В фильме «Пассажиры „Авалона“» суперсовременный космический корабль с огромными термоядерными двигателями движется к колонии на отдаленной планете Хоумстед II. В рекламе это поселение выглядит очень привлекательно. Земля стара, она устала от перенаселенности и загрязнений. Почему бы не начать все сначала в новом интересном мире?

Путешествие занимает 120 лет, на это время пассажиров вводят в состояние замедленной жизнедеятельности (гибернации), их тела замораживают в специальных коконах. Когда «Авалон» доберется до места назначения, компьютер автоматически разбудит все 5000 пассажиров. Они поднимутся из своих коконов свежими и готовыми к строительству новой жизни в новом космическом доме.

Однако во время этого путешествия метеоритный поток пробивает корпус корабля и повреждает термоядерные двигатели, вызывая лавину отказов техники. В результате один из пассажиров просыпается за 90 лет до конца пути. Какое-то время он живет на корабле один, но затем ему становится одиноко. Он впадает в депрессию от мысли о том, что, когда корабль прибудет на планету, он давно уже будет мертв. Мечтая хоть о каком-то общении, он решает разбудить одну из пассажирок, которая произвела на него впечатление своей красотой. Естественно, они влюбляются друг в друга. Но, когда она узнает, что ее намеренно пробудили ото сна чуть не на столетие раньше срока и ее тоже ждет смерть в этом межпланетном чистилище, она приходит в ярость.

В фильмах, подобных «Пассажирам», воплотились недавние попытки Голливуда ввести в кинематографическую научную фантастику толику реализма. «Авалон» движется в пространстве старым добрым способом, не превышая скорости света. Но попросите какого-нибудь подростка представить себе космический корабль, и он (или она) сразу вспомнит что-нибудь вроде «Энтерпрайза» из «Звездного пути» или «Тысячелетнего сокола» из «Звездных войн» — аппараты, способные со скоростью, превосходящей скорость света, переносить экипаж из конца в конец галактики, а иногда даже туннелирующие сквозь пространство-время или летающие в гиперпространстве.

Если мыслить реалистично, наши первые звездные корабли, вероятно, не будут пилотируемыми и похожими на те громадные обтекаемые средства передвижения, которые намечтали для нас создатели фильмов. Очень может быть, что они будут размером с почтовую марку. В 2016 г. мой коллега Стивен Хокинг поразил мир, поддержав проект под названием Breakthrough Starshot, цель которого — создание «нанокораблей» — хитроумных микросхем на парусах, приводимых в движение с Земли при помощи батареи мощных лазеров. Каждая такая микросхема размером с ваш большой палец будет весить не более 20 г и при этом состоять из миллиардов транзисторов. Зато для реализации этого мы можем использовать существующие технологии, а не ждать еще столетие или два до появления новых. Хокинг заявил, что нанокорабли можно разработать за $10 млрд за время жизни одного поколения. 100 000 МВт лазерной энергии будет достаточно, чтобы разогнать их до одной пятой скорости света, и тогда путешествие до ближайшей к нам звездной системы альфы Центавра займет 20 лет. Для сравнения напомню, что наши космические челноки летали только по околоземной орбите и при этом каждый полет обходился нам почти в миллиард долларов.

По идее, нанокорабли должны быть способны на то, что не в состоянии сделать химические ракеты. Формула Циолковского показывает, что традиционная ракета типа Saturn никогда не сможет долететь до ближайшей звезды, поскольку необходимое количество топлива с увеличением скорости возрастает экспоненциально и химическая ракета просто не сможет нести на себе достаточно топлива для полета на такое расстояние. Если же считать, что химическая ракета все же могла бы достичь ближайших звезд, такое путешествие заняло бы около 70 000 лет.

Большую часть энергии химическая ракета тратит на поднятие собственного веса в космос, в то время как нанокорабль получает энергию от внешних, расположенных на Земле лазеров. В этом случае топливо понапрасну не тратится — все оно идет на разгон корабля. А поскольку нанокораблям не нужно генерировать энергию, в них нет движущихся частей, что значительно снижает вероятность механических поломок. В них нет также взрывоопасных химических веществ, они не могут взорваться ни на стартовой площадке, ни в космосе.

Компьютерные технологии развились уже до того уровня, на котором мы сможем разместить в одной микросхеме целую научную лабораторию. Нанокорабли должны будут содержать камеры, датчики, наборы химических веществ и солнечные элементы, достаточные для подробного анализа далеких планет и отправки радиосообщений на Землю. Поскольку стоимость компьютерных микросхем резко упала, мы могли бы отправить к звездам тысячи таких нанокораблей в надежде, что хотя бы нескольким из них удастся перенести опасное путешествие. Эта стратегия — подражание Матери-природе, когда растения буквально пускают на ветер тысячи крохотных семян, чтобы повысить вероятность того, что хотя бы некоторым из них удастся прорасти.

У нанокорабля, проносящегося мимо системы Альфа Центавра со скоростью в 20 % скорости света, будет всего несколько часов на выполнение своей задачи. За это время он должен будет обнаружить в этой звездной системе землеподобные планеты, быстро сфотографировать и проанализировать полученные данные, чтобы определить характеристики поверхности, температуру и состав атмосферы, обращая особое внимание на наличие воды и кислорода. Кроме того, он должен будет просканировать систему в поисках радиоизлучений, которые могли бы указывать на существование там инопланетного разума.

Основатель компании Facebook Марк Цукерберг публично поддержал проект Breakthrough Starshot, а российский инвестор и бывший физик Юрий Мильнер лично пообещал выделить на его реализацию $100 млн. Нанокорабли сегодня уже намного больше, чем просто идея. Но на пути их создания есть несколько препятствий, которые нужно снять, прежде чем приступать к полномасштабной реализации этого проекта.

Чтобы отправить флотилию космических нанокораблей к системе альфы Центавра, лазерная батарея должна будет обеспечить воздействие лазерных лучей суммарной мощностью не менее 100 ГВт на парашюты кораблей в течение примерно двух минут. Давление света этих лазерных лучей выбросит наши корабли в космос. Чтобы корабли полетели в верном направлении и попали в цель, лучи должны быть нацелены с поразительной точностью. Малейшее отклонение траектории погубит экспедицию.

Главным из стоящих перед нами препятствий являются проблемы не фундаментальной науки — все уже известно, — а финансирования, несмотря на участие в проекте нескольких известных ученых и предпринимателей.

Каждая атомная электростанция стоит несколько миллиардов долларов и производит всего 1 ГВт (тысячу миллиардов ватт) мощности. Получение государственного и частного финансирования для строительства достаточно мощной и точной батареи лазеров, безусловно, станет узким местом проекта.

В качестве пробного шара перед отправкой экспедиции к далеким звездам ученые, возможно, решат отправить нанокорабли к более близкой цели в пределах Солнечной системы. На путь до Луны они затратят всего 5 с, до Марса — около 1,5 ч, а до Плутона — несколько суток. Не дожидаясь десять лет, пока обычный космический аппарат доберется до далеких планет, мы могли бы получить о них новую информацию через несколько дней — и наблюдать происходящее в Солнечной системе почти в реальном времени.

На следующем этапе проекта мы могли бы попытаться построить батарею лазерных пушек на Луне. Луч лазера, проходя сквозь атмосферу Земли, теряет около 60 % своей мощности. Лунная пусковая установка помогла бы устранить эту проблему, а солнечные элементы на Луне обеспечили бы ее дешевой электроэнергией в достаточном количестве. Не забывайте, что одни лунные сутки соответствуют примерно 30 земным, так что энергию там можно эффективно собирать и запасать в аккумуляторах. Это сэкономило бы нам миллиарды долларов, ведь, в отличие от атомной энергии, солнечный свет ничего не стоит.

