НЛО
Некоторые люди утверждают, что инопланетяне уже бывали на Земле и именно им принадлежат таинственные НЛО. Услышав о летающих тарелочках, ученые, как правило, закатывают глаза и отвергают всякую возможность принадлежности их представителям инопланетной цивилизации; отговариваются обычно тем, что межзвездные расстояния слишком громадны. Но, несмотря на реакцию ученых, количество сообщений об НЛО с годами не уменьшается.
Первые случаи наблюдения неопознанных летающих объектов восходят к началу письменной истории. К примеру, в Библии пророк Иезекииль упоминает загадочные «колеса внутри колес в небе»; кое-кто считает эти слова описанием НЛО. В 1450 г. до н. э. в Египте, во время правления фараона Тутмоса III, египетские жрецы оставили описание некоего события, где присутствовали «огненные круги» ярче солнца, размером около 5 м; эти крути появлялись в течение нескольких дней и в конце концов поднялись в небо. В 91 г. до н. э. римский автор Юлий Обсеквенс писал о «круглом объекте, вроде шара, овального или круглого щита, который двигался по небу». В 1235 г. японский генерал Ёрицуме и его армия наблюдали в небе возле Киото странные светящиеся шары. В 1561 г. в небе над Нюрнбергом в Германии видели множество объектов, которые как будто вели между собой воздушный бой.
В середине XX в. ВВС США предприняли крупномасштабное исследование всевозможных сообщений о наблюдении НЛО. В 1952 г. ВВС запустили проект «Синяя книга», в котором было проанализировано 12 618 подобных сообщений. В итоговом докладе говорилось, что огромное большинство их может быть объяснено наблюдением естественных явлений или обычных воздушных судов, а также намеренным обманом. Тем не менее 6 % случаев не получили никакого объяснения. В 1969 г. появился доклад Кондона, где отвергалась всякая возможность внеземного происхождения НЛО и польза подобных исследований, и проект «Синяя книга» был закрыт. Это был последний известный проект такого рода в американских ВВС.
В 2007 г французское правительство ознакомило широкую общественность с накопленными за много лет данными по НЛО. Доклад, опубликованный в Интернете французским Национальным центром космических исследований, охватывает 1600 случаев наблюдения НЛО на протяжении 50 лет; в нем 100 000 страниц рассказов свидетелей, кино- и аудиозаписей. Французское правительство утверждает, что 9 % случаев можно объяснить полностью, 33 % имеют вероятное объяснение, но все остальные достоверно объяснить не удалось.
Разумеется, независимую проверку подобных сообщений провести очень трудно. Вообще, большую часть сообщений о наблюдении НЛО можно отмести как недостоверные, если учесть следующее.
1. Планета Венера — самый яркий объект на земном небе после Луны. Она находится очень далеко от наблюдателя, поэтому, если вы едете в машине, кажется, что эта светящаяся точка движется за вами, причем намеренно. Точно такое же впечатление, кстати говоря, создается при наблюдении Луны. Человек судит о расстоянии до движущегося объекта, сравнивая его с другими объектами вокруг. Луна и Венера находятся очень далеко и сравнивать их нам не с чем, они вообще не движутся относительно окружающих нас предметов, отсюда и иллюзия того, что эти небесные объекты следуют за нами.
2. Болотный газ. Если над болотистой местностью возникает температурная инверсия, выделяющийся газ может накапливаться над самой землей; иногда он даже слегка светится. Небольшие скопления газа, отделяясь от крупных, могут создавать впечатление разведкатеров, покидающих «корабль-матку».
3. Метеоры. Эти небесные тела могут несколько секунд вычерчивать на ночном небе яркие полосы, создавая впечатление полета управляемого корабля. Иногда метеор может разделиться, опять же создавая впечатление разведкатеров, покидающих «корабль-матку».
4. Атмосферные аномалии. Всевозможные молнии во время грозы и необычные атмосферные явления могут освещать небо самым неожиданным образом, создавая иллюзию НЛО.
В XX и XXI вв. рассказы об НЛО могут порождаться и другими явлениями.
1. Радарное эхо. Излучение радара, отражаясь от гор и других естественных объектов, может создавать эхо, которое тоже будут принимать антенны радара. Такое эхо может даже двигаться по экрану зигзагом или на громадной скорости — ведь это всего лишь эхо.
2. Метео- и другие исследовательские воздушные шары. Военные в своем довольно спорном докладе утверждают, что причиной знаменитого слуха об аварии в 1947 г. инопланетного корабля в Розвелле, штат Нью-Мексико, стал отказавший аэростат проекта «Могул» — сверхсекретного проекта по мониторингу уровней радиации в атмосфере в случае начала ядерной войны.
3. Самолеты. Известны случаи, когда причиной сообщений об НЛО становились пассажирские и военные самолеты. Особенно часто это происходит в случае экспериментальных полетов новейших экспериментальных самолетов, таких как бомбардировщик «стелс». (Военные США даже поощряли слухи о летающих тарелочках, чтобы отвлечь внимание от собственных сверхсекретных проектов.)
4. Намеренный обман. Некоторые из самых известных снимков летающих тарелочек на самом деле являются подделками. Одна из известнейших летающих тарелок с окошками и опорами на самом деле представляла собой слегка переделанную кормушку для цыплят.
На основании всего вышесказанного может быть отвергнуто по крайней мере 95 % случаев наблюдения НЛО. Но оставшиеся несколько процентов по-прежнему остаются необъясненными. Наиболее достоверные случаи наблюдения НЛО включают: а) многочисленные свидетельства независимых, достойных доверия людей и б) свидетельства из различных источников, скажем данные людей-наблюдателей и радара. От таких случаев труднее отмахнуться, так как несколько независимых источников отчасти подтверждают друг друга. Так, в 1986 г. НЛО над Аляской наблюдали пассажиры рейса 1628 японской авиакомпании JAL; Федеральная авиационная администрация США провела расследование этого происшествия. Кроме пассажиров самолета НЛО наблюдал и наземный радар. Аналогично в 1989–1990 гг. радары неоднократно наблюдали над Бельгией черные треугольники; их видели также радар НАТО и самолеты-перехватчики, В 1976 г. НЛО видели над иранским городом Тегераном; результатом, как явствует из документов ЦРУ, стали многочисленные отказы оборудования на перехватчике F-4.
Ученых приводит в отчаяние тот факт, что из тысяч зарегистрированных случаев наблюдения НЛО ни один не дал никаких реальных материальных свидетельств, которые можно было бы изучить в лаборатории и получить при этом повторяемые результаты. Никакой чужой ДНК, никаких чужих компьютерных чипов — вообще нет никаких материальных свидетельств посадки инопланетных кораблей на Землю.
Предположим на мгновение, что НЛО все же представляют собой не иллюзии, а реальные космические корабли; тогда можно спросить себя, какие именно это корабли. Бот некоторые из характеристик, на которые указывают рассказы свидетелей.
A. Известно, что они могут резко менять направление полета.
Б. Известно, что вблизи них перестает действовать зажигание в автомобилях и вообще электрические приборы.
B. Они могут бесшумно висеть в воздухе.
Ни одна из этих характеристик не имеет отношения к земным ракетам. К примеру, все известные нам ракеты действуют на основании третьего закона Ньютона (действие равно противодействию); но наблюдаемые НЛО, похоже, не выбрасывают реактивной струи — да и вообще ничего. Кроме того, перегрузки в летающей тарелке, выделывающей в небе стремительные зигзаги, должны были бы составить 100 g и более; такие перегрузки не в состоянии выдержать ни одно живое существо на Земле.
Может ли современная наука объяснить такие характеристики летающих тарелочек, по-прежнему предполагая, что сообщения о них правда и НЛО существуют? В кино, например в фильме «Земля против летающих тарелочек», всегда предполагается, что этими кораблями управляют инопланетяне. Но гораздо более вероятно, что эти корабли, если они существуют, — автоматические (или их пилотируют наполовину органические, наполовину механические существа). Это объяснило бы маневры, которые раздавили бы любое живое существо.
Корабль, способный блокировать зажигание и бесшумно висеть в воздухе, заставляет предположить в качестве движителя магнитные силы. Проблема в том, что у магнита всегда два полюса, северный и южный. Если вы поместите такой магнит в магнитное поле Земли, он просто развернется (подобно стрелке компаса), но не будет висеть в воздухе, как НЛО. Вообще, если южный полюс магнита движется в одну сторону, то северный движется в противоположную, — магнит разворачивается и в целом никуда не движется.
Одно из возможных решений этой проблемы — использование «монополей», т. е. магнитов всего с одним полюсом, северным или южным. В нормальных условиях, если вы разломите магнит пополам, вы не получите двух монополей. Вместо этого каждая половинка станет самостоятельным магнитом, с собственными двумя полюсами, т. е. станет еще одним диполем. Сколько бы вы ни дробили магнит, вы всегда обнаружите у каждого обломка два полюса. (Этот процесс можно продолжать до атомного уровня; каждый атом тоже представляет собой диполь.)
Ученым еще никогда не удавалось увидеть монополь в лаборатории. Физики пытались обнаружить и сфотографировать след монополя на своей аппаратуре, но это тоже не получилось (за исключением единственного очень спорного изображения, полученного в Стэнфордском университете в 1982 г.).
Хотя пока монополей достоверно увидеть не удалось, физики в большинстве своем уверены, что когда-то — а именно в момент Большого взрыва — во вселенной их было пруд пруди. Эта идея вошла в последние космологические теории Большого взрыва. Но после Большого взрыва вселенная резко расширилась, и плотность монополей в ней соответственно уменьшилась, поэтому нам так трудно сегодня увидеть их в лаборатории. (На самом деле отсутствие монополей вокруг — это ключевой факт, который заставил физиков выдвинуть идею инфляционной стадии в развитии вселенной. Поэтому на сегодняшний день в физике прочно укоренилась концепция реликтовых монополей.)
Таким образом, можно представить космическую расу, способную собирать эти «первичные монополи», оставшиеся после Большого взрыва, при помощи большой магнитной «сети», раскинутой в открытом космосе. Набрав достаточно монополей, такая раса сможет свободно летать по космосу, пользуясь только существующими во вселенной магнитными полями. Учитывая, что монополи в данный момент весьма интересуют многих космологов, существование таких кораблей, безусловно, не входит в противоречие с современными физическими представлениями.
Наконец, можно быть уверенным в том, что любая цивилизация, способная рассылать по вселенной звездолеты, давно овладела нанотехнологиями. Это означает, что корабли такой расы не обязательно будут очень уж большими; зато их можно рассылать миллионами на поиски и изучение населенных планет. Лучшими базами для нанокораблей стали бы, конечно, пустынные луны. Если это так, то и на нашей Луне когда-то побывали, возможно, представители цивилизации III типа, примерно как рассказано в сценарии фильма «2001», самого реалистичного, пожалуй, изображения встречи с инопланетной цивилизацией. Более чем вероятно, корабль этой цивилизации был бы автоматическим и опустился бы на Луну. (Возможно, пройдет еще лет сто, прежде чем мы сможем просканировать всю Луну в поисках аномалий излучения и обнаружить древние свидетельства визитов нанокораблей в нашу Солнечную систему.)
Если нашу Луну в прошлом действительно посещали представители иной цивилизации или, скажем, она является базой нанокораблей, то можно понять, почему НЛО не обязательно имеют большие размеры. Некоторые ученые отвергают саму возможность существования НЛО только потому, что они не соответствуют ни одному из гигантских реактивных двигателей, которые сегодня реально рассматривают наши инженеры, — это наверняка не прямоточные ядерные двигатели, не гигантские паруса, движимые «лазерным ветром», не импульсные термоядерные корабли, каждый из которых может достигать нескольких километров в поперечнике. НЛО вполне может быть размером с реактивный самолет. Но если на Луне существует постоянная база, оставшаяся с прошлого визита, то им и необязательно быть большими; они могут без труда заправиться на базе. Тогда на Земле наблюдают, скорее всего, автоматические корабли-разведчики, стартовавшие с лунной базы.
Учитывая стремительное продвижение программы SETI и обнаружение все новых внесолнечных планет, контакт с внеземной жизнью — считая, разумеется, что таковая существует в нашей ближайшей окрестности, — может произойти уже в этом столетии, что заставляет отнести такой контакт к I классу невозможности. Если в космосе действительно существуют иные цивилизации, возникает следующий очевидный вопрос: сможем ли мы когда-нибудь добраться до них? И как насчет нашего собственного отдаленного будущего, когда Солнце начнет расширяться и готово будет поглотить Землю? Неужели наша судьба действительно там, среди звезд?
