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».

2. Расстояние, время, скорость, относительность

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.

3. Когда построят звездолет?

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!

4. Рифы космоса

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.

5. Проблемы релятивистской астронавигации

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»?

Наш читатель Никита Агеев спрашивает: в чем основная проблема межзвездных перелетов? Ответ, как и , потребует большой статьи, хотя на вопрос 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 бы 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 картриджей 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 . 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 со 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 распределенных 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.

Сможем ли мы на самом деле добраться до неведомых планет за пределами Солнечной системы? Как это вообще возможно?

Фантасты и кинематографисты, конечно, молодцы, хорошо поработали. В красочные истории, где человек покоряет самые дальние уголки космоса, действительно хочется верить. К сожалению, прежде чем эта картинка станет явью, нам придется преодолеть немало ограничений. Например, законы физики, какими мы их видим сейчас.

Но! В последние годы появилось несколько волонтерских и финансируемых частными лицами организаций (Фонд Tau Zero , проект Icarus , проект Breakthrough Starshot), каждая из которых ставит целью создание транспорта для межзвездных полетов и приблизить человечество к покорению Вселенной. Их надежду и веру в успех укрепляют позитивные новости, например, на орбите звезды Проксима-Центавра планеты размером с Землю.

Создание межзвездного космического аппарата станет одной из тем для обсуждения на Всемирном саммите BBC Future «Идеи, которые меняют мир» в Сиднее в ноябре. Сможет ли человек отправиться в другие галактики? И если да, то какие виды космических кораблей нам для этого понадобятся?

Куда бы нам отправиться?

А куда лететь не стоит? Во Вселенной звезд больше , чем песчинок на Земле — около 70 секстиллионов (это 22 нуля после семерки) — и, по оценкам ученых, миллиарды из них имеют на орбитах от одной до трех планет в так называемой «зоне Златовласки»: на них не слишком холодно и не слишком жарко. В самый раз .

С самого начала и до сих пор лучшим претендентом для первого межзвездного полета является наш ближайший сосед — тройная звездная система Альфа Центавра. Она находится на расстоянии 4,37 световых лет от Земли. В этом году астрономы Европейской южной обсерватории обнаружили планету размером с Землю, вращающуюся вокруг красного карлика Проксима Центавра из этого созвездия. Масса планеты, названной Проксима b, как минимум в 1,3 раза больше земной, и она имеет очень короткий период обращения вокруг своей звезды - всего 11 земных дней. Но все равно эта новость чрезвычайно взволновала астрономов и охотников за экзопланетами, ведь температурный режим Проксимы b подходит для существования воды в жидком виде, а это - серьезный плюс к возможной обитаемости.

Но есть и недостатки: мы не знаем, имеет ли Проксима b атмосферу, и, учитывая ее близость к Проксима Центавра (ближе, чем Меркурий к Солнцу), она, вероятно, будет подвергаться воздействию выбросов звездной плазмы и радиации. И она так заперта приливными силами, что всегда обращена к звезде одной стороной. Это, конечно, может полностью изменить наши представления о дне и ночи.

И как мы туда попадем?

Это вопрос на 64 триллиона долларов. Даже на максимальной скорости, которую позволяют развить современные технологии, нам до Проксимы Б 18 тысяч лет. И высока вероятность, что добравшись до цели мы встретим там… наших потомков в Земли, которые уже колонизировали новую планету и забрали всю славу себе. Поэтому глубокие умы и бездонные карманы ставят себе амбициозную задачу: найти более быстрый способ пересекать огромные расстояния.

Breakthrough Starshot - это космический проект с бюджетом в размере 100 миллионов долларов, он финансируется российским миллиардером Юрием Мильнером. Breakthrough Starshot сосредоточился на создании крошечных беспилотных зондов со световыми парусами, подгоняемых мощным наземным лазером. Идея в том, что космический аппарат достаточно малого веса (едва ли 1 грамм) со световым парусом можно будет регулярно ускорять мощным световым лучом с Земли примерно до скорости в одну пятую от скорости света. Такими темпами нанозонды достигнут Альфа Центавра примерно за 20 лет.

