Наша Солнечная система – лишь одна из бесчисленных миллиардов планетных систем Вселенной. Но находятся они так далеко, что их достижение является очень серьёзной проблемой. И скорее всего в итоге люди смирятся с тем, что покинуть Солнечную систему просто невозможно. Поскольку законы физики накладывают непреодолимые ограничения на возможность путешествия к другим звёздам…
И всё же. Неужели все так плохо? Если у нас хоть крохотный шанс долететь до другой звезды?
Обнаружение других миров за пределами нашей планетной системы представляет большой интерес для учёных. Однако это – не просто хобби. Значение подобной работы простирается гораздо дальше.
Необходимость межзвёздных путешествий
Человеческие цивилизации, за редкими исключениями, всегда стремились расширяться на все возможные территории в поисках жизненного пространства. Люди древности искали новые сельскохозяйственные угодья, залежи ресурсов, территории для колонизации, стратегические военные анклавы и многое другое. При этом одни народы, конечно, были более успешны чем другие. Однако общим результатом всегда являлось продвижение человеческой расы в развитии.
Люди колонизировали все континенты. Они создали колонии в Антарктиде и на низкой околоземной орбите. Следующий рубеж — космос.
За последние десятилетия человечество запустило большое количество межпланетных зондов. И это является предварительным шагом перед осуществлением пилотируемых полётов. Уже существуют планы колонизации некоторых миров Солнечной системы. И использования минеральных ресурсов близлежащих астероидов и комет.
Наша Луна предоставляет собой естественную космическую станцию, где мы можем добывать ресурсы. Такие как гелий-3. Здесь же можно создавать и исследовательские базы.
Рано или поздно человек покинет свою крохотную планету. И непременно колонизирует архипелаг, образующий Солнечную систему. После этого возникнут две альтернативы: либо человечество довольствуется тем, что заселит всё, что доступно, и на этом успокоится, либо оно совершит большой скачок. И начнёт искать новые пригодные для жизни миры. За пределами нашей планетной системы. Первый вариант, очевидно, маловероятен, учитывая естественное стремление человека постоянно расширять горизонты.
Что же касается второго, то он ставит перед нами проблемы огромной сложности.
Человеку трудно понять колоссальные космические расстояния. Но давайте попробуем.
Огромные пустоши
Плутон, карликовая планета, вроде бы является членом Солнечной системы. Но. Зонд НАСА «Новые горизонты» летел до неё девять лет! Преодолев при этом более 6 миллиардов километров! А ведь это один из самых быстрых зондов, когда-либо запущенных человеком. Однако несмотря на это, ему потребуется около 300 000 лет, чтобы достичь ближайшей к нам звезды. Только вдумайтесь в это число! Да, межпланетные расстояния измеряются миллионами километров. А вот межзвёздные расстояния измеряются миллионами миллионов!
Ладно, давайте всё же попробуем достигнуть Альфы Центавра. Оснастим наш космический корабль мощным двигателем. И большим количеством топлива. Насколько быстро мы сможет разогнаться? Ответ — не очень сильно. Потому что физика, к сожалению, работает против космических путешественников. Единственный способ двигаться вперёд основан на третьем законе Ньютона. То есть если мы хотим лететь куда-то вдаль, мы должны оставить что-то позади. И чтобы космический корабль начал перемещаться в космосе, он должен нести что-то, что он может отбросить назад. Например, какое-то рабочее тело. И количество этого рабочего тела, (если мы хотим все время ускоряться) будет увеличивается в геометрической прогрессии.
Чтобы увеличить скорость космического корабля, один из параметров, с которыми можно поиграться, это увеличение скорости выхода рабочего тела. Этого можно добиться, заменив классический двигатель, в котором химические вещества влетают из ракеты с высокой скоростью, ионным двигателем. Он работает по такому принципу – электрически заряженные частицы разгоняются электрическим полем. И выбрасываются наружу. Однако они очень лёгкие. Поэтому скорости, которые такие двигатели придают космическому кораблю, крайне малы.