9. Звездолеты
Нелепая идея выстрелить в Луну — прекрасный пример того, до какого абсурда может довести ученых порочная специализация… совершенно очевидно, что это предложение в принципе нереализуемо.
А. Бикертон, 1926 г.
Лучшая часть человечества, по всей вероятности, никогда не погибнет, но будет переселяться от солнца к солнцу, по мере их погасания. Нет конца жизни, конца разуму и совершенствованию человека. Прогресс его вечен.
Константин Циолковский, отец ракетной техники
Однажды в далеком будущем наступит наш последний спокойный день на Земле. Когда-нибудь, через миллиарды лет, небо вспыхнет огнем. Солнце вспухнет пламенным шаром, бушующий ад заполнит небеса. Температура на Земле резко подскочит, океаны вскипят и испарятся, оставив после себя обугленную иссохшую пустыню. Горы постепенно расплавятся и потекут потоками лавы по тем местам, где когда-то стояли полные жизни города.
Законы природы говорят нам, что этот мрачный сценарий — наше неизбежное будущее. Когда-нибудь Земля погибнет в пламени и будет поглощена Солнцем. Это закон природы.
Катастрофа произойдет в течение ближайших 5 млрд лет. В этом космическом масштабе расцвет и падение человеческих цивилизаций кажется крохотной рябью на поверхности океана времени. Когда-нибудь мы должны будем покинуть Землю или умереть. И когда условия на Земле станут невыносимыми, человечеству, нашим потомкам, придется что-то предпринимать. Что?
Математик и философ Бертран Рассел однажды посетовал, «что ни огонь, ни героизм, ни сила мысли или чувства не могут сохранить жизнь после могилы; что все труды веков, вся преданность, все вдохновение, вся полуденная яркость человеческого гения обречены на гибель в гигантском пожаре Солнечной системы; и весь храм достижений Человека с неизбежностью будет погребен под развалинами Вселенной…».
Для меня его слова — одно из самых отрезвляющих высказываний. Но Расселл писал в те времена, когда ракетные корабли считались невозможными. Сегодня перспектива когда-нибудь покинуть Землю уже не кажется столь фантастической. Карл Саган как-то заметил, что нам следовало бы стать «двупланетным видом». Жизнь на Земле столь драгоценна, сказал он, что ее следовало бы распространить по крайней мере еще на одну планету — на случай катастрофы. Земля движется в «космическом тире», полном астероидов, комет и других обломков, дрейфующих недалеко от ее орбиты. Столкновение с любым из них может привести к гибели человечества.
Грядущие катастрофы
Поэт Роберт Фрост задавался вопросом: каким образом погибнет Земля, в пламени или во льду? Мы, зная законы природы, можем уверенно предположить, каким будет конец мира в случае естественной катастрофы.
Если говорить о тысячелетиях, то одной из опасностей, угрожающих нашей цивилизации, является наступление нового ледникового периода. Последний такой период закончился 10 000 лет назад. Еще через 10–20 тыс. лет, когда наступит следующий, большая часть Северной Америки может оказаться под километровым слоем льда. Расцвет человеческой цивилизации приходится на нынешнее недолгое межледниковье, когда климат на Земле стоит необычайно теплый, но такая ситуация не может продолжаться вечно.
Если говорить о миллионах лет, то катастрофический эффект может принести столкновение с Землей какого-нибудь крупного метеорита или кометы. Последнее подобное столкновение имело место 65 млн лет назад, когда на полуостров Юкатан в Мексике обрушился объект примерно 10 км в поперечнике. На месте падения возник кратер диаметром около 300 км. Результатом его стало вымирание динозавров — доминировавшей в то время на Земле формы жизни. В этом масштабе времени еще одно космическое столкновение представляется вполне вероятным.
Через несколько миллиардов лет Солнце, постепенно расширяясь, поглотит Землю. Более того, по нашим оценкам, за ближайший миллиард лет Солнце разогреется примерно на 10 % и сожжет Землю. Через 5 млрд лет Солнце превратится в красный гигант и в процессе этой эволюции полностью поглотит нашу планету. Земля окажется внутри атмосферы звезды.
Через 10 млрд лет погибнут и Солнце, и галактика Млечный Путь. Наше Солнце, исчерпав наконец запасы водородно-гелиевого топлива, сожмется и превратится в крохотный белый карлик; постепенно звезда остынет, и со временем от нее в космической пустоте останется только черный ком ядерного шлака. Галактика Млечный Путь столкнется с соседней, гораздо более крупной, галактикой — Туманностью Андромеды. Спиральные рукава Млечного Пути будут оторваны, и наше Солнце, вполне возможно, будет вышвырнуто в пустоту космоса. Черные дыры в центрах обеих галактик, сплясав танец смерти, в конце концов столкнутся и сольются воедино.
Итак, установлено, что человечество должно когда-нибудь покинуть Солнечную систему и переселиться к соседним звездам или погибнуть. Остается вопрос: как туда попасть? До ближайшей к нам звезды, Альфы Центавра, больше 4 св. лет. Традиционные ракеты с химическими реактивными двигателями, рабочие лошадки нынешней космической программы, с трудом развивают скорость до 18 км/с. С этой скоростью лететь до ближайшей звезды пришлось бы 70 000 лет.
Анализируя космическую программу, нельзя не отметить, что между нашими сегодняшними возможностями и характеристиками настоящего звездолета, который позволил бы нам начать исследование Вселенной, существует громадная пропасть. После того как в начале 1970-х гг. закончилось исследование Луны, наша пилотируемая программа предусматривала работу астронавтов на орбитах не выше 500–600 км на шаттлах и Международной космической станции. Однако в 2010 г. NASA планирует прекратить полеты шаттлов и создать вместо них космический корабль «Орион»; этот же корабль должен будет к 2020 г. снова — после полувекового перерыва — доставить астронавтов на Луну. Планируется организовать на Луне постоянную обитаемую базу. После этого, возможно, будет отправлена пилотируемая экспедиция к Марсу.
Очевидно, если мы хотим когда-нибудь добраться до звезд, нам потребуются ракеты совершенно иного типа. Необходимо радикально увеличить либо тягу наших двигателей, либо время их работы. К примеру, крупная ракета с химическими двигателями может обладать тягой в несколько тысяч тонн, но работать она будет всего несколько минут. И наоборот, ракета с двигателем другого типа, например ионным (он будет описан чуть ниже), хотя и обладает небольшой тягой, зато работать в открытом космосе способна годами. Там, где речь идет о ракетах, черепаха всегда обгонит зайца.
Ионные и плазменные двигатели
В отличие от химических реактивных двигателей, ионные не производят внезапного и очень эффектного выброса раскаленных газов, которые, собственно, и толкают традиционные ракеты. Их тяга обычно измеряется не в тоннах, а в граммах. Если такой двигатель на Земле положить на стол, у него не хватит сил сдвинуться с места. Но все, что эти двигатели недобирают в тяге, они более чем компенсируют продолжительностью работы; в вакууме открытого космоса они способны работать годами.
Типичный ионный двигатель напоминает внутренность телевизионной трубки — кинескопа. Электрический ток разогревает нить, которая, в свою очередь, создает поток ионизированных атомов, например, ксенона, которые затем выбрасываются через сопло. Вместо струи раскаленного, взрывного газа ионный двигатель выбрасывает слабый, но постоянный поток ионов.
В 1998 г. NASA провело успешный запуск зонда «Дип Спейс-1» с ионным двигателем NSTAR на борту; этот двигатель проработал в общей сложности 678 суток, установив тем самым новый рекорд. Европейское космическое агентство также провело испытания ионного двигателя на борту лунного аппарата SMART-1. На японском космическом зонде «Хаябуса», который сблизился с астероидом, произвел посадку на него и забор грунта, работали четыре ксеноновых ионных двигателя. Вообще, ионный двигатель по характеристикам выглядит не блестяще, но способен обслуживать дальние (и не слишком спешные) экспедиции к другим планетам. Возможно, когда-нибудь ионный двигатель станет непритязательной рабочей лошадкой межпланетного транспорта.
Плазменный двигатель представляет собой более мощную версию ионного. В качестве примера такого двигателя можно назвать VASIMR (variable specific impulse magnetoplasma rocket — магнитоплазменная ракета с переменным удельным импульсом); для разгона в космосе в нем используется мощный поток плазмы. Этот двигатель разработан астронавтом и инженером Франклином Чанг-Диасом. Водород в нем разогревается до температуры в несколько миллионов градусов при помощи радиоволн и магнитных полей. Очень горячая плазма выбрасывается затем через сопло ракеты, развивая при этом значительную тягу. На Земле прототипы таких двигателей уже созданы и испытаны, но в космос ни один из них еще не летал. Некоторые инженеры надеются, что плазменный двигатель можно будет использовать при создании корабля для экспедиции на Марс; это позволило бы существенно, до нескольких месяцев, сократить время в пути. Некоторые разработки предлагают использовать для разогрева плазмы в двигателе солнечную энергию. Другие предполагают использовать энергию ядерного распада (при этом, естественно, возникают дополнительные проблемы безопасности — ведь придется отправлять в космос большое количество ядерных материалов, а космические аппараты подвержены всяческим случайностям).
Но ни у ионного, ни у плазменного двигателя не хватит сил, чтобы доставить нас к звездам. Для этого потребуются реактивные двигатели, основанные на совершенно иных принципах. Одна из серьезных проблем при разработке звездолета — это чудовищное количество топлива, необходимое для путешествия даже к ближайшей звезде, и большой промежуток времени, который потребуется на это путешествие.
Солнечные паруса
Солнечный парус — идея, которая могла бы решить многие проблемы. В основе ее лежит тот факт, что солнечный свет оказывает очень небольшое, но постоянное давление, достаточное для того, чтобы нести сквозь пространство громадный парус. Идея солнечного паруса не нова, она принадлежит великому астроному Иоганну Кеплеру и изложена впервые в его трактате «Сон» 1611 г.
Идея базируется на достаточно простых законах, но разработка реального солнечного паруса, который можно было бы запустить в космос, шла медленно и как будто рывками. В 2004 г. японская ракета успешно доставила в космос два небольших экспериментальных солнечных паруса. В 2005 г. Планетарное общество, компания «Космос Студиос» и Российская академия наук запустили с подводной лодки в Баренцевом море космический парус «Космос-1»; к несчастью, ракета «Волна», на которой он находился, дала сбой и аппарат не вышел на орбиту. (Предыдущая попытка запустить суборбитальный парус в 2001 г. также потерпела неудачу.) В феврале 2006 г. японская ракета M-V успешно вывела на орбиту пятнадцатиметровый парус, но раскрылся он не полностью.
Исследования и эксперименты в области создания солнечного паруса продвигаются ужасно медленно, но его сторонники уже предложили новую идею, которая могла бы приблизить человека к звездам. Предлагается построить на Луне громадную батарею лазеров, которые пускали бы мощные лучи в солнечный парус; это позволило бы ему долететь до ближайшей звезды. Параметры межзвездного солнечного паруса просто пугают. Сам парус должен составлять несколько сотен километров в поперечнике, а сооружать его нужно непременно и полностью в открытом космосе. На Луне пришлось бы построить тысячи мощных лазеров, способных работать годами и даже десятилетиями. (По одной из оценок, каждый из таких лазеров должен в тысячу раз превосходить по мощности излучения всю сегодняшнюю планету Земля.)
Теоретически гигантский солнечный парус может развить скорость до половины скорости света. Кораблю с таким парусом на дорогу до ближайших звезд потребовалось бы всего около восьми лет. Движитель на этом принципе хорош еще и тем, что все его принципы уже известны. Для его создания не требуется открывать новых физических законов. Зато в полный рост встают другие проблемы — и экономические, и технические. Сооружение паруса поперечником в несколько сотен километров, а также строительство на Луне тысяч мощных лазеров представляют собой очень серьезную инженерную проблему — и необходимые для реализации проекта технологии появятся, возможно, еще не скоро. (Главная проблема межзвездного солнечного паруса — возвращение назад. Чтобы привести корабль обратно к Земле, придется строить на луне у звезды-цели вторую батарею лазеров. Или совершить около этой звезды стремительный гравитационный маневр, который поможет набрать скорость для обратного пути. Тогда лазеры на Луне можно будет использовать для торможения паруса, чтобы корабль мог спокойно сесть на Землю.)
