Межзвездные перелеты. Космическое путешествие: Межзвёздный перелет
Могут ли межзвездные перелеты превратиться из несбыточной мечты в реальную перспективу?
Ученые всего мира говорят, что человечество все дальше продвигается в освоении космоса, появляются все новые открытия и технологии. Однако о межзвездных перелетах людям приходится пока еще только мечтать. Но так ли недостижима и нереальна эта мечта? Чем располагает человечество сегодня и каковы перспективы на будущее?
По оценкам специалистов, если прогресс не застопорится на месте, то на протяжении одного или двух веков, человечество сможет исполнить свою мечту. Сверхмощный телескоп «Кеплер» в свое время позволил астрономам обнаружить 54 экзопланеты, где не исключено развитие жизни, а сегодня уже подтверждено существование 1028 таких планет. Эти планеты, обращающиеся вокруг звезды за пределами Солнечной системы, находятся на таком отдалении от центральной звезды, что на их поверхности возможно поддержание воды в жидком состоянии.
Однако получить ответ на главный вопрос — одиноко ли человечество во Вселенной — пока невозможно из-за гигантских расстояний до ближайших планетных систем. Множество экзопланет, на расстояние ста и менее световых лет от Земли, а также громадный научный интерес, который они вызывают, заставляют взглянуть на идею межзвездных перелетов совершенно по-иному.
Полет к другим планетам будет зависеть от разработки новых технологий и выбора способа, который необходим для достижения такой далекой цели. А пока выбор еще не сделан.
Для того чтобы земляне смогли преодолевать невероятно огромные космические расстояния, причем за сравнительно короткий срок, инженерам и космологам придется создать принципиально новый двигатель. Говорить о межгалактических перелетах пока рано, но человечество могло бы исследовать – Млечный путь, галактику, в которой находится Земля и Солнечная система.
Галактика Млечный путь насчитывает около 200 – 400 миллиардов звезд, вокруг которых по своим орбитам движутся планеты. Ближе всех к Солнцу находится звезда под названием Альфа Центавра. Расстояние до нее примерно сорок триллионов километров или 4,3 световых года.
Ракете с обычным двигателем придется лететь до нее примерно 40 тысяч лет! Пользуясь формулой Циолковского легко подсчитать, что для того, чтобы разогнать космический аппарат с реактивным двигателем на ракетном топливе до скорости в 10% от скорости света, нужно больше горючего, чем его имеется на всей Земле. Поэтому говорить о космической миссии при современных технологиях, это полный абсурд.
Как считают ученые, будущие космические звездолеты смогут летать с использованием термоядерного ракетного двигателя. Реакция термоядерного синтеза позволяет производить энергию на единицу массы в среднем почти в миллион раз больше, чем при химическом процессе сгорания.
Как раз поэтому в 1970 годах группа инженеров совместно с учеными разработали проект гигантского межзвездного корабля с термоядерной двигательной установкой. Беспилотный космический корабль Дедал предполагалось оборудовать импульсным термоядерным двигателем. Небольшие гранулы должны были вбрасываться в камеру сгорания и воспламеняться пучками мощных электронных лучей. Плазма, как продукт термоядерной реакции, вылетающая из сопла двигателя, придает тяговое усилие кораблю.
Предполагалось, что Дедал должен был лететь к звезде Барнарда, путь до которой составляет шесть световых лет. Громаднейший космический корабль добрался бы до нее за 50 лет. И хотя проект не был осуществлен, до сегодняшнего дня нет более реального технического проекта.
Другим направлением в технологии создания межзвездных кораблей является солнечный парус. Использование солнечного паруса рассматривается сегодня как самый перспективный и реалистичный вариант звездолёта. Превосходство солнечного парусника в том, что на борту не нужно топливо, а это значит, что намного возрастет полезная нагрузка по сравнению с другими космическими кораблями. Уже сегодня существует возможность постройки межзвездного зонда, где давление солнечного ветра будет основным источником энергии корабля.
О серьезности намерений освоения межпланетных полетов говорит проект, который разрабатывается с 2010 года в одной из основных научных лабораторий НАСА. Ученые работают над проектом по подготовке в течение ближайших ста лет пилотируемого полета к другим звездным системам.
Ученые говорят о том, что человечество маленькими шажками продвигается к будущему, в котором полеты из одной планетной системы в другую наконец-то станут реальностью. По последним оценкам специалистов такое будущее может наступить в течение одного или двух веков, если научный прогресс не будет топтаться на месте. В свое время только при помощи сверхмощного телескопа «Кеплер» астрономы смогли обнаружить 54 потенциально обитаемых экзопланеты. Все эти далекие от нас миры располагаются в так называемой обитаемой зоне, на определенном удалении от центральной звезды, что позволяет поддерживать на планете воду в жидком состоянии.
При этом получить ответ на самый главный вопрос – одиноки ли мы во Вселенной –достаточно трудно. Из-за очень больших расстояний, которые разделяют Солнечную систему и наших ближайших соседей. К примеру, одна из «перспективных» планет Gliese 581g располагается на удалении в 20 световых лет, что довольно близко по меркам космоса, но пока что очень далеко для обычных земных технологий. Обилие экзопланет в радиусе 100 и менее световых лет от нашей родной планеты и очень большой научный и даже цивилизационный интерес, которые они представляют для всего человечества, заставляют совершенно по-новому смотреть на доселе фантастическую идею совершения межзвездных перелетов.