К началу ХХII в. технология самовоспроизводящихся роботов, по идее, будет уже отработана и мы получим возможность доверять машинам задачу строительства солнечных электростанций и лазерных батарей на Луне, Марсе и других объектах Солнечной системы. Мы будем посылать туда стартовую команду автоматов: одни будут добывать реголит, другие — строить завод. Еще одна команда роботов будет заниматься сортировкой, измельчением и выплавкой сырья на заводе с целью получения различных металлов. Их можно будет использовать для сборки лазерных пусковых установок — и новой группы самовоспроизводящихся роботов.

Со временем мы могли бы cоздать в Солнечной системе активную сеть передающих станций от Луны до самого облака Оорта. А поскольку кометы облака Оорта можно обнаружить чуть ли не полпути к альфе Центавра и к тому же они практически стоят на месте, вероятно, они будут идеальным местом для лазерных батарей, способных дополнительно разогнать нанокорабли на пути к соседней звездной системе. При проходе очередного нанокорабля мимо одной из станций лазеры на ней автоматически сработают и дадут кораблю дополнительный импульс в его движении к звездам.

При строительстве далеких форпостов самовоспроизводящиеся роботы могли бы использовать не солнечный свет, а термоядерные источники энергии.

Нанокорабли на лазерной тяге лишь одна из разновидностей категории межзвездных кораблей, известной как солнечные (световые) паруса. Точно так же, как парусный корабль ловит в паруса ветер и использует его силу, световые паруса используют силу давления света, источником которого может быть Солнце или лазер. Кстати, многие уравнения, используемые для расчета движения парусников, могут быть применены и к световым парусам в открытом космосе.

Свет состоит из частиц, именуемых фотонами. Сталкиваясь с каким-то объектом, фотоны оказывают на него мизерное давление. Давление света так мало, что ученые долгое время даже не подозревали о его существовании. Первым этот эффект отметил Иоганн Кеплер, когда выяснилось, что, вопреки ожиданиям, хвосты комет всегда развернуты прочь от Солнца. Великий астроном верно заключил, что эти хвосты порождаются давлением солнечного света, которое выбивает пылинки и ледяные кристаллы из комет в сторону, противоположную Солнцу.

Прозорливый Жюль Верн предсказал световые паруса в романе «С Земли на Луну». Он писал: «Не сегодня завтра появятся скорости куда более значительные, и достигнуты они будут, вероятно, при помощи света или электричества… Когда-нибудь мы будем путешествовать на Луну, планеты и звезды».

Циолковский развил концепцию светового паруса — космического корабля, использующего для разгона давление солнечного света. Но история солнечного паруса развивалась очень неравномерно. В НАСА этот проект никогда не рассматривался как приоритетный. Экспериментальные аппараты Планетарного общества «Космос-1» (2005 г.) и разработанный НАСА «НаноСэйл-Д» (NanoSail-D, 2008 г.) погибли при неудачных пусках. «НаноСэйл-Д2» в 2010 г. вышел на низкую околоземную орбиту. Единственную успешную попытку отправить солнечный парус за пределы орбиты Земли осуществили в 2010 г. японцы: их аппарат IKAROS развернул парус размером 14×14 м и двигался за счет давления солнечного света. Через полгода он достиг Венеры, доказав таким образом принципиальную возможность использования солнечных парусов.

Тем не менее, несмотря на неуверенное развитие, идея солнечного паруса не умирает. Европейское космическое агентство рассматривает возможность запуска солнечного паруса Gossamer, который должен будет вывести с орбиты часть космического мусора — тысячи искусственных объектов, которые беспорядочно носятся в околоземном пространстве.

Не так давно я брал интервью у Джеффри Лэндиса — ученого НАСА и выпускника Массачусетского технологического института, работающего не только над солнечным парусом, но и над марсианской программой. Он и его жена Мэри Турзилло пишут научно-фантастические романы и получают за них литературные премии. Я спросил, как ему удается совмещать такие разные миры — мир, который населяют скрупулезные ученые с хитроумными формулами, и другой, населенный фанатами космоса и исследователями НЛО. Он ответил, что научная фантастика тем и хороша, что позволяет ему свободно рассуждать и фантазировать о далеком будущем. Физика, сказал он, не позволяет оторваться от земли.

Специализация Лэндиса — световой парус. Он предложил для полета к альфе Центавра корабль, который представлял бы собой световой парус из сверхтонкого материала, по структуре напоминающего алмаз, размером несколько сотен километров в поперечнике. Этот гигантский корабль будет весить, скажем, 1 млн т, а ресурсы на его строительство и разгон придется собирать со всей Солнечной системы: в частности, для этого потребуется несколько лазерных батарей в окрестностях Меркурия. Чтобы корабль смог остановиться в пункте назначения, его предполагается оборудовать большим «магнитным парашютом», поле в котором генерировалось бы проволочной петлей диаметром 100 км. Атомы водорода в космическом пространстве проходили бы сквозь эту петлю и порождали трение, которое за несколько десятилетий постепенно замедлило бы световой парус. Путешествие к альфе Центавра и обратно заняло бы 200 лет, так что в экипаже сменилось бы несколько поколений. Хотя такой корабль физически реализуем, его строительство обошлось бы очень дорого, и Лэндис признал, что на его сборку и испытания могло бы уйти от 50 до 100 лет. Пока ученый участвует в проекте лазерного паруса Breakthrough Starshot.

Помимо лазерной тяги и солнечных парусов, имеется множество других потенциальных способов приводить в движение звездные корабли. Чтобы иметь возможность сравнивать эти способы, введена концепция «удельного импульса», который равен тяге ракеты, умноженной на время работы ее двигателей. (Удельный импульс измеряется в секундах.) Чем дольше работают двигатели ракеты, тем больше ее удельный импульс, исходя из которого можно вычислить конечную скорость ракеты.

Вот простая табличка, в которой указаны удельные импульсы нескольких типов ракет. Я не включил сюда некоторые варианты, такие как лазерная ракета, солнечный парус и ракета с прямоточным термоядерным двигателем; формально они имеют бесконечный удельный импульс, поскольку их двигатели могут работать неограниченно долгое время.

Обратите внимание: химические ракеты, двигатели которых работают всего по несколько минут, имеют самое низкое значение удельного импульса. За ними в списке располагаются ионные двигатели, которые могут быть эффективны в полетах к близлежащим планетам. Ионные двигатели работают на газе, к примеру на ксеноне, «сдирая» электроны с его атомов и превращая последние в ионы (заряженные фрагменты атомов), а затем ускоряют эти ионы при помощи электрического поля. Внутренности ионного двигателя в принципе напоминают внутренности телевизора, где электрическое и магнитное поля направляют в нужное место пучок электронов.

Тяга ионных двигателей мучительно мала — зачастую она измеряется в десятках граммов, и, когда вы включаете такой двигатель в лаборатории, ничего на первый взгляд не происходит. Но в космосе такой аппарат со временем может набрать скорость, превосходящую максимальную скорость химических ракет. Ионные двигатели сравнивают с черепахой, которая бежит наперегонки с зайцем, в роли которого в данном случае выступают химические ракеты. Конечно, заяц может развить огромную скорость, но ненадолго, всего на несколько минут, на большее ему не хватает выносливости. Черепаха, с другой стороны, движется медленнее, но может ползти сутками и потому соревнование на длинную дистанцию выиграет. Ионные двигатели могут работать по несколько лет подряд, и, значит, ракеты с ними имеют значительно более высокий удельный импульс по сравнению с химическими ракетами.