Прямоточный термоядерный двигатель
Лично мне самым перспективным движителем для путешествия к звездам представляется прямоточный термоядерный двигатель. Во Вселенной больше чем достаточно водорода, так что корабль с таким двигателем мог бы собирать водород — т. е. топливо — по пути, в процессе движения в открытом космосе. По существу, у такого двигателя был бы неистощимый и всегда доступный источник топлива. Собранный водород затем нагревался бы до нескольких миллионов градусов — достаточно для термоядерного синтеза — и высвобождал энергию.
Принцип прямоточного ядерного двигателя предложил в 1960 г. физик Роберт Буссард; позже его популяризацией занимался и Карл Саган. Буссард рассчитал, что прямоточный термоядерный двигатель весом около 1000 т мог бы теоретически поддерживать постоянное ускорение, равное 1 g, т. е. сравнимое с действием земной силы тяжести. Представим, что такое ускорение поддерживается в течение года. За это время корабль разгонится до 77 % скорости света; этого уже вполне достаточно, чтобы всерьез рассматривать перспективы межзвездных путешествий.
Характеристики прямоточного ядерного двигателя нетрудно вычислить. Во-первых, нам известна средняя плотность газообразного водорода по всей вселенной. Кроме того, мы можем вычислить, сколько примерно водорода надо сжечь, чтобы достичь ускорения в 1G. Этот расчет, в свою очередь, определяет насколько большой должна быть «воронка» для сбора водорода. С помощью некоторых предположений можно показать, что нам понадобилась бы воронка диаметром около 160 километров. Хотя создать воронку такого размера было бы непомерно трудно на Земле, в космическом пространстве это было бы проще благодаря невесомости.
В принципе, прямоточный двигатель может продвинуться на неопределенное расстояние, в конечном счете достигая далеких звездных систем галактики. Так как по Эйнштейну внутри ракеты время замедляется, можно было бы преодолеть астрономические расстояния, не прибегая к анабиозу. После достижения ускорения в 1G, в течение одиннадцати лет (в соответствии с часами внутри звездолета) космический аппарат достигнет звездного скопления Плеяды, которое находится в 400 световых годах от Земли. Через двадцать три года он достигнет галактики Андромеды, которая находится в 2 миллионах световых лет от Земли. В теории, космический аппарат сможет достичь предела видимой вселенной в течение жизни членов экипажа (хотя на Земле за это время, вероятно, пройдут миллиарды лет).
Одной из ключевых проблем явлается собственно реакция синтеза. Реактор синтеза ITER, который планируется построить на юге Франции, объединяет два редких изотопа водорода (дейтерий и тритий) с целью получения энергии. В космическом пространстве, однако, наиболее распостранённая форма водорода (протий) состоит из одного протона окруженного электроном. Поэтому прямоточний двигатель синтеза должен использовать протон-протонные реакции синтеза. Хотя процесс синтеза с участием дейтерия/трития изучался на протяжении десятилетий, протон-протонный синтез намного менее изучен. Его значительно труднее достичь и он дает гораздо меньше энергии. Так что освоение протон-протонных реакций будет оставаться технической задачей в ближайшие десятилетия. (Кроме того, некоторые специалисты выражают сомнения относительно того, сможет ли прямоточный двигатель преодолеть эффекты сопротивления среды по мере приближения к скорости света)
Пока физичиские и экономические аспекты протон-протонного синтеза не разработаны, трудно давать точные оценки относительно возможностей прямоточных двигателей. Но этот тип двигателей находится в числе перспективных кандидатов на миссию полёта к звездам.
Ядерный электрореактивный двигетель
В 1956 году Комиссия по атомной энергетике США (AEC) начала серьезно рассматривать ядерные ракеты в рамках проекта Rover. В теории, ядерный реактор должен использоваться для разогрева газов (напр. водорода) до экстремально высоких температур. Затем эти газы будут выбрасываться из сопла ракеты, создавая тягу.
Из-за опасности взрыва и попадания в атмосферу Земли токсичного ядерного топлива, ранние версии ядерных ракетных двигателей размещали горизонтально на железнодорожных путях, где тщательно проверяли их работоспособность. Первым ядерным ракетным двигателем, созданным для тестирования в рамках проекта Rover в 1959 году, был Киви 1 (метко названный в честь австралийской нелетающей птицы). В 1960-х годах NASA вместе с AEC создали ядерный двигатель для ракетных транспортных средств (Nuclear Engine for Rocket Vehicle Applications, NERVA), ставший первой ядерной ракетой, которую испытали в вертикальном, а не в горизонтальном положении. В 1968 г. он был запущен на стенде соплом кверху.
Результаты этих исследований оказались весьма спорными. Ракеты получались чрезвычайно сложными, и испытания часто заканчивались неудачей. В ядерном двигателе возникали очень сильные вибрации, оболочки тепловыделяющих сборок лопались, и ракета разваливалась. Другой постоянной проблемой была коррозия из-за горения водорода при высокой температуре. В конце концов в 1972 г. ядерная ракетная программа была закрыта.
(У этих атомных ракет была и еще одна проблема: опасность начала самопроизвольной ядерной реакции, что было бы эквивалентно взрыву небольшой атомной бомбы. На атомных электростанциях сегодня ядерное топливо присутствует в небольшой концентрации, и они не могут взорваться подобно хиросимской бомбе. А вот ядерные ракетные двигатели для получения максимальной тяги работали на высокообогащенном уране, и потому в них могла в принципе возникнуть цепная реакция и, соответственно, атомный взрыв. Перед самым закрытием программы ученые решили провести еще одно, последнее испытание — попытаться взорвать ракету как атомную бомбу. Они удалили из реактора все управляющие стержни, которые помогают удерживать реакцию под контролем. Реактор послушно перешел в сверхкритичное состояние и взорвался яростным огненным шаром. Этот впечатляющий конец программы по разработке ядерных ракетных двигателей даже засняли на пленку. Русские были недовольны. Они сочли эту выходку нарушением Договора о частичном запрещении ядерных испытаний, согласно которому все взрывы атомных бомб, за исключением подземных, находились под запретом.)
Время от времени военные возвращаются к идее ядерной ракеты. Один из секретных проектов такого рода назывался «Тимбервинд» и был в 1980-х гг. частью военной программы «звездных войн». (От него отказались после того, как Федерация американских ученых опубликовала информацию о его существовании.)
Главная проблема ядерных ракетных двигателей — безопасность. Даже теперь, через полвека после начала космической эры, запуски ракет на химическом топливе иногда (примерно в 1 % случаев) заканчиваются катастрофически. (Гибель космических челноков «Челленджер» и «Колумбия», на которых нашли свою смерть 14 астронавтов, также подтверждает эту статистку аварий.)
Тем не менее несколько лет назад NASA возобновило исследования по ядерной ракете — впервые после программы NERVA 1960-х. В 2003 г. NASA окрестило свой новый проект «Прометеем» в честь греческого бога, давшего человечеству огонь. В 2005 г. на программу «Прометей» было выделено 430 млн долл., но уже в 2006 г. финансирование было урезано до 100 млн долл. В настоящий момент будущее этого проекта неясно.
Импульсный ядерный двигатель
Еще одна теоретическая возможность — использовать в качестве движителя серию ядерных мини-бомб. К примеру, проект «Орион» предусматривал последовательное выбрасывание небольших термоядерных бомб позади корабля, чтобы он мог «оседлать» ударную волну от их взрывов. Теоретически такая система может разогнать космический корабль до скорости, близкой к скорости света. Идею такого корабля впервые высказал в 1947 г. Станислав Улам, который участвовал и в разработке первых водородных бомб; позже ее развили Тед Тейлор, один из главных разработчиков ядерных боеголовок для американских военных, и физик Фримен Дайсон из Института перспективных исследований в Принстоне.
В конце 1950-х и в 1960-х гг. были проведены тщательные расчеты для межзвездного корабля, основанного на этом принципе. Согласно полученным оценкам, он мог бы за год слетать до Плутона и обратно, достигнув при этом скорости в 10 % скорости света. Но даже на такой скорости до ближайшей звезды пришлось бы лететь 44 года. Ученые рассматривали варианты, когда космический ковчег с таким движителем летел бы в космосе несколько столетий; в экипаже сменялись бы поколения, и многим пришлось бы прожить всю жизнь в этом движущемся мирке, чтобы их потомки могли добраться до близлежащих звезд.
В 1959 г. компания General Atomics выпустила доклад, в котором провела оценку размеров корабля типа «Орион». Самый крупный вариант, названный в докладе «супер-Орионом», должен был весить 8 млн т, иметь диаметр 400 м и двигаться на ударной волне от более чем тысячи водородных бомб.
Главная проблема, связанная с этим проектом, — возможность заражения района старта ядерными осадками. По оценке Дайсона, ядерные осадки от каждого запуска могут вызвать смертельную форму рака у десяти человек. Кроме того, электромагнитный импульс от взрыва так велик, что непременно вызвал бы массу коротких замыканий в расположенных неподалеку электрических системах.
Подписание в 1963 г. Договора о частичном запрещении ядерных испытаний стало похоронным звоном по этому проекту. Со временем сдался даже главный его сторонник, разработчик ядерных бомб Тед Тейлор. (Он однажды признался мне, что окончательно разочаровался в проекте, когда понял, что техническими наработками подобного проекта могут воспользоваться террористы для создания портативных атомных бомб.
Проект был закрыт как слишком опасный, но его имя продолжает жить в названии космического корабля «Орион», которым NASA планирует в 2015 г. заменить космические челноки.)
В 1973–1978 гг. концепция звездолета с ядерным движителем ненадолго возродилась в проекте «Дедал» Британского межпланетного общества. Проект представлял собой предварительное исследование возможности постройки беспилотного корабля, способного достичь звезды Барнарда — ее отделяет от Земли расстояние в 5,9 св. года. (Звезда Барнарда была выбрана в качестве цели потому, что предполагалось наличие возле нее планеты. С тех пор астрономы Джил Тартер и Маргарет Тёрнбулл составили список из 17129 не слишком далеких звезд, возле которых могут оказаться пригодные для жизни планеты. Самый многообещающий кандидат — эпсилон Индейца А — находится от нас на расстоянии 11,8 св. года.)
Ракетный корабль по проекту «Дедал» оказался таким громадным, что строить его пришлось бы в открытом космосе. Он должен был весить 54 000 т (почти весь вес — ракетное топливо) и мог разогнаться до 7,1 % скорости света, неся на себе полезную нагрузку весом 450 т. В отличие от проекта «Орион», рассчитанного на использование крохотных атомных бомб, проект «Дедал» предусматривал использование миниатюрных водородных бомб со смесью дейтерия и гелия-3 и системой зажигания при помощи электронных лучей. Но огромные технические проблемы и опасения, связанные с ядерным движителем, привели к тому, что проект «Дедал» также был отложен на неопределенное время.
Удельный импульс и эффективность двигателя
Если нужно сравнить эффективность различных типов двигателей, инженеры обычно говорят об удельном импульсе. Удельный импульс определяется как изменение импульса на единицу массы израсходованного топлива. Таким образом, чем эффективнее двигатель, тем меньше топлива требуется для вывода ракеты в космос. Импульс, в свою очередь, есть результат действия силы в течение определенного времени. Химические ракеты, хотя и обладают очень большой тягой, работают всего несколько минут, а потому характеризуются очень низким удельным импульсом. Ионные двигатели, способные работать годами, могут иметь высокий удельный импульс при очень низкой тяге.
Удельный импульс измеряется в секундах. Средняя ракета с химическим двигателем может иметь удельный импульс до 400–500 с. Так, удельный импульс двигателя шаттла составляет 453 с. (Самый высокий полученный до сих пор удельный импульс для химического реактивного двигателя составил 542 с; в качестве топлива этот двигатель использовал экзотическую смесь водорода, лития и фтора.) Ионный движок аппарата SMART-1 имел удельный импульс 1640 с. У ядерных ракетных двигателей этот параметр достигает 850 с.
Максимально возможным удельным импульсом обладала бы ракета, способная достигать скорости света. Ее удельный импульс составил бы около 30 млн. Ниже приводится таблица удельных импульсов, характерных для различных типов реактивных двигателей.
Тип двигателя (Удельный импульс)
Твердотопливный (250)
Жидкостный (450)
Ионный (3000)
Плазменный VASIMR (1000 — 30000)
Атомный (800 — 1000)
Термоядерный прямоточный (2500 — 200000)
Ядерный импульсный (10000 — 1000000)
На антиматерии (1000000 — 10000000)
(В принципе, лазерный парус и прямоточный двигатель вообще не несут с собой запаса топлива, а потому удельный импульс не является для них существенной характеристикой; тем не менее у этих конструкций есть свои проблемы.)
