В данной статье автор попытался изложить "на пальцах", не прибегая к сложным теоретическим выкладкам и многоэтажным формулам вопросы, связанные с космическими полётами вообще и межзвёздными коммуникациями в особенности.
Дорога к звёздам
Звёзды... Крохотные переливающиеся огоньки, за которыми скрыты иные миры. Они волновали и манили мечтателей всех времён и народов. Недосягаемые горние выси...
Недосягаемые?
Впереди любого свершения, как известно, всегда идёт мечта. И первым мечтателем, показавшим реальный путь в космос, был скромный учитель из Калуги. Идеи Циолковского пробили первую брешь в панцире неверия. Ракета - вот средство! И ничего фантастического. Сталь, дюралюминий, керосин, азотная кислота или жидкий кислород. Делайте!
Что касается целей, то в те годы никто не сомневался, зачем именно человеку лететь в космос. Разумеется, освоить. Освоить и присвоить богатства иных миров. Земля - колыбель человечества, но нельзя же вечно жить в колыбели. Мы не можем ждать милостей от природы, взять их у неё наша задача! Всё для человека - вся Вселенная!
Эпоха 1957-1969 можно смело назвать прорывом. Без всяких кавычек - человечество буквально проломило дорогу в космос. Первый спутник, первый облёт Луны, снимки обратной стороны той Луны... Полёт Гагарина, выход Леонова в открытый космос, посадка лунной станции, стыковка на орбите, достижение Венеры межпланетной станцией, и как вершина - экспедиция "Аполлон-11". Впервые человек ступил на поверхность иной планеты! И всё это за 12 лет!
Успехи вскружили головы не только энтузиастам космонавтики. Миллиарды долларов и рублей вкладывались в проекты, которые и сейчас, спустя десятилетия, вызывают восхищение. Станции "Салют", конечно, имели прикладное значение (в том числе и в качестве военно-разведывательных аппаратов), однако никто в 1970-м не сомневался в конечной цели - наработка навыков и технологий для пилотируемого полёта на Марс. В США шли грандиозные работы по созданию атомного ракетного двигателя "Нерва", проектировалась сверхгигантская ракета "Нова" весом в 4500 тонн (лунный "Сатурн-5" весил 2950 вкупе с полезной нагрузкой) - носитель марсианского корабля. Достижение Красной планеты первоначально планировалось около 1978 года. Даёшь Марс! И уже звучали бодрые песни, общую суть которых прекрасно передаёт одна: "Утверждают космонавты и мечтатели, что на Марсе будут яблони цвести..."
Однако самое главное, самое заветное осмеливались озвучивать лишь писатели-фантасты. Марс, это, конечно, грандиозная цель, но это всего лишь этап. Как до того Луна, а ещё чуть раньше орбитальные полёты "Востоков" и "Восходов". Конечная цель - достижение иных звёздных миров.
Если бы кто-то в середине 1970-х годов заявил, что до 2015 года нога человека не ступит не только на Марс, но и на Луну, его бы просто подняли на смех. Очнитесь, гражданин, на Луну-то уже летают! Как это больше не полетят?
Однако это случилось.
Так почему же это случилось?
Ракетный барьер
Экспедиции "Аполлон" доставили на Землю 368 кг образцов лунного грунта. На сегодняшний день это самый дорогой природный материал, не имеющий ценовых аналогов. 10 млн. долл. за кг - пожалуй, только радий может составить конкуренцию невзрачным камешкам.
Когда схлынуло упоение от первых успехов и защёлкали счёты бухгалтеров, наступило похмелье. Хорошо, догнали и перегнали русских. Ступили на поверхность Луны и водрузили флаг. Доказали всему миру - можем! А что дальше?
И в тишине раздался первый наивный вопрос: "А зачем вообще надо людям летать на Марс?"
Действительно, никаких экономических предпосылок к освоению иных планет нет и не предвидится. Даже если бы на Марсе имелись склады оружейного плутония, его доставка на Землю при помощи химических ракет оказалась бы нерентабельной.
Позвольте, возразят, а научные исследования? Знания бесценны!
Всё правильно. Всё верно. Так обозначился единственный груз, ради которого имеет смысл летать в космос. Информация. Она и только она оправдывает миллиардные затраты.
