Солнечная система уже давно не представляет особого интереса для писателей-фантастов. Но что удивительно, наши «родные» планеты не дают особого вдохновения некоторым ученым, даже если они еще практически не исследованы.
Едва прорубив окно в космос, человечество рвется в неведомые дали, а не только в мечтах, как раньше.
Сергей Королев тоже обещал в скором времени слетать в космос «по профсоюзному билету», но этой фразе уже полвека, а космическая одиссея до сих пор остается уделом элиты — слишком дорого. Однако два года назад HACA запустила грандиозный проект 100 Year Starship, который предполагает постепенное и многолетнее создание научно-технической базы для космических путешествий.
Эта уникальная программа должна привлечь исследователей, инженеров и энтузиастов со всего мира. Если все пойдет хорошо, через 100 лет человечество сможет построить межзвездный корабль, и мы будем передвигаться по Солнечной системе, как трамваи.
Итак, какие проблемы необходимо решить, чтобы полеты к звездам стали реальностью?
ВРЕМЯ И СКОРОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНЫ
Как ни странно, астрономия автоматизированных транспортных средств кажется некоторым исследователям почти решенной задачей. И это при том, что запускать автоматы к звездам с нынешними черепашьими скоростями (порядка 17 км/с) и прочей примитивной (для таких неведомых дорог) техникой совершенно бессмысленно.
Сейчас американские космические корабли «Пионер-10» и «Вояджер-1» покинули Солнечную систему, никакой связи с ними больше нет. Пионер-10 движется к звезде Альдебаран. Если с ним ничего не случится, он достигнет окрестностей этой звезды. через 2 миллиона лет. Точно так же ползают по просторам вселенной и другие сущности.
Итак, вне зависимости от того, обитаем корабль или нет, чтобы лететь к звездам, ему нужна высокая скорость, близкая к скорости света. Однако это поможет решить проблему полета только к ближайшим звездам.
«Даже если бы нам удалось построить звездолет, который мог бы летать со скоростью, близкой к скорости света, — писал К. Феоктистов, — время в пути только в нашей галактике будет исчисляться тысячелетиями и десятками тысячелетий, так как ее диаметр около 100 000 световых лет, но на Земле за это время пройдет гораздо больше».
Согласно теории относительности течение времени в двух движущихся друг относительно друга системах различно. Поскольку корабль на больших расстояниях будет успевать развивать скорость, очень близкую к скорости света, разница во времени на Земле и на корабле будет особенно велика.
Считается, что первой целью межзвездных полетов станет альфа Центавра (система из трех звезд) — ближайшая к нам. Со скоростью света туда можно долететь за 4,5 года, на Земле за это время пройдет десять лет. Но чем больше расстояние, тем больше разница во времени.
Помните знаменитую туманность Андромеды Ивана Ефремова? Там полет измеряется годами, причем земными. Красивая история, ничего не скажешь. Однако эта заветная туманность (точнее, Галактика Андромеды) лежит на расстоянии 2,5 миллиона световых лет от нас.
По некоторым подсчетам, путешествие космонавтов займет более 60 лет (по часам звездолета), но на Земле пройдет целая эпоха. Как встретят космических «неандертальцев» их далекие потомки? И будет ли Земля вообще жить? Это означает, что возвращение в основном бессмысленно. Впрочем, как и сам полет: надо помнить, что мы видим галактику Андромеды такой, какой она была 2,5 миллиона лет назад — столько времени требуется свету, чтобы добраться до нас. Какой смысл лететь в неизвестное место, которого, возможно, уже давно нет, хотя бы в прежнем виде и на старом месте?
Это означает, что даже полеты со скоростью света оправданы только до относительно близких звезд. Однако транспортные средства, летающие со скоростью света, пока живут только в теории, напоминающей фантастику, но научную.
КОРАБЛЬ РАЗМЕРОМ ПЛАНЕТЫ
Естественно, в первую очередь ученым пришла в голову идея использования наиболее эффективной термоядерной реакции в корабельном двигателе - уже частично освоенном (для военных целей). Однако для путешествия туда и обратно с околосветовой скоростью даже при идеальной конструкции системы требуется отношение начальной массы к конечной массе не менее 10 в тридцатой степени. То есть космический корабль будет выглядеть как огромный поезд топлива размером с небольшую планету. Запустить такую махину в космос с Земли невозможно. Да еще и на орбите собрать - тоже не зря этот вариант ученые не обсуждают.
Идея фотонного двигателя, использующего принцип аннигиляции материи, очень популярна.
