Межгалактические полеты. Возможны ли полеты человека к другим звездам и другим галактикам. Эмбриональная колонизация космоса

Феоктистов К. Полет к звездам //Квант. - 1990. - № 9. - С. 50-57.

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Почти с самого начала космических работ стало ясно, что пространство Солнечной системы, ее планеты находятся в пределах досягаемости космических аппаратов и кораблей, которые мы можем создать, и, следовательно, люди смогут если не высадиться, то во всяком случае добраться до любой планеты. Но одновременно стало проясняться в сознании, что здесь, «дома», скорее всего ничего необычного мы не найдем. Маловероятно, что по данным, полученным в путешествиях по нашей системе, мы существенно продвинемся вперед в понимании мира, в котором живем.

Естественно, возникала мысль о полетах к звездам. Да это и раньше подразумевалось, что полеты около Земли, полеты к другим планетам Солнечной системы не являются конечной целью. Проложить дорогу к звездам - вот что казалось главной задачей космической техники. Это представлялось очевидным.

Значит, нужно было начинать думать о звездных кораблях.

Каким должен быть этот корабль? Как его построить? Какие проблемы нужно решить, чтобы звездные полеты оказались возможны? Размышления, самые простые оценочные расчеты показали, что здесь возникают принципиальные трудности.

Первая - время. Даже если построить звездный корабль, который сможет летать со скоростью, близкой к скорости света (скажем, со скоростью около 0,7 с), время путешествий будет исчисляться тысячелетиями и десятками тысячелетий, так как диаметр Галактики порядка 100 000 световых лет (за год свет «проходит» расстояние 365,25·86400·3·10 8 ≈ 10 16 м, т. е. десять тысяч миллиардов километров).

Что останется даже от замороженых космонавтов к концу путешествия? Или от их зародышей? Да и вправе ли мы решать судьбу еще не родившихся людей? (Это едва ли лучше, чем, не мучаясь сомнениями, облагодетельствовать потомков жизнью при социализме, не представляя, что это такое, каким он будет, можно ли при нем будет жить, и определить для них на вечные времена некую руководящую и направляющую силу.) А если решить эти проблемы - то ведь после путешествия они вернутся в совершенно другой мир. Посмотрите на изменения в течение последних 200 лет, и станет понятным, что вернувшийся из дальнего путешествия космонавт окажется в совершенно чужом мире: путешествие к звездам всегда будет «односторонним». Для окружающих, родных, друзей это будет чем-то вроде самоубийства.

Вторая трудность - опасный поток газа и пыли. Пространство между звездами не пустое. Везде есть остатки газа, пыли, потоки частиц. При движении звездного корабля со скоростью, близкой к скорости света, они создадут поток высокой энергии, который будет воздействовать на корабль.

Мощность потока энергии от частиц, с которыми сталкивается тело, движущееся со скоростью υ (без учета релятивистских эффектов) можно оценить по формуле

\(~W = n \upsilon \dfrac{m_1 \upsilon^2}{2} = \dfrac{nm_1 \upsilon^3}{2} .\)

Здесь n - концентрация частиц в межзвездном пространстве ([n ]= 1/м 3), nυ - число частиц, налетающих на 1 м 2 поверхности тела за время 1 с (1/(м 2 ·с)), m 1 - масса частицы (кг), \(~\dfrac{m_1 \upsilon^2}{2}\) - энергия каждой частицы (Дж) относительно корабля.

Галактический газ состоит в основном из водорода. Масса атома водорода ~ 1,7·10 -27 кг. Концентрация частиц в среднем в Галактике ~ 0,5·10 6 м -3 , в рукавах Галактики ~ 10 6 м -3 , в облаках водорода ~ 2·10 7 м -3 . Масса пыли в межзвездном пространстве примерно в 100 раз меньше массы газа.

Этот поток можно оценить следующими величинами: мощность потока частиц и газа 10 4 - 10 5 Вт/м 2 , потока пыли 10 2 - 10 3 Вт/м 2 , поток частиц - это 3·10 14 частиц/(с·м 2) с энергией каждой частицы порядка 500 МэВ. Воздействие этих потоков приведет к испарению любого защитного экрана и к недопустимо высоким для длительного полета мощностям дозы радиации.

Третья трудность - энергетика. Если в движителе корабля использовать наиболее эффективную термоядерную реакцию, то для путешествия в оба конца со скоростью порядка скорости света даже при идеальной конструкции корабля отношение начальной и конечной масс его оказывается больше 10 30 , что представляется нереализуемым.

Оценку минимального потребного соотношения масс (начальной и конечной) звездного корабля с термоядерным движителем, летящего со скоростью, близкой к скорости света (но позволяющей не учитывать в первом приближении релятивистские поправки), можно провести следующим образом.

Наиболее эффективная термоядерная реакция -

\(~^2_1D + \ ^3_1T \to \ ^4_2He + \ ^1_0n + \ 17,6\) МэВ,

причем 14,1 МэВ из этих 17,6 уносятся нейтронами. Таким образом, для ускорения гелия в движителе можно будет использовать энергию E ~ 3,5 МэВ на один атом гелия. Максимальную скорость истечения гелия в идеальном движителе можно вычислить из соотношения \(~E_1 = \dfrac{m_1 \upsilon^2_i}{2}\) :

\(~\upsilon_i = \sqrt{\dfrac{2E_1}{m_1}}.\)

Подставляя массу атома гелия m 1 ≈ 4·1,67·10 8 кг и E 1 ≈ 3,5·10 6 эВ ≈ 3,5·10 6 ·1,6·10 -19 Дж ≈ 5,6·10 -13 Дж, получаем υ i ≈ 1,3·10 7 м/с.

Соотношение начальной и конечной масс звездного корабля (без учета релятивистских поправок) определяется формулой Циолковского:

\(~\dfrac{M_0}{M_k} = e^{\dfrac{4 \upsilon_k}{\upsilon_n}},\)

где υ k - максимальная скорость полета корабля. Приняв υ k ~ 0,7 с, получим:

\(~\dfrac{M_0}{M_k} \sim e^{\dfrac{4 \cdot 0,7 \cdot 3 \cdot 10^7}{1,3 \cdot 10^7}} \sim e^{70} \sim 2,5 \cdot 10^{30}. \)

Если же думать о фотонном движителе, использующем аннигиляцию материи, то здесь пока одни проблемы (хранение гигантских запасов антивещества, защита зеркала отражателя фотонов от выделяемой энергии и от остатков несреагировавшего антивещества, времена разгона, размеры и т. п.) и не видно решений.

Искушенный читатель, возможно, скажет: но ведь эти оценки сделаны без релятивистских поправок. А что до фотонного движителя - поживем, разберемся и как-нибудь сделаем.

Попробуем показать, что с учетом релятивистских поправок картина получается не лучше. Представим себе Галактический фотонный корабль, способный летать со скоростью, достаточно близкой к скорости света. Собственное время полета космонавта туда и обратно на расстояние порядка половины диаметра Галактики при оптимальном графике полета (непрерывный разгон, а затем - непрерывное торможение) составит 42 года. На Земле при этом пройдет 100 000 лет (см. рисунок).

График космического полета с точек зрения космонавта (а) и земного наблюдателя (б).
а) Собственное время полета космонавта τ e можно рассчитать по формуле
\(~\tau_e = \dfrac{4c}{a} \cdot \operatorname{arch} \left(1 + a \cdot \dfrac{S}{2c^2} \right).\)
(Здесь arch - одна из обратных так называемых гиперболических функций - гиперболический арккосинус\[~\operatorname{arch} x = \ln (x \pm \sqrt{x^2 - 1)}\].) Подставляя скорость света c = 3·10 8 м/с, ускорение a = 9,8 м/с 2 (привычная нагрузка для космонавта-землянина), дальность полета S ≈ 4,7·10 20 м, получаем τ e ≈ 42 года. Скорость в корабельной системе - \(~\upsilon_e \approx \int_{\tau_e} adt\).
б) На Земле при этом пройдет время \(~\tau_z = \dfrac{\tau_e \cdot \operatorname{sh} \operatorname{arch} \left(1 + a \cdot \dfrac{aS}{2c^2} \right)}{\operatorname{arch} \left(1 + a \cdot \dfrac{aS}{2c^2} \right)}\) ≈ 100 000 лет
(\(~\operatorname{sh} x = \dfrac{e^x - e^{-x}}{2}\) - так называемый гиперболический синус).

Предположим, что нам удалось получить идеальный процесс в фотонном движителе, сделать идеальную конструкцию с нулевой массой баков, экранов, отражающего зеркала, насосов и других элементов, и попробуем оценить некоторые параметры такого идеального корабля. Отношение начальной массы корабля к конечной составит ~ 7·10 18 . Это означает, что при массе жилых и служебных помещений и аппаратуры (т. е. того, что везет корабль) всего 100 тонн стартовая масса составит ~ 7·10 20 тонн - больше массы Луны! Причем половина этой массы - антивещество.