Главной задачей, которая сегодня стоит перед космологами и инженерами является создание принципиально нового двигателя, который позволил бы землянам преодолевать огромные космические расстояния за сравнительно небольшое время. При этом о совершении межгалактических перелетов речь пока, безусловно, не ведется. Для начала человечество могло бы исследовать нашу родную галактику – Млечный путь.
Млечный путь состоит из большого количества звезд, вокруг которых вращаются планеты. Ближайшая к Солнцу звезда носит название Альфа Центавра. Эта звезда удалена от Земли на 4,3 световых года или 40 триллионов километров. Если предположить, что ракета с обыкновенным двигателем вылетит с нашей планеты сегодня, то она сможет преодолеть это расстояние только через 40 тысяч лет! Конечно же, такая космическая миссия выглядит полным абсурдом. Марк Миллис, бывший глава проекта NASA по созданию новейших технологий в области создания двигателей и основатель фонда Tau Zero, считает, что человечеству необходимо долго и методично идти к созданию нового типа двигателя. В наши дни существует уже огромное количество теорий насчет того, каким будет этот двигатель, но какая из теорий сработает, мы не знаем. Потому Миллис считает бессмысленным делать акцент только на одной какой-то технологии.
Сегодня ученые пришли к заключению, что космические корабли будущего смогут летать при помощи использования термоядерного двигателя, солнечного паруса, двигателя на антиматерии или двигателя искривления пространства-времени (или варп-двигателя, который хорошо известен поклонникам сериала Star Trek). Последний двигатель в теории должен сделать возможными полеты быстрее скорости света, а значит, и небольшие путешествия во времени.
При этом все перечисленные технологии только лишь описаны, как их реализовать на практике пока что не знает никто. По этой же причине нет ясности, какая же именно технология подает больше всего надежд на реализацию. Правда некоторое количество солнечных парусов уже успело слетать в космос, но для осуществления пилотируемой миссии межзвездных перелетов потребуется огромный парус размерами с Архангельскую область. Принцип работы солнечного паруса практически не отличается от ветряного, только вместо потоков воздуха он ловит сверхсфокусированные лучи света, испускаемые мощной лазерной установкой, вращающейся вокруг Земли.
Марк Миллис в пресс-релизе своего фонда Tau Zero говорит о том, что правда находится где-то посередине между уже почти привычными нам солнечными парусами и совсем фантастическими разработками, вроде варп-двигателя. «Необходимо проводить научные открытия и медленно, но верно двигаться к намеченной цели. Чем больше людей мы сможем заинтересовать, тем большие объемы финансирования привлечем, именно финансирования в настоящее время катастрофически не хватает», – говорит Миллис. Марк Миллис полагает, что финансирование для больших проектов нужно собирать по крупицам, не рассчитывая, что кто-то неожиданно вложит целое состояние в реализацию амбициозных планов ученых.
Сегодня по всему миру найдется масса энтузиастов, которые верят и уверены в том, что будущее нужно строить уже сейчас. Ричард Обузи, являющийся президентом и сооснователем компании Icarus Interstellar, отмечает: «Межзвёздные перелеты – это международная инициатива многих поколений людей, которая требует огромных интеллектуальных и финансовых затрат. Уже в наши дни мы должны инициировать необходимые программы, для того чтобы через сотню лет человечество смогло вырваться за пределы нашей Солнечной системы».
В августе текущего года компания Icarus Interstellar собирается провести научную конференцию Starship Congress, на которой ведущие мировые эксперты в данной области обсудят не только возможности, но и последствия межзвездных полетов. Организаторы отмечают, что на конференции будет организована и практическая часть, на которой будут рассмотрены как краткосрочные, так и долгосрочные перспективы освоения человеком дальнего космоса.
Стоит отметить, что подобные космические путешествия требуют затрат колоссального количества энергии, о которых человечество в наши дни даже не мыслит. В то же время неправильное использование энергии может нанести невосполнимый вред как Земле, так и тем планетам, на поверхность которых человек захочет высадиться. Несмотря на все нерешенные проблемы и препятствия и Обузи, и Миллис полагают, что у человеческой цивилизации есть все шансы для того, чтобы покинуть пределы своей «колыбели». Бесценные данные о экзопланетах, звездных системах и инопланетных мирах, которые были собраны космическими обсерваториями «Гершель» и «Кеплер», помогут учеными в тщательном составлении планов полетов.
На сегодняшний день открыто и подтверждено существование около 850 экзопланет, многие из которых – это суперземли, то есть планеты, обладающие массой, которая сравнима с земной. Специалисты считают, что недалек тот день, когда астрономы смогут подтвердить наличие экзопланеты, которая бы как две капли воды походила на нашу собственную. В этом случае финансирование проектов по созданию новых ракетных двигателей возросло бы в разы. Свою роль в освоении космоса должна сыграть и добыча полезных ископаемых с астероидов, что сейчас звучит уже не так необычно, как те же межзвездные полеты. Человечество должно научиться использовать ресурсы не только Земли, но и всей Солнечной системы, полагают эксперты.
