Ответ потребует большой статьи, хотя на него можно ответить и единственным символом: c .

Скорость света в вакууме, c , равна примерно тремстам тысячам километров в секунду и превысить ее невозможно. Следовательно, нельзя и добраться до звезд быстрее, чем за несколько лет (свет идет 4,243 года до Проксимы Центавра, так что космический корабль не сможет прибыть еще быстрее). Если добавить время на разгон и торможение с более-менее приемлемым для человека ускорением, то получится около десяти лет до ближайшей звезды.

В каких условиях лететь?

И этот срок уже существенное препятствие сам по себе, даже если отвлечься от вопроса «как разогнаться до скорости, близкой к скорости света». Сейчас не существует космических кораблей, которые позволяли экипажу автономно жить в космосе столько времени - космонавтам постоянно привозят свежие припасы с Земли. Обычно разговор о проблемах межзвездных перелетов начинают с более фундаментальных вопросов, но мы начнем с сугубо прикладных проблем.

Даже спустя полвека после полета Гагарина инженеры не смогли создать для космических кораблей стиральную машину и достаточно практичный душ, а рассчитанные на условия невесомости туалеты ломаются на МКС с завидной регулярностью . Перелет хотя бы к Марсу (22 световые минуты вместо 4 световых лет) уже ставит перед конструкторами сантехники нетривиальную задачу: так что для путешествия к звездам потребуется как минимум изобрести космический унитаз с двадцатилетней гарантией и такую же стиральную машину.

Воду для стирки, мытья и питья тоже придется либо брать с собой, либо использовать повторно. Равно как и воздух, да и еду тоже необходимо либо запасать, либо выращивать на борту. Эксперименты по созданию замкнутой экосистемы на Земле уже проводились, однако их условия все же сильно отличались от космических хотя бы наличием гравитации. Человечество умеет превращать содержимое ночного горшка в чистую питьевую воду, но в данном случае требуется суметь сделать это в невесомости, с абсолютной надежностью и без грузовика расходных материалов: брать к звездам грузовик катриджей для фильтров слишком накладно.

Стирка носков и защита от кишечных инфекций могут показаться слишком банальными, «нефизическими» ограничениями на межзвездные полеты - однако любой опытный путешественник подтвердит, что «мелочи» вроде неудобной обуви или расстройства желудка от незнакомой пищи в автономной экспедиции могут обернуться угрозой для жизни.

Решение даже элементарных бытовых проблем требует столь же серьезной технологической базы, как и разработка принципиально новых космических двигателей. Если на Земле изношенную прокладку в бачке унитаза можно купить в ближайшем магазине за два рубля, то уже на марсианском корабле нужно предусмотреть либо запас всех подобных деталей, либо трехмерный принтер для производства запчастей из универсального пластикового сырья.

В ВМС США в 2013 году всерьез занялись трехмерной печатью после того, как оценили затраты времени и средств на ремонт боевой техники традиционными методами в полевых условиях. Военные рассудили, что напечатать какую-нибудь редкую прокладку для снятого с производства десять лет назад узла вертолета проще, чем заказать деталь со склада на другом материке.

Один из ближайших соратников Королева, Борис Черток, писал в своих мемуарах «Ракеты и люди» о том, что в определенный момент советская космическая программа столкнулась с нехваткой штепсельных контактов. Надежные соединители для многожильных кабелей пришлось разрабатывать отдельно.

Кроме запчастей для техники, еды, воды и воздуха космонавтам потребуется энергия. Энергия будет нужна двигателю и бортовому оборудованию, так что отдельно придется решить проблему с мощным и надежным ее источником. Солнечные батареи не годятся хотя бы по причине удаленности от светил в полете, радиоизотопные генераторы (они питают «Вояджеры» и «Новые горизонты») не дают требуемой для большого пилотируемого корабля мощности, а полноценные ядерные реакторы для космоса до сих пор делать не научились.

Советская программа по созданию спутников с ядерной энергоустановкой была омрачена международным скандалом после падения аппарата «Космос-954» в Канаде, а также рядом отказов с менее драматичными последствиями; аналогичные работы в США свернули еще раньше. Сейчас созданием космической ядерной энергоустановки намерены заняться в Росатоме и Роскосмосе, но это все-таки установки для ближних перелетов, а не многолетнего пути к другой звездной системе.

Возможно, вместо ядерного реактора в будущих межзвездных кораблях найдут применение токамаки. О том, насколько сложно хотя бы правильно определить параметры термоядерной плазмы, в МФТИ этим летом прочитали целую лекцию для всех желающих . Кстати, проект ITER на Земле успешно продвигается: даже те, кто поступил на первый курс, сегодня имеют все шансы приобщиться к работе над первым экспериментальным термоядерным реактором с положительным энергетическим балансом.

На чем лететь?

Для разгона и торможения межзвездного корабля обычные ракетные двигатели не годятся. Знакомые с курсом механики, который читают в МФТИ в первом семестре, могут самостоятельно рассчитать то, сколько топлива потребуется ракете для набора хотя бы ста тысяч километров в секунду. Для тех, кто еще не знаком с уравнением Циолковского, сразу озвучим результат - масса топливных баков получается существенно выше массы Солнечной системы.

Уменьшить запас топлива можно за счет повышения скорости, с которой двигатель выбрасывает рабочее тело, газ, плазму или что-то еще, вплоть до пучка элементарных частиц. В настоящее время для перелетов автоматических межпланетных станций в пределах Солнечной системы или для коррекции орбиты геостационарных спутников активно используют плазменные и ионные двигатели, но у них есть ряд других недостатков. В частности, все такие двигатели дают слишком малую тягу, ими пока нельзя придать кораблю ускорение в несколько метров на секунду в квадрате.

Проректор МФТИ Олег Горшков - один из признанных экспертов в области плазменных двигателей. Двигатели серии СПД - производят в ОКБ «Факел», это серийные изделия для коррекции орбиты спутников связи.

В 1950-е годы разрабатывался проект двигателя, который бы использовал импульс ядерного взрыва (проект Orion), но и он далек от того, чтобы стать готовым решением для межзвездных полетов. Еще менее проработан проект двигателя, который использует магнитогидродинамический эффект, то есть разгоняется за счет взаимодействия с межзвездной плазмой. Теоретически, космический корабль мог бы «засасывать» плазму внутрь и выбрасывать ее назад с созданием реактивной тяги, но тут возникает еще одна проблема.

Как выжить?

Межзвездная плазма - это прежде всего протоны и ядра гелия, если рассматривать тяжелые частицы. При движении с скоростями порядка сотни тысяч километров в секунду все эти частицы приобретают энергию в мегаэлектронвольты или даже десятки мегаэлектронвольт - столько же, сколько имеют продукты ядерных реакций. Плотность межзвездной среды составляет порядка ста тысяч ионов на кубический метр, а это значит, что за секунду квадратный метр обшивки корабля получит порядка 10 13 протонов с энергиями в десятки МэВ.

Один электронвольт, эВ , это та энергия, которую приобретает электрон при пролете от одного электрода до другого с разностью потенциалов в один вольт. Такую энергию имеют кванты света, а кванты ультрафиолета с большей энергией уже способны повредить молекулы ДНК. Излучение или частицы с энергиями в мегаэлектронвольты сопровождает ядерные реакции и, кроме того, само способно их вызывать.