Космический лифт
Одно из серьезных препятствий к реализации многих звездных проектов состоит в том, что из-за громадных размеров и веса корабли невозможно построить на Земле. Некоторые ученые предлагают собирать их в открытом космосе, где благодаря невесомости астронавты смогут легко поднимать и ворочать невероятно тяжелые предметы. Но сегодня критики справедливо указывают на запредельную стоимость космической сборки. К примеру, для полной сборки Международной космической станции потребуется около 50 запусков шаттла, а ее стоимость с учетом этих полетов приближается к 100 млрд долл. Это самый дорогой научный проект в истории, но строительство в открытом космосе межзвездного космического парусника или корабля с прямоточной воронкой обошлось бы во много раз дороже.
Но, как любил говорить писатель-фантаст Роберт Хайнлайн, если вы можете подняться над Землей на 160 км, вы уже на полпути к любой точке Солнечной системы. Это потому, что при любом запуске первые 160 км, когда ракета стремится вырваться из пут земного притяжения, «съедают» львиную долю стоимости. После этого корабль, можно сказать, уже в состоянии добраться хоть до Плутона, хоть дальше.
Один из способов кардинально сократить в будущем стоимость полетов — построить космический лифт. Идея забраться на небо по веревке не нова — взять хотя бы сказку «Джек и бобовое зернышко»; сказка сказкой, но если вывести конец веревки в космос, идея вполне могла бы воплотиться в реальность. В этом случае центробежной силы вращения Земли оказалось бы достаточно, чтобы нейтрализовать силу тяжести, и веревка никогда не упала бы на землю. Она волшебным образом поднималась бы вертикально вверх и исчезала в облаках.
(Представьте себе шарик, который вы крутите на веревочке. Кажется, что на шарик не действует сила тяжести; дело в том, что центробежная сила толкает его прочь от центра вращения. Точно так же очень длинная веревка может висеть в воздухе благодаря вращению Земли.) Держать веревку не потребуется, вращения Земли будет достаточно. Теоретически человек мог бы залезть по такой веревке и подняться прямо в космос. Иногда мы просим студентов-физиков рассчитать натяжение такой веревки. Несложно показать, что такого натяжения не выдержит даже стальной трос; именно поэтому долгое время считалось, что космический лифт реализовать невозможно.
Первым из ученых, кто всерьез заинтересовался проблемой космического лифта, стал русский ученый-провидец Константин Циолковский. В 1895 г. под впечатлением от Эйфелевой башни он вообразил башню, которая бы поднималась прямо в космическое пространство и соединяла Землю с парящим в космосе «звездным замком». Строить ее предполагалось снизу вверх, начиная с Земли, откуда инженеры должны были бы медленно возводить к небесам космический лифт.
В 1957 г. русский ученый Юрий Арцутанов предложил новое решение: строить космический лифт обратным порядком, сверху вниз, начиная из космоса. Автор представил себе спутник на геостационарной орбите на расстоянии 36 000 км от Земли — с Земли он при этом будет казаться неподвижным; с этого спутника предлагалось опустить на Землю трос, а затем закрепить его в нижней точке. Проблема в том, что трос для космического лифта должен был бы выдерживать натяжение примерно в 60-100 ГПа. Сталь рвется при натяжении примерно в 2 ГПа, что лишает идею всякого смысла.
Более широкая аудитория смогла познакомиться с идеей космического лифта позже; в 1979 г. вышел роман Артура Кларка «Фонтаны рая», а в 1982 г. — роман Роберта Хайнлайна «Пятница». Но поскольку прогресс в этом направлении застопорился, о ней забыли.
Ситуация резко изменилась, когда химики изобрели углеродные нанотрубки. Интерес к ним резко возрос после публикации в 1991 г. работы Сумио Иидзимы из компании Nippon Electric. (Надо сказать, что о существовании углеродных нано-трубок было известно еще с 1950-х гг., но долгое время на них не обращали внимания.) Нанотрубки гораздо прочнее, но при этом гораздо легче стальных тросов. Строго говоря, по прочности они даже превосходят уровень, необходимый для космического лифта. По мнению ученых, волокно из углеродных нанотрубок должно выдерживать давление 120 ГПа, что заметно выше необходимого минимума. После этого открытия попытки создания космического лифта возобновились с новой силой.
Б 1999 г. было опубликовано серьезное исследование NASA; в нем рассматривался космический лифт в виде ленты шириной примерно один метр и длиной около 47 000 км, способный доставить на орбиту вокруг Земли полезный груз весом около 15 т. Реализация подобного проекта мгновенно и полностью изменила бы экономическую сторону космических путешествий. Стоимость доставки грузов на орбиту разом уменьшилась бы в 10 000 раз; такую перемену иначе как революционной не назовешь.
В настоящее время доставка одного фунта груза на околоземную орбиту стоит не меньше 10 000 долл. Так, каждый полет шаттла обходится примерно в 700 млн долл. Космический лифт сбил бы стоимость доставки до 1 долл. за фунт. Такое радикальное удешевление космической программы могло бы полностью изменить наши взгляды на космические путешествия. Простым нажатием кнопки можно было бы запустить лифт и подняться в открытый космос за сумму, соответствующую по стоимости, скажем, билету на самолет.
Но, прежде чем строить космический лифт, на котором можно будет без труда подняться в небеса, нам предстоит преодолеть очень серьезные препятствия. В настоящее время самое длинное волокно из углеродных нанотрубок, полученное в лаборатории, по длине не превосходит 15 мм. Для космического лифта потребуются тросы из нанотрубок длиной в тысячи километров. Конечно, с научной точки зрения это чисто техническая проблема, но решить ее необходимо, а она может оказаться упрямой и сложной. Тем не менее многие ученые убеждены, что на овладение технологией производства длинных тросов из углеродных нанотрубок нам хватит нескольких десятилетий.
Вторая проблема заключается в том, что из-за микроскопических нарушений структуры углеродных нанотрубок получение длинных тросов может оказаться вообще проблематичным. По оценке Никола Пуньо из Туринского политехнического института, если хотя бы один атом в углеродной нанотрубке окажется не на своем месте, прочность трубки может сразу уменьшиться на 30 %. В целом дефекты на атомном уровне могут лишить трос из нанотрубок 70 % прочности; при этом допустимая нагрузка окажется ниже того минимума гигапаскалей, без которых невозможно построить космический лифт.
Стремясь подстегнуть интерес частных предпринимателей к разработке космического лифта, NASA объявило два отдельных конкурса. (За образец был взят конкурс Ansari X-Prize с призом в 10 млн долл. Конкурс успешно подогрел интерес предприимчивых инвесторов к созданию коммерческих ракет, способных поднимать пассажиров к самой границе космического пространства; объявленную премию получил в 2004 г. корабль SpaceShipOne.) Конкурсы NASA носят названия Beam Power Challenge и Tether Challenge.
Чтобы выиграть первый из них, команда исследователей должна создать механическое устройство, способное поднять груз весом не менее 25 кг (включая собственный вес) вверх по тросу (подвешенному, скажем, на стреле подъемного крана) со скоростью 1 м/с на высоту 50 м. Возможно, задача кажется несложной, но проблема в том, что это устройство не должно использовать топливо, аккумуляторы или электрический кабель. Вместо этого робот-подъемник должен получать питание от солнечных батарей, солнечных рефлекторов, лазеров или микроволнового излучения, т. е. из тех источников энергии, которыми удобно пользоваться в космосе.
Чтобы победить в конкурсе Tether Challenge, команда должна представить двухметровые куски троса весом не более двух граммов каждый; при этом такой трос должен выдерживать нагрузку на 50 % большую, чем лучший образец предыдущего года. Цель этого конкурса — стимулировать исследования по разработке сверхлегких материалов, достаточно прочных, чтобы их можно было протянуть на 100 000 км в космос. Победителей ждут премии размером 150 000,40 000 и 10 000 долл. (Чтобы подчеркнуть сложность задачи, в 2005 г. — первом году конкурса — премия не была присуждена никому.)
Безусловно, работающий космический лифт способен резко изменить космическую программу, но и у него есть свои недостатки. Так, траектория движения спутников по околоземной орбите постоянно сдвигается относительно Земли (потому что Земля под ними вращается). Это означает, что со временем любой из спутников может столкнуться с космическим лифтом на скорости 8 км/с; этого будет более чем достаточно, чтобы порвать трос. Для предотвращения подобной катастрофы в будущем придется либо предусматривать на каждом спутнике небольшие ракеты, которые дали бы ему возможность обойти лифт, либо снабдить сам трос небольшими ракетами, чтобы он мог уходить с траектории спутников.
Кроме того, проблемой могут стать столкновения с микрометеоритами — ведь космический лифт поднимется далеко за пределы земной атмосферы, которая в большинстве случаев защищает нас от метеоров. Поскольку предсказать подобные столкновения невозможно, космический лифт придется снабдить дополнительной защитой и, возможно, даже отказоустойчивыми резервными системами. Проблему могут представлять собой и такие атмосферные явления, как ураганы, приливные волны и штормы.
Гравитационный маневр
Существует еще один способ разогнать объект до скорости, близкой к скорости света, — воспользоваться «эффектом пращи». При отправке космических зондов к другим планетам NASA иногда заставляет их совершить маневр вокруг соседней планеты, чтобы, воспользовавшись «эффектом пращи», дополнительно разогнать аппарат. Так NASA экономит ценное ракетное топливо. Именно таким образом аппарату «Вояджер-2» удалось долететь до Нептуна, орбита которого лежит у самого края Солнечной системы.
Фримен Дайсон, физик из Принстона, выдвинул интересное предложение. Если когда-нибудь в далеком будущем человечеству удастся обнаружить в космосе две нейтронные звезды, обращающиеся вокруг общего центра с большой скоростью, то земной корабль, пролетев совсем рядом с одной из этих звезд, может за счет гравитационного маневра набрать скорость, равную чуть ли не трети скорости света. В результате корабль разогнался бы до околосветовых скоростей за счет гравитации. Теоретически такое может получиться.
Другие ученые предлагают воспользоваться для этой цели нашим собственным светилом. Этим методом воспользовался, к примеру, экипаж звездолета «Энтерпрайз» в фильме «Звездный путь IV: Путешествие домой». Угнав корабль клингонов, экипаж «Энтерпрайза» направил его по близкой к Солнцу траектории, чтобы пробить световой барьер и вернуться назад во времени. В фильме «Когда сталкиваются миры» Земле угрожает столкновение с астероидом. Чтобы бежать с обреченной планеты, ученые сооружают гигантскую конструкцию вроде американских горок. Съезжая с горки, ракетный корабль набирает огромную скорость, затем разворот внизу на малом радиусе — и вперед, в космос.
Только на самом деле ни один из этих способов разогнаться при помощи гравитации не сработает. (Закон сохранения энергии говорит о том, что тележка на американских горках, разгоняясь на спуске и замедляясь на подъеме, оказывается наверху ровно с той же скоростью, что и в самом начале — никакого приращения энергии не происходит. Точно так же, обернувшись вокруг неподвижного Солнца, мы закончим ровно с той же скоростью, с какой начали маневр.) Метод Дайсона с двумя нейтронными звездами в принципе мог бы сработать, но только потому, что нейтронные звезды быстро движутся. Космический аппарат, использующий гравитационный маневр, получает приращение энергии за счет движения планеты или звезды. Если они неподвижны, подобный маневр ничего не даст.
А предложение Дайсона, хотя и может сработать, ничем не поможет сегодняшним земным ученым — ведь для того, чтобы наведаться к быстро вращающимся нейтронным звездам, потребуется для начала построить звездолет.
Из пушки в небеса
Еще один хитроумный способ вывести корабль в космос и разогнать до фантастических скоростей — выстрелить им из рельсовой электромагнитной «пушки», которую описывали в своих произведениях Артур Кларк и другие авторы-фантасты. В настоящее время этот проект всерьез рассматривается как возможная часть противоракетного щита программы «звездных войн».
Способ заключается в том, чтобы вместо ракетного топлива или пороха использовать для разгона ракеты до высоких скоростей энергию электромагнетизма.