Чтобы повысить мощность ионного двигателя, можно было бы ионизировать газ при помощи микроволн или радиоволн, а затем разгонять ионы при помощи магнитных полей. Такой вариант двигателя называется плазменным, и в теории он может сократить время полета на Марс с девяти месяцев до менее чем 40 дней — по крайней мере, так говорят его поклонники, — но на данный момент эта технология находится еще в стадии разработки. Один из ограничивающих факторов плазменного двигателя — большое количество электроэнергии, необходимое для создания плазмы, так что для межпланетных экспедиций может потребоваться атомная станция.

НАСА изучает и строит ионные двигатели уже несколько десятилетий. К примеру, Deep Space Transport, который в 2030-х гг., возможно, понесет наших астронавтов к Марсу, использует ионную тягу. Ближе к концу этого столетия ионные двигатели, скорее всего, будут использоваться для межпланетных экспедиций. И хотя для срочных задач, пожалуй, лучше подходят все же химические ракеты, ионные двигатели станут верным и надежным вариантом в тех случаях, когда время не играет особой роли.

Выше ионного двигателя в рейтинге удельных импульсов стоят более спорные системы тяги. Мы поговорим о каждой из них ниже.

В 2011 г. DARPA и НАСА организовали интереснейший симпозиум под названием 100 Year Starship («Столетний космический корабль»). В нем приняли участие ведущие ученые, которые могли бы составить примерный план межзвездных путешествий на следующее столетие. Проект был организован «старой гвардией» космической отрасли — неформальной группой пожилых физиков и инженеров. Многим из них уже за 70, и они хотят, чтобы их коллективное знание помогло человечеству добраться до звезд. Тем более что сами они работают над этим уже несколько десятилетий.

Лэндис тоже принадлежит к «старой гвардии». Но среди этих людей есть и необычная пара — Джеймс и Грегори Бенфорды, братья-близнецы, ставшие физиками и писателями-фантастами. Джеймс рассказал мне, что его увлечение межзвездными кораблями началось еще в детстве, когда он запоем читал всю фантастику, которая попадала ему в руки, и особенно любил романы Хайнлайна о Космическом патруле. Уже тогда он понимал, что если они с братом серьезно мечтают о космосе, то им придется изучать физику. Много-много физики. Так что оба они решили получить докторскую степень в этой области. Сегодня Джеймс — президент компании Microwave Sciences, он уже не одно десятилетие занимается микроволновыми системами большой мощности. Грегори — профессор физики в Университете Калифорнии в Ирвине, а в другой своей жизни — лауреат престижной премии «Небьюла» за один из своих романов.

По следам симпозиума 100 Year Starship Джеймс и Грегори написали книгу «Век космического корабля. К величайшему горизонту» (Starship Century: Toward the Grandest Horizon), в которой содержатся многие представленные здесь идеи. Джеймс, специалист по микроволновому излучению, уверен, что световой парус — наш шанс на полеты за пределами Солнечной системы. Однако он признает: есть много других проектов, которые при реализации оказались бы чрезмерно дорогими, но при этом базируются на прочной физической основе и, возможно, когда-нибудь будут все же реализованы.

Эта история началась в 1950-х гг., когда большинство людей жило в страхе перед ядерной войной, но несколько ученых-атомщиков искали пути мирного применения ядерной энергии. Рассматривались всевозможные идеи, такие как использование ядерных боеприпасов для создания портов и искусственных гаваней.

Большая часть этих предложений была отвергнута из-за боязни радиоактивного загрязнения и незапланированных разрушений в результате ядерного взрыва, однако одно интригующее предложение уцелело. Это был «Проект Орион», предлагавший использовать ядерные бомбы в качестве источника энергии для космических кораблей.

Идея была проста: запастись небольшими атомными бомбами и выбрасывать их одну за другой из задней части космического корабля. Каждый взрыв мини-бомбы будет создавать выброс энергии, толкающий корабль вперед. В теории, если последовательно взорвать серию ядерных бомб позади ракеты, ее можно разогнать до скоростей, близких к световой.

Над идеей работали физик-ядерщик Тед Тейлор и Фримен Дайсон. Тейлор был знаменит тем, что сконструировал ряд разных ядерных бомб, от самой крупной атомной, которую когда-либо взрывали (примерно в 25 раз мощнее бомбы, сброшенной на Хиросиму), и до маленькой портативной бомбочки Davy Crockett (примерно в 1000 раз уступающей по мощности хиросимской). При этом он всей душой жаждал применить свои обширные знания о ядерных взрывах в мирных целях и с готовностью взялся за проработку идеи космического корабля «Орион».

Основной проблемой было понять, каким образом можно точно и аккуратно контролировать цепочку небольших ядерных взрывов, чтобы космический корабль мог оседлать волну и при этом не пострадать. Было спроектировано несколько конструкций, рассчитанных на разные скорости. Самая большая модель составляла бы 400 м в диаметре и весила 8 млн т. Для ее разгона предполагалось использовать 1080 бомб. По расчетам, она могла разогнаться до 10 % скорости света и долететь до альфы Центавра за 40 лет. Несмотря на внушительные размеры корабля, расчеты показывали, что этого едва-едва хватит на выполнение задачи.

Однако критики дружно набросились на эту идею, указывая, что космический корабль на ядерных импульсах вызовет радиоактивные осадки. Тейлор возразил, что осадки возникают, когда пыль и металлическая оболочка бомбы становятся радиоактивными после взрыва, а этого можно избежать, если использовать ядерный двигатель только в открытом космосе. Но после заключения Договора о запрещении ядерных испытаний 1963 г. экспериментировать с миниатюрными атомными бомбами стало трудно. В конечном итоге космический корабль «Орион» ушел в историю, став не более чем курьезом из старых научных книг.

Другой причиной закрытия проекта стало то, что сам Тед Тейлор потерял к нему интерес. Однажды я спросил его, почему он перестал поддерживать работы по проекту — ведь это направление казалось естественным для применения его таланта. Он объяснил мне, что потребовалось бы разработать новый тип ядерной бомбы. Сам он большую часть жизни конструировал урановые атомные бомбы, а для корабля «Орион», возможно, потребовались бы мощные, специально разработанные водородные бомбы.

Эти бомбы, высвобождающие наибольшее известное нам количество энергии, прошли три стадии развития. Первые водородные бомбы 1950-х гг. были гигантскими устройствами, для транспортировки которых требовались большие корабли. В случае ядерной войны они были бы бесполезны. Ядерные бомбы второго поколения — это небольшие портативные MIRV, множественные независимо направляемые боеголовки, составляющие основу американских и русских ядерных арсеналов. В носовой конус межконтинентальной баллистической ракеты можно поместить десяток таких бомб.

Ядерные бомбы третьего поколения, иногда называемые «дизайнерскими», пока всего лишь концепция. Они должны быть легко маскируемыми и приспособленными для конкретных театров военных действий, к примеру для пустыни, леса, Арктики или открытого космоса. Тейлор сказал мне, что разочаровался в проекте и боится, что такими бомбами смогут завладеть террористы. Для него было бы невыносимым кошмаром, если бы его бомбы попали в чужие руки и разрушили какой-нибудь американский город. Он с иронией говорил, что его воззрения сменились на противоположные. Прежде он работал там, где булавки, каждая из которых символизировала атомную бомбу, втыкали в карту Москвы. Оказавшись лицом к лицу с вероятностью того, что бомбы третьего поколения могут направить на американские города, он решил выступить против разработки новейшего ядерного оружия.

Джеймс Бенфорд сообщил мне, что, хотя предложенная Тейлором ракета с ядерным импульсным двигателем осталась в чертежах, правительство все же построило серию ядерных ракет. Вместо того чтобы взрывать за кормой атомные мини-бомбы, эти ракеты использовали традиционный урановый редактор. Реактор разогревал жидкость, к примеру жидкий водород, до высокой температуры, а затем выстреливал ее через сопло назад, создавая тягу. Несколько вариантов таких двигателей были испытаны в пустыне. Постоянно оставалась опасность, что они расплавятся на этапе пуска с катастрофическими последствиями. От проекта отказались из-за технических проблем и растущих антиядерных настроений в обществе.