Подобное облучение соответствует поглощенной энергии (в предположении, что вся энергия поглощается обшивкой) в десятки джоулей. Причем эта энергия придет не просто в виде тепла, а может частично уйти на инициацию в материале корабля ядерных реакций с образованием короткоживущих изотопов: проще говоря, обшивка станет радиоактивной.

Часть налетающих протонов и ядер гелия можно отклонять в сторону магнитным полем, от наведенной радиации и вторичного излучения можно защищаться сложной оболочкой из многих слоев, однако эти проблемы тоже пока не имеют решения. Кроме того, принципиальные сложности вида «какой материал в наименьшей степени будет разрушаться при облучении» на стадии обслуживания корабля в полете перейдут в частные проблемы - «как открутить четыре болта на 25 в отсеке с фоном в пятьдесят миллизиверт в час».

Напомним, что при последнем ремонте телескопа «Хаббл» у астронавтов поначалу не получилось открутить четыре болта, которые крепили одну из фотокамер. Посовещавшись с Землей, они заменили ключ с ограничением крутящего момента на обычный и приложили грубую физическую силу. Болты стронулись с места, камеру успешно заменили. Если бы прикипевший болт при этом сорвали, вторая экспедиция обошлась бы в полмиллиарда долларов США. Или вовсе бы не состоялась.

Нет ли обходных путей?

В научной фантастике (часто более фантастической, чем научной) межзвездные перелеты совершаются через «подпространственные туннели». Формально, уравнения Эйнштейна, описывающие геометрию пространства-времени в зависимости от распределенного в этом пространстве-времени массы и энергии, действительно допускают нечто подобное - вот только предполагаемые затраты энергии удручают еще больше, чем оценки количества ракетного топлива для полета к Проксиме Центавра. Мало того, что энергии нужно очень много, так еще и плотность энергии должна быть отрицательной.

Вопрос о том, нельзя ли создать стабильную, большую и энергетически возможную «кротовую нору» - привязан к фундаментальным вопросам об устройстве Вселенной в целом. Одной из нерешенных физических проблем является отсутствие гравитации в так называемой Стандартной модели - теории, описывающей поведение элементарных частиц и три из четырех фундаментальных физических взаимодействий. Абсолютное большинство физиков довольно скептически относится к тому, что в квантовой теории гравитации найдется место для межзвездных «прыжков через гиперпространство», но, строго говоря, попробовать поискать обходной путь для полетов к звездам никто не запрещает.

И покинули солнечную систему; теперь с их помощью изучают межзвёздное пространство . Станций, чьей прямой миссией был бы полёт до ближайших звёзд, на начало XXI века не существует.

Расстояние до ближайшей звезды (Проксимы Центавра) составляет около 4,243 световых лет , то есть примерно в 268 тысяч раз больше расстояния от Земли до Солнца .

Проекты межзвездных экспедиций

Проект «Орион»

Проекты звездолётов, движителем которых является давление электромагнитных волн

В 1971 году в докладе Г. Маркса на симпозиуме в Бюракане было предложено использовать для межзвёздных перелётов лазеры рентгеновского диапазона . Позже возможность использования этого типа движителя исследовалась НАСА . В результате был сделан следующий вывод: «Если будет найдена возможность создания лазера, работающего в рентгеновском диапазоне длин волн, то можно говорить о реальной разработке летательного аппарата (разгоняемого лучом такого лазера), который сможет покрывать расстояния до ближайших звёзд значительно быстрее, чем все известные в настоящее время системы с ракетными двигателями. Расчёты показывают, что с помощью космической системы, рассмотренной в данной работе, можно достичь звезды Альфа Центавра… примерно за 10 лет» .

В 1985 году Р. Форвардом была предложена конструкция межзвёздного зонда, разгоняемого энергией микроволнового излучения. Проектом предусматривалось, что зонд достигнет ближайших звёзд за 21 год.

На 36-м Международном астрономическом конгрессе был предложен проект лазерного звездолёта, движение которого обеспечивается энергией лазеров оптического диапазона, расположенных на орбите вокруг Меркурия . По расчётам, путь звездолёта этой конструкции до звезды Эпсилон Эридана (10,8 световых лет) и обратно занял бы 51 год.

Аннигиляционные двигатели

Основными проблемами, которые выделяются учёными и инженерами, анализировавшими конструкции аннигиляционных ракет (англ.), являются получение нужного количества антивещества, его хранение, а также фокусировка потока частиц в нужном направлении. Указывается, что современное состояние науки и техники даже теоретически не позволяет создавать подобные конструкции.

Прямоточные двигатели, работающие на межзвёздном водороде

Основная составляющая массы современных ракет - это масса топлива, необходимого ракете для разгона. Если удастся каким-нибудь образом использовать в качестве рабочего тела и топлива окружающую ракету среду, можно значительно сократить массу ракеты и достичь за счёт этого больших скоростей движения.

Корабли поколений

Возможны также межзвёздные путешествия с использованием звездолётов, реализующих концепцию «кораблей поколений » (например, по типу колоний О"Нейла). В таких звездолётах создаётся и поддерживается замкнутая биосфера , способная поддерживать и воспроизводить себя в течение нескольких тысяч лет. Полёт происходит с небольшой скоростью и занимает очень долгое время, на протяжении которого успевают смениться многие поколения космонавтов.

Сверхсветовое движение

Примечания

См. также

Источники

• Колесников Ю. В. Вам строить звездолёты. М., 1990. 207 с. ISBN 5-08-000617-X.
• http://www.gazeta.ru/science/2008/01/30_a_2613225.shtml?4 Лекция о межзвездных полетах, об ускорении на 100 км/сек возле звезд

В одной только нашей Галактике расстояния между звездными системами невообразимо огромны. Если пришельцы из космоса действительно посещают Землю, уровень их технического развития должен во сто крат превосходить теперешний уровень нашего, земного.

На расстоянии в несколько световых лет

Для обозначения расстояний между звездами астрономы ввели понятие «световой год». Скорость света - самая быстрая во Вселенной: 300 ООО км/с!

Ширина нашей Галактики - 100 ООО световых лет. Чтобы покрыть такое громадное расстояние, пришельцам с других планет надо построить космический корабль, скорость которого равна или даже превышает скорость света.

Ученые полагают, что материальный объект не может двигаться быстрее скорости света. Впрочем, раньше они считали, что невозможно развить и сверхзвуковую скорость, однако в 1947 г. самолет модели «Белл Х-1» успешно преодолел звуковой барьер.

Возможно в будущем, когда у человечества накопится больше знаний о физических законах Вселенной, земляне сумеют построить космический корабль, который будет передвигаться со скоростью света и даже быстрее.

Великие путешествия

Даже если инопланетяне способны передвигаться в космическом пространстве со скоростью света, подобное путешествие должно занять многие годы. Для землян, продолжительность жизни которых составляет в среднем 80 лет, это было бы невозможно. Однако у каждого вида живых существ свой собственный жизненный цикл. Например, в Калифорнии, США, есть остистые сосны, которым уже 5000 лет.

Кто знает, сколько лет живут пришельцы? Может быть, несколько тысяч? Тогда межзвездные перелеты, длящиеся сотни лет, для них обычны.

Кратчайшие пути

Вполне вероятно, что инопланетяне нашли короткие пути через космическое пространство - гравитационные «дыры», или искажения пространства, образованные силой тяжести. Такие места во Вселенной могли бы стать своего рода мостами - кратчайшими путями между небесными телами, находящимися в разных концах Вселенной.