Чтобы обеспечить ускорение 9,8 м/с 2 , движитель должен развить тягу Р ~ 10 24 Н. Чтобы получить такую тягу, нужно в фокусе зеркала разместить источник излучения с мощностью порядка 10 33 Вт (эту оценку мы получили по формуле \(~W = \dfrac{Pc}{2}\)). Напомним, что мощность излучения нашего Солнца менее 4·10 26 Вт, т. е. в фокусе фотонного движителя корабля нужно зажечь миллионы Солнц (и поддерживать это «горение»)! Есть теоретическое предложение везти с собой только антивещество. Тогда эти цифры сокращаются, но все равно остаются совершенно фантастическими - в фокусе зеркала фотонного движителя оказывается необходимым зажечь сотни, тысячи Солнц.

Из наших сегодняшних представлений о мире складывается впечатление: нельзя решить проблему транспортировки материальных тел на галактические расстояния со скоростями, близкими к скорости света. Похоже, бессмысленно «ломиться» через пространство и время с помощью механической конструкции. Нужно найти способ межзвездных путешествий, не связанный с необходимостью транспортировки материального тела. И тут мы приходим к идее, давно обкатываемой в фантастической литературе,- о путешествиях разумных существ в виде пакета информации.

Электромагнитные волны распространяются практически без потерь во всей наблюдаемой Вселенной. Возможно, здесь и есть ключ к межзвездным полетам.

Если не впадать в мистику, то следует признать, что личность современного органического человека нельзя отделить от тела. Но можно представить специально сконструированного человека, у которого личность и тело разделимы. Аналогично тому, как математическое обеспечение может быть отделено от конструкции современных ЭВМ.

Личность - это индивидуальный комплекс особенностей данного человека в его восприятии внешнего мира, в его реакциях на принимаемую информацию, в его воображении, симпатиях и антипатиях, в его знаниях и т. п.

Личность существует на полях операций и в запоминающих устройствах. Эти поля и устройства - наш мозг, тот материальный носитель, на котором живет и действует интеллект человека, на котором записаны (и непрерывно пополняются, совершенствуются, устаревают и портятся) алгоритмы восприятия и анализа информации, синтеза картины внешнего мира, алгоритмы оценок и пристрастий, промежуточные результаты «вычислений», выводов. Это поле, на котором располагается наше Я. Оно живет как Я тогда, когда человек думает, принимает решения, испытывает эстетическое наслаждение или отвращение, т. е. когда идут операции интеллекта на этом поле операций. Эти операции и есть жизнь личности или, если угодно, жизнь души.

Если пакет информации, являющийся полным содержанием личности, может быть переписан с полей операций и запоминающих устройств, то этот пакет информации может быть и передан по радиолинии на приемную станцию назначения и там переписан в стандартный материальный носитель (или выбираемый по прейскуранту, или...), в котором он сможет жить, действовать и удовлетворять свое любопытство. Во время передачи его пакета информации человек не живет. Для того чтобы он мог жить, необходим материальный носитель.

Такой способ решения задачи полета к звездам стал бы реализацией не только сюжетов современной фантастики, но и сюжетов древних мифов о вознесениях на небо или мгновенных свержений в ад. Это было бы «экспериментальным решением» философских споров о сути человека, о бренности телесной оболочки, о сути бытия. Что есть человек? И что есть истина? Интересно, что выдающиеся философы в разные эпохи, от античности до нашего времени, путем логического анализа (основанного не на знании) приходили к вполне современным представлениям о соотношении между сутью и телом человека. Жизнь человека - это жизнь его души, это бьющаяся мысль о себе («что я?»), о мире вне себя и в себе, это восприятие красоты и отторжение примитива и неправды, это свобода мысли и анализа. Мы здесь, мы живем, пока способны размышлять, оценивать, перерабатывать информацию и генерировать ее. Остальное во мне, тело мое - для обслуживания.

Головной мозг - поле математических операций над символами, числами, понятиями. Но сами операции, мысли, наши переживания - это нечто такое, чего нельзя взять в руки. Человек во все времена пытался материализовать это нечто в виде звуков, слов, рассказов, рукописей, книг... Но всегда это оказывалось лишь тенью, слабым отражением этого нечто.

Тело - обслуживающие системы поля математических операций (питание, очистка, перемещения, связь с внешним миром). Но подавляющее большинство людей, почти все и почти всегда, никогда не различали свое Я и свое тело. И всегда стремились получше его, тело, устроить (в общем-то не зря - без питания умирает головной мозг, распадается поле операций, исчезает личность). Это стремление из поколения в поколение оставалось главной движущей силой человеческого рода. Оно определяло и граби- телЬские походы, и создание новых технологий, и стремление к лучшей организации жизни и общества (в том числе и методом «грабь награбленное», замаскированным лозунгом «долой эксплуататоров»). Дома, автомобили, самолеты, газ и электричество, вычислительная техника родились из этого стремления. Устроить получше свое тело было и остается пока главным движителем в жизни людей. А ведь на самом деле - это все вторичное. Впрочем, говорится это не к тому, что не надо заботиться о теле, 6 мыле, о хлебе насущном. В здоровом теле компьютер работает с меньшим количеством сбоев, с большей скоростью, с более разнообразными и эффективными алгоритмами, обеспечивает большую внутреннюю устойчивость к внешним угрозам и неприятностям. И, главное,- ясность мышления. Но если говорить о главном в отношениях нашего Я с внешним миром, то это - свобода.

Фотонная ракета - мечта, к которой будут стремиться многие поколения наших потомков? или идея фикс, устаревшая едва родившись? (На рисунке - одна из воображаемых конструкций. Длина ракеты более 9,5 км, численность экипажа 300-500 человек.)

Все это говорилось здесь к тому, чтобы напомнить: наше Я, наша индивидуальность, наша суть - это не материальная оболочка. Нет ничего криминального, противоречащего нашему восприятию мира в мысли о возможности разделения индивидуальности и ее материального носителя.

Поэтому с инженерной точки зрения можно сконструировать такой мир, где душу человека можно отделить от тела. В таком мире человек может перемещаться из одного места в другое - скажем, в пределах Солнечной системы - практически мгновенно. Например, для выбранного ¦резидента» можно было бы в достаточно большом количестве центров иметь его базовый пакет информации и передавать только изменения, отражающие его состояние в данный момент времени, и сигнал о его включении в этом месте. В этом же мире можно представить и вселение души (духа?) данного человека в чужое тело. (Какую путаницу можно представить! Даже нам до них будет далеко.)

Возможно ли создать такое существо? Какие стимулы жизни мы должны заложить в него? Мне кажется, именно здесь будет главная проблема. Мы - дело другое. Мы продукт органической эволюции. В нас глубоко заложен инстинкт жизни, инстинкт продолжения рода. Вид, у которого этого инстинкта не было или он был недостаточно развит, не выживал в условиях естественного отбора. Да что там естественный отбор. Когда за возрастом, здоровьем, условиями жизни умирает этот инстинкт - у людей пропадает желание жить. А какой же стимул жизни мы сможем предложить нашему творению? Любопытство? Желание быть полезным людям, создавшим его тело (бренное и сменяемое) и воспитавшим его личность, душу? Желание выявиться в исследованиях мира, в сверхдальних путешествиях, в создании приемно-передающих станций для путешествий, в строительстве космических околозвездных баз?

Убедительны ли эти стимулы? Откуда ему взять привязанность и любовь к ближним? Как воспитать его, чтобы он не оказался монстром с нелепыми и бессмысленными устремлениями к власти, к возможности давать указания, воспитывать и слыть благодетелем? или, наоборот, чтобы он не оказался инфантильным, безынициативным существом, равнодушным к миру, к ближним и к самому себе?

И, конечно, громадные технические проблемы.

Как мы мыслим? Как создаются стереотипы наших реакций, поведения, оценок, как создается наша индивидуальность? Есть подозрение, что наши алгоритмы видения окружающего мира, анализа, мышления создаются каждый раз заново и почти всегда по-иному, и их характер определяется семьей, приятелями и недругами, школой, структурой общества, радостями, огорчениями и удачами нашего детства. В обществе рабов вырастают рабы, в обществе свободных - люди независимые и т. д.

С этой точки зрения очень опасно стандартизировать приемы воспитания, ясли, детские сады, школы... Это самое страшное, что можно сделать для своего будущего. Человечество сильно различностью, разнообразием, индивидуальностями. Конечно, некоторые основы должны быть общими: не убий, не укради, не пожелай... Но готовить человека по стандарту (пусть даже самому высокому) - это готовить собственную гибель.

Как, не понимая всех этих вещей, приступать к созданию искусственного интеллекта? А главное - трагические ошибки и неудачи, которые нас ждут на этой дороге.

Даже здоровое разумное существо нуждается в поддержке и защите, в признании, в ощущении осмысленности своей жизни, своей полноценности и полноправности. Ошибки в идеях разработки, при изготовлении, в воспитании, недостаточная порядочность создателей могут привести к сотворению существ-инвалидов, психически ненормальных и, главное, несчастных. Ведь это все есть у нас, людей: уроды и инвалиды, выращенные, а потом брошенные в равнодушный мир домашние кошки и собаки, брошенные дети и старики...

Но мысль уже вошла в сознание самых любопытных, сообразительных и предприимчивых. Пожалуй, задача создания искусственного интеллекта стала самой популярной задачей нашего времени. Надо думать, это дело пойдет.

Появятся и более понятные трудности.