Планы использования ядерных бомб для разгона космических кораблей в 1960-е гг. были отложены в сторону, но у конструкторов появилась другая идея. В 1978 г. Британское межпланетное общество инициировало проект «Дедал» (Daedalus), в котором вместо урановых атомных бомб предполагалось использовать термоядерные мини-бомбы. Тейлор тоже рассматривал такой вариант, но в подробностях его не прорабатывал. (Термоядерные бомбы проекта «Дедал» — это на самом деле небольшие бомбы второго поколения, а не третьего, которых так боялся Тейлор.)

Есть несколько способов мирного высвобождения энергии ядерного синтеза. В одном, известном как магнитное удержание, газообразный водород помещают в большое магнитное поле в форме бублика, а затем нагревают до миллионов градусов. Ядра водорода сталкиваются друг с другом и образуют ядра гелия, высвобождая при этом значительное количество ядерной энергии. Реактор ядерного синтеза можно использовать для нагрева жидкости, которая затем выбрасывается через сопло и таким образом разгоняет ракету.

В настоящее время ведущий термоядерный реактор на принципе магнитного удержания называется Международным термоядерным экспериментальным реактором (ITER). Он расположен на юге Франции. Эта чудовищная машина по размерам в 10 раз превосходит своего ближайшего конкурента. Реактор весит 5110 т, имеет 11,2 м в высоту и 19,5 м в диаметре, на строительство уже потрачено $14 млрд. Ожидается, что процесс синтеза будет запущен к 2035 г., а в конечном итоге ITER будет производить 500 МВт тепловой энергии (в сравнении с 1000 МВт электрической энергии стандартного блока урановой атомной электростанции). Ученые надеются, что это будет первый термоядерный реактор, который генерирует больше энергии, чем потребляет. Несмотря на серию задержек и перерасход средств, физики, с которыми я разговаривал, уверены, что ITER войдет в историю. Ну что ж, мы достаточно скоро узнаем, так ли это. Нобелевский лауреат Пьер-Жиль де Жен однажды сказал: «Мы говорим, что засунем Солнце в ящик. Отличная идея. Проблема в том, что мы не знаем, как сделать этот ящик».

Другой вариант ракеты «Дедал» может получать энергию от лазерного термоядерного синтеза, при котором мощные лазерные лучи сжимают таблетку обогащенного водородом материала. Этот процесс называют инерциальным удержанием. Он экспериментально воспроизведен в установке National Ignition Facility (NIF) на базе Ливерморской национальной лаборатории в Калифорнии. Тамошняя батарея лазеров — 192 мощнейших луча в трубках длиной около 1,5 км — самая большая в мире. Когда все эти лазерные лучи фокусируются на крохотном образце богатого водородом дейтерида лития, их энергия поджигает поверхность вещества и инициирует мини-взрыв, в результате которого таблетка схлопывается, а ее температура поднимается до 100 млн градусов Цельсия. Запускается реакция синтеза, в ходе которой за несколько триллионных долей секунды высвобождается энергия, обеспечивающая мощность в 500 трлн ватт.

Я видел демонстрацию работы NIF, когда участвовал в съемках документального фильма для канала Discovery/Science. В Ливерморской лаборатории разрабатывается ядерный арсенал США, и посетители проходят серию проверок. Когда я наконец попал внутрь, впечатление было ошеломляющим. В главной камере установки, где сходятся лазерные лучи, легко мог бы разместиться пятиэтажный жилой дом.

Еще в одной версии проекта «Дедал» предлагается применить процесс, сходный с лазерным ядерным синтезом. Вместо лазерного луча для разогревания богатой водородом таблетки используется множество электронных пучков. Если за секунду взрывать 250 таких таблеток, по идее, будет вырабатываться достаточно энергии для разгона космического корабля до скорости, составляющей некоторую долю скорости света. Однако эта конструкция требует создания термоядерного корабля поистине гигантских размеров. В одном из вариантов корабль должен весить 54 000 т и быть длиной около 190 м, при этом его максимальная скорость составит 12 % от скорости света. Корабль настолько огромен, что строить его пришлось бы в открытом космосе.

Идея термоядерного ракетного двигателя выглядит вполне обоснованной, но мы пока не умеем управлять термоядерной энергией. Кроме того, огромные габариты и сложность этих кораблей вызывают сомнения в их реализуемости, по крайней мере в этом столетии. Тем не менее термоядерные ракеты, наряду со световыми парусами, относятся к разряду наиболее перспективных решений.

Технологии пятой волны (к которым относятся двигатели на антивеществе (антиматерии), световые паруса, термоядерные двигатели и нанокорабли), возможно, откроют нам потрясающие перспективы. Двигатели на антивеществе, которыми снабжены космические корабли в сериале «Звездный путь», когда-нибудь могут стать реальностью. Они будут использовать величайший источник энергии во Вселенной — прямое превращение материи в энергию при аннигиляции вещества и антивещества.

Антивещество (антиматерия) представляет собой противоположность веществу (материи), в частности, в том смысле, что частицы и античастицы обладают противоположным электрическим зарядом. Антиэлектрон имеет положительный заряд, антипротон — отрицательный. В старших классах школы я пытался исследовать антивещество, помещая капсулу с натрием-22, который испускает антиэлектроны, в конденсационную камеру и фотографируя красивые треки, оставленные антивеществом. Затем я построил бетатрон — ускоритель частиц на 2,3 млн электронвольт — в надежде исследовать свойства антивещества.

Когда вещество и антивещество соприкасаются, они аннигилируют, превращаясь в чистую энергию, так что можно сказать, что эта реакция высвобождает энергию со 100 %-ной эффективностью. Для сравнения: эффективность ядерного оружия составляет всего 1 %; большая часть энергии, содержащейся в водородной бомбе, теряется напрасно.

По идее, конструкция ракеты на антивеществе должна быть довольно простой. Антивещество в ней должно храниться в безопасных контейнерах и постепенно тонкой струйкой подаваться в камеру. Там оно должно соединяться с обычным веществом, взрываться и давать вспышку гамма- и рентгеновского излучения. Высвободившаяся при этом энергия будет выбрасываться через отверстие в реактивное сопло, создавая тягу.

Как отметил Джеймс Бенфорд, ракеты на антивеществе — любимая идея поклонников научной фантастики, но с их строительством могут появиться серьезные проблемы. Во-первых, антивещество хоть и возникает в результате естественных процессов, но лишь в относительно небольших количествах, так что нам пришлось бы производить его в больших количествах для использования в двигателях. Первый атом антиводорода, в котором антиэлектрон обращается вокруг антипротона, был получен в 1995 г. в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН) в Женеве. Для этого пучок обычных протонов был направлен на мишень из обычного вещества. В результате столкновений было получено несколько частиц-антипротонов. Мощнейшие магнитные поля отделили протоны от антипротонов, разогнав их в противоположных направлениях. Затем антипротоны замедлили, поместили в магнитную ловушку и там соединили с антиэлектронами, чтобы получился антиводород. В 2016 г. физики ЦЕРН, получив антиводород, проанализировали окружающие антипротон антиэлектронные оболочки. Как и ожидалось, обнаружилось точное соответствие между энергетическими уровнями антиводорода и обычного водорода.