Рубрики

• • . Другими словами, гороскоп – это астрологическая карта, составленная с учетом места и времени, учитывающая расположение планет относительно линии горизонта. Для построения индивидуального натального гороскопа необходимо с максимальной точностью знать время и место рождения человека. Это требуется для того, чтобы узнать, как располагались небесные тела в данное время и в данном месте. Эклиптика в гороскопе изображена в виде окружности, разделенной на 12 секторов (знаки зодиака . Обратившись к натальной астрологии, вы сможете лучше понять себя и других. Гороскоп – это инструмент самопознании. С его помощью можно не только исследовать собственный потенциал, но и разобраться в отношениях с окружающими и даже принять некоторые важные решения.">Гороскоп73
• . С их помощью узнают ответы на конкретные вопросы и предсказывают будущее.Узнать грядущее можно по домино, это один из очень редких типов гадания. Гадают и на чайной и кофейной гуще, по ладони, и по китайской Книге Перемен. Каждый из этих способов направлен на предсказание будущего.Если вы желаете знать, что ожидает вас в ближайшее время, выберите то гадание, которое вам больше всего по душе. Но помните: какие бы события ни были вам предсказаны, принимайте их не как непреложную истину, а как предупреждение. Используя гадания, вы предугадаете свою судьбу, но, приложив определенные усилия, сможете её изменить.">Гадания60

В процессе верстки исправлены регистры чисел и опечатки в формулах. Приведены в читаемый вид таблицы.
Иван Александрович Корзников
Реальности межзвездных полетов

Люди уже давно мечтают о полетах через космическое пространство к другим звездам, о путешествиях по другим мирам и встречах с неземным разумом. Фантасты исписали горы бумаги, пытаясь представить, как это будет происходить, они выдумали разнообразную технику, способную осуществить эти мечты. Но пока это только фантазии. Попробуем представить, как такой полет может выглядеть в реальности.
Расстояния между звездами так велики, что свет от одной звезды до другой распространяется годами, а он движется с очень большой скоростью с =299 793 458 м/с. Для измерения этих расстояний астрономы используют специальную единицу - световой год, она равна расстоянию которое проходит свет за 1 год: 1 св. год = 9.46·10 15 метров (это примерно в 600 раз больше размеров солнечной системы). Астрономы подсчитали, что в сфере радиусом 21.2 световых лет вкруг Солнца имеется 100 звёзд, входящих в 72 звездные системы (двойные, тройные и т.д. системы близких звезд). Отсюда легко найти, что на одну звездную систему в среднем приходится объем пространства 539 кубических световых лет, а среднее расстояние между звездными системами составляет примерно 8.13 световых лет. Реальное расстояние может быть и меньше - так, до ближайшей к Солнцу звезды Проксима Центавра 4.35 св. л, но в любом случае межзвездный перелет представляет собой преодоление расстояния по крайней мере в несколько световых лет. А это значит, что скорость звездолета должна быть не меньше, чем 0.1 с - тогда перелет займет несколько десятков лет и может быть осуществлен одним поколением астронавтов.
Таким образом, скорость звездолета должна быть больше 30 000 км/с. Для земной техники это пока недостижимая величина - мы едва освоили скорости в тысячу раз меньше. Но допустим, что все технические проблемы решены, и наш звездолет имеет двигатель (фотонный или какой угодно другой), способный разогнать космический корабль до таких скоростей. Нас не интересуют детали его устройства и функционирования, для нас здесь важно только одно обстоятельство: современная наука знает только один способ разгона в космическом пространстве - реактивное движение, которое основано на выполнении закона сохранения импульса системы тел. И важно здесь то, что при таком движении звездолет (и любое другое тело) именно перемещается в пространстве, физически взаимодействуя со всем, что в нем находится.
Фантасты в своих фантазиях придумали разнообразные "гиперпространственные скачки" и "субпространственные переходы" от одной точки пространства до другой, минуя промежуточные области пространства, но все это, по представлениям современной науки, не имеет никаких шансов на осуществление в реальности. Современная наука твердо установила, что в природе выполняются определенные законы сохранения: закон сохранения импульса, энергии, заряда и т. д. А при "гиперпространственном скачке" получается, что в некоторой области пространства энергия, импульс и заряды физического тела просто исчезают, то есть эти законы не выполняются. С точки зрения современной науки это значит, что такой процесс не может быть осуществлен. Да и главное - непонятно, что это вообще такое, это "гиперпространство" или "субпространство", попав в которое, физическое тело перестает взаимодействовать с телами в реальном пространстве. В реальном мире существует лишь то, что себя проявляет во взаимодействии с другими телами (собственно, пространство и есть отношение существующих тел), и это значит, что такое тело фактически перестанет существовать - со всеми вытекающими последствиями. Так что все это - бесплодные фантазии, которые не могут быть предметом серьезного обсуждения.
Итак, допустим, что имеющийся реактивный двигатель разогнал звездолет до необходимой нам субсветовой скорости, и он с этой скоростью перемещается в космическом пространстве от одной звезды к другой. Некоторые аспекты такого полета уже давно обсуждаются учеными (, ), но они рассматривают в основном различные релятивистские эффекты такого движения, не обращая внимания на другие существенные аспекты межзвездного полета. А реальность такова, что космическое пространство - не абсолютная пустота, оно представляет собой физическую среду, которую принято называть межзвездной средой. В ней есть атомы, молекулы, пылинки и другие физические тела. И со всеми этими телами звездолету придется физически взаимодействовать, что при движении с такими скоростями превращается в проблему. Рассмотрим эту проблему подробнее.
Астрономы, наблюдая радиоизлучение из космической среды и прохождение через нее света нашли, что в космическом пространстве имеются атомы и молекулы газов: в основном это атомы водорода Н , молекулы водорода Н 2 (их по количеству примерно столько же, как и атомов Н ), атомы гелия Не (их в 6 раз меньше, чем атомов Н ), и атомы других элементов (больше всего углерода С, кислорода О и азота N ), которые в сумме составляют около 1 % всех атомов. Обнаружены даже такие сложные молекулы, как СО 2 , СН 4 , НСN , Н 2 О, NH 3 , НСООН и другие, но в мизерных количествах (их в миллиарды раз меньше, чем атомов Н ). Концентрация межзвездного газа очень мала и составляет (вдали от газопылевых облаков) в среднем 0,5-0,7 атомов на 1 см 3 .
Понятно, что при движении звездолета в такой среде этот межзвездный газ будет оказывать сопротивление, тормозя звездолет и разрушая его оболочки. Поэтому было предложено обратить вред в пользу и создать прямоточный реактивный двигатель, который, собирая межзвездный газ (а он на 94 % состоит из водорода) и аннигилируя его с запасами антивещества на борту, получал бы таким образом энергию для движения звездолета. По проекту авторов впереди звездолета должен находиться ионизирующий источник (создающий электронный или фотонный луч, ионизирующий налетающие атомы) и магнитная катушка, фокусирующая получившиеся протоны к оси звездолета, где они используются для создания фотонной реактивной струи.
К сожалению, при детальном рассмотрении оказывается, что этот проект неосуществим. Прежде всего, ионизирующий луч не может быть электронным (как настаивают авторы) по той простой причине, что звездолет, испускающий электроны, сам будет заряжаться положительным зарядом, и рано или поздно поля, создаваемые этим зарядом, нарушат работу систем звездолета. Если же использовать фотонный луч, то тогда (впрочем, как и для электронного луча) дело упирается в маленькое сечение фотоионизации атомов. Проблема в том, что вероятность ионизации атома фотоном очень мала (поэтому воздух не ионизируется мощными лучами лазеров). Количественно она выражается сечением ионизации, которое численно равно отношению числа ионизированных атомов к плотности потока фотонов (числу налетевших фотонов на 1 см 2 за секунду). Фотоионизация атомов водорода начинается при энергии фотонов 13.6 электронвольт=2.18·10 -18 Дж (длина волны 91.2 нм), и при этой энергии сечение фотоионизации максимально и равно 6.3·10 -18 см 2 (,стр.410). Это значит, что для ионизации одного атома водорода требуется в среднем 1.6·10 17 фотонов на см 2 за секунду. Поэтому мощность такого ионизирующего луча должна быть гигантской: если звездолет движется со скоростью v то за 1 секунду на 1 см 2 его поверхности налетает rv встречных атомов, где r - концентрация атомов, что в нашем случае околосветового движения составит величину порядка rv =0.7·3·10 10 =2·10 10 атомов в секунду на 1 см 2 . Значит, поток ионизирующих фотонов должен быть не меньше n= 2·10 10 / 6.3·10 -18 =3·10 27 1/см 2 ·с. Энергия, которую несет такой поток фотонов будет равна е =2.18·10 -18 ·3·10 27 =6,5·10 9 Дж/см 2 ·с.
К тому же, кроме атомов водорода, на звездолет будет налетать столько же молекул Н 2 , а их ионизация происходит при энергии фотонов 15.4 эв (длина волны 80.4 нм). Это потребует увеличения мощности потока примерно в два раза, и полная мощность потока должна быть е =1.3·10 10 Дж/см 2 . Для сравнения можно указать, что поток энергии фотонов на поверхности Солнца равен 6.2·10 3 Дж/см 2 ·с, то есть звездолет должен светить в два миллиона раз ярче Солнца.
Поскольку энергия и импульс фотона связаны соотношением Е=рс , то этот поток фотонов будет иметь импульс р=еS/с где S - площадь массозаборника (порядка 1000 м 2), что составит 1.3·10 10 ·10 7 / 3·10 8 =4.3·10 8 Кг·м/с, и этот импульс направлен против скорости и тормозит звездолет. Фактически получается, что впереди звездолета стоит фотонный двигатель и толкает его в обратном направлении - ясно, что такой тяни-толкай далеко не улетит.
Таким образом, ионизация налетающих частиц слишком накладна, а другого способа концентрации межзвездных газов современная наука не знает. Но даже если такой способ будет найден, то прямоточный двигатель все равно себя не оправдает: еще Зенгер показал (,стр.112), что величина тяги прямоточного фотонно-реактивного двигателя ничтожна и он не может быть использован для разгона ракеты с высоким ускорением. Действительно, полный приток массы набегающих частиц (в основном атомов и молекул водорода) составит dm=3m p Srv =3·1.67·10 -27 ·10 7 · 2·10 10 =10 -9 Кг/с. При аннигиляции эта масса будет выделять максимум W=mc 2 = 9·10 7 Дж/с, и если вся эта энергия уйдет на формирование фотонной реактивной струи, то прирост импульса звездолета за секунду будет составлять dр=W/c =9·10 7 /3·10 8 =0.3 Кг·м/с, что соответствует тяге в 0.3 ньютона. Примерно с такой силой давит на землю маленькая мышка, и получается, что гора родила мышь. Поэтому конструирование прямоточных двигателей для межзвездных полетов не имеет смысла.