Чтобы отправить личность в виде пакета информации в галактическое путешествие, надо создать приемные и передающие станции (например, в радиодиапазоне), развезти (например, с помощью автоматических космических аппаратов) эти станции к возможным пунктам назначения (невдалеке от какой-либо звезды для обеспечения станций энергией). Если личность передавать по радиоканалу на галактические расстояния, то придется создавать антенны размером порядка километров, передатчики мощностью порядка 10 8 кВт. Скорости автоматических космических аппаратов, которые летают сейчас, составляют десятки километров в секунду. Представляются достижимыми скорости порядка сотен и даже тысяч километров в секунду. Но это означает, что время развозки по Галактике составит для землян миллионы и даже сотни миллионов лет. Доставка станций даже к ближайшим звездам, находящимся от нас в десятках световых лет, потребует десятков тысячелетий. За это время может быть утерян интерес к предприятию. Тем не менее этот путь - в рамках возможного.

Можно развозить не приемно-пере- дающие станции, а технологию, инструменты, роботов для создания таких станций на месте.

Можно предложить и другой путь осуществления звездных путешествий, а именно - выйти на связь с другими цивилизациями, передать им информацию о строительстве приемно-передающей станции, пригодной для приема и возвращения «наших людей», информацию, необходимую для создания стандартного материального носителя, и таким способом наладить галактические путешествия (тоже идея из фантастики - вспомните, например, «Черное облако»). Тут появляется в рассуждениях старая задача: как выйти на связь с другими цивилизациями? Естественный путь - создать «маяк», получить обратный запрос и вступить в связь. Если исходить из идеи создания импульсного маяка, получающего энергию от звезды, с солнечными батареями мощностью порядка 10 9 кВт (здесь данные применительно к радиомаяку с полосой частот передачи всего 100 Гц), то можно рассчитывать на абонентов, находящихся на расстояниях до пятидесяти тысяч световых лет и имеющих около своей звезды приемные антенны с размерами до 10-20 км. Величины 10 9 кВт не следует пугаться. Солнечные батареи такой мощности должны иметь размеры 100 × 100 км - гигантские, но вообще реальные размеры. Подобную конструкцию можно представить в виде легкой плоской фермы, на которой натянуты пленочные фотоэлементы.

Сроки реализации такой связи составят тысячи и десятки тысяч лет. Уже, правда, не миллионы, но все равно долго.

Может ли быть более короткий путь?

Если другие цивилизации избрали ранее этот путь освоения Галактики, то они могли уже создать и свои «маяки». Значит - искать эти маяки. Создать приемные антенны, способные принять сигналы галактических маяков.

Радиотелескопы с антеннами порядка километров и более можно создать в околосолнечном пространстве. А где искать? Может быть, в центре Галактики? или вдоль средних линий спиральных рукавов? в шаровых звездных скоплениях?

Так или иначе, но это уже десятилетия, а не тысячи и не миллионы лет.

А нет ли еще более простого способа выхода на связь с другими цивилизациями?

Предположим, что представители других цивилизаций уже были (или есть?) на Земле или в Солнечной системе. Какими могут быть следы их деятельности? Где могут располагаться приемно-передающие станции (в том числе промежуточные)?

Тут два направления поиска. Одно - космические люди. Какими их следует ожидать: размеры, особенности их жизни (может быть, например, им не нужны атмосфера и органика для энергопитания, вакуум - их естественная среда обитания...)? Почему они сами не вступили в контакт или почему они не хотят вступать с нами в контакт? Другое направление - поиски их средств связи, приема и передачи путешественников и информации.

Цель таких размышлений на грани фантастики - заглянуть вперед, чтобы понять свои дальние цели, чтобы определить перспективные направления сверхдальнего поиска, сверить эти направления с актуальными проблемами экологии и экономики, обустройства жизни людей на Земле, с интересными на сегодня научными задачами исследования Вселенной и Земли. И из этого анализа выявить направления работ, на которые стоит тратить общие средства, энергию и интеллект людей. Это нужно для того, чтобы взвешенно и разумно сделать выбор, чтобы не тратить зря усилия и средства.

Примеров нелепых решений XX век видел достаточно много. Можно, например, вспомнить о работах в нашей стране над созданием суперракеты H1. Эти работы проводились в шестидесятые годы и были прекращены в 1973 году. Для чего она была нужна? Высаживать экспедицию на Луну? Но параметры ракеты не были увязаны с массой кораблей. Потрясти мир? Шокировать американцев? Или, может быть, для того, чтобы выводить на орбиту какие-то громадные космические аппараты с массой около 100 тонн? Но таких проектов ни тогда, ни сейчас, спустя двадцать лет, не было и нет.

А работы по созданию ракеты «Энергия»? Зачем? Для вывода на орбиты космических аппаратов с массой порядка 100 тонн. Но ведь их нет! И проектов нет!

Или наше последнее «эпохальное» достижение - система «Энергия - Буран». Работы проводились с большим напряжением. Закрывались и отодвигались другие космические и некосмические работы. Истрачены громадные средства. Для чего? Чтобы получить свою «игрушку» и показать, что мы не хуже американцев умеем зря тратить деньги? «Буран» может возвращать с орбиты космические аппараты. Но таких аппаратов, которые требовали бы возвращения с орбиты и стоимость которых была бы больше стоимости запусков «Бурана», нет. Доставка же аппаратов на орбиту с помощью «Бурана» в десятки раз дороже, чем с помощью давно существующих носителей. Так зачем же?

Надо сказать, что упрек в крайне неудачных выборах крупных целей относится не только к нашим чиновникам, но и к американским (Лунная программа, «Шаттл»). В принципе, чиновники везде одинаковы - они ведь распоряжаются не своими деньгами.

Размышления о полете к звездам позволяют выделить несколько интересных направлений работ:

Исследования возможности создания и разработка искусственного интеллекта; - конструирование космических роботов с последующим переходом к созданию человека космоса, личность которого может отделяться от материального носителя и передаваться в виде пакета информации со скоростью света; - разработка идеологии и конструкции «маяков», методов их поиска; - разработка и создание все более крупных радио- и оптических телескопов, с размерами радиоантенн порядка сотен и тысяч метров; - поиск «чужих» выходных каналов связи с Земли, более тонкое (с большим разрешением) фотографирование и изучение поверхности Луны (особенно обратной стороны) и других планет Солнечной системы в поисках средств связи других цивилизаций.

Эти направления работ хорошо коррелируют с современными нуждами человечества.

Первое послание человечества к далеким мирам, установленное на К А «Пионер-10» (1972). Через несколько миллионов лет оно окажется там, где сейчас находится звезда Альдебаран. Не станут ли его получателями наши потомки?

Работы по искусственному интеллекту связаны с решением задачи создания достаточно эффективных роботов, которые могли бы заменить людей на опасных производствах, избавить их от тяжелого физического труда, от рутинной нетворческой работы, помогли бы нам в освоении акваторий и подводного мира. Создание космических роботов - назревшая задача. При работах в открытом космосе они будут более эффективны, чем человек в скафандре. А работы в открытом космосе скорее всего будут развиваться в ближайшие десятилетия: строительство на орбитах экономически эффективных заводов, где в производственных процессах будет использоваться отсутствие силы тяжести, заводов, которые нельзя оставить на Земле из-за их экологической вредности.

Создание больших радиотелескопов позволит вести эффективные исследования и на границах Вселенной, и в центре Галактики...

Этот анализ можно и нужно продолжить. Только совместное рассмотрение ближних и дальних задач позволяет правильно выбирать цели и принимать разумные решения.

Космическая ракета, доставившая в ночь с 13 на 14 сентября 1959 г. вымпел Советского Союза на Луну, прош­ла свой путь за 1,5 суток. Приблизительно столько же времени понадобилось американской космической ракете, произведшей в июле 1964 г. перед падением на поверх­ность Луны фотографирование лунных ландшафтов с близких расстояний. При будущих полетах человека на Луну фактор времени не будет играть большой роли. Длительность этого космического путешествия будет меньше длительности многих путешествий по земным маршрутам.

Но уже при планировании полетов на планеты вопрос длительности путешествия становится важным. Чтобы до­стичь Венеры с наименьшей затратой горючего, необходимо около 150 суток, а для достижения Марса около 260 суток. Разумеется, когда будут использованы более эффективные средства тяги, чем те, которые применяются в космических ракетах наших придерживаться маршрута с наименьшей затратой энер­гии отпадет, время путешествия на планеты можно будет значительно сократить. В принципе, жителю Земли будет возможно значительную часть своего месячного отпуска проводить на одной из соседних планет.

Совершенно иначе выглядит проблема полетов к дру­гим звездам и другим галактикам. Здесь расстояния столь огромны, что фактор времени приобретает решающее значение.

Скорость космической ракеты на различных участках пути ограничивается предельным ускорением, которое способны длительное время переносить пассажиры. Кромеe того, скорость ракеты не может достичь скорости света.

Если ракета будет двигаться с постоянным ускорени­ем 10 м/с 2 , то пассажиры будут чувствовать себя пре­восходно. Состояния невесомости не будет, люди будут стоять на дне кабины ракеты точно так же, как они это делали в различных помещениях при обычной жизни на Земле, и будут испытывать совершенно те же физиче­ские ощущения, в том числе и ощущение того же веса отдельных частей своего тела и веса других предметов. Это объясняется тем, что ускорение силы тяжести на Земле также равно 10 м/с 2 (точнее, 9,81 м/с 2).