К проблеме межзвездных перелетов подключились ученые и инженеры из американского космического агентства NASA, а также агентства по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США – DARPA. Они готовы объединить свои усилия в рамках реализации проекта «100-year Starship», при этом это даже не проект, а проект проекта. «100-year Starship» – это космический корабль, который смог бы выполнять межзвездные перелеты. Задача сегодняшнего этапа исследований – это создание «суммы технологий», которые необходимы для того, чтобы межзвездные перелеты превратились в реальность. Помимо этого, создается бизнес-модель, которая позволила бы привлечь в проект инвестиции.
По словам Павла Еременко, являющегося пресс-секретарем DARPA, данному проекту будут необходимы «стабильные инвестиции в финансовый и интеллектуальный капитал» из разных источников. Также Еременко подчеркнул, что цель проекта «100-year Starship» – не только разработка и последующее строительство звездолета. «Мы прилагаем все возможные усилия, для того чтобы побудить интерес нескольких поколений к инновациям и открытиям прорывных технологий во множестве дисциплин».
Специалисты агентства DARPA надеются на то, что результаты, которые будут получены при работе над этим проектом, смогут быть использованы министерством обороны США в различных областях, таких как системы жизнеобеспечения, энергетика, вычислительная техника.
Источники информации:
-http://www.vesti.ru/doc.html?id=1100469
-http://rnd.cnews.ru/reviews/index_science.shtml?2011/10/11/459501
-http://www.nkj.ru/news/18905
В наше время космическими полетами уже никого не удивишь. В СМИ регулярно сообщают о новых запусках, а услуги, предоставляемые космическими аппаратами – например, спутниковое телевидение или GPS-навигация – широко используются «в быту». Но, пожалуй, назвать все эти успехи человечества «освоением космоса» было бы чересчур громко. Пока что мы осваиваем главным образом околоземное пространство. Так, большая часть спутников находятся на геостационарной орбите – ее высота (35 786 км) превосходит диаметр Земли менее чем втрое. А «ближний космос» находится всего в нескольких сотнях километров от планеты: например, высота полета Международной космической станции – менее 400 км. Не слишком-то много в масштабах Вселенной…
Конечно, созданные человеком аппараты уже побывали и на Луне, и на других планетах Солнечной системы, а станции «Пионер» и «Вояджер» даже вышли за ее пределы. Но если они и сумеют достичь ближайших звезд, мы об этом вряд ли узнаем. Ведь такой полет займет приблизительно 2 миллиона лет, а связь с аппаратами прервется куда раньше. Очевидно, что межзвездные перелеты требуют новых принципов движения в космосе – традиционные ракетные двигатели для этой цели не очень-то годятся. Между тем, в соседних звездных системах человек мог бы найти немало интересного для себя. Сейчас открыто уже более 1000 экзопланет, и не исключено, что некоторые из них пригодны для жизни. Всё чаще в рядах ученых слышатся призывы обезопасить человечество от космических катастроф. По их словам, рано или поздно условия жизни на Земле могут стать непригодными для жизни, и только экспансия в космос поможет спасти наш вид. Весь вопрос в том, как ее осуществить.
По оценкам космологов, размер видимой Вселенной составляет примерно 93 млрд. световых лет, и она, как известно, продолжает расширяться. На этом фоне не только Солнечная Система, но и весь Млечный Путь (около 100 тысяч световых лет в поперечнике) выглядит крошечной песчинкой. Ситуация осложняется тем, что скорость перемещения материальных объектов, согласно специальной теории относительности (СТО), не может превышать скорость света (около 300 тысяч км/c). А ведь даже у него уходят многие тысячелетия на то, чтобы пересечь одну-единственную галактику.
В принципе, создать реактивный двигатель, способный придать аппарату околосветовую скорость, возможно даже при современном уровне технологий. Именно такой двигатель предлагают авторы проектов «Daedalus» и «Ikarus» – пожалуй, самых проработанных на сегодня планов межзвездного перелета. Но использовать их для колонизации иных миров вряд ли удастся: запасов топлива не хватит даже на торможение в конечной точке, так что полет будет, что называется, «в один конец».
Пока что путешествовать по Вселенной удается только персонажам научно-фантастических романов, в распоряжении которых есть сверхсветовые космические корабли, телепорты и прочие достижения физики будущего. Так не пора ли и нам заняться их разработкой? В далеком уже 2006 году в НАСА стартовала программа Breakthrough Propulsion Physics (BPP), призванная разработать принципиально новые двигатели для межзвездных путешествий. Несмотря на то, что один из двигателей носит имя известного ученого и популяризатора науки Стивена Хокинга, всемирно известный физик в ней не участвовал: он делает ставку на более простые аннигиляционные двигатели.
Идеи же участников BPP были куда более дерзкими. Настолько дерзкими, что многие из них возможны разве что математически: задействованные в них физические принципы, науке пока не известны. Другие, хотя и не нарушают известных законов природы, потребовали бы колоссальных затрат энергии или разработки материалов с необычными свойствами. Большая часть предложенных двигателей основано на «играх» с гравитацией. Согласно современным представлениям, гравитация есть не что иное, как кривизна пространства-времени. Нетрудно догадаться, что антигравитация должна искривлять пространство в противоположную сторону. Разместив антигравитационное вещество в корме корабля, можно было бы придать ему постоянное ускорение без всяких затрат энергии. Единственная трудность связана с тем, что частиц с отрицательной массой пока не обнаружено, и неизвестно, существуют ли они вообще.