Из сказанного следует, что отклонить налетающие частицы межзвездной среды не получится, и звездолету придется принимать их своим корпусом. Это приводит к некоторым требованиям к конструкции звездолета: впереди него должен находиться экран (например, в виде конической крышки), который будет защищать основной корпус от воздействия космических частиц и излучений. А за экраном должен находиться радиатор, отводящий тепло от экрана (и одновременно служащий вторичным экраном), прикрепленный к основному корпусу звездолета термоизолирующими балками. Необходимость такой конструкции объясняется тем, что налетающие атомы имеют большую кинетическую энергию, они будут глубоко внедряться в экран и, тормозясь в нем, рассеивать эту энергию в виде теплоты. Например, при скорости полета 0,75 с энергия протона водорода будет примерно 500 Мэв - в единицах ядерной физики, что соответствует 8·10 -11 Дж. Он будет внедряться в экран на глубину нескольких миллиметров и передаст эту энергию колебаниям атомов экрана. А таких частиц будет налетать около 2·10 10 атомов и столько же молекул водорода в секунду на 1 см 2 ,то есть каждую секунду на 1 см 2 поверхности экрана будет поступать 4.8 Дж энергии, переходящей в теплоту. А проблема в том, что в космосе отводить эту теплоту можно только путем излучения электромагнитных волн в окружающее пространство (воздуха и воды там нет). Это значит, что экран будет нагреваться до тех пор, пока его тепловое электромагнитное излучение не сравняется с поступающей от налетающих частиц мощностью. Тепловое излучение телом электромагнитной энергии определяется законом Стефана-Больцмана, согласно которому энергия, излучаемая за секунду с 1 см 2 поверхности равна q=sТ 4 где s =5.67·10 -12 Дж/см 2 К 4 -постоянная Стефана, а Т - температура поверхности тела. Условием установления равновесия будет sТ 4 =Q где Q - поступающая мощность, то есть температура экрана будет Т=(Q/s) 1/4 . Подставляя в эту формулу соответствующие значения, найдем, что экран будет нагреваться до температуры 959 о К = 686 о С. Понятно, что при больших скоростях эта температура будет еще выше. Это значит, например, что экран нельзя делать из алюминия (его температура плавления всего 660 о С), и его нужно термоизолировать от основного корпуса звездолета - иначе будут недопустимо греться жилые отсеки. А для облегчения теплового режима экрана к нему необходимо присоединить радиатор с большой поверхностью излучения (можно из алюминия), например в виде клеточной системы продольных и поперечных ребер, при этом поперечные ребра будут одновременно выполнять функцию вторичных экранов, защищая жилые отсеки от осколков и тормозного излучения попадающих в экран частиц и т.п.

Но защита от атомов и молекул - не главная проблема межзвездного полета. Астрономы, наблюдая поглощение света от звезд, установили, что в межзвездном пространстве имеется значительное количество пыли. Такие частицы, сильно рассеивающие и поглощающие свет, имеют размеры 0.1-1 микрон и массу порядка 10 -13 г, а их концентрация много меньше концентрации атомов и равна примерно r =10 -12 1/см 3 Судя по их плотности (1 г/см 3) и показателю преломления (n =1.3 ) они представляют собой в основном снежные комочки, состоящие из смерзшихся космических газов (водорода, воды, метана, аммиака) с примесью твердых углеродных и металлических частичек. Видимо, именно из них образуются ядра комет, имеющие такой же состав. И хотя это должны быть довольно рыхлые образования, при околосветовых скоростях они могут нанести большой вред.
При таких скоростях начинают сильно проявляться релятивистские эффекты, и кинетическая энергия тела в релятивистской области определяется выражением

Как видно, энергия тела резко растет с приближением v к скорости света c: Так, при скорости 0.7 с пылинка с m=10 -13 г имеет кинетическую энергию 3.59 Дж (см. Таблицу 1) и попадание ее в экран эквивалентно взрыву в нем примерно 1 мг тротила. При скорости 0.99 с эта пылинка будет иметь энергию 54.7 Дж, что сравнимо с энергией пули, выпущенной из пистолета Макарова (80 Дж). При таких скоростях получится, что каждый квадратный сантиметр поверхности экрана непрерывно обстреливается пулями (причем разрывными) с частотой 12 выстрелов в минуту. Ясно, что никакой экран не выдержит такого воздействия на протяжении нескольких лет полета.