Однако при чём тут человек?
Когда взлетел первый спутник, никакой альтернативы пилотируемой космонавтике не было. Автоматы? Роботы? Бросьте! Роботы на радиолампах, это игрушки для Дворца пионеров. Когда-нибудь, через сотни лет...
И даже первый советский луноход, разумеется, не мог соперничать с живыми космонавтами, прибывшими на борту "Аполлонов".
Но время шло, компьютерная техника развивалась, и автоматы шаг за шагом отвоёвывали "жизненное пространство". Сегодняшними достижениями беспилотной космонавтики действительно можно восхищаться. Перечисление многочисленных потрясающих проектов не входит в задачу этой статьи, достаточно упомянуть телескоп "Хаббл", марсоходы "Спирит" и "Оппортьюнити", опустившийся на Титан зонд и т. п. Практически все достижения в познании окружающей нас Вселенной связаны с беспилотными проектами. Что может противопоставить этому пилотируемый космос?
Вспомним фантастику 1960-х. Могучие звездолёты с анамезонными двигателями, тысячетонные колоссы, космические крейсера с многочисленным экипажем. Именно так виделось будущее космонавтики. И вызывают улыбку многотонные "бортовые вычислители", шуршащие перфолентами и мигающие лампочками - именно так выглядели ЭВМ той поры.
Всё случилось с точностью до наоборот. Уже давно канули в Лету "вычислители" с лампочками и перфолентами. А вот двигатели современных ракет остались теми же. И в настоящее время не видно выхода из этого тупика. Скорость истечения при использовании наиболее эффективного топлива (жидкий кислород + жидкий водород) едва достигает 4,2 км/с. Поскольку данная статья не о ракетной технике, нет смысла загружать читателя формулами, желающие могут найти сами. Достаточно выводов. При использовании ракетной техники на химическом топливе единственным проектом, достижимым "на пределе", является пилотируемая экспедиция на Марс. Грандиозное предприятие стоимостью в сотни миллиардов долларов, два с лишним года и экипаж из трёх-четырёх человек. Теоретически, правда, возможна ещё экспедиция к Венере, но это уже будет совершенно бессмысленное предприятие, поскольку высадка на поверхность там невозможна. И это всё. Остальные планеты Солнечной системы недостижимы. Что уж говорит о звёздах!
Проблему пытались решить самыми разнообразными путями. Для повышения энергетических характеристик разрабатывались атомные двигатели типа "Нерва", где жидкий водород прогонялся через раскалённый атомный реактор. Скорость истечения на испытаниях достигла 8 км/с, и теоретически может быть доведена до 10 км/с. Для знакомых с формулой Циолковского очевиден колоссальный выигрыш. Если бы таким двигателем удалось оснастить ракету массой, равной "Сатурну-5", то вместо 5,5 т. возвращаемой нагрузки (а "коммерческого груза" и вовсе лишь десятки кг) к Земле можно было бы доставить более 200 т. Одноступенчатый и многоразовый "шаттл" действительно мог бы стать "транспортным самолётом" для доставки грузов на Луну и с Луны. Правда, справедливости ради следует сказать, что и тогда стоимость килограмма "лунных камней" вряд ли опустилась бы ниже 20-30 тыс. долл. даже по наиболее смелым подсчётам (в ценах 1960-х годов). Что ставит крест на любых проектах "лунных рудников".
Ещё больший выигрыш сулили плазменные и особенно ионные двигатели. Последние, лишённые температурных ограничений, могут теоретически давать скорость истечения в тысячи и десятки тысяч км/с (вплоть до субсветовых скоростей), однако тут лимитирующим фактором служит мощность бортовой энергоустановки.
К сожалению, защита экипажа от нейтронного излучения реактора, являющегося сердцем подобных двигателей, имеет вес в сотни тонн, что вкупе с угрозой сильнейшего радиоактивного загрязнения атмосферы и похоронило столь многообещающие проекты. Остаётся добавить, что ионные двигатели в принципе неспособны обеспечивать старт аппарата с поверхности Земли, так что доставка подобных кораблей на орбиту всё равно должна осуществляться старыми добрыми химическими ракетами.
