знаменитой формулой Е = тс². Все это позднее подтвердили эксперименты. Но было и другое предсказание: когда тело ускоряется, его масса увеличивается сначала медленно, а затем быстрее, пока, при достижении телом скорости света, не становится бесконечной. Чтобы заставить бесконечную массу двигаться быстрее, требуется бесконечное количество энергии, из чего Эйнштейн предположил, что ничто не может двигаться быстрее, чем свет. Специальная теория относительности устанавливает скорость света как предел максимальной скорости во Вселенной.

Но в 1915 году Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности, в рамках которой определил гравитацию как внешнее проявление искривления пространства-времени. И это открыло двери очень странным возможностям.

Гиперпространство

В 1916 году, через год после публикации общей теории относительности, австрийский ученый Людвиг Фламм использовал ее для построения первой математической модели того, что сегодня ученые называют червоточиной – туннелем во времени и пространстве. Фламм обнаружил, что если взять из общей теории относительности математическое уравнение, описывающее пространство вокруг центрального гравитирующего тела – например, звезды или черной дыры, – то пространство можно расширить внутрь тела и за его пределы вплоть до других областей космоса.

Термин «червоточина» для описания этих теоретических моделей придумал в 1950-х годах американский физик Джон Уилер, который сравнил их с туннелями, образованными червяком в яблоке, – прямой путь с одной стороны до другой всегда короче, чем по поверхности яблока. И именно поэтому червоточины могут быть полезны для космических путешествий. Поскольку, пусть им и не под силу физически ускорить космический аппарат до скоростей, превышающих скорость света, они помогают срезать космические углы, связывая удаленные точки сетью гиперпространственных переулков более высокого измерения, таким образом значительно сокращая время в пути между удаленными звездными системами.

Проблема состоит в том, чтобы удерживать червоточину открытой. Математика предсказывает, что воронка червоточины ведет себя как резиновая трубка, и под воздействием гравитации она сжимается. Общая теория относительности предлагает решение. Она определяет гравитационную силу – или, что то же самое, искривление пространства, – создаваемую любым веществом, которое можно вообразить.

Физики придумали теоретическое вещество, которое назвали «экзотической материей». Оно обладает отрицательным давлением: если вы накачаете им воздушный шар или шины вашего автомобиля, то они взлетят. Однако ключевая особенность экзотической материи состоит в том, что она генерирует «антигравитацию», так что, если в червоточину доставить достаточное количество такой материи, горловина червоточины будет оставаться открытой, пока космический аппарат проходит через нее.

К сожалению, экзотическую материю не так просто найти. Небольшое количество этого вещества удалось получить в лаборатории благодаря эффекту Казимира. Это явление было открыто в 1948 году голландским ученым Хендриком Казимиром. Он обнаружил, что две металлические пластины, разведенные друг от друга на несколько миллионных долей метра в вакууме, слегка притягиваются из-за отрицательного давления экзотической материи между ними.

Экзотическая материя же создается тем, что физики называют «вакуумными флуктуациями» – множеством крошечных субатомных частиц, которые появляются и исчезают в течение очень короткого времени. Квантовая теория говорит, что эти частицы могут рассматриваться и как волны. Так же, как тон частично определяется длиной гитарной струны, между пластинами могут проходить волны только определенной длины. С точки зрения частиц это означает, что между пластинами частицы соударяются реже, чем снаружи. И это делает давление между пластинами ниже – опять же, по сравнению с тем, что снаружи. Но если пространство вокруг пластин является вакуумом, где давление нулевое, то пространство внутри пластин должно иметь давление меньше нуля, то есть отрицательное.

Вперед!

Другая популярная составляющая космических путешествий в научной фантастике, которую можно рассмотреть с точки зрения науки, – это варп-двигатель и идея о том, что космический аппарат может двигаться быстрее света, деформируя пространство и время.