Таблица 1 Энергетические соотношения

0.1 4.73 4.53·10 14 1,09·10 5 0.2 19.35 1.85·10 15 4,45·10 5 0.3 45.31 4.34·10 15 1,04·10 6 0.4 85.47 8.19·10 15 1,97·10 6 0.5 145.2 1.39·10 16 3,34·10 6 0.6 234.6 2.25·10 16 5,40·10 6 0.7 375.6 3.59·10 16 8,65·10 6 0.8 625.6 5.99·10 16 1,44·10 7 0.9 1214 1.16·10 17 2,79·10 7 0.99 5713 5.47·10 17 1,31·10 8 0.999 20049 1.92·10 18 4,62·10 8

v/c	1/(1-v 2 /c 2) 1/2	E p	K	T
1.005
1.020
1.048
1.091
1.155
1.25
1.40
1.667
2.294
7.089
22.37

Обозначения: Е р - кинетическая энергия протона в Мэв К - кинетическая энергия 1 Кг вещества в Дж Т - тротиловый эквивалент килограмма в тоннах тротила.

Для оценки последствий удара частицы в поверхность можно использовать формулу, предложенную специалистом по этим вопросам Ф.Уипплом (,стр.134), согласно которой размеры образовавшегося кратера равны

где d - плотность вещества экрана, Q - его удельная теплота плавления.

Но здесь то нужно иметь в виду, что на самом деле мы не знаем, как пылинки будут воздействовать на материал экрана при таких скоростях. Эта формула справедлива для небольших скоростей удара (порядка 50 км/с и менее), а при оклосветовых скоростях воздействия физические процессы удара и взрыва должны протекать совсем иначе и гораздо интенсивнее. Можно только предполагать, что в силу релятивистских эффектов и большой инерции материала пылинки взрыв будет направлен вглубь экрана, по типу кумулятивного взрыва, и приведет к образованию гораздо более глубокого кратера. Приведенная формула отражает общие энергетические соотношения, и мы допустим, что она годится для оценки результатов удара и для околосветовых скоростей.
По видимому, лучшим материалом для экрана является титан (в силу его небольшой плотности и физических характеристик), для него d =4.5 г/см 3 , а Q =315 КДж/Кг, что дает

d =0.00126·Е 1/3 метров

При v =0.1 c получим Е =0.045 Дж и d =0,00126·0.356=0.000448 м=0.45 мм. Легко найти, что пройдя путь в 1 световой год, экран звездолета встретит n=rs =10 -12 ·9.46·10 17 =10 6 пылинок на каждый см 2 ,и каждые 500 пылинок сроют слой 0.448 мм экрана. Значит, после 1 светового года пути экран будет стерт на толщину 90 см. Отсюда следует, что для полета на таких скоростях скажем, к Проксиме Центавра (только туда) экран должен иметь толщину примерно 5 метров и массу около 2.25 тысячи тонн. При больших скоростях дело будет обстоять еще хуже:

Таблица 2 Толщина Х титана, стираемого за 1 световой год пути

0.1 0.448 0.9 0.2 0.718 3.66 0.3 0.955 9.01 0.4 1.178 16.4 0.5 1.41 27.6

v/c	E	d мм	X м
0.045
0.185
0.434
0.818
1.39

. . .

Как видно, при v/c >0.1 экран должен будет иметь неприемлемую толщину (десятки и сотни метров) и массу (сотни тысяч тонн). Собственно, тогда звездолет будет состоять в основном из этого экрана и топлива, которого потребуется несколько миллионов тонн. В силу этих обстоятельств полеты на таких скоростях невозможны.

Рассмотренное абразивное действие космической пыли на самом деле не исчерпывает всего спектра воздействий, которым подвергнется звездолет во время межзвездного полета. Очевидно, что в межзвездном пространстве есть не только пылинки, но и тела других размеров и масс, однако астрономы не могут непосредственно наблюдать их из-за того, что хотя их размеры больше, но самих их меньше, так что они не дают ощутимого вклада в поглощение света звезд (рассмотренные ранее пылинки имеют размер порядка длины волны видимого света и поэтому сильно его поглощают и рассеивают, и их достаточно много, поэтому астрономы в основном их и наблюдают).
Но о телах в далеком космосе можно получить представление по тем телам, которые мы наблюдаем в солнечной системе, в том числе вблизи Земли. Ведь, как показывают измерения, солнечная система движется относительно соседних звезд примерно в направлении Веги со скоростью 15.5 км/с, а значит, она каждую секунду заметает все новые и новые объемы космического пространства вместе с его содержимым. Конечно, не все вблизи Солнца пришло извне, многие тела изначально являются элементами солнечной системы (планеты, астероиды, многие метеорные потоки). Но астрономы не раз наблюдали например, полет некоторых комет, которые прилетели из межзвездного пространства и туда же улетели. Значит, там имеются и очень крупные тела (массой в миллионы и миллиарды тонн), но они встречаются очень редко. Понятно, что там могут встретиться тела практически любых масс, но с разной вероятностью. И чтобы оценить вероятность встречи с различными телами в межзвездном пространстве нам нужно найти распределение таких тел по массам.
Прежде всего нужно знать, что происходит с телами когда они находятся в солнечной системе. Это вопрос хорошо изучен астрофизиками , и они нашли, что время жизни не слишком крупных тел в солнечной системе очень ограничено. Так, мелкие частички и пылинки с массами менее 10 -12 г просто выталкиваются за пределы солнечной системы потоками света и протонов от Солнца (что видно по хвостам комет). Для более крупных частичек результат оказывается обратным: в результате так называемого эффекта Пойнтинга-Робертсона они падают на Солнце, постепенно опускаясь к нему по спирали за время порядка нескольких десятков тысяч лет.
Это значит, что наблюдаемые в солнечной системе спорадические частицы и микрометеориты (не относящиеся к ее собственным метеорным потокам) попали в нее из окружающего космоса, так как ее собственные частицы такого типа давно исчезли. Поэтому искомую зависимость можно найти по наблюдениям спорадических частиц в самой солнечной системе. Такие наблюдения давно ведутся, и исследователи пришли к выводу (,), что закон распределения космических тел по массам имеет вид N(M)=N 0 /M i Непосредственные измерения для спорадических метеоров в интервале масс от 10 -3 до 10 2 г (,стр.127) дают для плотности потока метеоров с массой более М грамм зависимость