Аннигиляция — это превращение частицы и античастицы при их столкновении в другие частицы, отличные от исходных. Наиболее изученным является аннигиляция электрона и позитрона, при котором рождаются фотоны, энергия которых будет двигать космический корабль. Расчеты американских физиков Ронана Кина и Вей-мина Чжана показывают, что на основе современных технологий можно создать аннигиляционный двигатель, способный разогнать космический корабль до 70% скорости света.
Однако дальше начинаются проблемы. К сожалению, использовать антивещество в качестве ракетного топлива очень сложно. Во время угасания происходят вспышки мощнейшего гамма-излучения, губительного для космонавтов. Кроме того, контакт позитронного топлива с кораблем приводит к смертельному взрыву. Наконец, до сих пор нет технологий получения достаточного количества антиматерии и ее длительного хранения: например, атом антиводорода сейчас «живет» менее 20 минут, а производство одного миллиграмма позитронов стоит 25 миллионов долларов.
Но давайте предположим, что эти проблемы со временем могут быть решены. Однако топлива все равно потребуется много, а начальная масса фотонного звездолета будет сравнима с массой Луны (по Константину Феоктистову).
Б/У ПАРУС!
Самым популярным и реалистичным звездолетом на сегодняшний день считается солнечный парусник, идея которого принадлежит советскому ученому Фридриху Цандеру.
Солнечный парус (свет, фотон) — устройство, использующее давление солнечного света или лазера на поверхность зеркала для приведения в движение космического корабля.
В 1985 году американский физик Роберт Форвард предложил конструкцию межзвездного зонда, ускоряемого микроволновым излучением. Проект предусматривал, что зонд достигнет ближайших звезд за 21 год.
На XXXVI Международном астрономическом конгрессе был предложен проект лазерного звездолета, движение которого обеспечивается энергией оптических лазеров, вращающихся вокруг Меркурия. По расчетам, путь звездолета этой конструкции к звезде Эпсилон Эридана (10,8 световых года) и обратно займет 51 год.
Но за пределами Солнечной системы давление солнечного света будет приближаться к нулю. Поэтому есть проект разгона солнечного парусника лазерными системами с какого-нибудь астероида.
Все это пока теория, но первые шаги уже сделаны.
В 1993 году в рамках проекта «Знамя-2» на российском корабле «Прогресс М-15» впервые был развернут солнечный парус шириной 20 метров. После стыковки "Прогресса" со станцией "Мир" экипаж установил на борт "Прогресса" устройство развертывания рефлекторов. В результате рефлектор создал световое пятно шириной 5 км, которое прошло через Европу в Россию со скоростью 8 км/с.
Обратите внимание: Цифровая диктатура в Китае. У миллионов людей слишком мало шансов иметь возможность жить нормальной жизнью.
Пятно света имело яркость, примерно эквивалентную полной луне.Так что преимущество солнечного парусника — отсутствие топлива на борту, недостатки — уязвимость конструкции паруса: по сути, это тонкая фольга, натянутая на каркас. Где гарантия, что по пути парус не продырявится от космических частиц?
Парусная версия может подойти для запуска роботизированных зондов, станций и грузовых кораблей, но не подходит для пилотируемых обратных полетов. Есть и другие проекты космических кораблей, но они чем-то похожи на вышеперечисленные (с теми же массовыми проблемами).
СЮРПРИЗЫ В МЕЖЗВЕЗДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Кажется, путешественников во Вселенной ждет множество сюрпризов. Например, только что высунувшийся из Солнечной системы американский аппарат Pioneer 10 начал испытывать силу неизвестного происхождения, которая вызвала небольшое торможение. Было сделано много предположений, вплоть до неизвестных пока эффектов инерции или даже времени. Четкого объяснения этому явлению до сих пор нет, рассматривается ряд гипотез: от простых технических (например, реактивная мощность от утечки газа в приборе) до введения новых физических законов.
Другой космический аппарат «Вояджер-1» обнаружил область сильного магнитного поля на краю Солнечной системы. В нем давление заряженных частиц из межзвездного пространства вызывает сгущение поля, создаваемого Солнцем. Устройство также зафиксировало:
увеличение количества высокоэнергетических электронов (около 100 раз), проникающих в Солнечную систему из межзвездного пространства;
резкое увеличение уровня галактических космических лучей - высокоэнергетических заряженных частиц межзвездного происхождения.
И это всего лишь капля в море! Но даже того, что сегодня известно о межзвездном океане, достаточно, чтобы поставить под сомнение возможность бороздить просторы Вселенной.