Сегодня, спустя век, уже очевидно - учитель из Калуги ошибся. Химическая ракета непригодна для "освоения" космоса. И само "освоение" никак не может быть целью.
Земля - колыбель человечества, его дом и могила. Другой Земли у нас не будет. И пора бы уже осознать людям, что они не чумные микробы, чтобы, сожрав родную планету, найти новую. Чтобы снова сожрать и двигаться в космос дальше.
И вновь возникает вопрос - а для чего тогда человеку нужен космос?
Ответ очевиден. Чтобы всё-таки достичь звёзд. Не для того, чтобы что-то в иных мирах "освоить"-ограбить. Для того, чтобы достичь.
Как достичь?
Но допустим, все ныне существующие технические вопросы ракетной техники уже преодолены. Станет ли это началом звёздного пути?
Первое, что приходит на ум - лобовое решение проблемы. "Поехали!"
Сказка о фотонном звездолёте
- Тридцать пятая звёздная состояла из четырёх кораблей. На одном из них моя мать была астрономом. Я родился на полпути к двойной звезде МН19026+7АЛ и тем дважды нарушил законы. Дважды потому, что рос и воспитывался у родителей на звездолёте...
("Туманность Андромеды")
Вот так и выглядели те, самые первые представления о межзвёздных полётах. Караваны звездолётов, весьма похожие на караваны судов отважных первопроходцев Севморпути, годы и даже десятилетия идущие к своей цели. Напролом, через бездны пустоты. Упоение успехами первых космических ракет было столь велико, что и звёздные корабли становились реактивными просто по умолчанию.
Для того, чтобы достичь субсветовых скоростей, нужно иметь горючее, дающее скорость истечения, равное световой. Если отбросить "анамезон" и т. п, единственной хорошо известной реакцией, дающей такую возможность, к настоящему времени является аннигиляция антивещества с веществом.
Так появилась идея фотонной ракеты.
И поплыли по страницам фантастических романов и повестей звездолёты с огромными, километровыми параболическими зеркалами-отражателями...
Автора данной статьи всегда изумляло, насколько могут быть живучи дремучие стереотипы. Ну как же, фотонный, значит, световой. Раз свет, то нужно зеркало для формирования "реактивной тяги". И ослепительный световой луч позади звездолёта, как прожектор...
А между тем при аннигиляции энергия выделяется в виде весьма жёсткого гамма-излучения. Да, фотоны, но с энергией 1 Гэв. Никаких зеркал, способных отразить подобное излучение, нет и не может быть в принципе. Если учесть, что по сравнению с аннигиляцией термоядерный взрыв всего лишь горение сырых дров, то называть подобный "звездолёт" правильней будет аннигиляционной бомбой. Раз - и готово...
Существуют, правда, обходные пути, теоретически позволяющие формировать узконаправленный луч без всяких зеркал. Например, предварительный разгон аннигилята до субсветовых скоростей. Однако не будем утомлять читателей техническими подробностями, в данном случае совершенно ненужными. Поскольку все они останутся на страницах фантастических романов.
Фотонная ракета на антивеществе - сказка, которой никогда не стать былью.
Рассмотрим иные возможности, позволяющие создать фотонный звездолёт, не нуждающийся в антивеществе. Таких возможностей несколько - по крайней мере из тех, что не противоречат явно уже известным законам физики.
1. "Асимметричная аннигиляция" ("самоаннигиляция") обычного вещества. Тем самым снимаются колоссальные трудности, связанные с получением и хранением антивещества. Роль горючего сможет исполнять любая масса - скажем, вода, накачанная в баки. Особенно привлекательно в данном случае то, что топливо можно брать лишь в один конец - водяной лёд наверняка присутствует практически в любой планетной системе.
2. Извлечение энергии непосредственно из вакуума, этой "основы ткани Вселенной". Такой двигатель уже с полным правом можно назвать вечным, поскольку он даже не нуждается в запасах рабочего тела. Этот звездолёт уже нельзя назвать просто ракетой. Такой аппарат мог бы развить скорость, сколь угодно близкую к световой...
