Любой поклонник научной фантастики, несомненно, смотрел картины «Звездные войны» и «Звездный путь». И ему знакомо изображение звезд, внезапно растягивающихся, когда космический корабль устремляется вперед со скоростью света или даже превышает ее.
Но на самом деле мы никогда не сможем достичь скорости света. Потому что при этом наша масса будет стремиться к бесконечности. И поэтому мы никогда не увидим подобной картины на экране нашего звездолета. Исследование, опубликовано в 2013 году в журнале Physics Special Topics показало, что вы увидите на самом деле вот это:
Весь свет при движении на скоростях, близких к скорости света, исчезнет. В результате доплеровского смещения световые волны станут настолько короткими, что сместятся из видимого спектра в рентгеновский диапазон. В котором наши глаза не работают. Но при этом космическое фоновое микроволновое излучение сместится в видимый спектр. Поэтому наблюдатели увидят только мутную сферу, показанную на картинке выше.
Предел скорости
Скорость света является физическим пределом скорости для всего, что имеет массу. Так считается с тех пор, как Альберт Эйнштейн написал свое знаменитое уравнение E = MC². Сам свет не имеет массы, и движется со скоростью более 1 млрд. км/ч. Однако космические корабли, их команда и груз имеют массу. Для их ускорения требуется энергия. И чем больше будет это ускорение, тем больше нужно будет израсходовать энергии. Это означает, что потребуется огромное количество топлива. В какой-то момент наименьшее увеличение ускорения потребует огромных затрат топлива. Это следствие закона убывающей отдачи. Достижение скорости света в конечном итоге потребовало бы бесконечного количества энергии. Это приводит нас к пониманию, что достичь ее невозможно.
Специальная теория относительности Эйнштейна предсказывает, что чем быстрее путешественник будет перемещаться в пространстве, тем сильнее будет замедляться его время с точки зрения стороннего наблюдателя.
Предположим, что мы изобрели способ путешествовать очень близко к скорости света. Возможно, 99,5% от ее значения или около того. Если космонавт полетит с такой скоростью, чтобы достичь Альфы Центавра, удаленной от нас на расстояние 4,37 световых лет, то ему потребуется около 8,5 лет, чтобы добраться туда и вернуться на Землю. Во всяком случае, так будет казаться людям на Земле. Для космонавта же пройдет чуть больше одного года.
Итак, что будет видеть сторонний наблюдатель, когда мы начнем приближаться к скорости света?
Масса будет расти.
Время будет замедляться.
Химические ракеты
За последние столетия мы далеко продвинулись в наших возможностях перемещаться с высокими скоростями. Самое большое наше достижение – ракеты. Это устройства, летящие вперед за счет управляемых взрывов. Их баки заполнены в основном летучими видами топлива, которые поджигаются и направляются таким образом, чтобы толкать ракету вверх против силы тяжести. В наши дни ракеты – единственный способ уверенно преодолевать гравитацию Земли. Мы достигли земной орбиты, Луны, и даже отправили зонды в путешествия за пределы Солнечной системы исключительно с помощью ракет.
Аполлон-10, тренировочный запуск для первой посадки на Луну, 26 мая 1969 года установил рекорд скорости пилотируемых транспортных средств. Он развил скорость чуть меньше 40000 км/ч. Он достиг ее с помощью ракеты Сатурн V и долетел до Луны. Это самая мощная ракета, которая когда-либо использовалась в 20-м веке. Она является рекордсменом по максимальной скорости беспилотного запуска: более 58 000 км/ч.
В 1977 году была запущена миссия Voyager-1. Ее целью было проведение исследований Юпитера и Сатурна. А после этого она отправилась в межзвездное пространство. Команда зонда придала ему несколько ускорений, используя силу тяжести двух газовых гигантов. Это позволило направить зонд к его следующим целям. В результате гравитационных маневров Voyager-1 развил максимальную скорость в 62 000 км/ч.
Зонд Helios-II, запущенный в 1976 году, летал вокруг Солнца, увеличивая при этом свою скорость. В конечном итоге Гелиос II достиг скорости более 252 000 км/ч. Это максимальная скорость, достигнутая созданным человеком объектом за все времена.
Запущенный в 2018 году солнечный зонд Parker предназначен для изучения короны Солнца. Этот зонд работает на орбите вокруг Солнца, которая в 7 раз ближе, чем орбита Гелиоса-II. Такая близкая орбита позволит зонду разогнаться до скорости не менее 725 000 км / ч. Это около 0,07% от скорости света.
Ионный двигатель и другие технологии
Но даже на такой скорости понадобится более 6000 лет, чтобы совершить рейс на расстояние 4.25 световых года к Проксиме Центавра. Возле которой обнаружена потенциально обитаемая экзопланета – Проксима Центавра Б. 6000 лет – это слишком долго… К тому времени, когда к Проксиме Б прибудет наш исследовательский зонд или колониальный корабль, на Земле может уже не быть цивилизации. Но можно ли как-то увеличить скорость межзвездных перелетов?