В простейшем случае рельсовая пушка представляет собой два параллельных провода или рельса; реактивный снаряд, или ракета, «сидит» на обоих рельсах, образуя U-образную конфигурацию. Еще Майкл Фарадей знал, что на рамку с электрическим током в магнитном поле действует сила. (Вообще говоря, на этом принципе работают все электродвигатели.) Если пропустить через рельсы и снаряд электрический ток силой в миллионы ампер, вокруг всей системы возникнет чрезвычайно мощное магнитное поле, которое, в свою очередь, погонит снаряд по рельсам, разгонит его до громадной скорости и вышвырнет в пространство с оконечности рельсовой системы.
Во время испытаний рельсовые электромагнитные пушки успешно выстреливали металлические объекты с громадными скоростями, разгоняя их на очень короткой дистанции. Что замечательно, в теории обычная рельсовая пушка способна выстреливать металлический снаряд со скоростью 8 км/с; этого достаточно, чтобы вывести его на околоземную орбиту. В принципе весь ракетный флот NASA можно было бы заменить рельсовыми пушками, которые прямо с поверхности Земли выстреливали бы полезный груз на орбиту.
Рельсовая пушка имеет существенные преимущества по отношению к химическим пушкам и ракетам. Когда вы стреляете из ружья, максимальная скорость, с которой расширяющиеся газы способны вытолкнуть пулю из ствола, ограничена скоростью распространения ударной волны. Жюль Берн в классическом романе «С Земли на Луну» выстрелил снаряд с астронавтами к Луне при помощи пороха, но на самом деле несложно подсчитать, что максимальная скорость, которую может придать снаряду пороховой заряд, во много раз меньше скорости, необходимой для полета к Луне. Рельсовая же пушка не использует взрывное расширение газов и потому никак не зависит от скорости распространения ударной волны.
Но у рельсовой пушки свои проблемы. Объекты на ней ускоряются так быстро, что они, как правило, сплющиваются из-за столкновения… с воздухом. Полезный груз оказывается сильно деформированным в процессе «выстрела» из дула рельсовой пушки, потому что когда снаряд врезается в воздух, это все равно как если бы он ударился о кирпичную стенку. Кроме того, при разгоне снаряд испытывает громадное ускорение, которое само по себе способно сильно деформировать груз. Рельсы необходимо регулярно заменять, так как снаряд при движении также деформирует их. Более того, перегрузки в рельсовой пушке смертельны для людей; человеческие кости просто не выдержат подобного ускорения и разрушатся.
Одно из решений состоит в том, чтобы установить рельсовую пушку на Луне. Там, за пределами земной атмосферы, снаряд сможет беспрепятственно разгоняться в вакууме открытого космоса. Но даже на Луне снаряд при разгоне будет испытывать громадные перегрузки, способные повредить и деформировать полезный груз. В определенном смысле рельсовая пушка — антипод лазерного паруса, который набирает скорость постепенно в течение долгого времени. Ограничения рельсовой пушки определяются именно тем, что она на небольшом расстоянии и за небольшое время передает телу громадную энергию.
Рельсовая пушка, способная выстрелить аппарат к ближайшим звездам, стала бы весьма дорогостоящим сооружением. Так, один из проектов предусматривает строительство в открытом космосе рельсовой пушки длиной в две трети расстояния от Земли до Солнца. Эта пушка должна будет накапливать солнечную энергию, а затем разом расходовать ее, разгоняя десятитонную полезную нагрузку до скорости, равной трети скорости света. При этом «снаряд» будет испытывать перегрузку в 5000 g. Разумеется, «пережить» такой пуск смогут только самые выносливые корабли-роботы.
Опасности космического путешествия
Конечно, космическое путешествие — не загородный пикник. В пилотируемых полетах к Марсу или еще дальше человека поджидают страшные опасности. Миллионы лет жизнь на Земле развивалась под надежной защитой: озоновый слой предохраняет планету от ультрафиолетовых лучей, магнитное поле защищает от солнечных вспышек и космической радиации, а толстая атмосфера прикрывает от метеоров, которые успевают сгореть в ее толще. Умеренные температуры и колебания атмосферного давления кажутся нам естественными. Но в глубоком космосе нам придется лицом к лицу столкнуться с тем фактом, что большая часть Вселенной находится в состоянии хаоса; придется столкнуться со смертельно опасными радиационными поясами и метеоритными роями.
Первая проблема продолжительного космического путешествия, которую необходимо решить, — это невесомость. Проведенные русскими долговременные исследования невесомости показали, что тело человека в космосе теряет необходимые для жизни минералы и химические вещества гораздо быстрее, чем ожидалось. Не спасает даже жесткая программа физических упражнений: после года на орбитальной станции кости и мышцы русских космонавтов так атрофируются, что после возвращения на Землю они оказываются в состоянии только ползать, как младенцы, и то с трудом. Похоже, что непременными следствиями продолжительного пребывания в невесомости во время космического перелета являются атрофия мышц, изнашивание опорно-двигательной системы, снижение уровня производства красных кровяных телец, снижение иммунного ответа, ослабление сердечно-сосудистой деятельности.
Полет к Марсу, который может продлиться от нескольких месяцев до года, находится у самого предела выносливости наших астронавтов. В длительных полетах к ближайшим звездам эта проблема может оказаться фатальной. Возможно, ради сохранения жизни экипажа звездолетам будущего придется вращаться, создавая за счет центробежных сил искусственное тяготение. Такое требование сильно усложнит проектирование и поднимет стоимость звездолета.
Вторая проблема заключается в том, что из-за присутствия в пространстве метеоритов, движущихся со скоростями в десятки километров в секунду, придется, возможно, оборудовать космические корабли дополнительной защитой. Тщательное обследование корпуса шаттлов выявило признаки попадания нескольких крошечных, но чреватых смертельной опасностью метеоритов. Очень может быть, что на космических кораблях будущего придется устраивать специальное помещение для экипажа и снабжать его двойной защитой.
Уровень радиации в глубоком космосе гораздо выше, чем предполагалось ранее. Так, за время 11-летнего цикла солнечные вспышки способны послать к Земле громадное количество смертельно опасной плазмы. Именно это явление не раз вынуждало астронавтов на космической станции искать дополнительной защиты против потенциально опасного налета субатомных частиц, а прогулка в открытом космосе в такой момент была бы смертельной. (Даже во время обычного трансатлантического перелета из Лос-Анджелеса в Нью-Йорк, к примеру, мы подвергаемся действию излучения интенсивностью примерно 1 мбэр/ч. За время перелета каждый пассажир получает почти такую же дозу радиации, как при рентгеновском снимке зуба.) В глубоком космосе, где нас уже не защищают ни атмосфера Земли, ни ее магнитное поле, радиация может превратиться в серьезную проблему.
Временное прекращение жизненных функций
Что бы мы ни говорили о полете к звездам, какие бы проекты ни разрабатывали, одно обстоятельство остается неизменным: даже если мы сумеем построить звездолет, на дорогу до ближайших звезд нам потребуются десятилетия, а то и столетия. Для подобного полета потребуется несколько поколений экипажа, и к месту назначения доберутся лишь потомки тех, кто отправился в путь.
Одно из решений этой проблемы, фигурирующее в таких фильмах, как «Чужой» и «Планета обезьян», — подвергнуть космических путешественников анабиозу; это означает осторожно и медленно снизить температуру тела до такого уровня, на котором почти прекращается отправление всех жизненных функций. Некоторые животные проделывают подобную операцию каждый год во время зимней спячки. Некоторые рыбы и лягушки спокойно вмерзают в лед, а потом, когда температура повышается, оттаивают и оживают.
Биологи, занимавшиеся изучением этого интересного явления, считают, что такие животные способны создавать в своем теле естественный «антифриз», который заметно снижает температуру замерзания воды. У рыб таким естественным антифризом служат определенные протеины, у лягушек — глюкоза. Обогатив кровь этими протеинами, рыба может жить зимой в Арктике при температуре -2 °C. Лягушки развили у себя способность поддерживать высокий уровень глюкозы, предотвращая таким образом формирование ледяных кристаллов. Снаружи их тела могут казаться промороженными насквозь, но на самом деле внутри они не промерзают; все органы сохраняют способность функционировать, хотя и в замедленном темпе.
Но с млекопитающими все далеко не так просто. При промерзании человеческого тела внутри клеток начинают формироваться кристаллы льда. По мере роста они протыкают и разрушают стенки клетки. (Возможно, знаменитостям, которые захотели сохранить свои головы и тела после смерти замороженными в жидком азоте, следовало бы еще раз задуматься.)
Тем не менее в последнее время наметился некоторый прогресс в работе с млекопитающими, которые в природе не впадают в спячку, — с такими животными, как мыши и собаки. В 2005 г, ученые из Университета Питтсбурга сумели вернуть к жизни собак после того, как из них полностью выкачали кровь и заменили ее на специальную очень холодную жидкость. Проведя в состоянии клинической смерти три часа, собаки ожили, как только им снова запустили сердца. (Хотя большинство собак после этой процедуры остались здоровыми, у некоторых мозг оказался поврежден.)
В этом же году ученые поместили мышей в камеру, заполненную сероводородом и успешно снизили на 6 часов температуру их тел до 13 °C. Скорость метаболизма мышей упала в десять раз. В 2006 г. доктора из Главного массачусетского госпиталя в Бостоне ввели мышей и свиней в состояние замедленной жизнедеятельности, или анабиоза, также при помощи сероводорода.
В будущем подобная процедура, вполне возможно, станет спасать жизнь пострадавшим в серьезных катастрофах или от сердечного приступа, т. е. в тех случаях, когда дорога каждая секунда. Не исключено, что анабиоз даст врачам возможность «останавливать время», а пациентам — дождаться необходимой помощи. Но пройдут десятилетия, прежде чем эту методику можно будет применить к астронавтам-людям, тем более что им, возможно, придется провести в состоянии анабиоза не одно столетие.
Нанокорабли
Существует еще несколько способов, пока не опробованных и известных лишь в теории, которые в принципе могут дать нам возможность добраться до звезд. Одно из многообещающих предложений — отправить к звездам беспилотные зонды, созданные с применением нанотехнологий. Все предыдущее обсуждение основывалось на предположении о том, что звездолеты непременно должны быть чудовищными машинами, потребляющими громадные количества энергии и способные нести к звездам большой экипаж; примерно так выглядит звездолет «Энтерпрайз» в сериале «Звездный путь».
Но гораздо более реальным представляется другой путь развития. Разумнее, вероятно, сначала отправить к далеким звездам миниатюрные зонды со скоростями, близкими к скорости света. Как мы уже упоминали, в будущем, с развитием нанотехнологий, должна появиться возможность создавать крошечные космические корабли, в состав которых войдут машины атомного и молекулярного размеров. К примеру, ионы обладают чрезвычайно малой массой, поэтому их можно без труда разогнать до скорости, близкой к скорости света, для этого будет достаточно обычной сети электропитания, какую можно найти в любой лаборатории. Чтобы отправить в космос ионы на почти световой скорости, не нужно строить гигантские реактивные ракеты, достаточно разогнать их при помощи мощного электромагнитного поля. Это означает, что, если поместить ионизированный нанобот в электрическое поле, его можно без труда разогнать до околосветовой скорости. После этого нанобот уже самостоятельно отправится к звездам, ведь в космосе нет трения и тормозить его будет нечему. Таким способом решаются многие проблемы, неизбежные для крупных звездолетов. Не исключено, что отправить к ближайшим звездам беспилотные умные корабли-наноботы окажется многократно дешевле, чем строить и запускать громадный звездолет с экипажем людей.
Нанокорабли можно направить к ближайшим звездам или, как предложил Джеральд Нордли, отставной инженер ВВС в области астронавтики, использовать для создания давления на солнечный парус и дополнительного его разгона. Нордли говорит: «Если целое созвездие кораблей размером с булавочную головку будет лететь строем и поддерживать между собой связь, их можно будет разгонять буквально карманным фонариком».
Но и у нанозвездолетов могут обнаружиться свои проблемы. Так, в открытом космосе они могут сбиться с курса от воздействия электрических и магнитных полей. Чтобы предотвратить это, их придется заранее, еще на Земле, заряжать до высокого потенциала; в этом случае их будет не так-то просто сбить с пути. Во-вторых, нам, возможно, придется послать не один миллион кораблей-наноботов, чтобы хоть горстка их могла гарантированно долететь до цели. Может показаться, что отправлять на исследование ближайших звезд целые рои нано-звездолетов очень расточительно, но звездолеты эти должны быть дешевыми, а массовое автоматическое производство, вероятно, позволит выпускать их миллиардами; при этом до цели долетит лишь малая часть запущенных наноботов.