Впрочем, вечное движение можно получить и с помощью обычной гравитации. Для этого нужно каким-то образом разделить массу на источник гравитационного поля и взаимодействующую с ним часть, а затем закрепить их неподвижно друг относительно друга. Осталось придумать, как это сделать: с тем же успехом можно было бы, например, предложить отделить электрическое поле от заряда, который его создает. Еще один способ передвижения в космосе основан на локальном изменении законов природы. Исаак Ньютон – автор первой математической теории гравитации – установил, что сила притяжения зависит от массы взаимодействующих тел и расстояния между ними. В уравнении также присутствует константа – гравитационная постоянная (G). Если каким-то образом увеличить эту постоянную в передней части космического корабля и уменьшить на его корме, возникнет эффект, по сути аналогичный антигравитации. Но величина G не зря называется постоянной: считается, что ее значение одинаково во всей Вселенной.
Впрочем, существуют и альтернативные космологические концепции, в которых гравитационная постоянная – переменная величина. Так или иначе, пока непонятно, как изменить ее искусственным путем. Двигатель Алкуберрье – пожалуй, наиболее привлекательный из предложенных проектов. В нем предлагается создать нечтовроде пространственного пузыря, который окружил бы корабль за счет сжатия пространства-времени перед его носом и расширения за кормой. Такой «пузырь» мог бы даже превысить скорость света, не нарушая СТО – ведь ограничения в скорости касаются только частиц материи, а не самого пространства. Но, к сожалению, для этого опять-таки потребуется отрицательная масса, которая пока что существует только в теории. В других проектах предлагается осваивать звездные просторы при помощи парусного флота. Когда-то морские корабли отказались от парусов в пользу двигателей: не исключено, что их космические «собратья» когда-нибудь проделают обратный путь. И это не фантастика. Солнечные паруса разгоняют аппараты за счет давления, создаваемого потоком ионизированных частиц или фотонов. Величина этого давления очень мала, поэтому паруса должны иметь весьма внушительную площадь. Сейчас они активно разрабатываются в разных странах, в том числе в России. Исследователи, работавшие в рамках BPP, имеют в своем запасе куда более оригинальные и эффективные решения. Так, они предложили создать что-то вроде солнечного диода. Такой парус должен пропускать свет только в одном направлении и отражать его в другом. Как вариант, одна сторона паруса могла бы отражать фотоны, а другая – поглощать их. Разница в давлении света создавала бы тягу даже при отсутствии в условиях «космического штиля» – при отсутствии попутного потока фотонов. «Парус Казимира» позволяет и вовсе не зависеть от излучения звезд. Эффект, предсказанный Хендриком Казимиром в 1948г., связан с флуктуациями вакуума, в ходе которых образуются короткоживущие частицы. Эти частицы носят название «виртуальных», но при этом они оказывают вполне реальное, хотя и очень слабое давление. Если каким-то образом усилить его на одной стороне паруса, корабль приобрел бы постоянное ускорение без всяких затрат топлива. О том, как именно это сделать, изобретатели умалчивают.
Программа BPP проработала 6 лет, после чего была прекращена. Спору нет: предложенные идеи весьма занимательны, но оправдывают ли они те 1,2 миллиона долларов, вложенные в разработку? Из-за значительных затрат при полном отсутствии практических результатов некоторые СМИ даже назвали программу «крупнейшей научной аферой века». Впрочем, едва ли это справедливо: ведь прорывные результаты невозможны без долгой теоретической подготовки. В конце концов, первые планы полета на Луну тоже имели мало общего с реальностью… Останутся ли разработки специалистов НАСА курьезом науки или же станут первым шагом к межзвездным путешествиям – покажет время.
Иллюстрация: depositphotos.com
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .
Если астронавт будет изучать события, происходящие на покинутой им Земле, то он убедится, что и там все процессы, в том числе и жизнь людей, текут в 1,8 раза медленнее. Как же так? Казалось бы, что для наблюдателя на ракете процессы на Земле должны течь быстрее по отношению к процессам, текущим на ракете. Но этого не происходит. Если ракета летит равномерно и прямолинейно относительно Земли, тогда относительно ракеты Земля будет двигаться с той же скоростью в противоположную сторону. Следовательно, наблюдатели на Земле и на ракете полностью равноправны, И хотя для земного наблюдателя время на ракете течет медленнее, для астронавта медленнее будет течь земное время.
Может показаться, что тогда нельзя избежать противоречия. Когда ракета вернется на Землю, кто окажется прожившим меньше времени: космический путешественник или житель Земли?
На самом деле никакого противоречия нет. Просто в наших рассуждениях упущено одно важное обстоятельство. Чтобы вернуться на Землю, астронавты непременно должны включить двигатели ракеты, развернуть ее и направить к Земле. Во время действия двигателей ракета движется ускоренно и не является инерциальной системой. Законы специальной теории относительности в это время для нее неприменимы. Земной наблюдатель не испытывал никаких ускорений, его система инерциальна все время, и законы специальной теории относительности в ней справедливы, поэтому его вывод о том, что по возвращении межзвездные путешественники окажутся моложе своих сверстников на Земле, правилен.