Разработчики проекта Breakthrough Starshot рассчитывают на миниатюризацию всех технологий, ведь крошечный космический зонд должен нести с собой камеру, подруливающие устройства, источник питания, средства связи и навигационное оборудование. Все для того, чтобы по прибытии сообщить: «Смотрите, я здесь. А она совсем не вертится». Миллер надеется, что это сработает и заложит основу для следующего, более сложного этапа межзвездных передвижений: путешествия человека.

А что же варп-двигатели?

Да, в сериале Star Trek это все выглядит очень просто: включил варп-двигатель и полетел быстрее скорости света. Но все, что мы в настоящее время знаем о законах физики, говорит нам: путешествия со скоростью выше скорости света, или даже равной ей, невозможны . Но ученые не сдаются: NASA вдохновилось другим захватывающим двигателем из научной фантастики и запустило проект NASA Evolutionary Xenon Thruster (сокращено NEXT) — ионный двигатель, который сможет ускорять космические корабли до скорости 145 тысяч км/ч, используя лишь одну фракцию топлива для обычной ракеты.

Но даже на таких скоростях мы не сможем улететь далеко от Солнечной системы за одну человеческую жизнь. Пока мы не разберемся, как работать с пространством-временем, межзвездные путешествия будет протекать очень, очень медленно. Возможно, уже пора начать воспринимать то время, которое галактические странники проведут на борту межзвездного корабля, просто как жизнь, а не как поездку на «космическом автобусе» от пункта А к пункту Б.

Как мы выживем в межзвездном путешествии?

Варп-двигатели и ионные моторы - это, конечно, очень круто, но во всем этом будет мало проку, если наши межзвездные странники погибнут от голода, холода, обезвоживания или отсутствия кислорода еще до того, как покинут пределы Солнечной системы. Исследователь Рейчел Армстронг утверждает, что нам пора задумываться о создании настоящей экосистемы для межзвездного человечества.

«Мы переходим от индустриального взгляда к экологическому видению реальности», — заявляет Армстронг.

Армстронг — профессор экспериментальной архитектуры в Университете Ньюкасла в Великобритании — говорит о таком понятии как «worlding»: «Это о пространстве обитания, а не только о дизайне объекта». Сегодня внутри космического корабля или станции все стерильно и выглядит как промышленный объект. Армстронг считает, что вместо этого мы должны подумать об экологической составляющей космических судов: о растениях, которые мы сможем выращивать на борту, и даже о видах почв, которые возьмем с собой. В будущем, как она предполагает , космолеты будут выглядеть как гигантские биомы, полные органической жизни, а не сегодняшние холодные, металлические ящики.

А мы не можем просто проспать всю дорогу?

Криосон и гибернация - это, конечно хорошее решение довольно неприятной проблемы: как сохранить людей живыми во время путешествия, которое длится гораздо дольше, чем сама человеческая жизнь. По крайней мере, в кино так делают . И в мире полно крио-оптимистов: Фонд продления жизни Алькор хранит множество крио-консервированных тел и голов людей, которые надеются, что наши потомки научатся безопасно размораживать людей и избавляться от неизлечимых ныне заболеваний, но в настоящее время таких технологий не существует.

В фильмах типа «Интерстеллар» и в книгах наподобие «Seveneves» Нила Стивенсона озвучивается идея отправить в космос замороженные эмбрионы, которые могли бы пережить даже самый длительный полет, потому что ни есть, ни пить, ни дышать им не нужно. Но это поднимает проблему «курицы и яйца»: кто-то ведь должен ухаживать за этим зарождающимся человечеством в несознательном возрасте.

Так это все реально?

«С самого зарождения человечества мы смотрели на звезды и обращали к ним наши надежды и страхи, тревоги и мечты», — говорит Рэйчел Армстронг .

С запуском новых инженерных проектов, таких как Breakthrough Starshot, «мечта становится реальным экспериментом».

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.

Солнечная система уже давно не представляет особого интереса для фантастов. Но, что удивительно, и у некоторых ученых наши «родные» планеты не вызывают особого вдохновения, хотя они еще практически не исследованы.

Едва прорубив окно в космос, человечество рвется в неведомые дали, причем уже не только в мечтах, как раньше.
Еще Сергей Королев обещал в скором времени полеты в космос «по профсоюзной путевке», но этой фразе уже полвека, а космическая одиссея по-прежнему удел избранных - слишком дорогое удовольствие. Однако же два года назад HACA запустило грандиозный проект 100 Year Starship, который предполагает поэтапное и многолетнее создание научного и технического фундамента для космических полетов.

