Это почт" неподвижности мука — Мчаться куда то со скоростью звука, Зная прекрасно, что есть уже где-то Некто, летящий со скоростью света.

Л. Мартынов

В предыдущих параграфах, обсуждая различные возможности свя­зи с внеземными цивилизациями, мы не касались проблемы меж­звездных перелетов. Это самостоятельная научная проблема, ведь путешествовать к звездам можно не только для установления контак­тов с ВЦ. Но, конечно, если такие путешествия возможны, они не­пременно будут использованы для целей SETI.

В начале XX века межпланетные перелеты казались полнейшей фантастикой и, если о них можно было думать, то как о чем-то, относящемся к очень далекому будущему. Тем не менее, уже с сере­дины века межпланетные полеты автоматических аппаратов стали реальностью. И сейчас в «повестке дня» космонавтики поставлены Пилотируемые полеты к другим планетам (прежде всего к Марсу). А сможем ли мы сделать следующий шаг — к звездам? Переход от межпланетных перелетов к межзвездным — это шаг гораздо более принципиальный, чем переход от авиации к космонавтике. Меж­планетные перелеты осуществляются с помощью ракетной техни­ки. Насколько применима она для межзвездных перелетов?

Чтобы вырваться из сферы земного тяготения, надо развить ско­рость 11,2 км/с, чтобы покинуть Солнечную систему, необходима скорость 42 км/с. Представим себе ракету, которая мчится со ско­ростью 50 км/с. Ей потребуется приблизительно 26 тыс. лет, что­бы достигнуть ближайшей к Солнцу звезды — Проксимы Центав­ра. А чтобы побывать в отдаленных областях Галактики, понадо­бятся миллионы лет. Можно ли увеличить скорость ракеты?

1.15.1. Формула Циолковского. Скорость ^достигаемая раке­той после выгорания части горючего, определяется формулой Ци­олковского:

V= S In p = 2,3Slg p.

Здесь S — скорость истечения рабочего тела, ар — так называемое Массовое число, т. е. отношение начальной массы ракеты к конеч­ной (после выгорания горючего), In — натуральный логарифм, lg — десятичный логарифм. При р = 10 V = 2,3 S. Так как р входит в формулу под знаком логарифма, увеличивать V за счет увеличения р крайне невыгодно. Действительно, чтобы скорость возросла все­го в несколько раз, потребуется увеличить р на несколько порядков. Следовательно, если мы хотим добиться более высокой скорости полета ракеты, надо увеличить скорость истечения рабочего тела S. Современные ракеты работают — на химическом топливе, и для них S порядка нескольких км/с. Она ограничивается теплотвор­ной способностью топлива и жаропрочностью материала двигате­лей. Более эффективны ракеты с плазменными двигателями, в ко­тором роль рабочего тела выполняет пучок ионов, ускоряемых элек­
трическим полем. В будущем они, возможно, найдут применение в космонавтике. Если в качестве топлива служит атомное горючее (т. е. используется реактор, работающий за счет распада тяжелых ядер), то максимальная скорость выхода рабочего тела S = 13 ООО км/с (при стопроцентном к. п.д.). Тогда при ц, = 1С конечная скорость ракетьг V = 0,1 с (одна десятая скорости свега). И на путешествие к ближайшим звездам потребуется около 100 лег. Можно увеличить скорость истечения рабочего тага еше в несколько раз, если вместо атомного горючего использог агь идеальное ядерное топливо, т. е. Управляемый термоядерный реактор, рабо тающий за счет реакции синтеза — превращения водорода в гелий. При 100%-ном к. п.д. это горючее позволяет обеспечить скорость выхода рабочего тела S = (1/8) с. В этом случае при р= 10 скорость V ~ 0,3 с. Полет к ближайшим звездам будет длиться десят ки лет (что уже можно счи­тать приемлемым), а иутешес гвие к границам Галакт нки по — прежне­му Оудет занимать сотни тысяч лет.

Увеличивая р., мы можем еще ближе подойти к скорости света. Но здесь формула Циолковского уже не действует. Котдя. скорость раке­ты становится сравнимой со скоростью света, вместо формулы Циол­ковского надо использовать друг уто, релятивистскую формулу:

С + У W c-V

Чем больше скорость выхода S, тем меньше показатель степени в этой формуле и тем меньше 1ребуемое значение р, т. е. тем выше эффект ивность двигателя. Максимальная эффективность достига­ется при S = с, т. е. коща скорость истечения рабочего тела равна скорости свет а. Ракета, для которой выполняется это ус — v

: :>
ного количест ва антивещества: это проблемы конструкторов дале­кого будущего, с которыми, мы надеемся, они справятся (если со­чтут необходимым создавать подобный корабль).