На ракете же, когда она движется ускоренно, будут действовать законы общей теории относительности, которая позволяет рассматривать не только прямолинейное и равномерное движение, но и ускоренное.
Оказывается, на течение времени влияет не только движение тел, но и близость тяготеющих масс. В сильном поле , то есть там, где потенциал тяготения велик (например на ), время течет медленнее, чем на Земле.
ЛЕТИМ К ПРОКСИМЕ ЦЕНТАВРА
Рассмотрим конкретный пример полета фотонной ракеты к Проксимё Центавра, с которого мы начали наш рассказ. Предположим, что на ракете есть точные часы и мощный передатчик, посылающий сигналы времени на Землю. Наблюдатели на Земле, учтя время распространения радиосигналов от ракеты до Земли, могут следить за течением времени на ракете.
Пусть ракета набирает скорость и тормозится так, что ускорение, которое будет действовать на все предметы внутри ракеты, будет равно ускорению силы тяжести на поверхности Земли. Это наиболее целесообразно с точки зрения удобства экипажа. Попробуем проследить вместе с наблюдателями на Земле за ходом часов на ракете. Пока ракета наберет скорость, часы на ней будут идти все медленнее и к моменту выключения двигателей на ракете отсчитают на 0,3 года меньше, чем земные часы. Дальше ракета летит по инерции; часы на ней идут для земного наблюдателя в 1,8 раза медленнее, чем его собственные. На участке торможения ракеты ход ее часов для земного наблюдателя будет постепенно ускоряться. Астронавты высаживаются на планете системы Проксимы
Центавра. Пока они исследуют эту систему, их часы идут синхронно с земными часами. Затем астронавты отправляются в обратный путь, и картина изменения хода часов на ракете повторяется в обратном порядке. После возвращения космических путешественников по часам на Земле пройдет 13,5 года, а по часам ракеты - 9,3 года, то есть астронавты отсчитают на 4 с лишним года меньше.
Отправимся теперь вместе с астронавтами в космическое путешествие, и радиосигналами с Земли будем следить из ракеты за ходом земных часов. Когда ракета движется ускоренно, в ее системе будет действовать сила, вызванная ускорением и эквивалентная силе тяготения. Но там, где потенциал тяготения больше, часы идут медленнее. Разность потенциалов зависит от величины силы и расстояния между точками, причем потенциал увеличивается в ту сторону, куда направлена сила. Сила, действующая на предметы в ракете, противоположна направлению ее ускорения (вспомните, что при отправлении поезда эта сила толкает нас назад). При разгоне ракеты во время вылета эта сила направлена от ракеты к Земле. Следовательно, потенциал этой силы больше в точке расположения земных часов, и часы замедляют свой ход по сравнению с часами на ракете.
Но этот эффект незначителен, так как расстояние между отлетающей ракетой и Землей еще невелико. Незначительны поэтому и разность потенциалов и замедление хода часов. При полете с выключенными двигателями часы на Земле для астронавтов идут медленнее ракетных и к концу этого участка отстанут от них на 1,25 года. Наконец, при торможении у Проксимы Центавра сила, вызванная ускорением, имеет направление от Земли к ракете. Потенциал теперь больше в точке, занимаемой ракетными часами, и земные часы идут быстрее ракетных. При этом, хотя сила, вызванная ускорением, осталась прежней, но расстояние между часами огромно, а значит, огромна и разность потенциалов и, следовательно, разность хода часов. Для астронавтов часы на Земле начинают так спешить, что очень быстро ликвидируют свое отставание за время предыдущих этапов полета и уходят вперед. Для астронавтов земные часы в это время идут почти в 4 раза быстрее ракетных.
На обратном пути картина хода часов повторяется в обратном порядке.
Итог получается тот же. Когда ракета вернется на Землю, по земным часам пройдет 13,5 года, по ракетным - 9,3 года. Как видим, картина течения времени для астронавтов была совсем иной, чем для жителей Земли, но, тем не менее, никаких противоречий не получается.
К ТУМАННОСТИ АНДРОМЕДЫ
И все-таки, несмотря на всю увлекательность такого путешествия, может показаться, что дальше ближайших соседей Солнца человек все равно полететь не может: на полет, например, к звезде Бетельгейзе и обратно, даже со скоростью 250 000 км/сек., не хватит, человеческой жизни.
Значит ли отсюда, что наши потомки не смогут осуществить мечту героев романа И. Ефремова «Туманность » и добраться до других галактик? Немецкий физик Э. Зенгер дает на этот вопрос положительный ответ. До туманности Андромеды, находящейся в 1,5 миллиона световых лет от нас, можно, оказывается, долететь за 27 собственных лет.
Для этого нужно, чтобы ракета полпути летела с ускорением, а полпути - с торможением. Наибольшая скорость будет тогда достигнута, конечно, на середине пути. И чем больше расстояние до цели путешествия, тем ближе будет скорость ракеты к скорости света, а значит, тем больше будет замедление времени на ракете. Собственное время полета будет зависеть в этом случае только от расстояния. И вот оказывается, что полет до центра нашей Галактики займет при таком режиме 19,8 собственных года, что соответствует 30 000 земных лет, а полет до туманности Андромеды - 27,2 собственных года, или 1,5 миллиона земных лет. Столько же потребуется и на обратный путь.