Ф(М )=Ф(1)/M 1.1

Наиболее достоверные результаты по этому вопросу получены по измерениям микрократеров, образовавшихся на поверхностях космических аппаратов (,стр.195), они тоже дают k =1.1 в интервале масс от 10 -6 до 10 5 г. Для меньших масс остается предполагать, что это распределение выполняется и для них. Для величины потока частиц массивнее 1 г различные измерения дают значения 10 -15 1) 2·10 -14 1/м 2 с, и поскольку величина потока связана с пространственной плотностью тел соотношением Ф=rv , то отсюда можно найти, что концентрация в космосе тел с массой более М дается формулой

r(М )=r 1 /М 1.1

где параметр r 1 можно найти приняв среднюю скорость спорадических метеорных частиц равной v =15 км/с (как это видно из измерений П.Миллмана), тогда r 1 =Ф(1)/v получается равной в среднем 5·10 -25 1/см 3.
Из полученного распределения можно найти, что концентрация частиц, массы которых больше 0.1 г в среднем равна r (0.1)=r 1 · (10) · 1.1=6.29·10 -24 1/см 3 , а это значит, что на пути в 1 световой год звездолет встретит на 1 см 2 поверхности n=rs =5.9·10 -6 таких частиц, что при общей площади S =100 м 2 =10 6 см 2 составит не менее 5 частиц массивнее 0.1 г на все поперечное сечение звездолета. А каждая такая частица при v =0.1 c имеет энергию более 4.53·10 10 Дж, что эквивалентно кумулятивному взрыву 11 тонн тротила. Даже если экран такое выдержит, то дальше произойдет вот что: поскольку вряд ли частица ударит точно в центр экрана, то в момент взрыва появится сила, поворачивающая звездолет вокруг его центра масс. Она, во-первых, слегка изменит направление полета, а, во-вторых, повернет звездолет, подставив его бок встречному потоку частиц. И звездолет будет быстро искромсан ими, а если на его борту имеются запасы антивещества, то все завершится серией аннигиляционных взрывов (или одним большим взрывом).
Некоторые авторы высказывают надежду , что от опасного метеорита можно уклониться. Посмотрим, как это будет выглядеть на субсветовой скорости v =0.1 c. Метеорит весом 0.1 г имеет размер около 2 мм и энергию, эквивалентную 10.9 тонн тротила. Попадание его в звездолет приведет к фатальному взрыву, и придется от него уклоняться. Допустим, что радар звездолета способен обнаружить такой метеорит на расстоянии х =1000 км - хотя непонятно, как это будет осуществляться, так как с одной стороны, радар должен находиться перед экраном, чтобы выполнять свою функцию, а с другой стороны - за экраном, чтобы не быть уничтоженным потоком набегающих частиц.
Но допустим, тогда за время t = x/v = 0.03 секунды звездолет должен среагировать и отклониться на расстояние у = 5 м (считая диаметр звездолета 10 метров). Это значит, что он должен приобрести в поперечном направлении скорость u=y/t - опять же за время t , то есть его ускорение должно быть не меньше a=y/t 2 = 150 м/с 2 . Это ускорение в 15 раз больше нормального, и его не выдержит никто из экипажа, да и многие приборы звездолета. И если масса звездолета составляет около 50 000 тонн, то для этого потребуется сила F= am = 7.5·10 9 ньютон. Такую силу на время в тысячные доли секунды можно получить только произведя на звездолете мощный взрыв: при химическом взрыве получается давление порядка 10 5 атмосфер=10 10 Ньютон/м 2 и оно будет способно свернуть звездолет в сторону. То есть, чтобы уклониться от взрыва нужно звездолет взорвать...
Таким образом, если и удастся разогнать звездолет до субсветовой скорости, то до конечной цели он не долетит - слишком много препятствий встретится ему на пути. Поэтому межзвездные перелеты могут осуществляться лишь с существенно меньшими скоростями, порядка 0.01 с и менее. Это значит, что колонизация иных миров может происходить медленными темпами, так как каждый перелет будет занимать сотни и тысячи лет, и для этого нужно будет посылать к другим звездам большие колонии людей, способные существовать и развиваться самостоятельно. Для такой цели может подойти небольшой астероид из смерзшегося водорода: внутри него можно устроить город подходящих размеров, где будут жить астронавты, а сам материал астероида будет использоваться в качестве топлива для термоядерной энергетической установки и двигателя. Других путей освоения дальнего космоса современная наука предложить не может.
Во всем этом есть только один положительный аспект: вторжение полчищ агрессивных инопланетян Земле не грозит - это слишком сложное дело. Но обратная сторона медали заключается в том, что и добраться до миров, где есть "братья по разуму" не удастся в течении ближайших нескольких десятков тысяч лет. Поэтому наиболее быстрым способом обнаружения инопланетян является установление связей с помощью радиосигналов или каких-либо других сигналов.

Библиография

1. Новиков И.Д. Теория относительности и межзвездные перелеты - М.:Знание,1960
2. Перельман Р.Г. Цели и пути освоения космоса - М.:Наука,1967
3. Перельман Р.Г. Двигатели галактических кораблей - М.: изд. АН СССР,1962
4. Бурдаков В.П., Данилов Ю.И. Внешние ресурсы и космонавтика - М.:Атомиздат,1976
5. Зенгер Е., К механике фотонных ракет - М.: изд. Иностранной литературы,1958
6. Закиров У.Н. Механика релятивистских космических полетов - М.:Наука,1984
7. Аллен К.У. Астрофизические величины - М.:Мир,1977
8. Мартынов Д.Я. Курс общей астрофизики - М.:Наука,1971
9. Физические величины (Справочник) - М.:Энергоатомиздат,1991
10. Бурдаков В.П., Зигель Ф.Ю. Физические основы космонавтики (физика космоса) - М.:Атомиздат,1974
11. Спитцер Л. Пространство между звездами - М.:Мир,1986.
12. Лебединец В.М. Аэрозоль в верхней атмосфере и космическая пыль - Л.: Гидрометеоиздат,1981
13. Бабаджанов П.Б. Метеоры и их наблюдение - М.:Наука,1987
14. Акишин А.И.,Новиков Л.С. Воздействие окружающей среды на материалы космических аппаратов - М.:Знание,1983

__________________________________________________ [ оглавление ]

Оптимизирован под Internet Explorer 1024X768
средний размер шрифта
Дизайн A Semenov

Социальные явления

Финансы и кризис

Стихии и погода

Наука и техника

Необычные явления

Мониторинг природы

Авторские разделы

Открываем историю

Экстремальный мир

Инфо-справка

Файловый архив

Дискуссии

Услуги

Инфофронт

Информация НФ ОКО

Экспорт RSS

Полезные ссылки

Важные темы

Возможны ли межзвездные путешествия?

В бесконечных глубинах космоса, на расстоянии многих триллионов миль от нас, гораздо дальше самых удаленных планет Солнечной системы, сияют звезды. Их огромное множество: красные, желтые, оранжевые, голубые, белые. Астрономы уверены, что, по крайней мере, некоторые из этих звезд обогревают вращающиеся вокруг них планеты. Но вполне возможно, что в будущем мы станем свидетелями открытия сначала десятков, а потом и сотен подобных земле планет, может быть, даже с запасами воды или признаками жизни.

Издалека астрономы пытаются исследовать эти планеты и определить их основные свойства, но единственный способ тщательно изучить все детали - запустить космический корабль. До того, как космические станции не побывали в космосе, нам мало что было известно о планетах Солнечной системы. Некоторые полагали, что на Венере есть океаны, а на Марсе - каналы, и никто, в сущности, не знал ничего о таких далеких мирах, как Уран и Нептун.

Проблемы и перспективы

Как бы ни хотелось нам подлететь поближе к звездам и увидеть вращающиеся вокруг них планеты крупным планом, многие ученые уверены, что подобные путешествия никогда не осуществятся. Энергия и расходы, необходимые для путешествия на Альфу Центавра - ближайшую к нам звездную систему - настолько велики, что даже сторонники межзвездных перелетов вынуждены считаться с ними.