Но для уменьшения длительности полета нужна воз­можно большая скорость и, следовательно, возможно большее ускорение. По-видимому, здоровые люди могут длительное, время удовлетворительно переносить посто­янное ускорение в 20 м/с 2 . При таком ускорении ракеты вес пассажира, измеренный в кабине при помощи пру­жинных весов, был бы вдвое больше того, который он имел на Земле. Иначе говоря, пассажир чувствовал бы себя так же, как и на поверхности такой планеты, на которой ускорение силы тяжести и, значит сила тяже­сти, вдвое больше, чем на Земле. Дополнительная нагрузка к обычному весу будет при этом равномерно рас­пределяться по всему организму человека, ее будет зна­чительно легче переносить, чем груз, равный весу челове­ка, взваленный на его плечи. Итак, будем исходить из возможного постоянного ускорения 20 м/с 2 .

При таком ускорении на огромных расстояниях ско­рость может достичь очень больших величин. А при больших скоростях классические законы механики, зако­ны Ньютона, становятся неверными. Необходимо исполь­зовать законы, даваемые теорией относительности Эйн­штейна, которые верны для любых скоростей, и малых и больших.

Для выполнения расчетов нам удобнее принять, что во все время движения постоянным остается отношение силы тяги ракеты к ее массе и это отношение равно

Если бы при космических полетах к звездам и галак­тикам действовала классическая механика, то во все вре­мя движения ускорение а было бы постоянным и было бы справедливо равенство

Однако классическая механика неверна, теория относительности дает следующую форму для мгновенного ускорения:

где υ -скорость космической ракеты в данный момент, а с -скорость света. При очень малых значениях скоро­сти υ в сравнении со скоростью света формулы (60) и (61) практически дают одно и то же, но когда υ/с не очень мало, формула (60) уже неверна.

Если бы движение происходило по законам класси­ческой механики, ускорение было бы постоянным и рав­ным b. Тогда скорость υ и пройденный путь S через вре­мя t после начала движения определялись бы известными из школьного курса физики формулами

Но, как мы видим, согласно формуле (58) по мере роста скорости ускорение будет уменьшаться. Вследствие это­го формулы для скорости и пройденного пути в момент t, даваемые релятивистской механикой, т. е. механикой, основанной на теории относительности, другие и имеют следующий вид:

В классической механике предполагалось, что ско­рость тела может становиться сколь угодно большой. Это следует и из формулы (62), в которой по мере увеличе­ния времени tможет неограниченно возрастать и ско­рость υ. Одной из важнейших основ релятивистской ме­ханики является закон невозможности в природе скоро­cти, большей скорости света. Если в формуле (64) неогра­ниченно увеличивать время t, то скорость υ станет расти неограничено: она будет приближаться к скорости света, но никогда не превзойдет ее.

Самым поразительным выводом теории относительно­сти является утверждение, что ход времени в двух дви­жущихся одна относительно другой системах различен. Именно, если в начальный момент, когда космическая ракета покоилась на поверхности Земли, ход времени для ее пассажиров и ход времени для жителей Земли был одинаков, то после того как ракета станет двигаться, ход времени в ней замедлится. Малому промежутку времени t 2 - t 1 на Земле будет соответствовать малый промежуток времени в ракете τ 2 - τ 1 равный

Формула (63) ведет к удивительным выводам. Если космонавты, покинув Землю, будут совершать полеты на больших скоростях, а затем возвратятся на Землю, то окажется, что от разлуки и до встречи времени у них прошло существенно меньше, чем у жителей Земли. Один из близнецов, путешествовавший в космосе, после возвращения окажется моложе близнеца, остававшегося на Земле. Более того, отец, оставивший на Земле малолет­него сына и совершивший космическое путешествие на больших скоростях, может после возвращения на Землю, оставаясь сам еще сравнительно молодым человеком, за­стать сына дряхлым стариком.

В 1895 г. Г. Уэллс написал роман «Машина времени». Из всех фантастических романов писателя этот роман казался самым фантастическим. Однако, как мы видим, путешествие во времени все-таки оказывается возмож­ным. Машиной времени должна служить космическая ракета, развивающая большие скорости в пространстве. Но путешествовать во времени можно только в направле­нии будущего. Путешественник во времени Уэллса мог достичь страны будущего, где жили «элои» и «морлоки», но он не смог бы после этого возвратиться назад, как и не смог бы посетить страну прошлого.

Если движение происходит с постоянным, как мы приняли отношением b силы тяги ракеты к ее массе, то из соотношения (66) можно получить связь между вре­менем t,прошедшим на Земле, и временем τ, прошедшим у космонавтов,

где Агsh есть особая функция, обратная так называемо­му гиперболическому синусу. Таблицы этой функции приводятся во многих математических справочниках. Ка­ким бы не было t по формуле (67) τ получается всегда меньше t причем чем больше t тем существеннее раз­личие между τ и t. Этот эффект иногда называют реля­тивистским расширением времени.

Различие хода времени в движущихся одна относительно другой системах не только предсказано теорией относительности, но и подтверждено в наши дни экспериментами. Например, доказано, что у мюонов (так называются быстро распадающиеся элементарные частицы с массой, равной 207 массам электрона, и единичным положительным или отрицательным зарядом), движущихся медленно, среднее время, протекающее до распада, равно 2,22 10-6 с, а у мюонов космических лучей, движущихся с очень большой скоростью, время распада больше, в
точном соответствии с формулой (67).

В таблице для различных расстояний вычислено вре­мя, необходимое для прохождения их ракетой, у кото­рой отношение силы тяги к массе все время постоянно и равно 20 м/с 2 . Во втором столбце приведено время, которое давала бы классическая механика по формуле (63). На самом деле движение ракеты не будет происхо­дить по законам классической механики, так как дости­гаемые скорости очень большие. По формуле (62) они к тому же получаются во много раз больше скорости света, и мы приводим этот столбец только для того, чтобы по­казать, насколько ошибочны результаты, классической механики в подобных случаях. В третьем столбце вычис­лено время, которое пройдет на Земле до момента дости­жения ракетой указанного расстояния. При b = 20 м/с 2 ракета уже на расстоянии 1/2 пс разовьет скорость, очень близкую к скорости света, и потому на расстояниях во много парсек время, требуемое для полета ракеты, прак­тически равно времени нужному для прохождения света, следовательно, начиная с пятой строки данные в третьем столбце численно равны количеству световых лет в указанном расстоянии.

Но иной промежуток времени будет проходить у пас­сажиров ракеты. Особенно разительно различие для боль­ших расстояний. Так как на больших расстояниях ракета успеет развить скорость очень близкую к скорости света, релятивистское расширение времени будет особен­но велико.

Пользуясь данными таблицы, представим себе путе­шествие к ближайшей нашему Солнцу звезде - а Цен­тавра. На самом деле это тройная звезда. Главный компонент - звезда спектрального класса G4 с абсолютной величиной + 4 m ,7 - двойник нашего Солнца: почти те же спектр, цвет, светимость, масса. Второй компонент имеет спектральный класс К1 (оранжевая звезда), а аб­солютную звездную величину 6 m ,1, светимость ее вдвое меньше, чем у Солнца. Третий компонент носит назва­ние Проксима, т. е. «ближайшая» Центавра. Он чуть ближе к нам, чем два других компонента этой тройной системы, и из наблюдаемых пока звезд является самым близким соседом Солнца. Светимость его очень мала: в 10000 раз меньше, чем у Солнца (М= 15 m ,7). Спектраль­ный класс - М, значит, это красная звездочка, красный карлик.

Эта тройная система, состоящая из желтой, оранже­вой и красной звезд, находится на расстоянии 1,32 пс. Во время путешествия к ней нужно сначала полпути, т. е. 0,66 пс, двигаться с ускорением. На это расстояние ракета потратит, как можно подсчитать при помощи фор­мулы (65), 2,58 земных года, а при помощи формулы (67) мы узнаем, что в ракете протечет 1,13 года. Затем нужно будет, используя ту же силу тяги ракеты, двигаться с замедлением. Тогда к моменту достижения тройной звез­ды а Центавра ракета остановится.

Характер движения на второй половине пути до а Центавра будет как бы симметричным отражением дви­жения на его первой половине. В любых двух точках, одинаково удаленных от середины пути, скорость ока­жется одинаковой. Поэтому и время, затраченное на вто­рую половину пути, будет как на Земле, так и в ракете, то же самое, что и для первой половины пути.

После этого ракета двинется обратно к Земле, снова сначала ускоряя движение, а затем, после прохождения половины пути, замедляя его. К моменту возвращения на Землю у пассажиров в ракете пройдет 1,13 · 4 ≈ 4,5 го­да. Но они убедятся в том, что, на Земле к моменту их прибытия прошло уже 2,58 · 4 ≈ 10 лет.

Для посещения звезды, находящейся на расстоянии 20 пс, например а Треугольника, и возвращения обрат­но, ракете нужна пройти с попеременным ускорением и замедлением движения четыре отрезка, длиною 10 пс каждый. Согласно таблице выше к моменту возвращения у пассажиров ракеты пройдет 2,33 · 4 ≈ 9 лет. Но призем­ляясь, пассажиры ракеты не узнают страны, которую ос­тавили: так велики будут перемены. Они не застанут никого из людей, кого знали - на Земле к моменту при­бытия пройдет 32,9· 4≈ 130 лет и успеют смениться несколько поколений.