Конечно, герои Ефремова не отказались бы за 27 собственных или «зависимых» лет добраться до туманности Андромеды. Но мы не учли расхода «горючего» - запасов элементарных частиц. Отношение начальной и конечной массы ракеты составит в этом случае 2,5 триллиона! Из 2,5 миллиона тонн начальной массы до туманности Андромеды долетит… 1 грамм. А если предусмотреть и обратное возвращение, то это число (2,5 триллиона) надо еще возвести в квадрат. К тому же на Земле за это время пройдет 3 миллиона лет…
Есть ли смысл отправляться в такой полет? На это ответит будущее…
КОГДА ЖЕ ЭТО БУДЕТ?
Вернемся из наших воображаемых путешествий на реальную, сегодняшнюю Землю и попытаемся ответить на самый трудный вопрос: когда человек сможет полететь к звездам?
Ответить на этот вопрос нелегко. Ведь трудности предстоит преодолеть немалые. Фотонная ракета - это пока только принцип двигателя. Кроме того, не надо забывать о межзвездном газе, который при движении ракеты с субсветовой скоростью превратится в поток частиц высоких энергий, подобный самым жестким космическим лучам. Придется считаться и с сопротивлением межзвездного газа.
Конечно, вряд ли можно ожидать, что уже в текущем столетии люди полетят к другим звездам: нам хватит работы и в солнечной системе, да и на нашей родной планете еще немало важных дел, не так ли?
Солнечная система уже давно не представляет особого интереса для фантастов. Но, что удивительно, и у некоторых ученых наши «родные» планеты не вызывают особого вдохновения, хотя они еще практически не исследованы.
Едва прорубив окно в космос, человечество рвется в неведомые дали, причем уже не только в мечтах, как раньше.
Еще Сергей Королев обещал в скором времени полеты в космос «по профсоюзной путевке», но этой фразе уже полвека, а космическая одиссея по-прежнему удел избранных - слишком дорогое удовольствие. Однако же два года назад HACA запустило грандиозный проект 100 Year Starship,
который предполагает поэтапное и многолетнее создание научного и технического фундамента для космических полетов.
Эта беспрецедентная программа должна привлечь ученых, инженеров и энтузиастов со всего мира. Если все увенчается успехом, уже через 100 лет человечество будет способно построить межзвездный корабль, а по Солнечной системе мы будем перемещаться, как на трамваях.
Так какие же проблемы нужно решить, чтобы звездные полеты стали реальностью?
ВРЕМЯ И СКОРОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНЫ
Звездоплавание автоматических аппаратов кажется некоторым ученым почти решенной задачей, как это ни странно. И это при том, что совершенно нет никакого смысла запускать автоматы к звездам с нынешними черепашьими скоростями (примерно 17 км/с) и прочим примитивным (для таких неведомых дорог) оснащением.
Сейчас за пределы Солнечной системы ушли американские космические аппараты «Пионер-10» и «Вояджер-1», связи с ними уже нет. «Пионер-10» движется в сторону звезды Альдебаран. Если с ним ничего не случится, он достигнет окрестностей этой звезды... через 2 миллиона лет. Точно так же ползут по просторам Вселенной и другие аппараты.
Итак, независимо от того, обитаем корабль или нет, для полета к звездам ему нужна высокая скорость, близкая к скорости света. Впрочем, это поможет решить проблему полета только к самым близким звездам.
«Даже если бы мы умудрились построить звездный корабль, который сможет летать со скоростью, близкой к скорости света, - писал К. Феоктистов, - время путешествий только по нашей Галактике будет исчисляться тысячелетиями и десятками тысячелетий, так как диаметр ее составляет около 100 000 световых лет. Но на Земле-то за это время пройдет намного больше».
Согласно теории относительности, ход времени в двух движущихся одна относительно другой системах различен. Так как на больших расстояниях корабль успеет развить скорость очень близкую к скорости света, разница во времени на Земле и на корабле будет особенно велика.
Предполагается, что первой целью межзвездных полетов станет альфа Центавра (система из трех звезд) - наиболее близкая к нам. Со скоростью света туда можно долететь за 4,5 года, на Земле за это время пройдет лет десять. Но чем больше расстояние, тем сильней разница во времени.
Помните знаменитую «Туманность Андромеды» Ивана Ефремова? Там полет измеряется годами, причем земными. Красивая сказка, ничего не скажешь. Однако эта вожделенная туманность (точнее, галактика Андромеды) находится от нас на расстоянии 2,5 миллиона световых лет.
По некоторым расчетам, путешествие займет у космонавтов более 60 лет (по звездолетным часам), но на Земле-то пройдет целая эра. Как встретят космических «неадертальцев» их далекие потомки? Да и будет ли жива Земля вообще? То есть возвращение в принципе бессмысленно. Впрочем, как и сам полет: надо помнить, что мы видим галактику туманность Андромеды такой, какой она была 2,5 млн лет назад - столько идет до нас ее свет. Какой смысл лететь к неизвестной цели, которой, может, уже давно и не существует, во всяком случае, в прежнем виде и на старом месте?