Можно ли сказать, как примерно будут выглядеть нанокорабли? Дэниел Голдин, бывший глава NASA, представлял себе флотилии космических кораблей размером с банку кока-колы. Другие говорили о кораблях размером с иголку. Пентагон изучает возможность создания «умной пыли» — мелких пылевидных устройств с крохотными датчиками, которые можно было бы распылять над полем боя, чтобы непрерывно снабжать командиров достоверной информацией. Не исключено, что в будущем такую «умную пыль» можно будет послать к ближайшим звездам.
Скорее всего, электрические схемы пылевидных наноботов будут изготовлены при помощи той же технологии травления, которая используется в производстве полупроводников; эта технология позволяет создавать электронные компоненты размером не больше 30 нм, или приблизительно 150 атомов в поперечнике. Наноботы можно запускать с Луны при помощи рельсовых пушек — или даже при помощи ускорителей частиц, которые без труда разгоняют элементарные частицы до околосветовых скоростей. Наноботы должны быть настолько дешевыми, что в космос их можно будет запускать миллионами.
Добравшись до ближайшей звездной системы, наноботы могли бы сесть на какую-нибудь пустынную луну. Гравитация на ней небольшая, и наноботы смогут без труда садиться и взлетать. На мертвой луне, как правило, ничего не происходит, а стабильная обстановка идеальна для создания оперативной базы. Обосновавшись на спутнике, нанобот сможет построить из местных материалов нанофабрику и соорудить мощную радиостанцию, способную направить мощный луч и передать информацию на Землю. Нанофабрика может быть также рассчитана на производство миллионов копий самого нанобота для подробного исследования этой звездной системы и полета к ближайшим звездам. Таким образом, процесс повторится. Автоматическим звездолетам нет нужды возвращаться обратно; им достаточно передать на Землю собранную информацию.
Только что описанный нанобот иногда еще называют зондом фон Неймана в честь прославленного математика Джона фон Неймана, который разработал математический аппарат самовоспроизводящейся машины Тьюринга. В принципе такие самовоспроизводящиеся космические корабли-наноботы способны исследовать всю Галактику, а не только близлежащие звезды. Со временем могла бы образоваться сфера из триллионов таких роботов, которые экспоненциально размножались бы по мере увеличения радиуса сферы; расширение сферы при этом шло бы с околосветовой скоростью. За несколько сотен тысяч лет наноботы внутри этой расширяющейся сферы колонизировали бы всю Галактику.
Очень серьезно к идее нанозвездолетов относится, к примеру, инженер-электрик Брайан Гилкрист из Университета Мичигана. Недавно он получил от Института перспективных концепций NASA грант размером 500 000 долл. на проработку идеи строительства нанокораблей с двигателем не крупнее бактерии. Он рассчитывает использовать все ту же технологию травления, заимствованную из полупроводниковой промышленности, для создания флотилии из нескольких миллионов нанокораблей. Двигаться эти корабли будут за счет выбрасывания крошечных наночастиц размером всего несколько десятков нанометров. Эти наночастицы предполагается разгонять в электрическом поле — точно так же, как делается в ионном двигателе. Но каждая наночастица весит в тысячи раз больше иона, поэтому и тяга у такого двигателя будет значительно больше, чем у обычного ионного. Таким образом, двигатели нанокораблей будут обладать всеми преимуществами ионных двигателей, но значительно большей тягой. Гилкрист уже начал травить кое-какие детали для своих нанокораблей. На данный момент ему удается разместить 10 000 отдельных «двигателей» на одном кремниевом чипе размером в один сантиметр. Первоначально он планирует разослать свою флотилию по Солнечной системе и таким образом проверить эффективность нанокораблей. Но со временем они могут составить часть первой земной флотилии, которая отправится к звездам.
Проект Гилкриста — одно из нескольких футуристических предложений, которые в настоящее время рассматривает NASA. После нескольких десятилетий бездействия NASA вновь обратилось к различным проектам межзвездных путешествий — от вполне реальных до совершенно фантастичных. С начала 1990-х NASA принимает у себя ежегодный Семинар по исследованиям в области перспективных космических двигателей, во время которого несколько команд серьезных инженеров и физиков разбирают предложенные проекты по косточкам. Еще более серьезные задачи ставит перед собой программа прорывных физических принципов, цель которой — исследовать загадочный мир квантовой физики в приложении к идее межзвездных путешествий. Ученые не пришли к единому мнению, но по большей части их усилия сосредоточены на самых успешных и продвинутых на данный момент проектах: лазерных парусах и различных вариантах термоядерных двигателей.
Учитывая медленное, но верное продвижение в разработках космических аппаратов, разумно предположить, что первый беспилотный зонд того или иного сорта может отправиться к ближайшим звездам еще в этом столетии или, возможно, в начале следующего, а значит, путешествие к звездам следует классифицировать как невозможность I класса.
Однако самый многообещающий, возможно, вариант звездного корабля предполагает использование антивещества. В настоящий момент этот проект больше напоминает научную фантастику, но не будем забывать, что антивещество уже получено на Земле; не исключено, что когда-нибудь такой звездолет станет самым перспективным вариантом для отправки к звездам первой настоящей экспедиции.
10. Антивещество и антивселенные
Самая волнующая фраза, какую можно услышать в науке, — фраза, возвещающая о новых открытиях, — вовсе не «Эврика!», а «Вот забавно…».
Айзек Азимов
Если человек верит не так, как мы, мы называем его чудаком, и на этом дело кончается. Я имею в виду, кончается в наши дни, потому что мы не можем сжечь его.
Марк Твен
Первопроходца всегда можно узнать по стрелам в спине.
Беверли Рубик
В бестселлере Дэна Брауна «Ангелы и демоны», который предшествовал его же «Коду да Винчи», действие сосредоточено вокруг заговора небольшой группы экстремистов-«иллюминатов»; заговорщики хотели взорвать Ватикан бомбой из антивещества, выкраденного из ядерной лаборатории CERN недалеко от Женевы. Заговорщики знают, что результатом соприкосновения вещества и антивещества должен стать грандиозный взрыв, во много раз более мощный, чем взрыв водородной бомбы. И хотя бомба из антивещества — плод фантазии автора, само по себе антивещество вполне реально.
Эффективность атомной бомбы, несмотря на всю ее жуткую мощь, составляет всего около 1 %. В энергию переходит лишь крохотная часть массы урана. А вот бомба из антиматерии, если бы такую удалось создать, превращала бы в энергию 100 % своей массы, и потому была бы гораздо более эффективной, чем атомная бомба. (Точнее, в «полезную» взрывную энергию в такой бомбе превратилось бы около 50 % вещества; оставшаяся часть массы была бы унесена в пространство почти необнаружимыми частицами — нейтрино.)
Долгое время антивещество находилось в фокусе общественного и научного интереса. Хотя бомбы из антивещества по-прежнему не существует, физики научились создавать небольшие порции антивещества для изучения при помощи мощных ускорителей.
Получение антиатома и антихимия
В начале XX в. физики поняли, что атом состоит из заряженных элементарных частиц, и электроны (отрицательно заряженные частицы) обращаются вокруг крохотного ядра (имеющего положительный заряд). Ядро, в свою очередь, состоит из протонов (носителей положительного заряда) и нейтронов (которые электрически нейтральны).
В начале 1950-х гг. физика пережила настоящий шок. Связано это было с пониманием того, что для каждой частицы существует парная к ней античастица — точно такая же частица, но с противоположным зарядом. Первым был открыт положительно заряженный антиэлектрон (получивший название позитрон). Позитрон во всем идентичен электрону, но заряд при этом имеет положительный. (Трек, или след, позитрона очень легко увидеть в камере Вильсона. В мощном магнитном поле пролетающие позитроны отклоняются в противоположном направлении по отношению к обьиным электронам. Еще в школе я фотографировал подобные треки антивещества.)
В 1955 г. на ускорителе частиц Университета Калифорнии в Беркли — «Беватроне» — был получен первый антипротон. Как и ожидалось, он оказался полностью идентичен протону, за исключением того, что заряжен отрицательно. Это означает, что в принципе можно создать антиатом (где вокруг антипротонного ядра будут обращаться позитроны). Более того, теоретически возможно существование всех антиэлементов, антихимии, антилюдей, антиземель и даже антивселенных.
К настоящему моменту ученым удалось создать крошечные порции антиводорода на гигантском ускорителе в CERN и в Лаборатории имени Ферми неподалеку от Чикаго. (Для этого пучок высокоэнергетических протонов при помощи мощного ускорителя направляют на мишень, создавая таким образом беспорядочный поток осколков атомов. Мощные магниты выделяют из этого потока антипротоны, которые затем замедляют до очень низких скоростей и затем подвергают действию позитронов, которые естественным образом излучает натрий-22. Если позитрон, он же антиэлектрон, начинает обращаться вокруг антипротона, возникает атом антиводорода — ведь атом водорода состоит из одного протона и одного электрона.) В чистом вакууме такие антиатомы могут существовать вечно. Но стенки сделаны из обычного вещества, да и примесей избежать невозможно, так что рано или поздно антиатомы сталкиваются с обычными атомами и аннигилируют с высвобождением энергии.
В 1995 г. CERN произвел настоящую сенсацию — объявил о создании девяти атомов антиводорода. В принципе ничто — кроме, разумеется, запредельно высокой цены — не мешает нам создавать атомы более тяжелых антиэлементов. Любое государство обанкротилось бы, произведя несколько десятков граммов антиатомов. В настоящее время уровень производства антивещества в мире составляет от одной миллиардной до одной десятимиллиардной грамма в год. К 2020 г. это количество, возможно, утроится. Экономическая сторона производства антивещества выглядит весьма неприглядно. В 2004 г. несколько триллионных грамма антивещества обошлась CERN в 20 млн долл. При таких темпах производство 1 г антивещества стоило бы сто квадриллионов долларов и заняло бы 100 млрд лет непрерывной работы фабрики! Это делает антивещество самым дорогим продуктом на свете.
«Если бы мы могли собрать все произведенное нами антивещество и аннигилировать его с веществом, — говорится в заявлении CERN, — мы получили бы достаточно энергии, чтобы одна электрическая лампочка могла гореть несколько минут».
Обращаться с антивеществом чрезвычайно сложно — ведь любой контакт вещества и антивещества порождает взрыв. Поместить антивещество в обычный контейнер равносильно самоубийству — как только оно соприкоснется со стенками, произойдет взрыв. Вообще, как можно обращаться с такой чувствительной субстанцией? Единственный способ — предварительно ионизировать антивещество, превратив его в ионный газ, а затем надежно запереть в «магнитную бутылку», где магнитное поле не даст ему соприкоснуться со стенками.
Если мы хотим построить двигатель на антивеществе, нам нужно будет обеспечить постоянную подачу его в рабочую камеру; там антивещество будет аккуратно входить в соприкосновение с веществом, рождая управляемый взрыв — примерно такой же, какой происходит в ракете с химическим двигателем. Ионы, возникшие в процессе взрыва, будут затем выбрасываться через сопло двигателя, придавая ракете поступательное движение. Двигатель на антивеществе весьма эффективно превращает материю в энергию, поэтому теоретически это самый соблазнительный тип двигателя для звездолетов будущего. В сериале «Звездный путь» источником энергии звездолета «Энтерпрайз» является антивещество; в его двигателях постоянно происходит управляемая встреча вещества с антивеществом.
Реактивный двигатель на антивеществе
Физик Джеральд Смит из Университета штата Пенсильвания — один из самых ярых сторонников кораблей на антивеществе. Он считает, что, не заглядывая слишком далеко вперед, всего лишь 4 мг позитронов будет достаточно, чтобы доставить корабль с соответствующим двигателем на Марс всего за несколько недель. Смит отмечает, что антивещество способно высвободить примерно в миллиард раз больше энергии, чем обычное ракетное топливо.
Первым делом при производстве топлива-антивещества должно стать получение в ускорителе частиц потока антипротонов и «складирование» их в ловушке Пеннинга, которую разрабатывает в настоящий момент Смит. Предполагается, что готовая ловушка Пеннинга будет весить 100 кг (большую часть из которых должны составлять жидкие азот и гелий) и сможет вместить около триллиона антипротонов, удерживая их в магнитном поле. (При очень низких температурах длина волны антипротонов в несколько раз больше длины волны атомов, из которых состоит стенка контейнера, поэтому антипротоны в большинстве случаев будут отражаться от стенки без аннигиляции.) Смит утверждает, что антипротоны в ловушке Пеннинга можно будет хранить около пяти суток (до использования, т. е. до смешивания с обычными атомами и аннигиляции). Ожидается, что его ловушка вместит примерно одну миллиардную грамма антипротонов. Цель Смита — создать ловушку Пеннинга, способную удерживать до 1 мкг, т. е. до одной миллионной доли грамма, антипротонов.