Полет к туманности Андромеды, NGC 224, находящей­ся на расстоянии 460 кпс, и возвращение будут проте­кать совсем не так, как это описано в интересной книге И. А. Ефремова «Туманность Андромеды». Путешествие займет у космонавтов около 30 лет, а возвратятся они фактически в другой мир,- на Землю, на которой от на­чала полета прошло около 30 млн. лет.

Огромная экономия времени, протекающего в раке­те, в сравнении со временем, протекающим на Земле, достигается благодаря тому, что подавляющую часть

расстояния ракета движется со скоростью, очень близ­кой к скорости света. В таком случае, как показывает формула (66), промежуток времени τ 2 - τ 1 может быть очень мал в сравнении с промежутком времени t 2 - t 1 .

Вообще таблица показывает, что если обеспечить в течение всего времени постоянное отношение силы тяги ракеты к ее массе, равное 20 м/с 2 , то человеку доступно посещение любых областей обозреваемой нами Вселенной. Даже для достижения отдаленнейших скоплений галак­тик, расположенных на расстоянии 1000 Мпс, потребует­ся только 11 лет «ракетного» времени. Разумеется, воп­рос о возвращении на Землю для таких космических странников окажется лишенным смысла. Разве лишь будет интересно узнать, что произошло с Землей и Сол­нечной системой. Разумнее будет искать годный для оби­тания мир на новых местах.

Все предыдущие расчеты выполнялись в предположе­нии, что можно обеспечить в течение всего, рассматривае­мого времени постоянное отношение силы тяги ракеты к ее массе, равное 20 м/с 2 . Посмотрим теперь, можно ли этого практически добиться? Что покажет энергетический расчет? Легко убедиться, что применяемые в наше время двигатели космических ракет, сжигающие химическое топливо, совершенно непригодны для путешествий к звездам и галактикам.

Важнейшую роль играет скорость ω, с которой обра­зующиеся при сгорании газы вылетают из сопла ракеты. Чем больше эта скорость, тем большее ускорение в противоположном направлении будет иметь ракета. Скорость вылетания газов тем больше, чем выше, температура сго­рания. Температура же ограничивается способностью ма­териала, из которого сделано сопло ракеты, противосто­ять высокой температуре, не плавиться. По-видимому, пределом в этом отношении являются 4000 К. При такой температуре сгорания от некоторых видов топлив можно получить скорость вылета ω около 4 км/с.

В астронавтике известна формула

связывающая m 0 - массу ракеты с топливом, m- мас­су ракеты после сгорания топлива, ω - скорость вылета газов из сопла и υ -скорость, которую приобретет ракета после того как сгорит топливо. Формула эта верна только в рамках классической механики, когда и скорость вылетающих газов и скорость, достигаемая ракетой, очень малы в сравнении со скоростью света. Оба эти условия в данном расчете соблюдаются.

Мы видим, что величина достигаемой ракетой скоро­сти тем больше, чем больше отношение массы ракеты с топливом к ее массе без топлива. Но как велико может быть это отношение? Предположим маловероятное, что удалось построить такую ракету, в которой 0,999999 мас­сы составляет горючее, так что вес после израсходования горючего составит только одну миллионную веса ракеты на старте. Тогда правая часть равенства (68) будет равна 13,8 и, следовательно, если скорость вылета газов равна 4 км/с, ракета сможет достичь скорости 55,2 км/с. Пока не достигнуты очень большие скорости и можно пользо­ваться классической, механикой, постоянное отношение силы тяги к массе ракеты 20 м/с 2 равно ускорению раке­ты. Скорость 55,2 км/с будет достигнута через 2760 с, когда пройденный путь окажется равным 76 000 км. После этого расстояния топливо будет исчерпано, устрой­ство ракеты перестанет действовать.

Таким образом, употребляемый в настоящее время в космонавтике способ сообщения ракете тяги при помощи сгорания химического топлива не может быть применен для полета к звездам и галактикам. Он годен только в пределах Солнечной системы.

Формула (68) показывает, что основная задача состоит в нахождении такого метода создания реактивной тяги, при котором вылетающие частицы имели бы гораздо большую скорость, чем у современных ракет. Нужно, чтобы эта скорость была сравнима со скоростью света или даже равна ей. Идея такой ракеты предложена дав­но. Роль вылетающих из ракеты в определенном направ­лении частиц должны играть частицы света - фотоны, а ракета будет двигаться в противоположном направле­нии. Источником излучения могут быть ядерные реакции и другие процессы, при которых происходит выделение электромагнитной энергии. Трудности связаны с необходимостью получить мощный поток фотонов при сравни­тельно небольшом весе устройства, чтобы употреблявшая­ся в наших расчетах величина b была достаточной. Кро­ме того, нужно оградить устройство от разрушающего действия высоких температур. Пока такой источник энергии не создан. Но он, по-видимому, будет создан.

Чтобы совершить полет до ближайшего соседа, трой­ной звезды а Центавра, и вернуться обратно, можно пред­ложить следующий план. Фотонная ракета движется с ускорением b = 20 м/с 2 , пока ее масса не станет равной половине первоначальной. При этом согласно формулам (69) и (70) будет пройдено расстояние 0,073 пс и разви­та скорость 180000 км/с. После этого двигатель выклю­чается и ракета движется по инерции. Когда в свободном движении будет пройдено около 1,17 пс и до цели останется 0,073 пс, двигатель снова включается, но уже на торможение. Ракета остановится около а Центавра, из­расходовав еще половину той массы, которая у нее име­лась при начале торможения. В той же последователь­ности должен быть проделан обратный путь. Двигатель будет включаться всего четыре раза, каждый раз расхо­дуя половину имеющейся массы, так что отношение m 0 /m к моменту прибытия на Землю должно составить 16. Расчет показывает, что от момента вылета до момен­та возвращения в ракете протечет около 9,5 лет, а на Земле 16,5 лет.

Можно, конечно, совершать подобные полеты и к бо­лее далеким звездам, увеличивая участок пути с выклю­ченным двигателем. Но тогда с увеличением расстояния будет существенно увеличиваться время, протекающее в ракете.

При полётах на расстояния свыше 5 пс чрезвычайно важно развивать, насколько возможно, высокие скорости, близкие к скорости света; тогда не только уменьшается требуемое для совершения полета время, протекающее на Земле, но, что особенно важно, в очень сильной степе­ни уменьшается время, протекающее в ракете. А чтобы развить, насколько возможно, высокие скорости, двига­тель должен быть постоянно включенным.

Из формулы (69) следует, что, доведя отношение m 0 /m до 200, можно с постоянно включенным, поставлен­ным только на ускорение двигателем достичь звезды Ка­пеллы, удаленной приблизительно на 14 пс.

Но если бы мы хотели, не включая двигателя, разго­няясь полпути и полпути замедляя полет, долететь до Капеллы, повернуть обратно и возвратиться на Землю, то пришлось бы затратить столько энергии, что отношение m 0 /m потребовалось бы довести до 10 8 , что, конечно, не­мыслимо даже для техники будущего.

Точно так же весьма мало вероятна возможность про­стого достижения (без возвращения) человеком других галактик. При путешествии с постоянно включенным двигателем, чтобы покрыть расстояние до Магеллановых Облаков, нужно, чтобы m 0 /m было равно 6 10 5 .

Рассуждения и подсчеты, проведенные в этой публикации, привели нас к следующим выводам: 1) соотношение двух факторов - длительности жизни и способности перено­сить ускорение, у человека таково, что он в принципе мог бы совершить путешествие до любых, даже самых отдаленных из наблюдаемых тел Вселенной; 2) техниче­ские, энергетические ограничения резко сужают возмож­ности человека. Даже использование в будущем фотон­ной ракеты с очень большим отношением начальной и конечной масс позволит совершать полеты с возращени­ем только до нескольких самых близких звезд. Расстоя­ния в несколько десятков парсек могут быть доступны при отношениях m 0 /m порядка нескольких сотен. Однако это могут быть лишь полеты без возвращения; 3) достижение других галактик никогда не будет доступно человеку.

Поколения людей, смотрящих на далёкие звёзды, могли лишь задаваться вопросами о существовании там планет и условий для той жизни, которую они знали. За последние 25 лет произошла революция в поиске планет, их известно уже тысячи, их наличие подтверждено, и среди них есть даже потенциально обитаемые миры, похожие на Землю. Но сможем ли мы туда добраться? Читатель спрашивает:

Как вы думаете, возможны ли межзвёздные перелёты (для какой угодно цивилизации). По мне, так все возможные решения – это билеты в один конец.

Я однозначно считаю межзвёздные путешествия возможными. Но существуют и ограничения, в зависимости от выбираемого нами способа.



Главный двигатель Шаттла во время тестового пуска, 1981

1) Обычные технологии.

Сериал «Lost In Space», 1965-1968

Обычные проблемы вроде столкновения с межпланетными и межзвёздными объектами, астероидами или планетами, на самом деле практически не важны. Таких объектов хоть и много, но плотность их наличия настолько мала, что даже столкновения звёзд чрезвычайно редки, даже на масштабах в миллионы лет. Такое путешествие заняло бы сотни тысяч лет для достижения ближайшей звёздной системы, и выглядит реальным.