Если бы специальная теория относительности властвовала безраздельно, то космический аппарат был бы вынужден двигаться со скоростью меньше скорости света, 300 000 км/с. В 1994 году физик-теоретик Мигель Алькубьерре из Уэльского университета в Кардиффе вычислил, как на самом деле может происходить искривление в контексте общей теории относительности. Вместо того чтобы пытаться перемещать космический аппарат в космосе, его подход состоял в том, что можно согнуть и растянуть пространство вокруг аппарата и сформировать волну, которая понесет его к месту назначения.

Подобно случаю с червоточиной, такой двигатель тоже требует антигравитирующей экзотической материи. Алькубьерре обнаружил, что если бы она была расположена вокруг аппарата правильным образом, то заставила бы пространство перед ним быстро сворачиваться, тогда как пространство позади него расширялось бы с той же скоростью, перенося кусок пространства, содержащий аппарат, к месту назначения со скоростью, превышающей скорость света.

Вы не можете двигаться быстрее скорости света, но можете представить, как эффективно изогнуть пространство-время таким образом, чтобы создалось впечатление, что вы движетесь быстрее.

Шон Кэрролл (2018)

Однако камнем преткновения всегда является воплощение научных идей – которые в целом понятны – в жизнь. Как червоточины, так и варп-двигатели Алькубьерре требуют значительного количества экзотической материи – обычно порядка массы планеты, что существенно больше, чем мы способны создать.

Эксперимент Казимира показывает, что экзотическая материя может быть искусственно создана в рамках законов физики. Не хватает только технологии для ее массового производства. Однако она пока оказывается далеко за пределами нашего понимания.

В 2008 году Министерство обороны США изучило варп-двигатели, червоточины и другие научные идеи. После публикации отчета по результатам этого изучения в 2018 году космолог из Калифорнийского технологического института, Шон Кэрролл, прокомментировал его так: «Есть то, что называется варп-двигателем, есть дополнительные измерения, есть эффект Казимира и темная энергия – все это правда. Но нет никаких шансов, что кто-либо в течение нашей жизни или в течение следующей тысячи лет сумеет построить нечто, позволяющее использовать любую из этих идей».

Курс на антиматерию!

Будучи одним из основных элементов «Звездного пути» и других научно-фантастических сюжетов, в сфере космических путешествий антиматерия привлекательна из-за большого количества энергии, упакованного в небольшую массу вещества. Частица антивещества похожа на частицу обычной материи, но ее электрический заряд, а также другие ключевые свойства противоположны. Когда материя и антиматерия встречаются, они взаимно уничтожают друг друга, причем масса обеих частиц полностью превращается в энергию – и ее в тысячу раз больше, чем выделяется той же самой массой ядерного топлива. Космический аппарат, работающий на антиматерии, будет напоминать по конструкции ядерные ракеты, описанные в восьмой главе, в которых энергия аннигиляции либо нагревает ракетное топливо, либо использует его для генерирования тока, приводящего в действие ионный двигатель или двигатель VASIMR. Антивещество будет удерживаться внутри космического аппарата за счет электрического и магнитного полей. Основным недостатком этой идеи является то, что, если ядерное топливо встречается в природе на Земле, антиматерия должна быть изготовлена. Причем процесс этот дорогостоящий и неэффективный, и, по крайней мере пока, нам удается получать лишь по несколько атомов антиматерии за раз.

Я думаю, что будущее человеческой расы в распространении по Вселенной, и сейчас то самое время, когда мы должны заложить основы для этого.

Кип Торн, физик, нобелевский лауреат (2015)

Возможно, нам следует взглянуть на все с философской точки зрения. Идеи вроде полета аппарата тяжелее воздуха, да и сама мысль о космическом полете, были отвергнуты как нелепые великими учеными своего времени – причем в некоторых случаях всего за несколько лет до того, как их успешно воплотили в жизнь. Так что как мудро советовал великий ученый, писатель-фантаст и мыслитель Айзек Азимов: «Ваши предположения – это ваши окна в мир. Время от времени протирайте их, иначе свет перестанет проникать внутрь».