Межзвездное Путешествие
При первой встрече Профессор Бранд говорит Куперу, что миссии "Лазарь" отправлены на поиск новых домов для человечества. Купер отвечает: "В нашей Солнечной системе нет планеты, пригодной для жизни. Это даже тщетным не назовешь. Куда вы их отправили, Профессор?"
Хуже-чем-тщетность задачи, если у вас нет кротовой норы, становится очевидной, просто когда осознаешь, как далеко от нас до ближайших звезд (рисунок 13.1).
Расстояния до Ближайших Звезд
(И)
Ближайшая (кроме Солнца) звезда, у которой допускается наличие пригодной для жизни планеты, - это Тау Кита, в 11,9 световых лет от Земли, так что, двигаясь со скоростью света, вы потратите 11,9 лет, чтобы добраться до нее. Если и есть какие-нибудь подходящие планеты ближе, они все равно ненамного ближе.
Чтобы получить некоторое представление о том, как далеко Тау Кита по сравнению с более привычными вещами, давайте чудовищно уменьшим масштаб. Представьте расстояние до нее как расстояние от Нью-Йорка до Перта, Автралия, - это примерно пол кругосветного путешествия.
Рис. 13.1. Все звезды в пределах 12 световых лет от Земли. Солнце, Проксима Центавра и Тау Кита обведены желтым, розовым и красным. [Я приспособил карту из www.atlasoftheuniverse.com Ричарда Пауэлла.]
Самая ближняя звезда, кроме Солнца, - это Проксима Центавра, в 4,24 световых лет Земли, но у нее нет никаких признаков обитаемых планет. Если расстояние до Тау Кита представить как от Нью-Йорка до Перта, то до Проксимы Центавра - это как от Нью-Йорка до Берлина. Не особо ближе, чем до Тау Кита!
Для сравнения, самый далекий автоматический зонд, отправленный людьми в межзвездное пространство, Вояджер 1 сейчас находится примерно в 18 световых часах от Земли. Он путешествовал тридцать семь лет, чтобы туда добраться. Если расстояние до Тау Кита представить как от Нью-Йорка до Перта, то от Земли до Вояджера 1 около трех километров (двух миль) - это расстояние от здания Эмпайр-стейт-билдинг до южного края квартала Гринвич-Виллидж. Это намного меньше, чем от Нью-Йорка до Перта.
От Земли до Сатурна еще меньше - 200 метров, два квартала с востока на запад в Нью-Йорке, от Эмпайр-стейт-билдинга до Парк-авеню. От Земли до Марса всего 20 метров, а от Земли до Луны (самое большое расстояние, на какое когда-либо отправлялись люди) всего 7 сантиметров - около двух с половиной дюймов!
Сравните то, чего мы достигли в путешествии на Луну, два с половиной дюйма, с задачей совершить половину кругосветного путешествия. Потребуется резкий скачок технологий, чтобы доставить людей на пригодные для жизни планеты вне Солнечной системы!
Длительность Путешествий с Технологиями Двадцать Первого Века
(И)
Вояджер 1 движется прочь из Солнечной системы со скоростью 17 километров в секунду, разогнанный гравитационными пращами вокруг Юпитера и Сатурна. В Интерстелларе Эндуранс путешествует от Земли к Сатурну два года, со средней скоростью около 20 километров в секунду. Самая большая скорость, которую, я думаю, можно достичь ракетными технологиям плюс пращами в Солнечной системе в этом, двадцать первом веке составит 300 километров в секунду.
С этими 300 километрами в секунду нам понадобится 5 000 лет, чтобы добраться до Проксимы Центавра, и 13 000 лет, чтобы добраться до Тау Кита. Неприятный прогноз!
Чтобы добраться туда намного быстрее в двадцать первом веке, вам понадобится что-нибудь вроде кротовой норы (Глава 14).
Технологии Далекого Будущего
(ОП)
Соображающие в технике ученые и инженеры приложили немало усилий, чтобы придумать технологии далекого будущего, которые могли бы сделать возможным путешествие с околосветовой скоростью. Вы можете многое узнать об этих идеях, поискав в сети. Думаю, у людей уйдут многие века, чтобы претворить в жизнь любую из них. Но они убеждают меня, что сверхразвитые цивилизации, вероятно, путешествуют меж звезд с одной десятой скорости света или даже быстрее.