В ЦЕРН объявили: «Если бы мы сумели собрать всю антиматерию, которую когда-либо получали в ЦЕРН, и аннигилировать его с материей, мы получили бы достаточно энергии, чтобы питать обычную электрическую лампочку в течение нескольких минут». Для ракеты потребуется гораздо больше антивещества. К тому же антивещество — самая дорогая форма материи в мире. В сегодняшних ценах 1 г антивещества обошелся бы примерно в $70 трлн. Его можно получить (в очень маленьких количествах) только при помощи ускорителей частиц, строительство и эксплуатация которых обходится чрезвычайно дорого. Сооружение Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРН — самого мощного ускорителя в мире — стоило более $10 млрд, но он может выдать лишь очень тонкий пучок антивещества. Попытка собрать его в количестве, достаточном для заправки космического корабля, обанкротила бы Соединенные Штаты.

Гигантские современные машины для сталкивания атомов универсальны и используются исключительно как исследовательские инструменты — для производства антивещества они совершенно неэффективны. Частичным решением этой проблемы могла бы стать организация специальных заводов для его поточного производства. В этом случае, как считает Харольд Герриш из НАСА, стоимость антивещества могла бы снизиться до $5 млрд за 1 г.

Хранение антивещества также представляет проблему и обходится недешево. Если поместить антивещество в бутылку, оно рано или поздно соприкоснется со стенками бутылки — и аннигилирует вместе с контейнером. Для правильного его хранения потребуются ловушки Пеннинга. В них магнитное поле будет удерживать атомы антивещества в подвешенном состоянии, не давая соприкоснуться с сосудом.

В научной фантастике вопросы стоимости и хранения иногда решают, вовремя осваивая какой-нибудь антиастероид, источник дешевого антивещества. Но этот эффектный сценарий не отменяет непростой вопрос: откуда вообще берется антивещество?

Во Вселенной мы повсюду видим вещество, а не антивещество. Мы это точно знаем, потому что столкновение одного электрона с антиэлектроном высвобождает как минимум 1,02 млн электронвольт энергии. Это точный индикатор столкновения с антивеществом — что-то вроде отпечатка пальца. Однако, исследуя Вселенную, мы почти нигде не встречаем излучения такого типа. Большая часть всего, что мы видим вокруг, состоит из того же обычного вещества, что и мы с вами.

Физики считают, что в момент Большого взрыва Вселенная была абсолютно симметрична и количество вещества и антивещества в ней было одинаково. В этой ситуации аннигиляция того и другого была бы идеальной и полной, а во Вселенной в результате осталось бы одно только излучение. Однако мы существуем и состоим из вещества, которого вообще не должно было остаться. Само наше существование бросает вызов современной физике.

Мы пока не сумели понять, почему вещества во Вселенной больше, чем антивещества. Лишь одна десятимиллиардная часть вещества, изначально присутствовавшего во Вселенной, уцелела после Большого взрыва, и мы — часть этого вещества. Основная теория исходит из того, что идеальное равновесие и симметрия между веществом и антивеществом в ходе Большого взрыва были нарушены, но мы не знаем, что послужило тому причиной. Физика, который сумеет разрешить эту загадку, ждет Нобелевская премия.

Двигатели на антивеществе входят в короткий список приоритетных направлений для всех, кто хочет построить космический корабль. Но свойства антивещества до сих пор почти не исследованы. Неизвестно, к примеру, падает оно вниз или вверх. Современная физика предсказывает, что антивещество должно падать вниз, как и обычное вещество. Если это так, то антигравитация, по всей видимости, невозможна. Однако попытки исследовать гравитационные свойства антивещества определенного ответа пока не дали. А с учетом стоимости любых исследований в этой области и ограниченности наших знаний ракеты на антивеществе в ближайшие 100 лет, скорее всего, останутся всего лишь мечтой — разве что мы действительно наткнемся в открытом космосе на блуждающий антиастероид.

Еще одна заманчивая идея — прямоточный термоядерный двигатель. Внешне корабль с таким двигателем должен напоминать гигантский рожок мороженого, поскольку смысл его в том, чтобы собирать в межзвездном пространстве водород и сжимать его в термоядерном реакторе, получая энергию. Подобно реактивному двигателю крылатой ракеты, прямоточный термоядерный двигатель, по идее, должен получиться довольно экономичным. Реактивные двигатели забирают обычный воздух, не нуждаясь в окислителе, что, естественно, снижает стоимость их производства. Поскольку водорода в космосе неограниченное количество, космический корабль с таким двигателем сможет ускоряться сколь угодно долго — подобно солнечному парусу, он имеет бесконечный удельный импульс.

В знаменитом романе Пола Андерсона «Когда замирает время» (Tau Zero) прямоточный термоядерный двигатель звездолета в результате аварии перестал отключаться. Корабль все больше ускоряется, постепенно приближаясь к скорости света, и вокруг него начинают происходить пугающие релятивистские искажения. Чем быстрее летит корабль, тем медленнее течет время внутри него. Людям на борту все происходящее представляется совершенно нормальным, но Вселенная стремительно стареет. Со временем звездолет разгоняется до такой скорости, что снаружи проходят миллионы лет, а экипаж может лишь беспомощно наблюдать за этим. Переместившись в будущее на бессчетные миллиарды лет, звездолетчики обнаруживают, что Вселенная сжимается: ее расширение обратилось вспять. Температура вне корабля катастрофически взлетает, поскольку галактики начинают собираться вместе, готовясь к Большому сжатию. Наконец, когда звезды схлопываются, звездолету удается проскочить мимо космического огненного шара и наблюдать со стороны новый Большой взрыв и рождение новой Вселенной. Каким бы фантастическим ни казался сюжет романа, в основе своей он соответствует теории относительности Эйнштейна.

Оставив апокалиптические сюжеты, заметим: на первый взгляд кажется, что прямоточный термоядерный двигатель слишком хорош, чтобы его можно было построить. Воронку для сбора водорода, возможно, придется растянуть на сотни километров в поперечнике, что будет неудобно и слишком дорого. Термоядерный синтез собранного водорода может не дать достаточное количество энергии для обеспечения всех нужд звездолета. Доктор Джеймс Бенсон указал также, что в нашем секторе Галактики попросту нет достаточного количества водорода, чтобы его хватило на работу двигателей звездолета, хотя в других областях Галактики, возможно, водорода на это хватит. Другие критики утверждают, что сопротивление движению звездолета с прямоточным двигателем со стороны солнечного ветра будет больше, чем его разгон под действием тяги, так что звездолет не сможет достичь релятивистских скоростей. Физики пытаются модифицировать конструкцию таким образом, чтобы компенсировать эти недостатки, но до того дня, когда прямоточный термоядерный двигатель станет реализуемым проектом, еще очень далеко.

Необходимо подчеркнуть, что у всех упомянутых звездолетов есть и другие проблемы, связанные с движением на околосветовой скорости. Серьезный риск будут представлять столкновения с астероидами, даже крохотные астероиды смогут пробить корпус звездолета насквозь. Мы уже упоминали небольшие вмятины и царапины на обшивке «Спейс шаттлов» — это отметины частиц космического мусора, которые, вероятно, сталкивались с кораблем на скорости, близкой к орбитальной, то есть примерно 29 000 км/ч. На околосветовых скоростях столкновения будут несоизмеримо более опасными, в принципе любая встреча с астероидом сможет разнести звездолет в пыль.

В кино эту опасность обычно устраняют при помощи мощных силовых полей, которые отталкивают микрометеориты. Это очень удобно, но, к несчастью, осуществимо только в головах сценаристов. Конечно, можно создать электрическое и магнитное силовые поля, но любые незаряженные объекты — даже обычные бытовые предметы из пластика, дерева или гипса — будут легко проходить сквозь них. Поэтому микрометеориты в открытом космосе нельзя отразить при помощи электрического и магнитного полей, а гравитационные поля работают только на притяжение, к тому же они чрезвычайно слабы, а значит, тоже не годятся на роль отражающих силовых щитов.

