Чтение онлайн

Термоядерные прямоточные двигатели

Сама концепция использования автономной ракеты, которая должна нести источник энергии и полезную нагрузку, может быть неуместна при размышлении о межзвездных путешествиях. Было бы гораздо эффективнее использовать двигательную установку, которая не требует от корабля нести собственное топливо. В 1960 году Роберт Бассард предположил, что термоядерный прямоточный двигатель[110] может проложить путь к звездам. Пространство между звездами далеко не пусто: существует межзвездная среда, состоящая в основном из водорода. Прямоточный двигатель использовал бы электромагнитное поле для сбора этого водорода и направления его в бортовой термоядерный реактор, который, в свою очередь, «сжигал» бы водород в термоядерных реакциях для создания тяги. Как и в случае с конструкцией антиматериальной ракеты Зенгера, предложение Бассарда о термоядерном прямоточном двигателе страдает от множества практических трудностей, и маловероятно, что первоначальная идея могла бы быть реализована. Тем не менее, несколько исследований предложили методы усовершенствования конструкции. Возможно, одна из этих конструкций в конечном итоге сможет лечь в основу действующего звездолета. Энтузиастов по-прежнему привлекает возможность прямоточного двигателя, потому что теоретически он мог бы достичь скоростей, близких к c, всего за несколько месяцев.

Лазерные паруса

В 1970-х годах американский физик Роберт Форвард начал рассматривать[111] возможность использования лазерного паруса как средства достижения ближайших звезд. Представьте себе огромный «парус», прикрепленный к космическому кораблю, и представьте гигантский лазер на солнечной энергии, направляющий узкий луч излучения на корабль. Фотоны из луча оказывали бы крошечное давление на парус, и корабль мягко подталкивался бы к звездам. Лазерный парус мог бы разгоняться до чрезвычайно высоких скоростей; торможение было бы сложнее, хотя механизмы замедления были предложены. Идея Форварда была усовершенствована за последние десятилетия, и энтузиасты разработали схемы[112] использования лазерных парусов как для односторонней колонизационной миссии, так и для путешествия к звездам и обратно. Парус был бы дорогим[113] по крайней мере, с нашим нынешним уровнем технологий, но он кажется технически осуществимым и позволил бы достичь скоростей 0,3c.

Рис. 4.2 На этой красивой картинке показан космический лазер на солнечной энергии, фокусирующий луч на огромных легких парусах космического корабля. (Источник: Майкл Кэрролл, Планетарное общество)

Здесь стоит упомянуть вариант идеи паруса. Это не имеет никакого отношения к лазерной энергии, и его могли бы разработать только цивилизации KII или выше, но это подчеркивает мощь парусов. Двигатель Шкадова, или звездный двигатель, это гигантское массивное зеркало[114], отражающее большую часть радиационного давления звезды. Поскольку звезда будет излучать больше радиации в одном направлении по сравнению с другим, возникнет крошечная чистая тяга. Двигатель Шкадова не привлек бы любителей погонять среди внеземных цивилизаций: двигатель, использующий звезду типа Солнца в качестве источника, разогнался бы с 0 до 20 км/с за миллиард лет. Но если цивилизация столкнулась с экзистенциальным риском или просто захотела переехать, то (если удастся решить определенные проблемы динамической устойчивости) двигатель мог бы сработать для них: они могли бы переместить звезду на 34 000 световых лет за миллиард лет.

Гравитационные маневры

В 1958 году Станислав Улам рассмотрел возможность разгона корабля до высокой скорости с использованием его гравитационного взаимодействия с системой двух гораздо более крупных астрономических тел, вращающихся вокруг друг друга. Это был трюк, похожий на траектории гравитационного маневра, которые дали «Вояджеру–1» достаточную скорость, чтобы покинуть Солнечную систему. Несколько лет спустя Фримен Дайсон рассмотрел более реалистичные — хотя все еще, конечно, гипотетические — сценарии. Используя подход Дайсона, продвинутая технологическая цивилизация могла бы использовать две вращающиеся нейтронные звезды для разгона космических кораблей почти до скорости света.[115]

Необычная физика

Вышеупомянутые технологии основаны на устоявшейся физике. Строительство звездолетов с использованием этих идей, конечно, далеко за пределами наших нынешних возможностей; действительно, инженерные соображения могут сделать невозможным практическое строительство звездолетов. Но, похоже, с этими идеями в теории все в порядке. Они не нарушают никаких физических законов.

Многие годы люди задавались вопросом, возможно ли когда-нибудь путешествовать действительно быстро. Если бы мы могли путешествовать со скоростями, превышающими с, то звезды уже не были бы мучительно далеки. Путешествия быстрее света (Faster-than-light — FTL) приблизили бы концы Галактики. Почти все идеи для путешествий FTL можно сразу же отбросить, поскольку они явно нарушают установленные физические принципы. Однако несколько предложений все еще иногда обсуждаются.

Тахионы

Специальная теория относительности не запрещает абсолютно сверхсветовые путешествия. Скорее, она утверждает, что массивные частицы не могут быть ускорены до скорости света, в то время как безмассовые частицы (такие как фотоны) всегда движутся со скоростью света. Частицы с мнимой массой всегда должны двигаться быстрее скорости света. Такие частицы с мнимой массой называются тахионами.