Значит, даже полеты со скоростью света обоснованны только до относительно близких звезд. Однако аппараты, летящие со скоростью света, живут пока лишь в теории, которая напоминает фантастику, правда, научную.
КОРАБЛЬ РАЗМЕРОМ С ПЛАНЕТУ
Естественно, в первую очередь ученым пришла мысль использовать в двигателе корабля наиболее эффективную термоядерную реакцию - как уже частично освоенную (в военных целях). Однако для путешествия в оба конца со скоростью, близкой к световой, даже при идеальной конструкции системы, требуется отношение начальной массы к конечной не менее чем 10 в тридцатой степени. То есть звездолет будет походить на огромный состав с топливом величиной с маленькую планету. Запустить такую махину в космос с Земли невозможно. Да и собрать на орбите - тоже, недаром ученые не обсуждают этот вариант.
Весьма популярна идея фотонного двигателя, использующего принцип аннигиляции материи.
Аннигиляция - это превращение частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных. Наиболее изучена аннигиляция электрона и позитрона, порождающая фотоны, энергия которых и будет двигать звездолет. Расчеты американских физиков Ронана Кина и Вей-мин Чжана показывают, что на основе современных технологий возможно создание аннигиляционного двигателя, способного разогнать космический корабль до 70% от скорости света.
Однако дальше начинаются сплошные проблемы. К сожалению, применить антивещество в качестве ракетного топлива очень непросто. Во время аннигиляции происходят вспышки мощнейшего гамма-излучения, губительного для космонавтов. Кроме того, контакт позитронного топлива с кораблем чреват фатальным взрывом. Наконец, пока еще нет технологий для получения достаточного количества антивещества и его длительного хранения: например, атом антиводорода «живет» сейчас менее 20 минут, а производство миллиграмма позитронов обходится в 25 миллионов долларов.
Но, предположим, со временем эти проблемы удастся разрешить. Однако топлива все равно понадобится очень-очень много, и стартовая масса фотонного звездолета будет сравнима с массой Луны (по оценке Константина Феоктистова).
ПОРВАЛИ ПАРУС!
Наиболее популярным и реалистичным звездолетом на сегодняшний день считается солнечный парусник, идея которого принадлежит советскому ученому Фридриху Цандеру.
Солнечный (световой, фотонный) парус - это приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.
В 1985 году американским физиком Робертом Форвардом была предложена конструкция межзвездного зонда, разгоняемого энергией микроволнового излучения. Проектом предусматривалось, что зонд достигнет ближайших звезд за 21 год.
На XXXVI Международном астрономическом конгрессе был предложен проект лазерного звездолета, движение которого обеспечивается энергией лазеров оптического диапазона, расположенных на орбите вокруг Меркурия. По расчетам, путь звездолета этой конструкции до звезды эпсилон Эридана (10,8 световых лет) и обратно занял бы 51 год.
«Маловероятно, что по данным, полученным в путешествиях по нашей Солнечной системе, мы сможем существенно продвинуться вперед в понимании мира, в котором мы живем. Естественно, мысль обращается к звездам. Ведь раньше подразумевалось, что полеты около Земли, полеты к другим планетам нашей Солнечной системы не являются конечной целью. Проложить дорогу к звездам представлялось главной задачей».Эти слова принадлежат не фантасту, а конструктору космических кораблей и космонавту Константину Феоктистову. По мнению ученого, ничего особо нового в Солнечной системе уже не обнаружится. И это при том, что человек пока долетел только до Луны...
Однако за пределами Солнечной системы давление солнечного света приблизится к нулю. Поэтому существует проект разгона солнечного парусника лазерными установками с какого-нибудь астероида.
Все это пока теория, однако первые шаги уже делаются.
В 1993 году на российском корабле «Прогресс М-15» в рамках роекта «Знамя-2» был впервые развернут солнечный парус 20-метровой ширины. При стыковке «Прогресса» со станцией «Мир» ее экипаж установил на борту «Прогресса» агрегат развертывания отражателя. В итоге отражатель создал яркое пятно 5 км в ширину, которое прошло через Европу в Россию со скоростью 8 км/с. Пятно света имело светимость, примерно эквивалентную полной Луне.
Итак, преимущество солнечного парусника - отсутствие топлива на борту, недостатки - уязвимость конструкции паруса: по сути, это тонкая фольга, натянутая на каркас. Где гарантия, что по дороге парус не получит пробоин от космических частиц?
Парусный вариант может подойти для запуска автоматических зондов, станций и грузовых кораблей, но непригоден для пилотируемых полетов с возвратом. Существуют и другие проекты звездолетов, однако они, так или иначе, напоминают вышеперечисленные (с такими же масштабными проблемами).
СЮРПРИЗЫ В МЕЖЗВЕЗДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Думается, путешественников во Вселенной поджидает множество сюрпризов. К примеру, едва высунувшись за пределы Солнечной системы, американский аппарат «Пионер-10» начал испытывать силу неизвестного происхождения, вызывающую слабое торможение. Высказывалось много предположений, вплоть до о неизвестных пока эффектах инерции или даже времени. Однозначного объяснения этому феномену до сих пор нет, рассматриваются самые различные гипотезы: от простых технических (например, реактивная сила от утечки газа в аппарате) до введения новых физических законов.