Еще одна проблема — торможение. Если вы несетесь сквозь пространство со скоростью, близкой к скорости света, как вы будете замедляться, когда доберетесь до места назначения? Солнечные и лазерные паруса всецело зависят от энергии светила или батареи лазеров, которые никак не могут замедлить движение космического корабля. Так что движимые парусом космические корабли будут полезны в основном в исследовательских пролетных программах.

Для ядерных космических кораблей лучший метод торможения, вероятно, состоит в том, чтобы развернуть корабль на 180° и направить тягу двигателей в противоположную сторону. Однако при такой стратегии примерно половина тяги корабля будет использоваться на набор скорости, а вторая половина — на торможение. Солнечный парус, возможно, удастся поставить таким образом, чтобы свет от звезды, к которой направляется экспедиция, постепенно тормозил корабль.

Еще одна проблема состоит в том, что большинство пилотируемых космических кораблей будут очень большими и неуклюжими. Собирать их придется в открытом космосе, значит, понадобятся десятки экспедиций, чтобы доставить на орбиту строительные материалы, и еще большее их число, чтобы собрать корабль. Для сокращения расходов нужен более экономный метод запуска экспедиций в космос. Именно здесь может пригодиться космический лифт.

Космический лифт, если бы его удалось создать с применением нанотехнологий, кардинально изменил бы ситуацию с исследованием космоса. Космический лифт представляет собой длинную штангу, протянувшуюся с поверхности Земли в открытый космос. Представляете, входишь в кабину, нажимаешь на кнопку, и лифт быстро поднимает тебя на орбиту. Никаких перегрузок при старте ракеты с космодрома — подъем в космос будет таким же мягким и спокойным, как подъем в лифте на верхний этаж небоскреба. Космический лифт бросил бы вызов земному тяготению и обеспечил нам простой способ подниматься в небеса.

О возможности космического лифта первым задумался Константин Циолковский, которого очень заинтересовало строительство в 1880-х гг. Эйфелевой башни в Париже. Если инженеры смогли построить столь великолепное сооружение, спросил он себя, то почему бы не продолжить строительство и не направить конструкцию прямо в открытый космос? Основываясь на простых физических принципах, Циолковский сумел показать, что теоретически, если сделать башню достаточно высокой, то с какого-то момента центробежная сила сможет поддерживать ее в вертикальном положении без какого-либо внешнего воздействия. Точно так же, как раскручиваемый на нитке шарик не падает на пол, удерживаемый в воздухе благодаря вращению, космический лифт будет удерживать от падения центробежная сила вращающейся Земли.

Идея о том, что ракеты — это, возможно, не единственный способ проникнуть в космос, оказалась радикальной и захватывающей. Но сразу же обнаружилось и препятствие. Нагрузка на тросы космического лифта может достигнуть 100 ГПа, что намного превосходит прочность стали, которая составляет 2 ГПа. Стальные кабели лопнули бы, и космический лифт кувыркаясь полетел бы на землю.

Концепция космического лифта была положена на полку почти на столетие. Иногда о таких устройствах вспоминали писатели-фантасты — к примеру, Артур Кларк в романе «Фонтаны рая». При этом на вопрос о том, когда космический лифт может быть сооружен, Кларк ответил: «Вероятно, лет через 50 после того, как все перестанут смеяться».

Теперь уже никто не смеется над этой идеей. Внезапно космический лифт перестал казаться неосуществимой выдумкой. В 1999 г. проведенное НАСА предварительное исследование показало, что лифт с тросом диаметром чуть менее 1 м и длиной около 45 000 км мог бы доставлять на орбиту до 15 т полезной нагрузки. В 2013 г. Международная академия астронавтики выпустила 350-страничный доклад, в котором говорилось, что при достаточном финансировании и активных исследованиях космический лифт, способный доставить на орбиту по 20 т груза, может быть построен к 2035 г. Стоимость строительства обычно оценивают в диапазоне $10–50 млрд — крохи по сравнению со $150 млрд, потраченными на Международную космическую станцию. При этом космический лифт может снизить стоимость доставки грузов в космос в 20 раз.

Задача строительства космического лифта из области фундаментальной физики перешла уже в область инженерного дела. Проводятся расчеты, чтобы определить, можно ли изготавливать тросы космического лифта из чистых углеродных нанотрубок, которые обладают достаточной прочностью и выдержат все нагрузки. И сумеем ли мы изготовить достаточное количество этих трубок, чтобы протянуть их на тысячи километров в космос? Ответ ясен: в настоящее время — нет. Пока чрезвычайно трудно получить нанотрубки из чистого углерода длиннее сантиметра. Возможно, вы слышали сообщения о том, что изготовлены многометровые нанотрубки, но на самом деле речь идет о композитных материалах. Это короткие нити углеродных нанотрубок, спрессованные в длинное волокно, не обладающее, однако, чудесными свойствами чистых углеродных нанотрубок.

Чтобы подстегнуть интерес к таким проектам, как космический лифт, НАСА финансирует программу Centennial Challenges, в рамках которой проводятся конкурсы и выдаются призы энтузиастам, разрабатывающим космические технологии. Как представитель телеканала я вел конкурс, в котором участники предлагали свои компоненты для прототипа мини-лифта. Я видел, как при помощи лазерных лучей они гнали небольшую капсулу вверх по длинному тросу. Это молодые люди, убежденные в том, что космический лифт распахнет двери небес для всех желающих, новый класс предпринимателей-инженеров, которые жаждут строить будущее.

Космический лифт произвел бы настоящую революцию в наших отношениях с космосом. Пространство, открытое только для астронавтов и военных пилотов, могло бы стать игровой площадкой для детей и целых семей. Лифт предложил бы нам эффективный подход к космическим путешествиям и космическим носителям нового типа, включая звездолеты, способные летать почти со скоростью света.

Если смотреть на вещи реалистически, космический лифт с учетом стоящих перед нами громадных инженерных проблем вряд ли удастся построить до конца этого столетия.

Разумеется, присущие нам как виду любопытство и амбиции со временем заставят нас когда-нибудь пойти дальше термоядерных двигателей и двигателей на антивеществе и принять важнейший вызов. Не исключено, что однажды мы сумеем преодолеть абсолютный предел скорости во Вселенной — скорость света.

Как-то раз один мальчик прочел детскую книжку — и изменил мировую историю. Шел 1895 г., и крупные города только начинали покрываться сетью электрических проводов. Чтобы разобраться в этом странном новом явлении, мальчик принялся за «Популярные книги по естественным наукам» Аарона Бернштейна. В них автор просил читателей представить, что они несутся вместе с электрическим током по телеграфным проводам. Мальчик задумался: а что, если заменить электрический ток лучом света? Можно ли обогнать свет? Он рассудил, что, поскольку свет — это волна, световой луч должен выглядеть неподвижным, будто застывшим во времени. Однако он быстро сообразил, что никто никогда не видел неподвижной световой волны. Следующие десять лет он потратил на поиски разгадки.

И наконец в 1905 г. он нашел ответ. Звали мальчика Альберт Эйнштейн, а теория его получила название специальной теории относительности. Он открыл, что обогнать световой луч невозможно, поскольку скорость света — абсолютный предел скорости во Вселенной. При приближении к ней начинают происходить странные вещи. Ваш корабль становится тяжелее, а время внутри него замедляется. Если бы можно было каким-то образом достичь скорости света, то тот, кто его достиг, стал бы бесконечно тяжелым, а время для него остановилось бы. Однако и то и другое невозможно, и это означает, что преодолеть световой барьер тоже невозможно. Эйнштейн, как дорожный полицейский, установил во Вселенной абсолютное ограничение скорости — и заставил мучиться несколько поколений ученых-ракетчиков.