3. Использование межзвёздного газа в качестве рабочего тела. Учитывая плотность межзвёздной среды, диаметр "воздухозаборника" такого аппарата должен составлять тысячи километров.
В настоящее время имеются лишь крайне смутные представления, каким образом данные процессы можно организовать. И можно ли вообще организовать.
Однако даже если когда-нибудь такая возможность появится, самые совершенные фотонные звездолёты, способные вплотную подойти к световому барьеру, никогда не смогут его преодолеть. Ползущие через космос годы, десятилетия... века... Даже если не принимать во внимание судьбу экипажей, экспедиция, растянувшаяся на века, окажется попросту бесполезной.
И окажется суперзвездолёт, краса и гордость земной науки и техники, таким же "ракетным тупиком", каким является ныне химическая ракета. Средство достижения ближайших звёзд, буквально трёх-четырёх десятков. Ну пусть сотни, если хватит терпения ждать. О том ли мечтали? Ведь до ближайших "братьев по разуму" как минимум сотни световых лет.
Нужны иные средства.
В обход светового барьера
Бесперспективность субсветовых полётов для сколько-то дальних межзвёздных путешествий была столь очевидной, что уже к началу 1970-х писатели-фантасты, не сговариваясь, начали пересаживать своих героев на новую технику. "Звездолёт прямого луча" пришёл на смену "анамезонному", и в целом гиперлёты - будем пользоваться этим термином - вытеснили фотонные практически повсеместно, как паровозы. При этом на первых порах новый вид межзвёздного транспорта сохранял все признаки, унаследованные от "досветовых" машин, подобно тому, как автомобиль изначально имел сходство с каретой. Мысль, что гиперлёт может и не иметь воплощения "в металле", и даже вообще не иметь в своём составе обычного вещества, дошла до умов фантастов не сразу. Строго говоря, первыми к ней пришли учёные, а не писатели.
Но возможно ли такое в принципе? Может ли вообще материальное тело преодолеть световой барьер?
Сегодня на этот вопрос уже можно ответить утвердительно. Нет, "разогнать" звездолёт из металла до сверхсветовой скорости не удастся. Но если закон нельзя нарушить, его можно обойти.
Рассмотрим ряд таких лазеек.
--
"Сверхсветовой полёт"
Существует класс частиц, покуда не обнаруженных и оттого считающихся гипотетическими - тахионы. Эта частица обладает мнимой массой покоя и оттого может существовать только двигаясь со скоростью, превышающей световую. Теряя энергию, тахион только увеличивает скорость, покуда не достигнет своего "квантового нуля". Некой аналогией тут может служить электрон в атоме - излучая фотоны, он опускается до "основной орбиты" и далее опуститься не может.
Теория тахионов в настоящее время настолько сыра и непроработана, что допускает весьма различные толкования. И всё-таки можно сказать, что уже известно.
Скорость "нулевого" тахиона превышает световую в миллионы, возможно, в миллиарды раз (в зависимости от того, какова окажется его мнимая масса). За секунду - до Альфа Центавра. Путь до центра нашей галактики займёт минуты. И за пару часов тахион доберётся до той самой Туманности Андромеды, до которой свет летит полтора миллиона лет.
Вторым и важнейшим свойством тахионов является то, что они не взаимодействуют с обычным, "досветовым" веществом. В отличие от нейтрино, которые всё-таки иногда вступают в реакции, для тахионов это невозможно, поскольку для них имеет место обратное течение времени. Тем самым снимается запрет, накладываемый ОТО на перенос информации со скоростью, превышающей скорость света. Нет взаимодействия - нет переноса.
Тахионы так и остались бы гипотетическими частицами навсегда, и никаких шансов обнаружить их не было бы, если бы не свойства вакуума. Вакуум только кажется абсолютной пустотой, на самом деле он буквально "кипит", рождая ежесекундно массу виртуальных пар частица-античастица. Вот с виртуальными частицами тахионы вполне способны взаимодействовать. И уже известны некоторые условия, при которых виртуальные частицы становятся реальными - скажем, на границе "горизонта событий" чёрных дыр, или просто под воздействием гамма-квантов, энергия которых достаточна для того, чтобы "разорвать" виртуальные пары.