Эта беспрецедентная программа должна привлечь ученых, инженеров и энтузиастов со всего мира. Если все увенчается успехом, уже через 100 лет человечество будет способно построить межзвездный корабль, а по Солнечной системе мы будем перемещаться, как на трамваях.

Так какие же проблемы нужно решить, чтобы звездные полеты стали реальностью?

ВРЕМЯ И СКОРОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНЫ

Звездоплавание автоматических аппаратов кажется некоторым ученым почти решенной задачей, как это ни странно. И это при том, что совершенно нет никакого смысла запускать автоматы к звездам с нынешними черепашьими скоростями (примерно 17 км/с) и прочим примитивным (для таких неведомых дорог) оснащением.

Сейчас за пределы Солнечной системы ушли американские космические аппараты «Пионер-10» и «Вояджер-1», связи с ними уже нет. «Пионер-10» движется в сторону звезды Альдебаран. Если с ним ничего не случится, он достигнет окрестностей этой звезды... через 2 миллиона лет. Точно так же ползут по просторам Вселенной и другие аппараты.

Итак, независимо от того, обитаем корабль или нет, для полета к звездам ему нужна высокая скорость, близкая к скорости света. Впрочем, это поможет решить проблему полета только к самым близким звездам.

«Даже если бы мы умудрились построить звездный корабль, который сможет летать со скоростью, близкой к скорости света, - писал К. Феоктистов, - время путешествий только по нашей Галактике будет исчисляться тысячелетиями и десятками тысячелетий, так как диаметр ее составляет около 100 000 световых лет. Но на Земле-то за это время пройдет намного больше».

Согласно теории относительности, ход времени в двух движущихся одна относительно другой системах различен. Так как на больших расстояниях корабль успеет развить скорость очень близкую к скорости света, разница во времени на Земле и на корабле будет особенно велика.

Предполагается, что первой целью межзвездных полетов станет альфа Центавра (система из трех звезд) - наиболее близкая к нам. Со скоростью света туда можно долететь за 4,5 года, на Земле за это время пройдет лет десять. Но чем больше расстояние, тем сильней разница во времени.

Помните знаменитую «Туманность Андромеды» Ивана Ефремова? Там полет измеряется годами, причем земными. Красивая сказка, ничего не скажешь. Однако эта вожделенная туманность (точнее, галактика Андромеды) находится от нас на расстоянии 2,5 миллиона световых лет.

По некоторым расчетам, путешествие займет у космонавтов более 60 лет (по звездолетным часам), но на Земле-то пройдет целая эра. Как встретят космических «неадертальцев» их далекие потомки? Да и будет ли жива Земля вообще? То есть возвращение в принципе бессмысленно. Впрочем, как и сам полет: надо помнить, что мы видим галактику туманность Андромеды такой, какой она была 2,5 млн лет назад - столько идет до нас ее свет. Какой смысл лететь к неизвестной цели, которой, может, уже давно и не существует, во всяком случае, в прежнем виде и на старом месте?

Значит, даже полеты со скоростью света обоснованны только до относительно близких звезд. Однако аппараты, летящие со скоростью света, живут пока лишь в теории, которая напоминает фантастику, правда, научную.

КОРАБЛЬ РАЗМЕРОМ С ПЛАНЕТУ

Естественно, в первую очередь ученым пришла мысль использовать в двигателе корабля наиболее эффективную термоядерную реакцию - как уже частично освоенную (в военных целях). Однако для путешествия в оба конца со скоростью, близкой к световой, даже при идеальной конструкции системы, требуется отношение начальной массы к конечной не менее чем 10 в тридцатой степени. То есть звездолет будет походить на огромный состав с топливом величиной с маленькую планету. Запустить такую махину в космос с Земли невозможно. Да и собрать на орбите - тоже, недаром ученые не обсуждают этот вариант.

Весьма популярна идея фотонного двигателя, использующего принцип аннигиляции материи.

Аннигиляция - это превращение частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных. Наиболее изучена аннигиляция электрона и позитрона, порождающая фотоны, энергия которых и будет двигать звездолет. Расчеты американских физиков Ронана Кина и Вей-мин Чжана показывают, что на основе современных технологий возможно создание аннигиляционного двигателя, способного разогнать космический корабль до 70% от скорости света.