Но Эйнштейну этого было мало. Теория относительности объясняла многие загадки природы света, но он хотел, чтобы его теория была применима еще и к гравитации. В 1915 г. он предложил поразительную гипотезу. Эйнштейн постулировал, что пространство и время, которые прежде считались инертными и статичными, на самом деле весьма динамичны и похожи на гладкое полотно, способное изгибаться, растягиваться и искривляться. Согласно его гипотезе, Земля обращается вокруг Солнца не потому, что притягивается солнечной гравитацией, а потому, что Солнце искривляет пространство вокруг себя. Ткань пространства-времени подталкивает Землю и заставляет ее двигаться по кривой вокруг Солнца. Попросту говоря, тяготение ничего не притягивает. Вместо этого пространство как бы подталкивает все объекты в нужном направлении.

Шекспир однажды сказал, что мир — театр, а люди в нем — актеры, каждый из них в свое время появляется на сцене и в свое время уходит. Представим пространство-время в виде такой сцены. Когда-то она считалась неподвижной, плоской и абсолютной; считалось, кроме того, что часы в любом ее конце тикают одинаково. Но в Эйнштейновой Вселенной эта сцена может быть искривленной, и часы на ней идут с разной скоростью. Актеры не могут беспрепятственно ходить по сцене, они спотыкаются и падают. Сами они могут утверждать, что какая-то невидимая «сила» тянет их в разных направлениях, но на самом деле это изогнутая сцена толкает их.

Кроме того, Эйнштейн понял, что в его общей теории относительности имеется просчет. Чем крупнее звезда, тем сильнее искривляется вокруг нее пространство-время. Если звезда достаточно массивна, она становится черной дырой. Мало того, ткань пространства-времени может буквально рваться, потенциально порождая кротовую нору, которая представляет собой своеобразный шлюз — короткий путь сквозь пространство. Это явление, концепцию которого предложили Эйнштейн и его ученик Натан Розен в 1935 г., сегодня называют мостом Эйнштейна — Розена.

Простейший пример моста Эйнштейна — Розена — зеркало в книге «Приключения Алисы в Стране Чудес». По одну сторону зеркала располагаются окрестности Оксфорда в Англии. По другую сторону находится фантастический мир Страны Чудес, в который Алиса мгновенно переносится, стоит ей дотронуться до зеркала пальцем.

Кротовые норы — один из любимых сюжетных ходов в кино. Хан Соло проводит звездолет «Тысячелетний сокол» сквозь гиперпространство, направив его в кротовую нору. Холодильник, который открывает героиня Сигурни Уивер в фильме «Охотники за привидениями», оказывается кротовой норой, сквозь которую она видит целую вселенную. В романе К. С. Льюиса «Лев, колдунья и платяной шкаф» этот самый шкаф также является кротовой норой, соединяющей английскую деревню с Нарнией.

Кротовые норы были открыты при исследовании математики черных дыр, представляющих собой схлопнувшиеся гигантские звезды. Их тяготение так велико, что даже кванты света не могут покинуть их. Скорость убегания для черных дыр равна скорости света. В прошлом считалось, что черные дыры стационарны и обладают бесконечной гравитацией, известной также как сингулярность. Но оказалось, что все черные дыры, обнаруженные в космосе, довольно быстро вращаются. В 1963 г. физик Рой Керр открыл, что вращающаяся черная дыра, если она движется достаточно быстро, не обязательно схлопнется в точку, но может превратиться во вращающееся кольцо. Это кольцо стабильно, потому что центробежная сила не дает ему схлопнуться. Куда же девается все, что падает внутрь черной дыры? Физики пока этого не знают. Но существует вероятность, что вещество, прошедшее в кольцо черной дыры, может выйти с другой стороны через так называемую белую дыру. Ученые уже ищут в космосе белые дыры, которые выпускали бы из себя вещество, вместо того чтобы его заглатывать, но пока ничего подобного обнаружить не удалось.

Приближаясь к вращающемуся кольцу черной дыры, можно стать свидетелем невероятного искажения пространства и времени. Возможно, при этом вам удастся увидеть световые лучи, захваченные тяготением кротовой норы миллиарды лет назад. Не исключено даже, что вы встретите там копии самого себя. А возможно, атомы вашего тела будут растянуты приливными силами в ходе неприятного и убийственного процесса, получившего название спагеттификации.

Если бы вы прошли сквозь само кольцо, вас, возможно, выбросило бы через белую дыру в параллельную вселенную по другую его сторону. Представьте, что вы берете два листа бумаги, располагаете их параллельно друг другу, а затем протыкаете насквозь карандашом, соединяя листы. Если пройти вдоль карандаша, можно попасть из одной параллельной вселенной в другую. Однако если пройти сквозь кольцо второй раз, окажешься еще в одной параллельной вселенной. Всякий раз, проходя сквозь кольцо, вы будете попадать в разные вселенные — точно так же, как поездка в лифте позволяет перемещаться между разными этажами здания, с единственной разницей — вы никогда не сможете вернуться на тот этаж, на котором уже были.

Когда вы проходите сквозь кольцо, тяготение будет конечным, так что вас не обязательно раздавит насмерть. Однако, если окажется, что кольцо вращается недостаточно быстро, оно может внезапно схлопнуться и убить вас. Не исключено, что кольцо можно будет стабилизировать искусственно, добавив к нему нечто, известное как отрицательная материя или отрицательная энергия (назовем их минус-материей и минус-энергией). Таким образом, стабильность черной дыры — вопрос равновесия, и главное здесь — поддерживать верное соотношение положительной и отрицательной энергии. Для естественного формирования шлюза между вселенными (например, черной дыры) требуется огромное количество положительной энергии. Но, чтобы шлюз оставался открытым и не схлопнулся, отрицательную материю или энергию потребуется создавать искусственно.

Минус-материя (минус-вещество) совсем не то же самое, что антиматерия. В отличие от последней, в природе минус-материя пока не обнаружена. Минус-материя обладает странными антигравитационными свойствами, то есть в поле тяготения она должна была бы падать вверх, а не вниз. (Антиматерия, напротив, согласно современной теории должна падать вниз, а не вверх.) Если бы на Земле миллиарды лет назад существовала минус-материя, то материя планеты попросту оттолкнула бы ее и это загадочное вещество уплыло бы в открытый космос. Возможно, именно поэтому мы его и не обнаружили.

Хотя физики пока не нашли реальных свидетельств существования минус-материи, минус-энергию уже удалось получить в лаборатории. Это позволяет выжить мечте поклонников научной фантастики, которые надеются, что человек когда-нибудь будет летать к звездам через кротовые норы. Однако количество минус-энергии, которое удалось получить в лаборатории, мизерно, его явно не хватит на пролет звездолета сквозь кротовую нору. Для получения минус-энергии в количестве, необходимом для стабилизации кротовой норы, потребовалась бы чрезвычайно продвинутая технология, о которой мы поговорим подробнее в главе 13. Так что в обозримом будущем строить звездолеты с гипердвигателями для полетов сквозь кротовые норы нам будет не под силу.

Однако не так давно интерес ученых вызвало событие, связанное еще с одним способом искривлять пространство-время.

Помимо кротовых нор, еще одним способом преодолеть световой барьер могут стать пузырь Алькубьерре и соответствующий двигатель. Мне довелось однажды брать интервью у мексиканского физика-теоретика Мигеля Алькубьерре. Революционная идея в области релятивистской физики осенила его перед телевизором — не исключено, что он тогда впервые в жизни сел смотреть телевизор. В одной из серий «Звездного пути» его заинтересовал способ, при помощи которого звездолет «Энтерпрайз» мог лететь быстрее света. Он каким-то образом сжимал пространство перед собой, так что звезды казались не такими далекими. Собственно, «Энтерпрайз» не летел к звездам — звезды сами приближались к нему.