Пространство между звездами не пусто. Везде остатки газа, пыли, частиц. При попытке двигаться со скоростью, близкой к скорости света, каждый атом, столкнувшийся с кораблем, будет подобен частице высокоэнергетических космических лучей. Уровень жесткого излучения при такой бомбардировке недопустимо возрастет даже при полетах к ближайшим звездам.
А механическое воздействие частиц на таких скоростях сравнится с разрывными пулями. По некоторым расчетам, каждый сантиметр защитного щита звездолета будет обстреливаться непрерывно со скоростью 12 выстрелов в минуту. Понятно, что ни один экран не выдержит такого воздействия за несколько лет полета. Или он должен иметь недопустимую толщину (десятки и сотни метров) и массу (сотни тысяч тонн).
На самом деле звездолет будет состоять в основном из этого экрана и топлива, для которого потребуется несколько миллионов тонн. В силу этих обстоятельств лететь с такими скоростями невозможно, тем более, что по пути можно столкнуться не только с пылью, но и с чем-то более крупным, либо попасть в неизвестное гравитационное поле. И тогда смерть снова неизбежна. Таким образом, даже если и удастся разогнать космический корабль до субсветовой скорости, до конечной цели он не доедет — слишком много препятствий будет на пути. Поэтому межзвездные полеты можно осуществлять только на значительно меньших скоростях. Но тогда фактор времени делает эти полеты бессмысленными.
Оказывается, невозможно решить задачу транспортировки материальных тел через галактические расстояния со скоростями, близкими к скорости света. Нет смысла прорываться сквозь пространство и время с помощью механической конструкции.
МЕБЕЛЬ ХОЛ
Научная фантастика, пытаясь преодолеть неумолимое время, придумала, как «прогрызать дыры» в пространстве (и времени) и «сворачивать» его. Они придумали серию гиперпространственных прыжков из одной точки пространства в другую, исключая промежуточные области. Теперь к писателям-фантастам присоединились ученые.
Физики стали искать экстремальные состояния материи и экзотические лазейки во Вселенной, где можно двигаться со сверхсветовой скоростью вопреки теории относительности Эйнштейна.
Так родилась идея червоточины. Эта пещера соединяет две части вселенной подобно высеченному туннелю, соединяющему два города, разделенных высокой горой. К сожалению, червоточины возможны только в абсолютном вакууме. В нашей вселенной эти пещеры крайне нестабильны: они могут просто рухнуть до того, как туда попадет космический корабль.
Однако для создания стабильных червоточин можно использовать эффект, открытый голландцем Хендриком Казимиром. Он заключается во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме. Оказывается, вакуум не совсем пуст, в гравитационном поле происходят колебания, где спонтанно появляются и исчезают частицы и микроскопические червоточины.
Осталось только найти одно из отверстий и растянуть его, поместив между двумя сверхпроводящими сферами. Одно устье червоточины останется на Земле, другое космический корабль будет перемещать почти со скоростью света к звезде — конечному объекту. Это означает, что космический корабль будет, так сказать, проходить через туннель. Когда звездолет достигнет пункта назначения, червоточина откроется для настоящего молниеносного межзвездного путешествия, продолжительность которого будет исчисляться минутами.
ДЕФОРМАЦИОННЫЙ ПУЗЫРЬ
Относится к теории кривизны пузыря червоточины. В 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре провел расчеты по уравнениям Эйнштейна и обнаружил теоретическую возможность волновой деформации пространственного континуума. В этом случае пространство будет сужаться перед космическим кораблем и одновременно расширяться за ним. Космический корабль как бы помещен в пузырек кривизны, способный двигаться с неограниченной скоростью. Гениальность идеи в том, что космический корабль покоится в пузыре кривизны, и законы относительности не нарушаются. При этом движется сам пузырь кривизны, который локально искажает пространство-время.
Несмотря на невозможность путешествовать быстрее скорости света, ничто не мешает пространству двигаться или распространять искривление пространства-времени быстрее скорости света, которое, как считается, произошло сразу после Большого взрыва при формировании Вселенной.
Все эти идеи пока не укладываются в рамки современной науки, но в 2012 году представители НАСА заявили о подготовке экспериментальной проверки теории доктора Алькубьерре. Кто знает, может быть, теория относительности Эйнштейна когда-нибудь станет частью новой глобальной теории. Ведь процесс обучения бесконечен. Так что однажды мы сможем прорваться через шипы звезд.
Больше интересных статей здесь: Новости науки и техники.
Источник статьи: Возможно ли в будущем совершать межзвездные полёты.