Ионные двигатели – это одна из современных технологий, которая может это сделать. Космический аппарат Down фактически уже использовал эту технологию. В ходе этой миссии изучались карликовая планета Церера и астероид Веста. Принцип работы ионного двигателя таков: на нейтрально заряженные атомы воздействуют электроны, которые заставляют атомы сбрасывать свои собственные электроны и превращаться в положительно заряженные ионы. Они выталкиваются в специальную камеру для создания тяги. Она довольно слабая, но запасов топлива хватает на годы. Это позволяет постоянно наращивать ускорение. Потенциально это может помочь развить скорость выше 320 000 км/ч. Этого недостаточно для того, чтобы помочь с межзвездным путешествием и доставкой нас к Проксиме Б. Но этого будет достаточно для проведения исследований в Солнечной системе. Начиная миссию разгоном вокруг Солнца, а затем добавляя ускорение с помощью ионного двигателя, можно достичь скоростей до 1 000 000 км/ч.
Управляемый синтез
Однако есть и некоторые другие возможности для развития межзвездных скоростей. Британское межпланетное общество выступило спонсором конкурса под названием Project Icarus. Это было соревнование по разработке концепции беспилотного космического аппарата с термоядерным двигателем. Концепция победившей команды, выбранная в 2013 году, известна как Ghost.
Концепция команды Ghost использует инерционный термоядерный синтез. При котором топливные гранулы подаются в камеру термоядерного синтеза, где лазеры сжимают гранулы со всех сторон. После этого лазер стреляет в плотную гранулу и инициирует процесс синтеза. Взрыв плазмы, контролируемый магнитными катушками, создает управляемую тягу. Это может увеличить скорость корабля до 23 млн. км/ч, или 2,3% скорости света. Эта технология сможет доставить полезную нагрузку к Проксиме Б примерно за 186 лет.
Выглядит многообещающе, но существуют многочисленные трудности. Виды топлива, предлагаемые к использованию (дейтерий, гелий 3 и тритий) очень дороги. А в случае с гелием- 3 его можно в больших количествах добывать только в космосе. К тому же физикам пока все еще не удается справиться с контролем над реакцией термоядерного синтеза в лаборатории. К тому же термоядерные корабли будут слишком громоздки для их запуска с Земли. Они будут в десятки раз больше Международной космической станции, и потребует сборки и запуска на орбите. Кроме того, большая часть массы этих кораблей будет состоять непосредственно из топлива. Это довольно неэффективно для любого вида путешествий (как и наши современные ракеты).
Освоить Галактику. Солнечные паруса
Еще один проект под названием Icarus был предложен в 2010 году японским космическим агентством JAXA. Этому кораблю не нужно топливо. В основе концепции его движения предлагается использовать солнечный парус. Принцип его работы чем-то похож на принцип работы ионного двигателя. Однако из-за малой мощности мы не можем рассматривать солнечные паруса как способ очень быстрой транспортировки чего-то большого. Даже одному килограмму полезного груза с солнечным парусом в 1 кв. км потребует 100 или более лет, чтобы достичь Проксимы Б.
Проект «Breakthrough Starshot» предлагает разгонять межзвездный корабль с помощью лазеров. Крошечные зонды массой в 1 грамм с квадратными парусами размерами в 1 кв. метр смогут достичь примерно 20% скорости света. Разгонять их будут десятки лазерных лучей, сфокусированных в одном импульсе мощностью около 100 гигаватт. Полезная нагрузка в этом случае конечно будет достаточно невелика. Но мы сможем достичь Проксимы Б гораздо быстрее. И возможно получим большое количество полезных данных и изображений в течение нашей жизни.
Другие опасности
Если мы когда-нибудь и приблизимся к возможности путешествия на субсветовых скоростях то не стоит забывать, что опасности космического излучения и вероятность столкновения с твердыми частицами в космосе будут возрастать в геометрической прогрессии.
Олег Семенев в своей статье «Радиационная опасность релятивистского межзвездного полета» обсуждает некоторые возможности защиты от этих неприятностей. Методы экстремального экранирования включают постройку корабля внутри астероида или кометы, или погружение его в воду глубиной до 5 метров. Электромагнитное экранирование может перенаправить излучение вокруг корабля так же, как магнитные поля это делают для Земли.
К сожалению, транспортировка объектов на межзвездные расстояния с помощью традиционных методов никогда будет действительно практичной. Наши мечты о космосе наполненном космическими кораблями, которые летают между звезд, могут никогда не осуществиться. Наша способность путешествовать между звездами, вероятно, зависит от того, позволят ли нам пока неизвестные законы физики изобрести иные способы путешествий. Такие, например, как искривление Алькубьерре, позволяющее сжимать пространство перед кораблем, или квантовую телепортацию для отправки копий себя в другие миры.