Приверженцы космических путешествий часто ссылаются на вещи, в существование которых раньше не верили, а теперь считают само собой разумеющимися.

Например, многие ученые начала двадцатого века утверждали, что аэропланы никогда не смогут перелететь через атлантический океан. С другой стороны те, кто не верит в возможность межзвездных перелетов, с не меньшим азартом напоминают о надеждах прошлого, которые не оправдались вопреки всем ожиданиям. К примеру, еще не так давно многие верили, что в 90-е годы все мы будем летать на работу на своих личных вертолетах.

Среди профессиональных астрономов есть немало таких, кто верит, правда без всяких оснований, в то, что разумная жизнь - явление весьма распространенное в Галактике. Однако до сих пор ни одна внеземная раса не удосужилась посетить Землю - факт, подвигнувший в 1950 году физика Энрико Ферми задать свой знаменитый вопрос: "Где же они?" Чтобы объяснить это явное противоречие, названное парадоксом Ферми, астрономы, допускающие существование других обитаемых миров во Вселенной, предполагают, что из-за трудности организации и высокой стоимости экспедиции ни одна цивилизация не отваживается на подобные путешествия. Следовательно, и мы - земляне - никогда не справимся с этой задачей.

На сегодняшний день людям уже удалось запустить в космос межпланетные корабли и изучить с их помощью все планеты Солнечной системы от Меркурия до Нептуна, и только Плутон остался за темной полосой неизвестности.

В некотором смысле первыми межзвездными кораблями человечества стали четыре автоматические станции - "Пионер-10", "Пионер-11", "Вояджер-1" и "Вояджер-2"; именно они покидают сейчас Солнечную систему с высокой скоростью, направляясь к звездам. "Пионер" может пройти за год расстояние в 2.3 раза большее, чем расстояние между Землей и Солнцем, а более стремительные "Вояджеры" - в 3.4 раза. Но звезды так далеко, что даже "Вояджеру" потребовалось бы 80000 лет, чтобы достичь Альфы Центавра, находящейся на расстоянии 4.3 светового года от Земли. Но, в случае удачи, до этого не дойдет: космические корабли будущих столетий, наверняка, догонят и перегонят современных "тихоходов", вернут их на родную планету в качестве экспонатов в музей освоения космоса.

Далекая цель

Самые большие проблемы, с которыми столкнутся звездные путешественники - огромные расстояния до звезд. Астрономы так часто переводят расстояния в световые года, что нередко забывают, насколько в действительности велик световой год. Луч света настолько быстр, что за одну секунду может 7.5 раз обернуться вокруг Земли. Таким образом, расстояние, пройденное за год, будет поистине велико. Представьте, что Галактика сжалась так, что Земля и Солнце оказались всего в дюйме (2.5 см) друг от друга. Тогда Юпитер расположился бы на расстоянии пяти дюймов от Солнца, а далекий Нептун - всего лишь в 30 дюймах. И даже в этом масштабе световой год остался бы равным целой миле (1.6 км), а Альфа Центавра удалилась бы на 4.3 мили от Земли. А если бы Галактика Млечный Путь, такая огромная и необъятная, сжалась до размеров десятицентовой монеты, то вся обозримая Вселенная, от Земли до самых далеких известных нам квазаров, стала бы не больше двух миль шириной.

"Вояджеры" движутся в пространстве со скоростью всего лишь 0.005% световой, но чтобы отправить настоящий космический корабль на Альфу Центавра и добраться до места назначения хотя бы лет за пятьдесят, до тех пор, пока еще будут живы ученые, организовавшие экспедицию, необходимо ускорить этот корабль, по крайней мере, до 10% скорости света. Для сравнения: если выйти за пределы Солнечной системы "лишь" с 1% скорости света, то потребуется 430 лет, чтобы достичь Альфы Центавра, а за такой длительный срок уровень техники может подняться настолько, что станет возможным строительство более скоростных космических кораблей. Представим, что Христофор Колумб - долгожитель, и ему потребовалось бы 500 лет, чтобы переплыть Атлантический океан. Его то и дело обгоняли бы более совершенные корабли, а быстрые аэропланы успевали бы проделать путь от Европы до Америки задолго до того, как он сам достиг заветных берегов. А когда бы он, наконец, добрался туда, Новый Свет, абсолютно новый для него, Колумба, был бы уже довольно "старым" для любого другого.

Однако достичь высокой скорости, близкой к скорости света очень сложно, поскольку для этого требуется много энергии и денег. Например, кораблю весом в одну тонну потребовалось бы столько энергии, сколько крупная индустриальная держава потребляет в течение месяца. Правда по солнечным масштабам это совсем немного: одно только Солнце каждую секунду излучает в космос в миллион раз больше энергии. Таким образом, энергия есть, людям остается только научиться использовать ее.

Другое препятствие, на которое указывают критики, - стоимость экспедиции. Подобное путешествие может обойтись больше, чем в триллион долларов. Однако то, что невообразимо дорого сегодня, может стать дешевым спустя столетия. В конце концов, американские колонисты в 1776 году не отважились бы организовать полет на Луну, как из-за отсутствия техники, так и необходимости в астрономических суммах, а их потомки меньше, чем через два века, успешно высадили человека на Луну. А если уж мы справились с этим используя технику шестидесятых, то почему бы нашим последователям не запустить человека на орбиту вокруг Альфы Центавра?

Бесспорно, первыми межзвездными путешественниками станут машины, а не люди. Человек добрался только до Луны, тогда как автоматические космические станции побывали уже за Нептуном.

Машинам в отличие от людей не нужны воздух, вода, пища и минимальные удобства. К тому же компьютеры и приборы будущих десятилетий станут компактнее, легче и мощнее, что позволит уменьшить вес космического корабля.

Теория Эйнштейна

Если бы мы отправились к звездам, то неминуемо столкнулись бы с трудностями, предсказанными специальной теорией относительности Эйнштейна, в которой рассматриваются эффекты тел, движущихся со скоростью близкой к скорости света. Скорость света является наиболее известным релятивистским барьером; именно из-за предельного характера этой скорости землянам придется ждать, по крайней мере, 4.3 года, пока корабль не достигнет Альфы Центавра, а потом еще 4.3 года, пока корабль с информацией не вернется на Землю.

Специальная теория относительности описывает также влияние скорости на массу и время. С увеличением скорости космического корабля увеличивается и его масса, а это плохо, поскольку ускорять его становится все труднее и труднее. Однако для любого пассажира на борту корабля время течет намного медленнее, что хорошо, потому что дает возможность путешествовать на большие расстояния. Эти два релятивистских эффекта, затрагивающие массу и время, малы при низких скоростях и сильно возрастают, когда скорость корабля приближается к скорости света. При скорости равной скорости света масса тела становится бесконечной, вот почему ни одно материальное тело не может двигаться так быстро.