Рассмотрим кинематические характеристики фотонного кораб­ля. Пусть ракета в течение некоторого времени! движется с ускоре­нием а, после чего двигатель выключается. Если в момент останов­ки двигателя отношение начальной массы к конечной равно р, то путь, пройденный ракетой в ускоренном полете, будет равен

2

Х = С~ (м + АГ’-2). 2 а

В конце этого пути ракета разовьет скорость V, определяемую выра­жением

V _2_ 2 С +1 (Х~

При этом длительность полета на активном утастке траектории (пока работает двигатель) по часам земного наблюдателя будет равна

T= " (м + АГ1).

2 а

Оговорка насчет часов земного наблюдателя неслучайна. Дело в том, что для космонавтов, движущихся с околосветовой скоростью, темп течения времени замедляется. Поэтому время ускоренного полета или длительность активного участка траектории в системе отсчета, связанной с движущимся кораблем, будет меньше, чем для земного наблюдателя. Оно выражается формулой

Т = In ix. А

Релятивистское сокращение времени к моменту остановки двигате­ля составит

V’2

1-Z

Дт ___ 2_

Д? ц — ц 1

Для проведения численных расчетов удобно выражать время в годах, а расстояние в световых годах. Если при этом ускорение а выражено в м/с2, то приведенные формулы принимают вид

-(/л + /л~’ -2),

А

А

22. Т = —lg^.

А

Пользуясь этими формулами, читатель сможет самостоятельно про­верить результаты приводимых ниже расчетов.

Чем дольше работает двигатель фотонного корабля, тем выше скорость, развиваемая им в конце активного участка траектории. Поэтому при заданной дальности полета минимальное время дос­тигается тогда, когда корабль ускоряется до половиньг пути, а затем начинает тормозиться с тем же ускорением (замедтением), так что в конце пути его скорость равна нулю. На обратном пути все повто­ряется в том же порядке. Параметры такого полета приведеньг в таблице 1.15.1.

Последняя строка в этой таблице соответствует границам наблю­даемой Вселенной. Как видно, фотонный корабль может за время жизни одного поколения космонавтов (т < 100 лет) достичь прак тически любой, самой удаленной области Вселенной и вернуться обратно. Но какой ценой это достигается!

Пример 1. Пусть дальность полета составляет 1000 св. лет. Примем следующую схему полета (рис. 1.15.2). Корабль ускоряется в течение времени T, затем двигатель выключается и дальнейшее движение корабля
происходит по инерции со скоростью V, которая была достигнута в кон­це участка ускорения. Перед прибытием в пункт назначения включается тормозчая установка, работающая с тем же ускорением (замедлением), которая гасит скорость корабля до нуля. Пусть ускорение на активном участке траектории а = 10 м/с2 (ускорение I ьободного падения на Зем

Ле). И пусть массовое чис ло (I в конце участка ус­корения равно 10. Тогда скорость после выключе­ния двигателей будет со ставлять V = 0,98 с. путь, пройденный кораблем в ускоренном полете, X = = 4 св пода; такой же путь будет пройден при замед­лении. Следовательно, длина пути, который ко рабль пройдет в свободном полете, составит 1000 — 2×4 = 992 св. гол: Подсчитаем теперь время полета. По часам земного наблюдателя длитель­ность ускоренного полета T = 5 лет, такова же длител1ность на участке торможения, Время свободного полета будет равно 992/0,98 = 1012 лет. Полное время полета туда составит 5 + 1012 + 5 = 1022 года, а время полета туда и обратно 2044 года. По часам космонавтов длительность ус­коренного полета составит т = 2,2 года. При скорости 0,98 с релятивист ское сокращение времени Дт/ДT = 0,2 Следовательно, длительное п сво бодного полета по часам космонавтов составит 0,2 х 1012 лет = 202 года, Полное время полета туда будет равно 2,2 + 202 + 2,2 = 206,4 года, а полет туда и обратно займет 413 лет. То есть в этом случае не удается завершить полет за время жизни одного поколения звездоплавателей. За­метим, что если массовое число на участке ускорения равно то и на участке торможения оно тоже равно |I Значит, Полное массо­вое число при полете туда будет равно |I2, а при полете туда и обрат ио р4, в нашем примере р’1 = 104, таково отношение начальной массы ко рабля к конечной после выгорания всего топлива.