Но это действительно билет в один конец, и решение неудовлетворительное.

Домашний термоядерный реактор, www.tidbit77.blogspot.com

2) Технологии будущего, основанные на известной физике.

Улучшение топлива. Вместо химических ракет, преобразующих 0,001% массы в энергию, используемую для разгона, можно использовать ядерное топливо (с эффективностью в 1%), или даже топливо на антиматерии, с эффективностью в 100%.

Улучшение тяги. Если на борту корабля можно будет перевозить большое количество материи и антиматерии в качестве топлива, можно будет продолжать разгон в путешествии. Поскольку люди выдерживают, и даже предпочитают, тягу, схожую с гравитацией на Земле, можно направить корабль в сторону нашей цели, запустить двигатели на 9,8 м/с 2 , а на половине пути развернуть двигатели и запустить их снова, снижая скорость до момента прибытия.

Временные улучшения. Такое передвижение приблизит нас к скорости света всего через несколько лет ускорения, мы сможем долететь практически до любой звезды всего за 20-40 лет путешествия.

Это было бы круто, и не потребовало бы строительства корабля поколений. Конечно, кораблю нужно пережить путешествие на очень больших скоростях через межзвёздную среду, но достаточно сильное магнитное поле и карта газовых облаков, которых необходимо избегать, помогут нам в этом. А если при этом ещё овладеть технологией криозаморозки, нам даже не нужно будет брать с собой ресурсы, кроме семян для посадки и яйцеклеток для выращивания.

Межзвёздный прямоточный двигатель Бассарда

А что, если мы захотим расширить возможности человечества: нечто вроде того, что показывают в «Звёздном пути»?

Бомовские траектории для электрона, прошедшего через две щели

3) Умозрительные технологии.

В теории транспортер может использовать квантовую запутанность для переноса любой квантовой системы из одной точки в другую, если только у волновой функции системы существует ненулевая вероятность находиться в другом месте. Но пока неизвестно, может ли обладать таким свойством макроскопическая система.

Двигатель деформации пространства и мгновенная связь основываются на искривлении пространства-времени и возможности отправить через это пространство сигнал или материю без искажений и уничтожения. В принципе, для общей теории относительности можно найти решение, при котором это происходит. Однако, неясно, можно ли достичь этого в нашей Вселенной, чтобы:

Вам не потребовалась энергия, сравнимая с той, что хранится во всём Солнце;
Приливные силы не уничтожили бы материю, которую вы пытаетесь отправить через искривлённое пространство;
Не уничтожить материю, создавая искривлённое пространство и выпрямляя его;
Вообще было возможно соединить две очень удалённые точки пространства.

Математический график шварцшильдовской чёрной дыры

Сейчас, как бы неприятно это ни звучало, нам лучше всего сосредоточиться на осуществлении одностороннего путешествия. Лучше уж лететь куда-нибудь, чем просто сидеть и ждать, пока появится новая технология, если она вообще допустима в нашей Вселенной. Но не закрывайтесь от новых идей – ведь то, что сегодня кажется маловероятным, может привести к исполнению нашей межзвёздной мечты. Требуйте физической точности и скептически относитесь к экстраординарным заявлениям, но не закрывайтесь и от возможностей. Наше величайшее путешествие во Вселенную обязательно произойдёт.

Космическая эра началась 4 октября 1957 года. Вряд ли стоит еще и еще раз описывать подробности этого дня. Они стали каноническими. Важнее сам факт: в космос, на орбиту Земли, Советским Союзом был запущен первый в мире искусственный спутник.

Пройдемся по первым ступеням пока еще немногочисленных этапов освоения выхода в космическое пространство. Нам это нетрудно сделать, потому что многие из них отмечены цветами нашей страны.

2 января 1959 года первая космическая ракета «Мечта» ушла с советского космодрома в сторону Луны и стала первой искусственной планетой солнечной системы.

12 сентября 1959 года вторая космическая ракета «Луна-2» доставила на поверхность спутника Земли первый вымпел с изображением герба Советского Союза. Первый заявочный столб в космосе.

12 февраля 1961 года многоступенчатая ракета вывела на орбиту второй советский тяжелый спутник Земли, с которого в тот же день стартовала управляемая с Земли космическая ракета. Она вывела на траекторию к Венере автоматическую межпланетную станцию «Венера-1».

1 ноября 1962 года советская автоматическая станция «Марс-1» отправилась к нашему внешнему соседу - планете Марс.

10 ноября 1968 года советская автоматическая станция «Зонд-6» полетела к Луне, обогнула ее и вернулась на Землю не просто камнем из пространства, а используя аэродинамические свойства самого корабля. Первый планетолет.

23 июля 1969 года. Специальная кабина американского космического корабля «Аполлон-11» прилунилась на поверхности естественного спутника Земли, и на Луну впервые ступила нога человека.

Первым вышел из кабины астронавт Нейл Армстронг. За ним последовал и его товарищ по полету Эдвин Олдрин.

Это ступени этапов. За каждой из них - длинный ряд отработок, совершенствований, целая лестница закрепления результатов. Применяя оптимистическую экстраполяцию этих начинаний, легко поддаться искушению высчитать год и день отправки первого межзвездного корабля. Давайте и мы попробуем составить «гороскоп астронавтики».

Земля - песчинка космоса: привычное сравнение для уничижения рода человеческого. А что, если действительно представить себе нашу планету уменьшенной до размеров песчинки? Можно, правда, пойти по другому пути. Представить себя выросшим до размеров этакого «супермикромегаса», для которого Земля - песчинка. В принципе разницы никакой - все в мире относительно, а кое-кому из читателей, может быть, второй вариант придется больше по вкусу.

Так или иначе Земля - песчинка. Масштаб 1:180 миллиардам. Тогда Солнце своими размерами не превзойдет горошину. А расстояние между песчинкой и горошиной не должно быть больше метра. Тут же, в пределах нескольких шагов, лежат орбиты планет, на которые уже припланетились первые земные планетолеты. Но нас интересуют звезды. Каким будет в наших масштабах расстояние… ну, хоть до ближайшей - Проксимы Центавра?

Не оглядывайтесь вокруг, не влезайте на дерево, не садитесь на велосипед. Следующая «горошина» затерялась примерно в 220 километрах от нашей «песчинки», поди найди! Сотни километров - и песчинки с горошинами. А ведь это Проксима! Ближайшая! До нее, астрономы считают, рукой подать, всего 40 420 000 000 000 000 километров - пустяк. В том же масштабе расстояние до самой популярной соседней галактики - Туманности Андромеды, равно… радиусу земной орбиты! И все это опять для песчинок с горошинами.

Такие расстояния заставляют задумываться. Ведь для того чтобы современной ракете преодолеть путь до Проксимы Центавра, ей придется лететь 76 тысяч лет. Право, такое долгое путешествие по однообразной космической пустыне может и поднадоесть. Единственный способ сократить расстояние, а следовательно, и сроки полетов - увеличивать скорость. Но до каких пор? Очевидно, до максимально возможной. А это - скорость света!

Луч мчится от Проксимы Центавра до Земли 4,29 года. Скорость света - физический предел - 300 тысяч километров в секунду. Больше не бывает.

Ну, а если цель поездки отстоит от Солнца, например, на 160 световых лет, как Спика из созвездия Девы, или Бетельгейзе - на 650 световых лет, как быть тогда? Ведь одной человеческой жизни на такую поездку все равно не хватит. А значит, отдаленным звездам вряд ли дождаться скоро земных туристов!

И тут мы вступаем в царство относительности. Земные законы в этом царстве трещат по всем швам, а привычные физические формулы приобретают релятивистскую поправку. (Впрочем, раз уж мы заговорили о звездном туризме, то не следует ли говорить не «релятивистский», а «релятивистический»? Ведь пустил же какой-то грамотей термин «туристический» вместо «туристский».)

А теперь пришло время взглянуть на эти формулы. К ним придется привыкнуть пассажиру звездолета, ничего не поделаешь. А приводятся они здесь еще по двум причинам: во-первых, сами по себе они поучительны и наглядны, способствуя тем самым поднятию эрудиции; во-вторых, без формул сейчас не обходится ни одна книжка вообще, даже если в ней говорится о воспитании щенка легавой собаки. Наконец, немаловажную роль сыграло и то, что приводимые уравнения встречаются сегодня не менее часто, чем фольклорные фрески в общественных местах. И потому привести их в книжке автору ничего не стоит.

Начинать, конечно, надо с того, что самым драматическим и захватывающим утверждением теории относительности является так называемый «парадокс близнецов». Смысл его в том, что, когда скорость ракеты приближается к световой, часы участников полета начинают безнадежно отставать от земных. При этом, правда, все авторы стыдливо обходят вопрос о справедливости данного утверждения для ускорений и замедлений движения, для полетов по прямой или по замкнутой кривой. Не будем и мы считать себя умнее других. В конце концов на звезды пока никто всерьез не собирается, а Эйнштейн, увы, умер.

Итак, в ракете, которая, стартовав с Земли, летит с субсветовой скоростью, время тянется по закону:

А на покинутой и безутешной Земле время, то самое Т 0 , бежит куда быстрее. И чем ближе подбираемся мы к скорости света, тем медленнее течет ракетное время, грозясь в пределе остановиться вовсе. Но зато при скорости звездолета, равной 0,996 от скорости света С, то есть 298 500 километров в секунду, 10 земных лет превращаются для астронавтов в один год!