Вот три передовых примера околосветовых двигателей, вызывающих у меня интерес.
Термоядерный Синтез
(ОП)
Термоядерный синтез - самая традиционная из этих трех идей. НИОКР для разработки электростанций на контролируемом синтезе были начаты на Земле в 1950-х годах, а окончательный успех не будет достигнут до 2050-х. Целый век НИОКРа! Это реалистичная мера сопутствующих трудностей.
А что значат термоядерные электростанции в 2050-м для космических кораблей, приводимых в движение термоядерным синтезом? Самые осуществимые проекты смогут развивать скорость в 100 километров в секунду, и, возможно, 300 километров в секунду к концу века. Потребуется заново подойти к обуздыванию синтеза, чтобы достичь околосветовых скоростей.
Простой расчет показывает возможности синтеза: когда два атома дейтерия (тяжелого водорода) сливаются с образованием атома гелия, 0,0064 (около 1 процента) их массы покоя превращается в энергию. Если вся она превратится в кинетическую энергию (энергию движения) атома гелия, он будет двигаться со скоростью примерно в одну десятую скорости света.[26] Это наводит на мысль, что если бы мы могли превратить всю термоядерную энергию дейтериевого топлива в упорядоченное движение космического корабля, мы могли бы достичь скорости в грубо 1/10 скорости света - и даже несколько больше, если проявить смекалку.
В 1968 году Фриман Дайсон, выдающийся физик, которого я глубоко уважаю, описал и продумал грубую силовую установку, которая в руках достаточно развитой цивилизации могла бы достичь этого.
Рис. 13.2. Силовая установка с бомбовой тягой Фримана Дайсона. [Взято у Дайсона (1968).]
Термоядерный бомбы ("водородные бомбы") взрываются прямо за полусферическим ударным амортизатором диаметром 20 километров (рисунок 13.2). Обломки бомбы толкают корабль вперед, и он достигает, по наиболее оптимистичным подсчетам Дайсона, одной тридцатой скорости света. Менее грубый проект мог бы достичь несколько большего. В 1968 году Дайсон оценил, что такая силовая установка будет осуществима не раньше конца двадцать второго века, то есть через 150 лет от сегодняшнего дня. Я думаю, это чересчур оптимистично.
Лазерный Луч и Световой Парус
(УС)
В 1962 году Роберт Форвард, другой уважаемый мной физик, написал короткую статью в популярном журнале о космическом корабле с парусом, на который давит далекий сфокусированный лазерный луч (Форвард, 1962). В технической статье 1964 года он сделал эту концепцию более продуманной и точной (рисунок 13.3).
Ряд лазеров, питаемых солнечной энергией, в космосе или на Луне создает лазерный луч мощностью 7,2 тераватт (примерно вдвое больше полного энергопотребления США за 2014 год!). Этот луч фокусируется линзой Френеля диаметром 1000 километров. Он фокусируется на находящийся вдали парус, диаметром 100 км и весом около 1000 метрических тонн, прикрепленный к менее массивному космическому кораблю. (Направление луча должно быть точным примерно до миллионной доли угловой секунды.) Световое давление луча разгоняет корабль вплоть до одной пятой скорости света в середине сорокалетнего путешествия до Проксимы Центавра. Видоизмененная, эта схема затем замедляет корабль в течение второй половины пути, так что он прибывает в место назначения с достаточно низкой скоростью, чтобы встретиться с планетой. (Можете разобраться, как достигается замедление?)
Рис. 13.3. Силовая установка с лазерным лучом и световым парусом Роберта Форварда. [Взято у Форварда (1984).]
Форвард, как и Дайсон, представлял, что его схема будет осуществима в двадцать втором веке. Глядя на сопутствующие технические задачи, я думаю, что позже.
Гравитационные Пращи в Двойной Системе Черных Дыр
(УС)
Третий пример - это мой собственный безумный - очень безумный! - вариант идеи Дайсона (1963).
Предположим, вы хотите перелететь большую часть Вселенной (не просто межзвездное, а межгалактическое путешествие) с почти световой скоростью в течение нескольких лет собственной жизни. Вы можете осуществить это с помощью двух черных дыр, вращающихся друг вокруг друга, двойной черной дыры. Они должны находиться на сильно эллиптических орбитах и должны быть достаточно велики, чтобы их приливные силы не разрушили ваш корабль.