Однако дальше начинаются сплошные проблемы. К сожалению, применить антивещество в качестве ракетного топлива очень непросто. Во время аннигиляции происходят вспышки мощнейшего гамма-излучения, губительного для космонавтов. Кроме того, контакт позитронного топлива с кораблем чреват фатальным взрывом. Наконец, пока еще нет технологий для получения достаточного количества антивещества и его длительного хранения: например, атом антиводорода «живет» сейчас менее 20 минут, а производство миллиграмма позитронов обходится в 25 миллионов долларов.

Но, предположим, со временем эти проблемы удастся разрешить. Однако топлива все равно понадобится очень-очень много, и стартовая масса фотонного звездолета будет сравнима с массой Луны (по оценке Константина Феоктистова).

ПОРВАЛИ ПАРУС!

Наиболее популярным и реалистичным звездолетом на сегодняшний день считается солнечный парусник, идея которого принадлежит советскому ученому Фридриху Цандеру.

Солнечный (световой, фотонный) парус - это приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.
В 1985 году американским физиком Робертом Форвардом была предложена конструкция межзвездного зонда, разгоняемого энергией микроволнового излучения. Проектом предусматривалось, что зонд достигнет ближайших звезд за 21 год.

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

«Маловероятно, что по данным, полученным в путешествиях по нашей Солнечной системе, мы сможем существенно продвинуться вперед в понимании мира, в котором мы живем. Естественно, мысль обращается к звездам. Ведь раньше подразумевалось, что полеты около Земли, полеты к другим планетам нашей Солнечной системы не являются конечной целью. Проложить дорогу к звездам представлялось главной задачей».

Эти слова принадлежат не фантасту, а конструктору космических кораблей и космонавту Константину Феоктистову. По мнению ученого, ничего особо нового в Солнечной системе уже не обнаружится. И это при том, что человек пока долетел только до Луны...

Однако за пределами Солнечной системы давление солнечного света приблизится к нулю. Поэтому существует проект разгона солнечного парусника лазерными установками с какого-нибудь астероида.

Все это пока теория, однако первые шаги уже делаются.

В 1993 году на российском корабле «Прогресс М-15» в рамках роекта «Знамя-2» был впервые развернут солнечный парус 20-метровой ширины. При стыковке «Прогресса» со станцией «Мир» ее экипаж установил на борту «Прогресса» агрегат развертывания отражателя. В итоге отражатель создал яркое пятно 5 км в ширину, которое прошло через Европу в Россию со скоростью 8 км/с. Пятно света имело светимость, примерно эквивалентную полной Луне.

Итак, преимущество солнечного парусника - отсутствие топлива на борту, недостатки - уязвимость конструкции паруса: по сути, это тонкая фольга, натянутая на каркас. Где гарантия, что по дороге парус не получит пробоин от космических частиц?

Парусный вариант может подойти для запуска автоматических зондов, станций и грузовых кораблей, но непригоден для пилотируемых полетов с возвратом. Существуют и другие проекты звездолетов, однако они, так или иначе, напоминают вышеперечисленные (с такими же масштабными проблемами).

СЮРПРИЗЫ В МЕЖЗВЕЗДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Думается, путешественников во Вселенной поджидает множество сюрпризов. К примеру, едва высунувшись за пределы Солнечной системы, американский аппарат «Пионер-10» начал испытывать силу неизвестного происхождения, вызывающую слабое торможение. Высказывалось много предположений, вплоть до о неизвестных пока эффектах инерции или даже времени. Однозначного объяснения этому феномену до сих пор нет, рассматриваются самые различные гипотезы: от простых технических (например, реактивная сила от утечки газа в аппарате) до введения новых физических законов.

Другой аппарат, «Вояд-жер-1», зафиксировал на границе Солнечной системы область с сильным магнитным полем. В нем давление заряженных частиц со стороны межзвездного пространства заставляет поле, создаваемое Солнцем, уплотняться. Также аппарат зарегистрировал:

• рост количества высокоэнергетических электронов (примерно в 100 раз), которые проникают в Солнечную систему из межзвездного пространства;
• резкий рост уровня галактических космических лучей - высокоэнергетических заряженных частиц межзвездного происхождения.