Это же прекрасно!

Это открывает перед нами не только звезды нашей системы, но и всю вселенную. Только погоняй звездолет - и пусть себе календарь на Земле отщелкивает столетия в секунду. Надо только поскорее построить такой быстроходный корабль.

Скорость движения ракеты определяется вылетающими из сопла частицами сгоревшего топлива. Если же из ракетных дюз заставить вырваться световые кванты или фотоны, то скорость ракет будет приближаться к физическому пределу! Значит, строить надо только фотонный звездный корабль!

Чтобы не занимать места на описание принципа действия и конструкции звездолета, автор предлагает читателю сделать это самостоятельно. Тем более что, если уважаемый читатель и присочинит что-либо от себя, большой беды не будет. Впрочем, мы забегаем вперед.

Для оценки сроков, когда возможным станет осуществление такого строительства, надо прежде всего прикинуть объем лайнера, то есть вычислить минимальную полезную массу звездолета. Сюда войдет все, чем комплектуется космический корабль, включая и живой вес экипажа. Все, за исключением горючего.

Последним «криком техники» на Земле являются, пожалуй, танкеры-гиганты водоизмещением 100 тысяч тонн. Звездному кораблю предстоит дальний и долгий путь, поэтому возьмем его размеры, не жадничая, тоже 100 тысяч тонн! Тем более что горючего понадобится, наверное, довольно много. Кстати, о горючем. Заботы о нем - не наше дело. Считаем, что физики получили супер-экстра-горючее, которое без остатка переходит в излучение, научились его хранить в магнитных или каких-либо других бутылках и построили для этого горючего двигатель, способный переваривать энергию, примерно равную энергии миллиона атомных бомб, ежесекундно и при этом оставаться целым. Наша задача - определить, «сколько горючего надо», и залить его в баки. Ах, черт возьми, снова вмешивается Эйнштейн! По мере приближения скорости к световой, начинает расти масса. Вот ее уравнение:

Разгоняясь, ракета будет тяжелеть и тяжелеть. Значит, увеличится и расход горючего. Его придется подбрасывать в топку сначала в десять, потом в сто, потом в тысячи раз больше. А ведь предстоит еще торможение при прибытии на место. Потом снова разгон и снова торможение на обратном пути. Короче говоря, по самым скромным расчетам, для разгона космического корабля массой в 100 тысяч тонн до скорости 0,995 С, вес топлива должен примерно в миллион (!) раз превзойти полезную массу конструкции и составить 100 000 000 000 тонн. Еще немного - и реактивный двигатель проще всего будет приделать прямо к земному шару.

Э, да я вижу, наш отряд строителей сильно поредел. Испугались первых трудностей? Позор! То ли еще будет дальше.

Мы продолжим мечтать. Мечтать - это так прекрасно, так возвышенно!!! В конце концов не все ли равно, как будут обойдены конструктивные трудности? Важно верить, что это сделано будет! Тем более что идея прекрасна! Тогда - верхом на идею, и вперед!

Нет ни одного истинного приключенческого космически-фантастического романа, герои которого не встретились бы нос к носу с метеоритом. В ином случае пустынный космос не даст никаких острых ситуаций, и жанр погибнет. (Автор говорит об этом со знанием дела, так как, написав несколько фантастических опусов, он неоднократно исправно сталкивал своих героев с метеоритами самых разных размеров.) И это не шутка. Многие даже не подозревают, какую опасность представляют собой метеориты, беспорядочно носящиеся за пределами атмосферы.

В 1932 году метеорит пробил атмосферу и, счастливо избежав полного сгорания, долетел до Земли. Выбрал место падения - Токио и… запутался в кимоно молодой японки. Хорошо, что этот опыт не распространился на страны Европы в наши дни. Юбки современных девушек вряд ли обеспечили бы космическому гостю благополучную посадку.

Известны случаи, когда метеориты падали на крыши почему-то в основном соборов. Метеориты причиняли ущерб скотоводству, убивая иногда домашних животных. А однажды небесный камень грохнулся прямо в корыто прачки. Это было еще до широкого внедрения стиральных машин и механических прачечных.

Именно за счет космического мусора, сыплющегося на поверхность нашей планеты, Земля ежедневно прибавляет в весе от десяти до ста тысяч тонн.

Скорость метеоритов, с которыми встречается Земля, различна. Она колеблется от 11 до 80 километров в секунду. Если такой камешек диаметром полсантиметра угодит в спутник, то он разворотит дыру даже в обшивке из стали толщиной в 12 миллиметров. Правда, расчеты вероятности такой встречи не могут не придать отваги даже пессимистам. В ближнем космосе встреча корабля с таким метеоритом (массой примерно в 3,5 грамма) может произойти не чаще одного раза в 30–40 тысяч лет! Можно предположить, что в межзвездных просторах вероятность встречи еще меньше. Правда, с уменьшением размеров метеорита эта вероятность растет примерно в квадратичной зависимости.

Так, при диаметре частицы вещества в 1 миллиметр две встречи подряд уже разделяются интервалом всего в 350–400 лет. При диаметре 0,5 миллиметра неприятность возможна уже через каждые 15 лет. А встречи с песчинками размером в 0,25 миллиметра могут происходить каждые четыре года.

Все вышеприведенные рассуждения касались обычных спутников или, в лучшем случае, межпланетных кораблей, путешествующих по солнечной системе. Но ведь мы летим к звездам! Опять Эйнштейн, и опять неприятности. Формула кинетической энергии тела, летящего со субсветовой скоростью, выглядит так:

где m o - масса покоя. Очень интересные расчеты сделал советский физик Сергей Михайлович Рытов. Он рассматривает встречу звездолета, мчащегося со скоростью 260 тысяч километров в секунду, с микроскопической пылинкой массой в один миллиграмм. Энергии, выделившейся при столкновении, достаточно, чтобы в буквальном смысле этого слова «испарить» 10 тонн железа. Но это еще не самое страшное. Хуже то, что при таких скоростях энергия атомных частиц в движущихся навстречу кораблю микрометеоритах значительно больше энергии связи атомов в кристаллической решетке. Значит, метеорит врежется в корпус корабля не как единый кусок вещества, способный прострелить звездолет насквозь, а как шквал тяжелых космических частиц. Проникнув в металл обшивки всего на несколько сантиметров, они там, в глубине, отдадут всю свою огромную энергию, вызвав тепловой взрыв.

Так одна-единственная крупинка вещества массой в один миллиграмм взорвет весь огромный корабль.

Но будем оптимистами. Ведь встреча с такой частицей возможна раз в полтораста лет. Авось проскочим. Ведь в основном-то пустота пуста! По современным данным, средняя плотность межзвездного пылевого вещества в Галактике около 10 -10 грамма в кубическом километре - ничтожна. Но при скорости в 260 тысяч километров в секунду каждый квадратный метр лобовой поверхности звездолета за час пройдет около 1800 кубических километров и встретит при этом наверняка 0,00018 миллиграмма распыленного вещества. Если микрометеорит массой в 1 миллиграмм испаряет 10 тонн железа, то крупица в две тысячные доли миллиграмма уж два-то килограмма корпуса наверняка сожрет. И так ежечасно. Невидимая, почти неощутимая космическая пыль будет, как наждаком, точить корпус звездолета такими темпами, что от всей полезной массы в 100 тысяч тонн через пять с небольшим лет не останется ни грамма.

А ведь мы забыли еще межзвездный газ. Водорода в пространстве больше, чем пыли. В среднем - один атом на один кубический сантиметр.

Для звездолета с субсветовой скоростью этот разреженный газ превратится в густой поток быстрых частиц высокой энергии. Ударяясь о корпус корабля, они породят ливень жестких рентгеновых лучей, от которых спрятаться можно будет только за толстенными бетонными стенами. Иначе наши астронавты погибнут, не успев насладиться необычными видами, которые откроются перед ними в иллюминаторах корабля. А посмотреть будет на что, вы в этом убедитесь, прочитав следующий раздел главы.

Однако чтобы закончить этот «жизнерадостный» перечень неожиданностей и препон, которые смелым людям нужно будет преодолеть, автор призывает бодро воскликнуть в духе Маргариты Алигер: «И все-таки я верю!..» Жаль только, что вера в науке то же, что дрова в двигателе космической ракеты.

Хотя не исключено, что придет время, и человечество, если ему удастся до этого времени дожить, вырвется к звездам. Но произойдет это таким способом, до понимания которого нам так же далеко сегодня, как современникам Гиппарха было далеко до наших с вами рассуждений.

Одним из самых противных испытаний, которым подвергается летчик, а сейчас космонавт, как это показывают в кино, является карусель. Мы, летчики недавнего прошлого, в свое время называли ее «вертушкой» или «сепаратором». Тех, кто не проходил испытания на центрифуге, отстраняли от полетов. Мудрый читатель, конечно, знает, что так тренируется вестибулярный аппарат. И хотя у представителей воздушной специальности оный аппарат, безусловно, оттренирован, летать вверх ногами или кувыркаться во всех мыслимых степенях свободы никому удовольствия не доставляет. Мы не говорим уже о том, что направить кувыркающуюся ракету точно в цель - дело в высшей степени безнадежное.