Уровень влияния релятивистских эффектов ученые выражают коэффициентом Лоренца, названного по имени нидерландского физика Хендрика Лоренца. Коэффициент Лоренца зависит от скорости: он равен единице при нулевой скорости, возрастает при увеличении последней и становится бесконечным при скорости света. При 20% скорости света коэффициент Лоренца равен только 1.02, отсюда следует, что космический корабль, двигающийся с такой скоростью, лишь на 2% тяжелее, чем он был в состоянии покоя, а время замедляется настолько, что для экипажа пройдет только 1 час, в то время как на Земле пройдет 1.02 часа. При 50% скорости света коэффициент Лоренца достигнет 1.15, что все равно очень мало: масса корабля при такой скорости всего на 15% больше, чем в покое, а один час времени на борту равен 1.15 часа на Земле. И только при скорости свыше 80% скорости света коэффициент Лоренца начинает быстро расти. При 87% скорости света он достигает 2.00, таким образом, масса увеличивается вдвое, а время замедляется относительно земного в два раза.

Жизнь на скоростной трассе

Настоящей проблемой для сторонников межзвездных путешествий является не специальная теория относительности, а то, как достичь скоростей, при которых такие путешествия станут возможными. Даже 10% скорости света - 30 тыс. км в секунду - намного превышает скорости наиболее быстрых из запущенных ранее космических кораблей.

В принципе, самое лучшее ракетное горючее - это антивещество - противоположность обычного вещества. Ядро атома нормального вещества заряжено положительно, а вращающиеся вокруг электроны - отрицательно. В антивеществе наоборот: ядро - отрицательно, а вращающиеся частицы, позитроны, - положительно. Встречаясь, вещество и антивещество взаимно уничтожают друг друга (аннигилируют), преобразуя всю массу в энергию. Выходит, что вещество и антивещество - мощное топливо, т.к. даже в маленьком количестве массы m содержится энергия Е, равная mc2. Скорость света настолько велика, что при ее умножении на саму себя (возведении в квадрат) количество энергии, даже при маленькой массе вещества или антивещества, будет огромным. Если поздороваться за руку с двойником, состоящим из антивещества, то полученной энергией можно будет снабжать целую страну в течение нескольких месяцев или послать небольшой космический корабль на Альфу Центавра.

К сожалению, антивещество не существует на Земле в естественном виде и астрономам неизвестны его источники в Солнечной системе. Антивещество может возникнуть в результате ядерных реакций, но только в очень маленьких количествах, поэтому для того, чтобы выработать даже относительно небольшое количество антивещества, необходимого для двигателя космического корабля, потребуются колоссальные расходы. На сегодняшний день антивещество, даже если бы ученые нашли способ добывать его, стоило бы триллионы долларов за унцию.

Но любая ракета, даже работающая на смеси вещества и антивещества, столкнется со своеобразной ловушкой: чтобы ускорить космический корабль, необходимо увеличить и мощность двигателя. Чем больше горючего заправлено, тем выше масса. Чтобы получить больше энергии, нужно еще больше топлива, но тогда увеличится вес ракеты и так до бесконечности... Поэтому ученые разрабатывают проекты, которые позволят ускорять космические корабли без ракет. В 1960 году Роберт Бассард предложил добывать горючее из самого космоса. В открытом космосе имеются атомы водорода. Если бы корабль мог собрать их и поместить в ядерный реактор, то полученной энергии хватило бы, чтобы пополнить запасы горючего. К сожалению, в межзвездном пространстве на один кубический сантиметр приходится в среднем только один атом водорода, поэтому кораблю пришлось бы собирать эти атомы на расстоянии радиусом свыше сотни или даже тысячи миль.

Другой проект без использования ракет заключается в том, чтобы собрать корабль в виде парусника, приводимого в движение давлением света. Такое давление может создавать, например, лазерная установка, находящаяся где-нибудь в космосе. Поскольку давление света - маленькое, лазеры должны быть мощными, а их лучи - очень узконаправленными. Если бы на борту такого корабля оказались люди, то они не могли бы контролировать свой полет. Вместо этого они оказались бы во власти лазерных станций, находящихся на расстоянии многих световых лет от них.

Быстрее света

Хотя подобные идеи кажутся трудно выполнимыми или, как утверждают критики, вообще неосуществимыми, по крайней мере, некоторыми из них заинтересовались известные физики. В то же время молодыми начинающими физиками выдвигаются еще более умозрительные проекты. Например, предполагают, что можно сократить путь в космосе, передвигаясь через особые пространственные туннели (так называемые "червячные норы"). Тогда космическому кораблю не понадобится преодолевать расстояние в 4.3 светового года, чтобы долететь от Солнца до Альфы Центавра. Это как если бы мы проложили туннель от США до Китая сквозь Землю, вместо того, чтобы проделывать более длинный путь по земной поверхности.

Также, в качестве фантастической гипотезы, рассматривается возможность двигаться быстрее света. Технически, согласно специальной теории относительности Эйнштейна, это не исключено. При скорости света коэффициент Лоренца - бесконечен, но при превышении этой скорости он становится, как говорят математики, мнимым (как, например, корень квадратный из отрицательного числа) и, по мере увеличения скорости корабля, уменьшается. Как преодолеть этот скоростной барьер, когда коэффициент Лоренца становится бесконечным, неизвестно, а если это все-таки произойдет, то вернуться обратно к скорости, меньшей скорости света, может оказаться и вовсе невозможным. Частицы, превышающие скорость света, называются тахионами, но никто никогда их не видел, что наводит на мысль, что их не существует в природе. Возможно, существует параллельная Вселенная, в которой все движется быстрее света, а ее обитатели стремятся к более "медленной" жизни. Тогда, может быть, мы смогли бы заключить с ними "сделку".

Но до тех пор, пока нам ничего неизвестно о такой Вселенной, ученые вынуждены покорять ту, которую они знают. В качестве первого шага по направлению к реальным межзвездным путешествиям ученые наметили запуск механических летательных аппаратов, которые будут продвигаться достаточно быстро и далеко, чтобы проверить некоторые концепции о звездных полетах, не долетая даже до ближайших звезд. Предложенный для этого космический аппарат называется TAU (Thousand Astronomical Units, тысяча астрономических единиц); он должен будет провести научные исследования на расстоянии в тысячу астрономических единиц от Солнца, что в 25 раз больше среднего расстояния до Плутона. Кораблю потребуется около века, чтобы преодолеть такое расстояние, что составит только 1% всего расстояния до Альфы Центавра. И тем не менее, TAU можно по праву считать пионером среди скоростных кораблей.

Однако сомнений на счет межзвездных путешествий очень много, так много, что, быть может, критики и правы, утверждая, что ни одной цивилизации не по силам подобные экспедиции. Таким образом объясняется факт, почему мы ничего не знаем о тех разумных видах, которые, возможно, населяют нашу Галактику. Но было бы безрассудно преуменьшать возможности той цивилизации, которая будет населять Землю в будущем, не говоря уже о неземных цивилизациях, развитие которых, возможно, на миллионы или даже миллиарды лет впереди нас. Кроме того, если будет открыт точный двойник Земли у какой-нибудь близлежащей звезды, а это может произойти уже лет через двадцать, соблазн исследовать этот мир непосредственно с космического корабля будет непреодолимым.

Возможно, подобная экспедиция будет осуществлена в течение XXI или XXII века. Если так, то те, кто верит, что разумная жизнь - распространенное явление в космосе, вынуждены будут объяснить, почему же тогда ни одна из тех цивилизаций не сделала то же самое и не отправила экспедицию в одну из наиболее многообещающих планетных систем Галактики - нашу.

Кен Кросвелл - астроном из Калифорнийского университета в Беркли (США), автор книги "В поисках планет", из которой и была адаптирована эта статья.