Другой аппарат, «Вояд-жер-1», зафиксировал на границе Солнечной системы область с сильным магнитным полем. В нем давление заряженных частиц со стороны межзвездного пространства заставляет поле, создаваемое Солнцем, уплотняться. Также аппарат зарегистрировал:
- рост количества высокоэнергетических электронов (примерно в 100 раз), которые проникают в Солнечную систему из межзвездного пространства;
- резкий рост уровня галактических космических лучей - высокоэнергетических заряженных частиц межзвездного происхождения.
Пространство между звездами не пустое. Везде есть остатки газа, пыли, частицы. При попытке движения со скоростью, близкой к скорости света, каждый столкнувшийся с кораблем атом будет подобен частице космических лучей большой энергии. Уровень жесткой радиации при такой бомбардировке недопустимо повысится даже при полетах к ближайшим звездам.
А механическое воздействие частиц при таких скоростях уподобится разрывным пулям. По некоторым расчетам, каждый сантиметр защитного экрана звездолета будет непрерывно обстреливаться с частотой 12 выстрелов в минуту. Ясно, что никакой экран не выдержит такого воздействия на протяжении нескольких лет полета. Или должен будет иметь неприемлемую толщину (десятки и сотни метров) и массу (сотни тысяч тонн).
Собственно, тогда звездолет будет состоять в основном из этого экрана и топлива, которого потребуется несколько миллионов тонн. В силу этих обстоятельств полеты на таких скоростях невозможны, тем паче, что по дороге можно нарваться не только на пыль, но и на что-то покрупнее, или попасть в ловушку неизвестного гравитационного поля. И тогда гибель опять-таки неминуема. Таким образом, если и удастся разогнать звездолет до субсветовой скорости, то до конечной цели он не долетит - слишком много препятствий встретится ему на пути. Поэтому межзвездные перелеты могут осуществляться лишь с существенно меньшими скоростями. Но тогда фактор времени делает эти полеты бессмысленными.
Получается, что решить проблему транспортировки материальных тел на галактические расстояния со скоростями, близкими к скорости света, нельзя. Бессмысленно ломиться через пространство и время с помощью механической конструкции.
КРОТОВАЯ НОРА
Фантасты, стараясь побороть неумолимое время, сочинили, как «прогрызать дырки» в пространстве (и времени) и «сворачивать» его. Придумали разнообразные гиперпространственные скачки от одной точки пространства до другой, минуя промежуточные области. Теперь к фантастам присоединились ученые.
Физики принялись искать экстремальные состояния материи и экзотические лазейки во Вселенной, где можно передвигаться со сверхсветовой скоростью вопреки теории относительности Эйнштейна.
Так появилась идея кротовой норы. Эта нора осуществляет смычку двух частей Вселенной подобно прорубленному тоннелю, соединяющему два города, разделенные высокой горой. К сожалению, кротовые норы возможны только в абсолютном вакууме. В нашей Вселенной эти норки крайне неустойчивы: они попросту могут сколлапсировать до того, как туда попадет космический корабль.
Однако для создания стабильных кротовых нор можно использовать эффект, открытый голландцем Хендриком Казимиром. Он заключается во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых колебаний в вакууме. Оказывается, вакуум не совсем пуст, в нем происходят колебания гравитационного поля, в котором спонтанно возникают и исчезают частицы и микроскопические кротовые норы.
Остается только обнаружить одну из нор и растянуть ее, поместив между двумя сверхпроводящими шарами. Одно устье кротовой норы останется на Земле, другое космический корабль с околосветовой скоростью переместит к звезде - конечному объекту. То есть звездолет будет как бы пробивать тоннель. По достижении звездолетом пункта назначения кротовая нора откроется для реальных молниеносных межзвездных путешествий, продолжительность которых будет исчисляться минутами.
ПУЗЫРЬ ИСКРИВЛЕНИЯ
Сродни теории кротовых нор пузырь искривления. В 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре выполнил расчеты согласно уравнениям Эйнштейна и нашел теоретическую возможность волновой деформации пространственного континуума. При этом пространство будет сжиматься перед космическим кораблем и одновременно расширяться позади него. Звездолет как бы помещается в пузырь искривления, способный передвигаться с неограниченной скоростью. Гениальность идеи состоит в том, что космический корабль покоится в пузыре искривления, и законы теории относительности не нарушаются. Движется при этом сам пузырь искривления, локально искажающий пространство-время.
Несмотря на невозможность перемещаться быстрее света, ничто не препятствует перемещению пространства или распространению деформации пространства-времени быстрее света, что, как полагают, и происходило сразу после Большого взрыва при образовании Вселенной.
Все эти идей пока не укладываются в рамки современной науки, однако в 2012 году представители НАСА заявили о подготовке экспериментальной проверки теории доктора Алькубьерре. Как знать, может, и теория относительности Эйнштейна когда-нибудь станет частью новой глобальной теории. Ведь процесс познания бесконечен. А значит, однажды мы сможем прорваться чрез тернии к звездам.
Ирина ГРОМОВА