Пусть теперь дальность полета R по-прежне ну равна 1000 св. лет, и пусть корабль ускоряется до половины нуги, а затем тормозится до при­бытия в точку назначения. Ускорение а — 10 м/с2 ,Длина пути на участ ке ускорения X = R/2 = 500 св. лет. Следовательно, = 103, 1-1//с = 2 • 10~6 (!) Длительность ускоренного полета по часам земного наблюдателя 500 лет, полная длительность полета туда 1000 лет, а туда и обратно 2000 лет. По часам космонавтов время ускоренного полета 2,2 х 3 = 6,6 лет, вртмя замедленного полета тоже 6,6 лет, полное время полета туда 13 лет, а туда и обратно 26 лет. Значит, полет можно завер­шить при жизии одного поколения космонавтов При этом в конце путе­шествия отношение начальной массы к конечной будет составлять ц4 = 1012 (!)

Итак, при дальности полета 1000 св. лет полное массовое число равно 1012. Если полезная масса корабля составляет 100 гони (что совсем Hcmhoi э для такого дал-,нега путешествия), то начальн 1 ч масса должна равняться 1014 тонн, это намного превышает общее количе­ство массы, которое перерабатывает современная человеческая ци­вилизация. При дальности полета, сравнимой с размерами Галак­тик (100 тыс. св. лет) начальная масса становится равной 1022 тонн, что превышает массу Земли. Если расстояние порядка 107 св. лет, что равно расстоянию до соседних галактик, то начальная масса бу дет превышать массу Солнца. Наконец, если мы хотим лететь к гра­ницам Вселенной, то потребуется начальная масса корабля, превы­шающая массу Галактики! При этом не следуем забывать, что надо еще произвести соответствующее количество антивещества!! Цена оказывается непомерно велика. Вероятно, дальние межзвездные пу­тешествия на расстояние, превышающее 1000 св. лет, с помощью фотонного корабля все-таки невозможны.

Об этом свидетельствуют и энергетические характеристики по­лета с околосветовыми скоростями. Для фотонной ракеты удельная мощность двигателя, т. е. мощность, приходящаяся на единицу на­чальной массы, равна

Р

= са.

Т

При ускорении G (ускорение свободного падения на Земле) удель­ная мощность составляет 3 • 106Вт/г. Это фантастически большая величина! Такую удельную мощность имела бы крупная электро­станция (гипа Днепрогэса), если бы она весила 200-300 г. Поста­раемся представить, что это означает применительно к межзвезд­ным путешествиям.

Пример 2. С. Хорнер приводит следующий поучительный пример. Пусть межзвездный корабль, полезная масса которого составляет 10 т, движет­ся с ускорением G, вплоть до достижения скорости 0,98 с Масса аннити — лч".ионных усганорок и излучателей тоже равна 10 т. Как мы видели, для юстижения скорости 0,98 с необходимо массовое числе р = 10. Следо­вательно, начальная масса ракеты должна составлять 200 т. При этом полная мощность двигателей будет равна 6-1014 Вт. Это приблизительно в 100 раз превышает современное энергопотребление по всему земному шару. Предположим, как это делает фон Хорнер, что каждая аннигиля — ционная установка имеет мощность 15 МВт (приблизительно такова мощ­ность судового реактора), а каждый излучатель имеет мощность 100 кВт. Тогда потребуется 40 млн таких аннигиляционных установок и 6 млрд излучателей И все эти 40 млн аннигиляционных установок и 6 млрд из

6 -4147 Лучателей должны весить всего 10 тонн! Только при этих условиях раке та может двигаться с ускорением G И спустя 2,2 года достичь скорости 0,98 с. Если же мы хотим на такой ракете совершить путешествие зуда и обратно, то полное массовое число р.’1 = 104. Начальная масса ракеты будет составлять 2-105 т, полная мощность 6-1017 Вт, что в несколько раз превышает энергию, получаемую Землей от Солнца. В этом случае уже потребуется 40 млрд аннигиляциониых установок мощностью 15 МВт каждая и 600 млрд излучателей мощностью 1 МВт. И все это по-преж нему должно весить 10 т.

Пои полете к удаленным областям Галактики, на расстояние порядка 105 св. лет. как можно видеть из табл. 1.15 1, полное массовое число холжно равняться 1020, при этом мощность двигателей весом Ют должна превысить энергетический выход десяти миллионов Солнц!

Можно было бы скачать, что это фудносш количественного порядка. Но они столь велики, что, как справедливо подчеркивает Шкловский, явно перерастают в качественные.