Нет ничего особенно необычного в мнимых величинах: мы представляем несколько физических величин мнимыми числами. Но трудно понять, что представляет собой мнимая масса. У нас нет проблем с пониманием идеи положительной массы; также нет никаких трудностей с идеей нулевой массы; мы даже можем приписать значение отрицательной массе[116] (и заметить, что, если бы отрицательная масса существовала, мы могли бы использовать ее в двигательной установке). Но мнимая масса? Что бы это ни значило, физики искали ее признаки. До сих пор тахион остается гипотетическим. Нет никаких доказательств существования таких частиц,[117] и наши теории прекрасно работают без них. Даже если бы мы нашли тахионы, как мы могли бы использовать их для путешествий FTL? Мы здесь в полном неведении, и кажется разумным вычеркнуть тахионные двигатели из списка возможных двигательных установок.

Кротовые норы и варп-двигатели

Большинство из нас знакомы с ньютоновской картиной гравитации. Нас учат в школе, что массивные объекты притягивают друг друга, оказывая таинственное влияние через пустое пространство. Общая теория относительности Эйнштейна представляет совершенно иную картину гравитации. С этой точки зрения пространство — или, вернее, пространство-время — играет активную роль в гравитационном взаимодействии. По словам Джона Уилера: «масса говорит пространству-времени, как искривляться, а искривленное пространство-время говорит массе, как двигаться».

Рис. 4.3 Если пространство складывается само на себя, то кротовая нора, соединяющая A и B, может позволить путешественникам перемещаться между этими точками без необходимости пересекать «нормальное» пространство-время между точками

Мы можем рассматривать специальную теорию относительности как частный случай общей теории относительности. Она применяется локально к любой области пространства-времени, достаточно малой, чтобы ее кривизной можно было разумно пренебречь. Интересный момент, который следует здесь рассмотреть, заключается в том, что общая теория относительности допускает путешествия FTL — до тех пор, пока соблюдаются локальные ограничения специальной теории относительности. Скорость света является локальным ограничением скорости, но общая теория относительности позволяет обойти это ограничение. Хотя это может показаться странным, существуют хорошо известные примеры явлений FTL в общей теории относительности. Например, стандартные космологические модели предполагают, что из-за расширения Вселенной далекие области пространства удаляются от нас со скоростями FTL. Только если бы расширение замедлилось, эти области появились бы за горизонтом скорости света и стали бы видимы нам. Фактически, похоже, происходит то, что расширение ускоряется, поэтому в будущем все больше частей Вселенной исчезнет из виду за горизонтом скорости света: далекое будущее Вселенной будет одиноким местом для наших потомков.

До сих пор общая теория относительности проходила все экспериментальные проверки. Она правильно предсказывает искривление световых лучей у края Солнца, орбиты двойных пульсаров и время прибытия сигналов в системах GPS. Однако большинство проверок теории происходит в ситуациях, когда кривизна пространства-времени мала. Иногда распределение материи может вызвать большую кривизну пространства-времени. В сингулярности черной дыры, например, плотность материи бесконечна; сама ткань пространства-времени проколота.

Трудно интерпретировать результаты общей теории относительности в экстремальных ситуациях, возникающих вблизи сингулярности черной дыры. Возможно, теория не может быть применена в таких ситуациях; нам, вероятно, потребуется квантовая теория гравитации, чтобы описать, что там происходит. Но в попытке понять эти экстремальные области пространства-времени физики расширили теорию. Одно из предположений заключается в том, что образование черной дыры может привести к образованию кротовой норы — «моста», который соединяет две отдельные черные дыры. Две дыры могут соединять две совершенно отдельные точки пространства-времени или две разные области Вселенной. Войдя в одну черную дыру, вы можете выйти из другой дыры мгновения спустя, в тысячах световых лет от точки старта. Путешествуя через мост, вы соблюдали бы локальное ограничение скорости и двигались медленнее с; однако ваша эффективная скорость могла бы быть в миллионы раз больше с. Саган использовал эту идею в своем научно-фантастическом романе «Контакт».[118]

Рис. 4.4 На рисунке показана кривизна пространства в области варп-двигателя Алькубьерре. Пространство расширяется в задней части варпа и сжимается в передней; плоская область выталкивается вперед.

Хотя кротовая нора основана на солидной работе, она остается гипотетическим существом в бестиарии теоретического физика. Кротовые норы могут не существовать. Даже если они существуют, мы можем быть не в состоянии путешествовать через них: расчеты показывают, что они, вероятно, будут маленькими и дико нестабильными. Тем не менее, остается заманчивая возможность, что ВЦ, обладающая «экзотической» материей (материей с отрицательной массой-энергией), могла бы взять микроскопическую кротовую нору, стабилизировать ее, раздуть до большого размера, а затем использовать ее для преодоления огромных расстояний. В качестве альтернативы, инженеры продвинутой технологической цивилизации могли бы использовать решение общей теории относительности, впервые предложенное русским физиком Сергеем Красниковым. Красников показал, что определенный класс кротовых нор[119] обладает свойством, что независимо от того, как далеко вы путешествуете, вы можете вернуться домой вскоре после того, как улетели. Возможно, цивилизация KIII могла бы использовать трубу Красникова для межзвездных путешествий?