Ядерные двигатели и солнечные паруса
Помимо химического или ионного двигателя, учёные рассматривают идеи использования ядерных двигателей. В теории они могут обеспечивать очень большую тягу. Это позволит космическому кораблю развивать очень высокие скорости.
В поисках способов повышения эффективности межзвёздных путешествий инженеры нашли ещё одно интересное решение: не брать с собой топливо в принципе. Это можно сделать разными способами. Один из вариантов — развернуть гигантский, тонкий, как бритва, солнечный парус. Он должен быть способен улавливать испускаемые Солнцем фотоны. Эти частицы не имеют массу в состоянии покоя. Но могут нести некий «линейный импульс». Когда фотоны ударяются о какую-то поверхность, например, о солнечный парус, они могут передавать ему часть своего линейного импульса. Это работает примерно так же, как работают ветер и земной парус. Также можно использовать свет от мощного лазера, установленного в какой-то точке на Земле в начале путешествия.
Идея Бассарда
Ещё одну интересную идею предложил в 1960-х годах американский физик Роберт Бассард. Она основана на том факте, что вакуум межзвёздного пространства, на самом деле, вовсе не пуст. Бассард предложил рассмотреть вопрос о постройке гигантского коллектора, образованного мощным магнитным полем. Этот коллектор, по задумке физика, будет собирать атомы водорода из межзвёздной среды. Такой водород можно было бы использовать и как источник энергии (для термоядерного синтеза), и как рабочее тело двигателя. Однако у идеи есть серьёзный недостаток: собираемый водород будет фактически находится в покое. И при столкновении с кораблём будет его тормозить.
Но и это ещё не все. Очевидно, что даже самые эффективные и быстрые двигательные установки ограничены законами природы. И основные ограничения описаны в теории относительности Эйнштейна: ничто не может двигаться быстрее света в вакууме!
Эффект конечности скорости света начинает проявляться даже при межпланетных перелётах. Когда инженеры управляют каким-то космическим зондом, им приходится учитывать, что между передачей команды и её получением могут пройти часы! И это сильно затрудняет управление межпланетными зондами с Земли. Когда зонд «Новые горизонты» прошёл мимо Плутона в июле 2015 года, посланному им сигналу «все хорошо» потребовалось почти четыре с половиной часа, чтобы достичь нашей планеты! За это время зонд пролетел почти четверть миллиона километров! Связь в реальном времени на таких расстояниях поддерживать невозможно. И по этой причине список команд для зонда был запрограммирован заранее.
Ситуация ухудшается при выходе из Солнечной системы. Ближайшая к нашему Солнцу звезда, Проксима Центавра, находится на расстоянии около 4,22 светового года от нас. Даже путешествуя со скоростью света, чтобы добраться до неё, потребуется более четырёх лет. А ведь некоторые звезды на нашем небе находятся намного дальше! Полярная звезда, например, указывающая морякам Север, находится в 434 световых годах от нас. А это значит, что свет, доходящий до нас сейчас, покинул ей поверхность, когда царствование Ивана Грозного было в самом разгаре.
Нужно много энергии!
Второе ограничение носит математический характер. Для ускорения объекта почти до скорости света требуется почти бесконечное количество энергии. Чтобы вывести из состояния покоя монету в один рубль, и разогнать её до скорости 0,9 с, нам понадобится такое же количество энергии, какое средняя атомная электростанция генерирует за десять суток!
И увеличивать дальше скорость будет все труднее и труднее. Объекту, чтобы увеличить свою скорость с 0,9 с до 0,96 с потребуется вдвое больше энергии.
Хм. Полёты со скоростью света являются непозволительной роскошью!
Жаль. Потому что путешествие на очень высоких скоростях положительно влияет на путешественников. Поскольку время для них течёт медленнее. Полёт к Проксиме Центавра при скорости 0,99 с по земным часам занял бы около четырёх лет. Однако по бортовым часам прошло бы только семь месяцев. Так работает эффект замедления времени, описанный теорией относительности Эйнштейна.