Хотя антивещество продолжает оставаться самой дорогостоящей субстанцией на Земле, его цена год от года резко падает (по сегодняшним ценам грамм антивещества стоил бы примерно 62,5 трлн долл.). В Лаборатории имени Ферми под Чикаго строится новый инжектор частиц, который должен увеличить производство антивещества в лаборатории в десять раз, с 1,5 до 15 нг в год, что тоже должно существенно снизить цены. Тем не менее Гарольд Герриш из NASA считает, что с дальнейшим усовершенствованием технологии цена вполне может снизиться до 5000 долл. за микрограмм. Доктор Стивен Хау из компании Synergistic Technologies в Лос-Аламосе, штат Нью-Мексико, утверждает: «Наша цель — перевести антивещество из недостижимой сферы научной фантастики в открытую для коммерческого использования сферу транспортных и медицинских приложений».
До сих пор для получения антипротонов используются ускорители, которые разрабатывались в свое время как инструменты для научных исследований, а не как фабрики по производству антивещества; поэтому они, естественно, очень неэффективны. Именно поэтому Смит мечтает о строительстве нового ускорителя частиц, специально разработанного для производства значительного количества антипротонов; появление такой специализированной фабрики сразу снизило бы цену.
Смит мечтает о том, что когда-нибудь, когда дальнейшие технические усовершенствования и массовое производство помогут снизить ее еще сильнее, ракеты на антивеществе станут рабочими лошадками межпланетного, а возможно, и межзвездного сообщения. Пока же их проекты остаются только на бумаге.
Естественное антивещество
Если антивещество так сложно получить в земных условиях, то, может, легче обнаружить его в космосе? К сожалению, поиски антивещества во Вселенной, к большому удивлению физиков, почти не дали результатов. Трудно объяснить, почему наша Вселенная состоит преимущественно из вещества, а не из антивещества. Казалось бы, логично предположить, что при рождении Вселенной вещество и антивещество возникли в равных, симметричных количествах. Поэтому так поражает почти полное отсутствие антивещества.
Наиболее вероятный ответ на этот вопрос первым сформулировал Андрей Сахаров, человек, разработавший в 1950-х гг. для Советского Союза водородную бомбу. Сахаров рассуждал так: в начале Вселенной, во время Большого взрыва, возникла легкая асимметрия в количестве вещества и антивещества, причиной которой стало так называемое нарушение зарядовой и четной симметрии (СР-симметрии). В настоящее время это явление — предмет самых интенсивных исследований. В конечном итоге, рассуждал Сахаров, все атомы нашей сегодняшней Вселенной представляют собой остатки почти полной взаимной аннигиляции материи и антиматерии; это взаимное космическое уничтожение последовало за Большим взрывом. Лишь крохотная несимметричная часть вещества образовала остаток, из которого и сформировалась сегодняшняя видимая Вселенная. Все атомы наших тел — остатки титанического столкновения вещества и антивещества.
Эта теория допускает существование небольших количеств антивещества, возникшего естественным образом. Если нам удастся обнаружить его запасы, стоимость производства топлива для двигателей на антивеществе резко упадет. В принципе искать «залежи» естественного антивещества должно быть несложно. Когда электрон встречается с позитроном, оба аннигилируют, излучая при этом гамма-кванты с энергией 1,02 МэВ или выше. Поэтому, просканировав небо в поисках гамма-лучей с такой энергией, можно безошибочно отыскать следы присутствия естественного антивещества.
В самом деле, доктор Уильям Пёрселл из Северо-Западного университета обнаружил «фонтаны» антивещества в галактике Млечный Путь, недалеко от ее центра. По всей видимости, там имеется поток антивещества, который при столкновении с обычным водородом порождает характерное гамма-излучение с энергией 1,02 МэВ. Если этот поток имеет естественное происхождение, то, возможно, во Вселенной существуют и другие «карманы» антивещества, которое не было уничтожено во время Большого взрыва.
Для более систематических поисков антивещества естественного происхождения в 2006 г. на орбиту был выведен спутник PAMELA, разработанный совместными усилиями России, Италии, Германии и Швеции и предназначенный для поисков сохранившихся участков антивещества. Предыдущие попытки такого рода ограничивались использованием высотных аэростатов и шаттлов, т. е. сбор данных продолжался не более недели. PAMELA же будет работать на орбите по крайней мере три года. «Это лучший детектор из всех, что были до сих пор, и мы будем пользоваться им долгое время», — говорит участник проекта Пьерджорджо Пикоцца из Римского университета.
Прибор разработан для регистрации космических лучей как от обычных источников, таких как сверхновые, так и от неожиданных и необычных, таких как звезды, состоящие целиком из антивещества. Говоря более конкретно, PAMELA будет искать след антигелия, который может возникать в недрах антизвезд. Сегодня большинство физиков уверены, что в результате Большого взрыва вещество и антивещество во Вселенной аннигилировали почти полностью, как и предположил в свое время Сахаров, но прибор PAMELA будет работать, исходя из другого предположения — что в этой аннигиляции не участвовали целые области Вселенной с преобладанием антивещества, где оно и сегодня существует в виде антизвезд.
Если антивещество в небольших количествах существует в открытом космосе, то не исключено, что можно будет «собирать» его и использовать в качестве топлива для звездолетов. Институт перспективных концепций NASA достаточно серьезно воспринимает идею сбора антивещества в космосе, о чем свидетельствует недавно выданный грант на пилотный проект по изучению этой идеи. «Упрощенно говоря, вам нужно создать сеть вроде рыболовной», — говорит Джеральд Джексон из компании Hbar Technologies, принимающей в этом проекте активное участие.
Основой предполагаемого устройства для сбора антивещества служат три концентрические сферы, изготовленные из проволочной сетки. Внешняя сфера диаметром 16 км должна быть положительно заряжена; она будет отталкивать положительно заряженные протоны, но притягивать отрицательно заряженные антипротоны. Антипротоны, прошедшие через первую сферу, будут замедляться, проходя через вторую, и останавливаться на подходе к внутренней сфере диаметром 100 м. Там антипротоны будут захватываться магнитным полем и смешиваться с позитронами для получения антиводорода.
Согласно оценке Джексона, управляемая аннигиляция вещества и антивещества внутри космического корабля могла бы довести его под солнечным парусом до Плутона при расходе всего лишь в 30 мг антивещества. Чтобы долететь до Альфы Центавра, звездолету, по этим же расчетам, потребуется 17 г антивещества. В то же время Джексон утверждает, что между орбитами Венеры и Марса может присутствовать до 80 г антивещества, которое теоретически можно собрать при помощи такого космического зонда. Однако, принимая во внимание технические проблемы и стоимость запуска гигантского сборщика антивещества, можно предположить, что этот проект будет реализован не раньше конца XXI в., а то и позже.
Некоторые ученые мечтают получить антивещество из астероида, свободно дрейфующего в открытом космосе. (В серии комиксов «Флэш Гордон» когда-то фигурировал летящий по космосу зловещий астероид из антивещества, способный при встрече с любой планетой вызвать ужасающий взрыв.)
Если антивещества естественного происхождения в космосе не отыщется, нам придется ждать несколько десятилетий, а то и столетий, прежде чем мы на Земле сможем наладить производство существенных его количеств. Но если предположить, что технические проблемы производства антивещества решаемы, вероятность того, что когда-нибудь корабли с двигателями на антивеществе помчат нас к звездам, остается значительной.
Учитывая все, что нам на сегодняшний день известно об антивеществе, и предполагая дальнейшее развитие связанной с ним технологии, я бы определил ракетные корабли на антивеществе как невозможность I класса.
Первооткрыватель антивещества
Что такое антивещество? Представляется странным, что природа без всяких видимых причин удвоила число элементарных частиц во вселенной. Как правило, природа очень экономна — но в отношении пары вещество-антивещество она, похоже, повела себя в высшей степени расточительно. Кроме того, возникает еще один вопрос: если существует антивещество, может быть, существуют и антивселенные?
Чтобы поискать ответы на эти вопросы, нам придется разобраться в истории самого антивещества. Открытие его относится еще к 1928 г., к новаторским работам Поля Дирака, одного из самых блестящих физиков двадцатого столетия. Он занимал лукасовскую кафедру в Кембриджском университете — ту самую, которую в свое время занимал Ньютон и которую в настоящее время занимает Стивен Хокинг. Дирак родился в 1902 г.; он был молодым человеком, высоким и жилистым, когда в 1925 г. разразилась квантовая революция. В этот момент Дирак изучал электротехнику, но волна интереса, разбуженного новой теорией, захватила его и навсегда изменила его жизнь.
Квантовая теория базируется на представлении о том, что частицу вроде электрона можно описать не только как точечный объект, но и как некую волну, отвечающую знаменитому волновому уравнению Шрёдингера. (Волновая функция представляет вероятность нахождения частицы в конкретной точке.)
Но Дирак быстро понял, что уравнение Шрёдингера имеет серьезный недостаток. Оно описывает только медленно движущиеся электроны. На более высоких скоростях уравнение перестает действовать, так как не подчиняется законам относительности Альберта Эйнштейна — а ведь именно эти законы описывают поведение объектов на высоких, околосветовых скоростях.
Юному Дираку сразу захотелось так переформулировать уравнение Шрёдингера, чтобы попытаться включить в него и законы теории относительности. В 1928 г. молодой ученый предложил свой вариант уравнения Шрёдингера — достаточно радикальную его модификацию, которая в полной мере соответствовала теории относительности Эйнштейна. Ученый мир был потрясен. Дирак отыскал свое знаменитое релятивистское уравнение для электрона путем чисто математических манипуляций с высшими математическими объектами, известными как спиноры. Внезапно математическая диковинка оказалась центральной фигурой во всей Вселенной. [До Дирака многие физики были убеждены, что великие открытия в физике должны стоять на прочной базе экспериментальных данных, но Дирак выбрал противоположную стратегию. Для него чистая математика — если, конечно, она была достаточно красива — служила путеводной звездой на пути к великим открытиям. Он писал: «Красота уравнений важнее, чем их соответствие экспериментальным данным… представляется, что если стремишься получить в уравнениях красоту и обладаешь здоровой интуицией, то ты на верном пути».)
Работая над новым уравнением для электрона, Дирак обнаружил, что прославленное уравнение Эйнштейна, Е = mc2, не совсем верно. Это уравнение верно лишь отчасти, несмотря на то что его можно увидеть повсюду: на рекламах Мэдисон-авеню и на детских футболках, в мультиках и на костюмах супергероев. Верное уравнение выглядит так: Е = ±mc2. (Минус возникает потому, что в процессе вывода нам приходится брать квадратный корень из определенной величины. А операция взятия квадратного корня всегда привносит в выражение неопределенность в знаке.)
Но физики не выносят отрицательной энергии. В физике существует аксиома, согласно которой объекты всегда стремятся к состоянию с минимальной энергией (именно поэтому вода всегда стремится к минимальному уровню, уровню моря). А если материя всегда стремится к состоянию с минимальной энергией, то перспектива появления отрицательной энергии чревата поистине катастрофическими последствиями. Присутствие во Вселенной отрицательных энергий означало бы, что все электроны со временем провалятся к бесконечным отрицательным энергиям — а это, в свою очередь, означало бы, что теория Дирака нестабильна. Пытаясь избежать этого, Дирак изобрел концепцию «моря Дирака». Он предположил, что все состояния с отрицательными энергиями уже заняты, поэтому электрон никак не может туда провалиться. Следовательно, Вселенная стабильна. Кроме того, иногда гамма-квант, столкнувшись случайно с электроном, пребывающим в состоянии с отрицательной энергией, выталкивает его «наверх», в состояние с положительной энергией. Тогда мы видим, как гамма-квант превращается в электрон, а в море Дирака возникает дырка. Эта дырка должна вести себя как пузырек в вакууме: обладать положительным зарядом и массой, равной массе первоначального электрона. Другими словами, дырка должна вести себя как антиэлектрон. Иначе говоря, в этой картине мира антивещество состоит из «пузырьков» в море Дирака.
Всего через несколько лет после этого поразительного предсказания Карл Андерсон действительно обнаружил антиэлектрон, и в 1933 г. Дирак получил за свое предсказание Нобелевскую премию.