Помимо энергетических проблем сущесл ну ют и другие трудно­сти, с которыми сопряжен полет фотонного корабля. Одна из них связана со столкновением корабля с частицами межзвездной пыли. Несмотря на микроскопические размеры пылинок, столкновение даже с одной из них при околосветовой скорости корабля можс-i иметь катастрофические последствия. А ведь корабль при полете к ближайшим звездам должен испытать 10"’с голкновений на 1 кв. м поверхности лобового сечения. И здесь вряд ли поможет иониза­ция пылинок и отклонение их мощным магнитным полем, как пред­лагалось в некоторых проектах

Наконец, существует еще одно в окное обстоятельство, на кото рое обратил внимание Э. Парселл. Выше мы видели, какая гигант­ская мощность выделяется при полете фотонной ракеты, Но ведь это не «безобидный» ноток энергии — это жеокое у-излучение, губительное ждя жизни. И поток его направлен в сторону Солнеч­ной системы. Так что возникает проблема защиты и не только эки­пажа, а Земли и даже всей Солнечной системы!

Все это указывает на то, что полеты с околосветовыми скоростя­ми, которые требуются, чтобы космонавты могли за время своей жизни достигнуть любых самых удаленных уголков Вселенной и вернуться обрат но, по видимому, вряд ли возможны. «Вопреки мне­нию писателей фантастов, — пишет И. С. Шкловский, — межзвезд­ные фотонные ракеты, движущиеся с релятивистской скоростью, вероятнее всего, никогда не будут пос. роены». Означает ли это что межзвездные путешествия невозможны?

1.15.3. Путешествие без возвращения… Венгерский ученый Г. Маркс, чтобы обойти трудности, связанные с фотонной раке­той, предложил использовать давление лазерного луча для разгона межзвездного корабля. Основная проблема при таком способе пу­тешествия сосгош в том — как вернуться обратно. Вероятно, от­править корабль обратно (подобным же образом с помощью ла­зерного луча) могла бы друг ая цивилизаци». Но тогда мы должны быть уверены, что она обитает и ждет нас в той точке, куда мы на поанлясм свой полет. Кроме того, она должна обладать соответ­ствующей техникой и должна согласиться применить ее для нашей отправки. По-видимому, без предварительного контакта по капа лам связи вряд ли кто либо решится на подобное путешествие. Но если даже «договоренность» достиг нут а, неизбежная временная за держка может радикальным образом изменить обстоятельства. Так что пу тешественникам лучше все же пола! агься на свои силы.

Вернемся к путешествиям с нере гятивистскими скоростями. Фи­зически они вполне возможны, например на ракетах с ядерным го­рючим. При таком полете отпадаюi все те трудности, о которых говорилось выше, но остается, конечно, проблема, связанная с дли­тельностью полета. В настоящее время разработано несколько про ектов полета к ближайшим звездам, реализация которых, в принци­пе, возможна уже в первой половине XXI века. Один из наиболее известных и 1лубоко проработанных — проект «Дедалус» Британ ского межпланетного общества. Другой проект, предусматриваю щий посылку беспилотного зонда к одной из ближайших звезд, предложен советскими учеными У. Н. Закировым и М. Я. Маровым в 1981 г. В проекте предусматривается использовать пятиступснча тую ракету с начальной массой 3000 т и полезной нагрузкой 450 кг. При этом одновременно запускаются две ракеты, одна из которых служит цозаправщиком. Она присоединяется к основной ракете после выхода за пределы Солнечной системы. Это позволяет раз­вить скорость 0,4 с и достичь окрестностей ближайших звезд за время жизни одного поколения.

Таким образом, полет к ближайшим звездам, как будто, не пред­ставляет особых затруднений. Но для более дальних путешествий возникает проблема возвращения. Можно ли обеспечить путеше­ствие с возвращением при полете с нерелл1ивистскими скоростями* Принципиально это возможно, если… подавляющую часть пути эки паж проведет в состоянии глубокого анабиоза. Еще один способ путешествия состоит в том, чтобы послать в межзвездный полет- многочисленную колонию землян, потомки которых через много поколений вернрся на Землю. Вероятно, межзвездный корабль в этом случае должен напоминать «маленькую планету». Если когда — то удастся решить все эти проблемы, все равно временной барьер будет оставаться непреодолимым препятствием. Ведь путешествие в пределах Галактики может занять сотни тысяч лет, а полеты к дру­гим галакт икам — миллионы лет За это время человеческое обще­ство может измениться неузнаваемо. Что же застанут космонавты, возвратившись из далекого путешествия? Общест во чужое и непо­нятное, перед которым будут стоять уже совсем другие проблемы. А может быть, они никого не застанут…

