«Интерстеллар. Наука за кадром» — книга для тех, кому мало фильма

Межзвездный перелет

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-билдинг 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-билдинг 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 «Интерстеллар» 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 5000 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*.

* Нельзя оставить без внимания и двигатели, где в качестве топлива используются элементарные частицы со скоростями, близкими к скорости света. Множество таких частиц (например, гамма-кванты или пи-мезоны) образуются в процессах аннигиляции частица — античастица (например, электрон — позитрон). Использование подобных технологий, по оценкам некоторых ученых, позволит достигнуть скоростей порядка ⅔с. К сожалению, производство антивещества для процессов аннигиляции слишком трудоемко и технически сложно. Прим. науч. ред.

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**.

** Формула для кинетической энергии: Mv²/2, где M — это масса атома гелия, а v — его скорость. Формула высвобожденной энергии: 0,0064 Mc², где c — скорость света. (Тут я пользуюсь знаменитым принципом Эйнштейна, который гласит, что, если преобразовать массу в энергию, количество энергии будет равняться массе, помноженной на квадрат скорости света.) Приравняв одно к другому, получим: v² = 2 × 0,0064c², из чего следует, что v приблизительно равно c/10. Прим. автора.

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.

[...]

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 «Интерстеллар», или еще какая-нибудь предельная форма искривления пространства — времени.