И это только капля в море! Впрочем, и того, что сегодня известно о межзвездном океане, достаточно, чтобы поставить под сомнение саму возможность бороздить просторы Вселенной.

Пространство между звездами не пустое. Везде есть остатки газа, пыли, частицы. При попытке движения со скоростью, близкой к скорости света, каждый столкнувшийся с кораблем атом будет подобен частице космических лучей большой энергии. Уровень жесткой радиации при такой бомбардировке недопустимо повысится даже при полетах к ближайшим звездам.

А механическое воздействие частиц при таких скоростях уподобится разрывным пулям. По некоторым расчетам, каждый сантиметр защитного экрана звездолета будет непрерывно обстреливаться с частотой 12 выстрелов в минуту. Ясно, что никакой экран не выдержит такого воздействия на протяжении нескольких лет полета. Или 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, тем паче, что по дороге можно нарваться не только на пыль, но и на что-то покрупнее, или попасть в ловушку неизвестного гравитационного поля. И тогда гибель опять-таки неминуема. 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. Но тогда фактор времени делает эти полеты бессмысленными.

Получается, что решить проблему транспортировки материальных тел на галактические расстояния со скоростями, близкими к скорости света, нельзя. Бессмысленно ломиться через пространство и время с помощью механической конструкции.

КРОТОВАЯ НОРА

Фантасты, стараясь побороть неумолимое время, сочинили, как «прогрызать дырки» в пространстве (и времени) и «сворачивать» его. Придумали разнообразные гиперпространственные скачки от одной точки пространства до другой, минуя промежуточные области. Теперь к фантастам присоединились ученые.

Физики принялись искать экстремальные состояния материи и экзотические лазейки во Вселенной, где можно передвигаться со сверхсветовой скоростью вопреки теории относительности Эйнштейна.

Так появилась идея кротовой норы. Эта нора осуществляет смычку двух частей Вселенной подобно прорубленному тоннелю, соединяющему два города, разделенные высокой горой. К сожалению, кротовые норы возможны только в абсолютном вакууме. В нашей Вселенной эти норки крайне неустойчивы: они попросту могут сколлапсировать до того, как туда попадет космический корабль.

Однако для создания стабильных кротовых нор можно использовать эффект, открытый голландцем Хендриком Казимиром. Он заключается во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых колебаний в вакууме. Оказывается, вакуум не совсем пуст, в нем происходят колебания гравитационного поля, в котором спонтанно возникают и исчезают частицы и микроскопические кротовые норы.

Остается только обнаружить одну из нор и растянуть ее, поместив между двумя сверхпроводящими шарами. Одно устье кротовой норы останется на Земле, другое космический корабль с околосветовой скоростью переместит к звезде - конечному объекту. То есть звездолет будет как бы пробивать тоннель. По достижении звездолетом пункта назначения кротовая нора откроется для реальных молниеносных межзвездных путешествий, продолжительность которых будет исчисляться минутами.

ПУЗЫРЬ ИСКРИВЛЕНИЯ

Сродни теории кротовых нор пузырь искривления. В 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре выполнил расчеты согласно уравнениям Эйнштейна и нашел теоретическую возможность волновой деформации пространственного континуума. При этом пространство будет сжиматься перед космическим кораблем и одновременно расширяться позади него. Звездолет как бы помещается в пузырь искривления, способный передвигаться с неограниченной скоростью. Гениальность идеи состоит в том, что космический корабль покоится в пузыре искривления, и законы теории относительности не нарушаются. Движется при этом сам пузырь искривления, локально искажающий пространство-время.

Несмотря на невозможность перемещаться быстрее света, ничто не препятствует перемещению пространства или распространению деформации пространства-времени быстрее света, что, как полагают, и происходило сразу после Большого взрыва при образовании Вселенной.

Все эти идей пока не укладываются в рамки современной науки, однако в 2012 году представители НАСА заявили о подготовке экспериментальной проверки теории доктора Алькубьерре. Как знать, может, и теория относительности Эйнштейна когда-нибудь станет частью новой глобальной теории. Ведь процесс познания бесконечен. А значит, однажды мы сможем прорваться чрез тернии к звездам.

Ирина ГРОМОВА