Другими словами, антивещество существует потому, что уравнение Дирака имеет два варианта решений — одно для вещества, другое для антивещества. (А это, в свою очередь, есть следствие специальной теории относительности.)
Уравнение Дирака предсказывает не только существование антивещества; оно предсказывает также существование у электрона «спина». Элементарные частицы могут вращаться подобно волчку. Спин электрона, к примеру, очень важен для понимания поведения электронов в транзисторах и полупроводниках, которые составляют основу современной электроники.
Стивен Хокинг сожалеет, что Дирак не запатентовал свое уравнение. Он пишет: «Дирак сделал бы состояние, если бы запатентовал уравнение Дирака. Он получал бы авторский процент с каждого телевизора, плеера, видеоигры или компьютера».
Сегодня знаменитое уравнение Дирака выбито на камне Вестминстерского аббатства, недалеко от могилы Исаака Ньютона. Это, пожалуй, единственное уравнение в мире, удостоенное такой исключительной чести.
Дирак и Ньютон
Пытаясь понять, как именно Дирак пришел к своему революционному уравнению и концепции антивещества, историки науки часто сравнивают его с Ньютоном. Интересно, что у Ньютона и Дирака действительно имеется немало сходных черт. Оба они работали в Кембриджском университете и свое главное открытие совершили в 20 лет с небольшим; оба прекрасно владели математикой. Кроме того, у них была еще одна общая черта: полное, доходящее до патологии, отсутствие социальных навыков. Оба славились своей неспособностью поддерживать светскую беседу и вообще вести себя в обществе. Дирак был болезненно застенчив; он никогда ничего не говорил, пока его прямо не спрашивали, да и на вопросы отвечал только «да», «нет» или «не знаю».
Мало того, Дирак был чрезвычайно скромен и ненавидел всяческую публичность. Когда ему дали Нобелевскую премию по физике, он всерьез думал, не отказаться ли — только из-за неизбежной известности и связанного с этим беспокойства. Но, когда ему указали, что отказ от Нобелевской премии принесет ему еще большую известность, он решил принять награду.
Об эксцентричности Ньютона написано немало трудов; гипотезы выдвигались самые разные: от отравления парами ртути до душевной болезни. Но недавно кембриджский психолог Саймон Бэрон-Коэн выдвинул новую теорию, которая могла бы объяснить странности одновременно и Дирака, и Ньютона.
Бэрон-Коэн утверждает, что оба они, вероятно, страдали от синдрома Аспергера, схожего с аутизмом — этой болезнью страдал гениальный безумец в фильме «Человек дождя». Люди, страдающие синдромом Аспергера, чрезвычайно замкнуты, не умеют держать себя в обществе и иногда обладают выдающимися математическими способностями; в отличие от больных аутизмом, они все же способны жить и работать среди людей. Если эта теория верна, то чудесные вычислительные способности Ньютона и Дирака, возможно, дорого им достались, ведь они прочно отгородили обоих от остального человечества.
Антигравитация и антивселенные
Теория Дирака помогает получить ответы на множество вопросов. Что выступает в роли гравитации в мире антивещества? Существуют ли антивселенные?
Как мы уже обсуждали, античастицы имеют противоположный заряд по отношению к обычным частицам. При этом можно сказать, что частицы, не обладающие зарядом вовсе (такие, как фотон, частица света, или гравитон, частица гравитации), могут служить античастицами самим себе. Следовательно, что гравитация — сама себе антиматерия; другими словами, гравитация и антигравитация — одно и то же. Поэтому антивещество под действием гравитации будет, как и вещество, падать вниз, а не вверх. (Здесь все физики едины во мнении, но в лаборатории этот факт никогда не проверялся.)
Теория Дирака отвечает и на более глубинные вопросы. Почему природа допускает существование антивещества? Следует ли из этого существование антивселенных?
В некоторых научно-фантастических произведениях герой обнаруживает в космосе землеподобную планету. Мало того, новая планета оказывается во всем подобной Земле, за исключением того, что состоит из антивещества. У каждого из нас на этой планете есть двойник; антилюди со своими антидетьми живут в тамошних антигородах. Поскольку законы антихимии полностью соответствуют законам химии, не считая противоположности всех зарядов, люди этого мира не в состоянии понять, что состоят из антивещества. (Физики называют такую вселенную вселенной с обратным зарядом, поскольку все заряды в ней имеют обратный знак, а все остальное точно такое же, как у нас.)
В других научно-фантастических сюжетах ученые открывают в открытом космосе планету-близнец Земли, только зеркальную; лево и право там полностью поменялись местами. Сердца у людей расположены справа, а левшей значительно больше, чем правшей. Тамошние жители проживают свой век, не подозревая, что живут в зеркально перевернутой вселенной. (Физики называют такую вселенную зеркальной, или вселенной с обратной четностью.)
Могут ли вдействительности существовать зеркальные вселенные или вселенные из антивещества? Вообще, физики очень серьезно относятся к вопросу о вселенных-двойниках, ведь уравнения Ньютона и Эйнштейна останутся теми же, если просто поменять знак заряда у всех элементарных частиц или поменять местами лево и право. Исходя из этого, и зеркальные вселенные, и вселенные из антивещества в принципе возможны.
Нобелевский лауреат Ричард Фейнман задал в отношении этих вселенных интересный вопрос. Предположим, когда-нибудь мы сумеем связаться по радио с обитателями далекой планеты; видеть их мы при этом не будем. «Сможем ли мы объяснить им по радио разницу между понятиями „лево“ и „право“?» — спрашивал Фейнман. Если законы физики разрешают существование зеркальной вселенной, то донести до наших радиособеседников эти концепции окажется невозможно.
Он рассуждал следующим образом. Некоторые вещи объяснить легко — это относится, например, к форме нашего тела, количеству у нас пальцев, ног и рук. Мы сможем даже объяснить инопланетянам законы химии и биологии. Но стоит нам попытаться объяснить им понятия «лево» и «право» (или «по часовой стрелке» и «против часовой стрелки»), у нас ничего не получится. Мы никогда не сможем объяснить, что сердце у нас находится слева, в каком направлении вращается Земля или закручивается спираль молекулы ДНК.
Ученые испытали настоящее потрясение, когда Ч. Янг и Ц. Ли, работавшие в то время в Колумбийском университете, доказали, что эта замечательная теорема неверна. Исследовав природу элементарных частиц, они сумели показать, что зеркальная вселенная существовать не может. Узнав об этом революционном результате, один физик сказал: «Господь, должно быть, сделал ошибку». За этот результат, потрясший основы физики и получивший название «несоблюдение четности», Янг и Ли получили в 1957 г. Нобелевскую премию по физике.
Для Фейнмана этот результат означал, что если наладить радиосвязь с инопланетянами, то можно договориться о некоем эксперименте, который позволил бы определить друг для друга разницу между правой и левой вселенными. (К примеру, радиоактивный кобальт-60 излучает электроны с правым и левым спином не в равных количествах; одно из направлений вращения является предпочтительным, и четность, таким образом, нарушается.)
Фейнман представил себе, как будет проходить историческая встреча между землянами и представителями иной цивилизации. Мы попросим инопланетян протянуть при первой встрече правую руку и обменяемся рукопожатиями. Если чужие действительно протянут нам правую руку, мы поймем, что сумели объяснить им, что такое «право-лево» и «по часовой стрелке или против».
Но затем Фейнман задал непростой вопрос. А что, если чужаки протянут нам левую руку вместо правой? Это будет означать, что мы совершили роковую ошибку и не смогли понятно объяснить, что такое «лево» и «право». Хуже того, это будет означать, что чужие на самом деле состоят из антивещества, а потому они провели все эксперименты задом наперед и получили «лево» и «право» наоборот. И тогда это будет означать, что при попытке пожать друг другу руки мы все взорвемся!
Таковы были наши представления до 1960-х гг. Некоторое время считалось, что невозможно отличить нашу Вселенную от другой вселенной, которая состояла бы из антивещества с противоположной четностью. Если поменять одновременно и четность, и заряд, то получившаяся вселенная будет подчиняться все тем же законам природы, что и наша. Да, четность сама по себе была опровергнута, но вместе заряд и четность давали вполне симметричную вселенную. Так что вселенная, симметричная нашей одновременно по заряду и четности ССР-симметричная), вроде бы оставалась возможной.
Это означало, что мы, разговаривая с инопланетянами по телефону, никогда не сумели бы объяснить им разницу между обычной вселенной и вселенной «перевернутой» относительно заряда и четности (такой, где лево и право поменялись местами, а все вещество превратилось в антивещество).
И вот в 1964 г. физики испытали второй шок: СР-симметричная вселенная (симметричная нашей по заряду и четности) тоже оказалась невозможной! Исследование свойств элементарных частиц позволит даже в такой вселенной различить право и лево, направления по часовой стрелке и против. За этот результат в 1980 г. Джеймсу Кронину и Валу Фитчу была присуждена Нобелевская премия.
(Многие физики расстроились, когда выяснилось, что СР-симметричная вселенная противоречит законам физики, но задним числом можно утверждать, что само по себе это хорошо; мы уже обсуждали это. Если бы СР-перевернутая вселенная имела право на существование, то в первоначальный Большой взрыв были бы вовлечены в точности одинаковые количества вещества и антивещества, которые затем аннигилировали бы на 100 %, и никаких атомов не возникло бы вообще! Тот факт, что мы существуем как остаток от аннигиляции неравных количеств вещества и антивещества, сам по себе является доказательством нарушения СР-симметрии.)
Вообще, могут ли существовать какие-нибудь антивселенные, симметричные нашей по одному или нескольким параметрам? На этот вопрос следует дать положительный ответ. Хотя симметричные по четности и по заряду вселенные невозможны, в принципе антивселенные имеют право на существование; правда, это будет очень странная симметрия. Если поменять на противоположные не только знак заряда и четность, но и направление хода времени, то вселенная, которая у нас получится, будет подчиняться всем законам физики. Таким образом получается, что разрешены СРТ-симметричные вселенные.
Обращение времени — весьма причудливый вид симметрии. В Т-симметричной вселенной яичница спрыгивает с тарелки, собирается воедино на сковороде, а затем разбегается обратно по яйцам и запечатывает за собой скорлупу. Мертвец поднимается из могилы, молодеет, становится младенцем и запрыгивает в чрево матери.
Здравый смысл говорит нам, что такая вселенная невозможна. Но математические уравнения элементарных частиц утверждают обратное. Законы Ньютона замечательно выполняются — хоть вперед по времени, хоть назад. Представьте себе видеозапись бильярдной партии. Каждое столкновение шаров подчиняется ньютоновым законам движения. Если мы прокрутим запись в обратном направлении, игра будет выглядеть странно, — но законы Ньютона допускают и такой порядок вещей.
В квантовой теории все сложнее. Обращение времени само по себе нарушает законы квантовой механики, но полностью СРТ-симметричная вселенная (иными словами, такая вселенная, где одновременно изменены знак заряда, четность и направление хода времени) ничему не противоречит. Это означает, что вселенная, где лево и право поменялись местами, вещество превратилось в антивещество, а время идет задом наперед, с точки зрения законов физики выглядит совершенно нормально!
(Интересно отметить, что мы никак не можем связаться с СРТ-перевернутым миром. Если время на их планете течет в обратном направлении, все, что мы передадим по радио, станет частью их будущего, а значит, будет забыто сразу же по получении сигнала. Поэтому, хотя сама по себе СРТ-симметричная вселенная имеет право на существование, связаться с ней по радио невозможно.)
Подведем итоги. Возможно, в отдаленном будущем двигатель на антивеществе даст нам реальную возможность построить звездолет — конечно, если мы найдем способ изготовить на Земле или собрать в открытом космосе достаточное количество антивещества. Нарушение СР-симметрии обусловливает легкий дисбаланс между веществом и антивеществом; возможно, благодаря этому во Вселенной до сих пор существуют скопления, или «карманы», антивещества, которое когда-нибудь можно будет собирать.
Но поскольку разработка двигателя на антивеществе столкнется с серьезными техническими трудностями, на их преодоление может уйти лет сто или даже больше. Это заставляет отнести двигатель на антивеществе к I классу невозможности.
Но давайте разберемся теперь с другим вопросом. Будут ли — хотя бы через несколько тысяч лет — созданы сверхсветовые звездолеты? Можно ли обойти знаменитую аксиому Эйнштейна, которая гласит, что ничто не может двигаться быстрее света? Ответ, как ни странно, должен быть однозначно положительным.