Для предотвращения неприятностей воздушные (и безвоздушные) транспортные средства снабжаются ограничителями свободы.

На корабле «Восток», вынесшем за пределы воздушной оболочки Земли первого человека, стоял целый комплекс оптико-гироскопических систем ориентирования. Гироскоп задавал направление одной из осей; автоматы, занимающиеся поиском Солнца, поворачивали корабль относительно центра тяжести и удерживали его в заданном направлении. Первый полет Ю. Гагарина прошел успешно.

Иначе было с автоматической межпланетной станцией «Венера-1». Станция держала связь с Землей при помощи остронаправленной антенны. Такие антенны представляют собой параболоиды вращения разных диаметров и посылают радиоволны узким пучком. Поддерживать точное направление помогала сложная система астроориентации. И вот примерно в середине полета радиосвязь со станцией прервалась. В чем дело?

Выяснить причину помогла старинная дружба, связывающая советских астрономов и их английских коллег. Англичане уже давно помогают нам вести наблюдения за нашими космическими летательными аппаратами, пользуясь уникальной аппаратурой на обсерватории Джодрелл Бэнк. Так вышло и на этот раз. После того как у всех нас лопнуло терпение вместе с надеждами снова услышать голос «Венеры-1», англичане все еще упорно ждали. И национальная черта не подвела. Правда, плюс к английскому терпению у них был и лучший в мире по тем временам радиотелескоп. Факт тот, что английские астрономы поймали снова нашу станцию. Но поймали так кратковременно и вскользь, что стало ясно: вышла из строя система ориентации и станцию мотает в разные стороны.

Средства астронавигации при межпланетных перелетах - это едва ли не главное (наряду с тремястами тысячами других не менее главных деталей, составляющих начинку современной ракеты). Отклонение от курса на доли процента уведет даже межпланетный корабль далеко от цели. А как будет чувствовать себя штурман звездолета, набравшего субсветовую скорость? Что, опять Эйнштейн? Нет, на этот раз мы хоть и воспользуемся выводами специальной теории относительности, но это будет касаться той ее части, которая была подготовлена раньше Лоренцем. Здесь речь идет о преобразованиях Лоренца, связывающих координаты и время неподвижной системы (х, у, z и t) с соответствующими величинами для летающего звездолета (х′, у′, z′ и t′). Если направить ось х по курсу корабля, то формулы для преобразования примут вид:

Из-за этих преобразований для наблюдателя, движущегося со скоростью, близкой к скорости света, привычные координаты неподвижных звезд неузнаваемо изменятся. Перед носом ракеты звезды словно сбегутся, столпятся в кучу по курсу звездолета, а за кормой, наоборот, далеко разойдутся друг от друга.

По расчетам профессора С. М. Рытова, при скорости в 260 тысяч километров в секунду вся передняя полусфера звездного неба сместится вперед и заполнит конус с углом раствора всего в 30 градусов. И чем ближе будет скорость к световой, тем теснее будут толпиться звезды перед носом корабля. Так, при достижении скорости, равной 0,95 С, передняя полусфера сожмется уже в конус с углом раствора всего 18 градусов.

Но этого еще мало. Изменится спектральный состав излучения звезд. Помните эффект Допплера и наш эксперимент с лодкой, идущей против волн? Так вот, звезды, расположившиеся впереди по курсу звездолета, «поголубеют», а оказавшиеся за кормой по той же причине начнут «краснеть». При этом яркость впереди лежащих светил возрастет, а оставшихся сзади - уменьшится.

Представьте себя на минутку в положении штурмана. Поседеешь, ей-богу! А до штурмана - конструктору в пору повеситься.

Если и теперь упрямый читатель не сделал для себя определенных выводов, к которым его бережно вел автор, то последнему остается только широко развести руками. Ему, автору, самому до смерти бы хотелось полететь. Желание-то у него есть. Но вот насчет возможностей… Нет, мы начали нашу последнюю главу широким заголовком: «Полет к звездам…» и поставили многоточие. Пришла пора снять точки, написать слово НЕВОЗМОЖЕН и закрыть кавычки.

А как же фантастика?..

Во-первых, автор должен заявить со всей ответственностью, что лично он фантастику любит! Не меньше любит он и приключенческую литературу и даже, стыдно признаться, детектив. Порукой тому не только его собственные рассказы, но даже эта книга, которую он изо всех сил старался строить по детективным канонам: «Вот-вот откроется окончательная истина… Ан нет!.. И снова дежурные гипотезы, погоня за доказательствами, ошибки и движение вперед».

Автор уже много раз оправдывался в том, что он далек от мысли подвергать сомнениям основные принципы и принципиальные возможности. Ему только хотелось бы предостеречь читателя от слишком поспешного «инженерного» подхода к решению некоторых «фотонных» проблем, а с другой стороны - от чрезмерной горячности в восклицаниях: «Верую!» Правда, а как же быть все-таки с литературой?

Так ведь и тысячу лет назад существовали сказки об огнедышащих драконах и летающих колесницах. Думаете, в них так уж и верили? Вряд ли. Но от этого сказки не становились менее интересными. Помните: «Сказка - ложь, да в ней намек, добрым молодцам урок»?

Могут ли межзвездные перелеты превратиться из несбыточной мечты в реальную перспективу?

Ученые всего мира говорят, что человечество все дальше продвигается в освоении космоса, появляются все новые открытия и технологии. Однако о межзвездных перелетах людям приходится пока еще только мечтать. Но так ли недостижима и нереальна эта мечта? Чем располагает человечество сегодня и каковы перспективы на будущее?

По оценкам специалистов, если прогресс не застопорится на месте, то на протяжении одного или двух веков, человечество сможет исполнить свою мечту. Сверхмощный телескоп «Кеплер» в свое время позволил астрономам обнаружить 54 экзопланеты, где не исключено развитие жизни, а сегодня уже подтверждено существование 1028 таких планет. Эти планеты, обращающиеся вокруг звезды за пределами Солнечной системы, находятся на таком отдалении от центральной звезды, что на их поверхности возможно поддержание воды в жидком состоянии.

Однако получить ответ на главный вопрос — одиноко ли человечество во Вселенной — пока невозможно из-за гигантских расстояний до ближайших планетных систем. Множество экзопланет, на расстояние ста и менее световых лет от Земли, а также громадный научный интерес, который они вызывают, заставляют взглянуть на идею межзвездных перелетов совершенно по-иному.

Полет к другим планетам будет зависеть от разработки новых технологий и выбора способа, который необходим для достижения такой далекой цели. А пока выбор еще не сделан.

Для того чтобы земляне смогли преодолевать невероятно огромные космические расстояния, причем за сравнительно короткий срок, инженерам и космологам придется создать принципиально новый двигатель. Говорить о межгалактических перелетах пока рано, но человечество могло бы исследовать – Млечный путь, галактику, в которой находится Земля и Солнечная система.

Галактика Млечный путь насчитывает около 200 – 400 миллиардов звезд, вокруг которых по своим орбитам движутся планеты. Ближе всех к Солнцу находится звезда под названием Альфа Центавра. Расстояние до нее примерно сорок триллионов километров или 4,3 световых года.

Ракете с обычным двигателем придется лететь до нее примерно 40 тысяч лет! Пользуясь формулой Циолковского легко подсчитать, что для того, чтобы разогнать космический аппарат с реактивным двигателем на ракетном топливе до скорости в 10% от скорости света, нужно больше горючего, чем его имеется на всей Земле. Поэтому говорить о космической миссии при современных технологиях, это полный абсурд.

Как считают ученые, будущие космические звездолеты смогут летать с использованием термоядерного ракетного двигателя. Реакция термоядерного синтеза позволяет производить энергию на единицу массы в среднем почти в миллион раз больше, чем при химическом процессе сгорания.

Как раз поэтому в 1970 годах группа инженеров совместно с учеными разработали проект гигантского межзвездного корабля с термоядерной двигательной установкой. Беспилотный космический корабль Дедал предполагалось оборудовать импульсным термоядерным двигателем. Небольшие гранулы должны были вбрасываться в камеру сгорания и воспламеняться пучками мощных электронных лучей. Плазма, как продукт термоядерной реакции, вылетающая из сопла двигателя, придает тяговое усилие кораблю.

Предполагалось, что Дедал должен был лететь к звезде Барнарда, путь до которой составляет шесть световых лет. Громаднейший космический корабль добрался бы до нее за 50 лет. И хотя проект не был осуществлен, до сегодняшнего дня нет более реального технического проекта.

Другим направлением в технологии создания межзвездных кораблей является солнечный парус. Использование солнечного паруса рассматривается сегодня как самый перспективный и реалистичный вариант звездолёта. Превосходство солнечного парусника в том, что на борту не нужно топливо, а это значит, что намного возрастет полезная нагрузка по сравнению с другими космическими кораблями. Уже сегодня существует возможность постройки межзвездного зонда, где давление солнечного ветра будет основным источником энергии корабля.

О серьезности намерений освоения межпланетных полетов говорит проект, который разрабатывается с 2010 года в одной из основных научных лабораторий НАСА. Ученые работают над проектом по подготовке в течение ближайших ста лет пилотируемого полета к другим звездным системам.