Таким образом, информация всё-таки может быть передана "обходным путём" со скоростью, многократно превышающей световую. Ну а любой материальный объект - человека, или звездолёт - можно описать массивом информации. Осталось пустяк. Зашифровать нужную информацию в поток тахионов и "на том конце" восстановить.
Очень просто, не правда ли?
--
"Кротовые норы Вселенной"
Теоретическое обоснование "кротовых нор" ("червоточин") появилось не так давно и является побочным результатом развития теории суперструн. Теория достаточно сложна и выходит далеко за рамки данной статьи. Ограничимся лишь самыми общими представлениями.
Вход в "кротовину" выглядящий для удалённого наблюдателя как обыкновенная "чёрная дыра" (коллапсар), для рискнувшего в неё нырнуть путешественника преподнесёт сюрприз - вместо вечного упокоения в центральной сингулярности коллапсара герой вынырнет "на том конце тоннеля". Скажем, в той же Туманности Андромеды. В каком виде, это уже детали. Есть веские основания полагать, что нырнувший в "кротовину" звездолёт выйдет наружу в виде набора элементарных частиц... но ведь выйдет же!
Что касается времени путешествия, то в данном случае вопрос в целом неправомерен, поскольку свойства пространства-времени в "кротовине" радикально отличны от нам привычных.
3. "Дырочная телепортация"
Следует честно признаться, теория данного явления оказалась непосильна для автора статьи даже на уровне "пальцев". Более того, закралось подозрение, что физики-теоретики понимают в этом деле примерно столько же. Темна вода во облацех... Для тех, кого подобные объяснения не удовлетворят, попробуйте набрать в том же Яндексе "Телепортация", "Пузырь Алькубьерре" и начинайте копать, насколько хватит терпения.
Если совсем коротко и до предела упрощенно - объект исчезает "здесь" и возникает "там". В отличие от "тахионного" полёта время перелёта может теоретически равняться нулю. Однако это ровным счётом ничего не значит, поскольку само понятие "время перелёта" в данном случае некорректно.
Способ подкупает тем, что в принципе обещает воссоздать "на финише" телепортируемый объект с точностью до атома. Однако, учитывая уровень развития теории, не факт, что это обещание будет обязательно выполнено.
Вообще, строго говоря, во всех трёх вышеописанных случаях никакого перелёта нет. Есть некие процессы в различных областях Вселенной, странным образом коррелированные. Теория любого "гиперперехода" намного сложнее, чем "обычные" релятивистские эффекты искривления-сжатия пространства и замедления времени, наблюдаемые при полётах с околосветовой скоростью. Скажем, имеется такое понятие, как "единое приведённое" (или "абсолютное") время объекта (планеты, к примеру). Оно определяется от начала Большого Взрыва и может быть измерено - в простейшем случае по уровню реликтового излучения. Так вот, при телепортации "абсолютное время" может только возрастать, но не уменьшаться. Это фундаментальный запрет, накладываемый законом возрастания вселенской энтропии. Таким образом, телепортировавшись, скажем, сегодня в 8-00 утра по московскому времени на Альфу Центавру и приятно проведя там пару часов, можно вернуться назад в 10-00. А можно в 11-30, или даже 18-45. Но ни в коем случае не в 7-00 сегодняшнего дня. Более того, поскольку Альфа Центавра находится совсем рядом и время там течёт практически так же, как на Земле, невозможно вернуться и в 9-30, сэкономив таким образом полчаса. "Машина времени" не получится. Таким образом снимается парадокс "петли времени", столь будоражащий воображение и способный нарушить основу основ нашей Вселенной - причинно-следственные связи остаются нерушимы.
Пристальное рассмотрение процесса показывает, что все парадоксы, якобы возникающие при телепортации, мнимые. Ну в самом деле, представьте - на Земле аборигены уничтожили свой гиперлёт, а в это же самое время по часам Вселенной за сотни или тысячи световых лет точно такой же (с точностью до атома) аппарат тамошние обитатели создали. И даже с экипажем внутри. Все фундаментальные законы физики соблюдены.
Но в конце концов, какая разница? Важно, что принципиальные способы обойти непреодолимый световой барьер имеются - теперь это можно уже утверждать с достаточно высокой степенью вероятности.