Используя химическое или ядерное топливо, вы выводите свой корабль на орбиту, близкую к одной из черных дыр, - на так называемую орбиту "горка-вихрь" (англ. zoom-whirl orbit; рисунок 13.4). Ваш корабль скатывается по "горке" к дыре, делает вокруг нее несколько оборотов в "вихре", а затем, когда дыра движется почти точно к своему компаньону, он взмывает на "горку", переходит к дыре-компаньону и соскальзывает в "вихрь" вокруг нее. Если две дыры все еще направлены друг к другу, "вихрь" пройдет быстро: вы вернетесь "горкой" к первой дыре. Если же дыры больше не направлены друг к другу, "вихрь" будет намного дольше; вам придется припарковаться на орбите второй дыры до тех пор, пока дыры вновь не направятся друг к другу, а затем метнуться обратно к первой дыре. Таким способом, постоянно переходя между дырами только тогда, когда они приближаются друг к другу, ваш корабль набирает все большую и большую скорость, приближаясь так близко к скорости света, как вы пожелаете, если двойная система достаточно эллиптическая.
Замечательно, что вам нужно лишь небольшое количество ракетного топлива для управления длительностью задержки у каждой дыры. Ключ в том, чтобы выйти на критическую орбиту дыры и на ней выполнять управляемый "вихрь". Я буду обсуждать критическую орбиту в Главе 27. А сейчас достаточно будет сказать, что это очень неустойчивая орбита. Это как ехать на мотоцикле по очень узкой кромке вулкана. Если тонко удерживать равновесие, можно оставаться на кромке, сколько пожелаете. А когда пожелаете покинуть ее, легкий поворот переднего колеса мотоцикла отправит вас под откос. Когда вы хотите уйти с критической орбиты, легкий толчок ракетного двигателя позволит центробежным силам одержать верх и отправить ваш корабль под откос ко второй дыре.
Когда вы подобрались так близко к скорости света, как хотели, вы можете катапультироваться с критической орбиты в направлении вашей галактики-цели в далекой части Вселенной (рисунок 13.5).
Рис. 13.4. Орбита "горка-вихрь" доводит космический корабль до околосветовой скорости.
Рис. 13.5. Запуск с критической орбиты к далекой галактике.
Это может быть долгий путь, длиной порядка 10 миллиардов световых лет. Но когда вы двигаетесь с околосветовой скоростью, ваше время течет куда медленнее, чем на Земле. Если ваша скорость достаточно близка к скорости света, вы можете добраться до цели за несколько лет, и даже меньше, если измерять вашими часами, - и замедлиться с помощью сильно эллиптической двойной черной дыры в месте назначения, если найдете такую! См. рисунок 13.6.
Можно вернуться домой тем же способом. Но возвращение может вас не обрадовать. Дома пройдут миллиарды лет, в то время как вы состаритесь всего на несколько лет. Вообразите, что вы обнаружите.
Пращи такого типа могут стать способом распространения цивилизации за огромный простор межгалактического пространства. Принципиальное препятствие (возможно, непреодолимое!) - это найти, или создать, необходимые двойные черные дыры. Отправная пара, может, и не проблема, если вы достаточно развитая цивилизация, а вот замедляющая пара - дело другое.
Что с вами случится, если нет замедляющей пары, или она есть, но вы плохо прицелились и промахнулись? Это каверзный вопрос, поскольку Вселенная расширяется. Подумайте об этом.
Рис. 13.6. Замедление пращами в целевой двойной черной дыре.
Какими бы впечатляющими не казались эти три силовые установки далекого будущего, они и впрямь далекое будущее. Используя технологии двадцать первого века, мы увязаем в тысячелетиях, необходимых для путешествия до других солнечных систем. Единственная надежда (хоть и исчезающе слабая) на более быстрое межзвездное путешествие, в случае катастрофы на Земле, - это кротовая нора, как в Интерстелларе, или какая-нибудь другая крайняя форма искривления пространства-времени.
26. Кинетическая энергия равна Mv2/2, где M - это масса атома гелия, а v - его скорость. Приравняйте это к высвобожденной энергии,
Спасибо!
ОтветитьУдалитьНе за что! Читайте на здоровье
УдалитьОпечаточка) "В Интерстелларе Эндуранс путешествует от Земли к Сатурну два года, со вредней скоростью около 20 километров в секунду."
ОтветитьУдалитьСпасибо) Исправила
Удалить