Представьте, что вы движетесь по ковру, а ваша цель — добраться до стола. Здравый смысл подсказывает простейший способ это сделать — пройти по ковру от одной точки до другой. Но есть и другой способ. Можно зацепить стол веревкой и тянуть его к себе, заставляя ковер собираться в складки. Не вы идете по ковру к столу, а ковер идет складками, и при этом стол подъезжает к вам.

Мигелю Алькубьерре пришла в голову интересная идея реализации подобного принципа. Обычно теоретики выбирают звезду или планету, а затем при помощи уравнений Эйнштейна рассчитывают искривление пространства вокруг нее. Но можно поступить и наоборот. Можно задать конкретную степень искривления и с помощью тех же уравнений определить, какая именно звезда или планета вызовет такое искривление. В качестве грубой аналогии можно посмотреть, как автомеханик собирает машину. Можно начать с тех частей, которые имеются под рукой, — это может быть двигатель, колеса, все что угодно — и собирать машину «вокруг них». А можно заранее выбрать необходимую вам конструкцию, а потом определить, какие для ее сборки потребуются части.

Алькубьерре перевернул Эйнштейнову математику с ног на голову и обратил вспять обычную логику физиков-теоретиков. Он попытался разобраться, звезда какого типа могла бы сжимать пространство перед собой и расширять его позади. К полному изумлению ученого, ответ оказался простым. Оказалось, что машина по искривлению пространства, показанная в «Звездном пути», представляет собой допустимое решение уравнений Эйнштейна! Может быть, варп-двигатель в конечном итоге не так уж невероятен.

Звездолет, оборудованный двигателем Алькубьерре, должен быть окружен пузырем искривленного пространства — пустотелым пузырем из вещества и энергии. Пространство-время внутри пузыря и вне его будут полностью изолированы друг от друга. При разгоне звездолета люди внутри ничего не почувствуют. Возможно, они вообще не заметят, что их корабль движется, хотя на самом деле он будет лететь быстрее света.

Полученный Алькубьерре результат потряс физическое сообщество — настолько он был нов и радикален. Однако после публикации статьи критики начали указывать на слабые места его теории. Несмотря на элегантность предложенной концепции сверхсветовых путешествий, она предусматривала не все возможные сложности. Если область внутри звездолета отделена от внешнего мира пузырем, тогда она не сможет обмениваться с внешним миром информацией, а значит, пилот космического корабля не сможет контролировать направление полета. Управлять будет невозможно. К тому же остается практический вопрос о создании варп-пузыря. Чтобы сжимать пространство перед собой, он должен будет иметь на борту запас топлива определенного типа — той самой минус-материи или минус-энергии.

Итак, мы вернулись к тому, с чего начали. Минус-вещество или минус-энергия — вот недостающее звено, необходимое для поддержания нашего варп-пузыря, а также наших кротовых нор, в стабильном состоянии. Стивен Хокинг доказал общую теорему, согласно которой все решения Эйнштейновых уравнений, допускающие движение со сверхсветовой скоростью, должны содержать в себе минус-материю или минус-энергию. (Иными словами, положительные материя и энергия, которые мы наблюдаем в звездах, способны искривлять пространство-время так, что с их помощью можно идеально описывать движение небесных тел. Но отрицательные материя и энергия искривляют пространство-время причудливым образом и порождают антигравитационную силу, способную стабилизировать кротовые норы, не давая им схлопываться, и разгонять варп-пузыри до сверхсветовых скоростей, сжимая перед ними пространство-время.)

Физики попытались рассчитать количество минус-материи или минус-энергии, необходимые для движения звездолета. Последние результаты показывают, что это количество эквивалентно массе Юпитера. Это означает, что лишь очень высокоразвитой цивилизации под силу использовать минус-материю или минус-энергию в качестве топлива для своих звездолетов, если это вообще возможно. (Однако не исключено, что количество минус-материи или энергии, необходимой для сверхсветового движения, уменьшится, поскольку расчеты сильно зависят от геометрии и размеров варп-пузыря или кротовой норы.)

В «Звездном пути», чтобы обойти это неудобное препятствие, постулировано существование редкого минерала под названием дилитий, кристаллы которого являются необходимым компонентом варп-двигателя. Сегодня мы знаем, что под названием «кристаллы дилития» может скрываться «минус-материя или энергия».

Кристаллов дилития на свете нет, но минус-энергия существует, и это оставляет открытым вопрос о наличии в природе кротовых нор, сжатого пространства и даже машины времени. И хотя законы Ньютона исключают существование минус-энергии, квантовая теория это допускает через эффект Казимира, который был предложен в 1948 г. и измерен в лаборатории в 1997 г.

Представим, у нас имеются две параллельные незаряженные металлические пластины. Когда их разделяет значительное расстояние, мы говорим, что между ними действует нулевая электрическая сила. Однако при сближении они загадочным образом начинают притягивать друг друга — получается, что мы можем извлечь из них некоторую энергию. Поскольку начинали мы с нулевой энергией, а, сблизив пластины, получили положительную, значит, сами пластины первоначально обладали отрицательной энергией. Причина этого нам не ясна. Здравый смысл говорит нам, что вакуум — это состояние пустоты с нулевой энергией, а на самом деле в нем кишмя кишат частицы вещества и антивещества, которые материализуются ненадолго из вакуума и тут же вновь аннигилируют. Эти «виртуальные» частицы появляются и исчезают так стремительно, что не нарушают законы сохранения вещества и энергии, то есть принцип, согласно которому полное количество материи и энергии во Вселенной всегда остается одинаковым. Постоянное бурление в вакууме порождает давление. Поскольку снаружи от параллельных пластин взаимодействий материя — антиматерия происходит больше, чем между ними, это давление подталкивает пластины друг к другу, создавая при этом минус-энергию. Это и есть эффект Казимира, который наглядно демонстрирует в квантовой теории возможность существования отрицательной энергии.

Первоначально, поскольку сила в эффекте Казимира чрезвычайно мала, ее можно было измерить только при помощи самой точной и чувствительной аппаратуры. Но нанотехнологии уже достигли того уровня, когда мы в состоянии заниматься отдельными атомами. Во время съемок документального телефильма мне довелось побывать в лаборатории в Гарварде, где имелся небольшой настольный прибор, при помощи которого можно было манипулировать атомами. В ходе эксперимента, который я наблюдал, с трудом удавалось удерживать два близких атома, чтобы они не разлетелись или, наоборот, не слиплись под действием силы Казимира, которая может быть как отталкивающей, так и притягивающей. Может быть, для физика, обдумывающего строительство звездолета, минус-энергия — это высшая ценность и совершенно необходимая вещь, но специалисту по нанотехнологиям сила Казимира, довольно мощная на атомном уровне, только мешает.

В заключение скажем: отрицательная энергия существует, и, если бы удалось каким-то образом собрать ее достаточно, тогда мы могли бы, в принципе, построить машину для создания кротовых нор или варп-двигатель и исполнить одну из величайших надежд научной фантастики. Но до этих технологий нам еще очень далеко, мы поговорим о них в главах 13 и 14. А пока нам придется обходиться световыми парусами, которые к концу нашего столетия, возможно, будут бороздить космическое пространство и доставлять нам первые фотографии экзопланет, сделанные с близкого расстояния. К XXII в. мы, возможно, сможем и сами долететь до этих планет на ракетах с термоядерными двигателями. А если сумеем решить стоящие перед нами сложные инженерные задачи, то не исключено, что мы сможем воплотить в реальность также двигатели на антивеществе, прямоточные двигатели и космический лифт.

Но что мы отыщем в дальнем космосе, если сумеем в конце концов построить звездолеты? Обнаружатся ли там иные миры, способные стать человеку домом? К счастью, космические телескопы и спутники дают нам возможность подробно рассмотреть то, что скрывается меж звезд.