Надо отмегить, чго подобная перспектива ожид? ет и путешествен­ников на фотонной рак-те (если она кокда-нибудь все же будет созда­на!). Ведь время сокращается только для космонавтов. На Земле оно течет в прежнем темпе. Поэтому к моменту возвращения фотонного корабля на Земле пройд) т тысячи или даже миллионы ле т Вероятно, именно, этот морально психологический фактор, связантч ш с вре­менным барьером, а не физические ограничения, исключас ■ возмож­ность цачьних межзвездных перелетов с возвращением. Об этом очень образно написал Артур Кларк в своей книге «Черты будущего»:

«Когда вам случится выйти на улицу в летнюю ночь, посмотрите на небо. Почти прямо над головой у вас будет сиять самая яркая звезда северного полушария — Вега из созвездия Лиры. Она удалена на 26 световых лет. Для нас, недолговечных существ, это почти пре­дел дальности космического путешествия, из которого мы еще можем возвратиться обратно. Но глубже за рубеж, отмеченный этим голу­бовато-белым маяком, сияющим в пятьдесят раз ярче нашего солнца, может быть, проникнет наш разум и наши тела — сердца человеческие туда посылать нельзя. Ибо ни один человек не сумес г, вернувшие! из путешествия на Вегу, вновг обнять тех, кого он знал и любил на Земле».

Что же касается полетов без возвращения (например, «диффу­зия» цивилизаций в космическое пространство — рис. 5 3.1, п. 5 3.1), то такой процесс, во всяком случае, физически представляется впол­не возможным. Встанет ли цивилизация на этот путь — это уже дру­гой вопрос. Это, как справедливо заметил Дайсон, — проблема по­буждений, движущих обществом, а не физическая проблема. Итак, перспективы межзвездных путешествий, мягко говоря, не очень оп­тимистичны. Но, может бьгть, мы еще просто мало знаем?

Писатели-фантасты легко справляю х:я с проблемами межзвезд­ных путешествий, полагая, что неизвестные нам свойства простран- ства-времени дот/скают почти мг новенное перемещение в про^тран — стве на любые расстояния без существенной затраты anepi ии. В се­редине XX века эти идеи целиком относились к области фан] асти — ки. Но в последние десятилетия ими серьезно заинтересовались фи­зики-теоретики. В ряде теоретических работ показана возможность существования особых топологических туннелей в пространстве, которые могут соединять любые сколь уюдно удаленные области Мета1 алакгики или даже мини-вселенные в Большой Вселенной (см. Гл. 2) и через которые возможно движение вещества и излучени) Они получили название мосты Эйнштейна-Розена, горловины Шварпшильда, кротовые (или червячные) норы. Вероятно, эти структуры сохранились с момента образования нашей Вселенной. Горловины туннелей могут образовывать двойные системы, обра­щающиеся по круговым орбит? м вокруг общего центра гяжесги. Для внешнего наблюдателя такая система будет весьма сходной с двойной системой, состоящей из черной и белой дыры Через ана­лог черной дыры возможен проход из одной части нашей Вселен­ной в другую ее часть или в другую Вселенную. Через аналог бел! >й дыры возможен доступ к нам из отдаленных областей нашей Все­ленной или из других вселенных93. При путешествии через тополо­гические туннели не существует временного барьера: путешествие совершается практически мгновенно. Казалось бы, это решает про­блему межзвездных сообщений. Но, во-первых, не ясно, существу­ют ли топологические туннели? Законы физики допускают их су­ществование, но есть ли они в действительности — это не известно. Во-вторых, тополот ические туннели соединяют особые точки во Вселенной. А как быть, если мы хожм долететь от одной звезды до другой, между которыми не прорыты «кротовые норы»? Пробле­ма, таким образом, все же остается.

1.15.4. Есть ли надежда? Все трудности межзвездных переле­тов, о которых говорилось выше, порождаются одним обстоятель­ством — существованием предельной скорости распространения физического взаимодействия. А это вытекает из теории относитель­ности. Энтузиасты межзвездных путешествий легко споавляются со всеми трудностями, полагая, что теория относительности неверна. Они надеются, что будущая физика опровергнет теорию относи­тельности и откроет возможность меж? вездных путешествий с лю­быми скоростями. Надо ясно огдавгтсебе отчет в том, что в таком Виде эти надежны неосновательны Дело в том, что, ко! да речь идет о фундаментальных теориях, то новая теория не отменяет с тарую, а лишь указывает область ее применимости, где она остается совер­шенно справедливой Иначе не было бы никакой преемственности в развитии науки. Так, теория относительности не отменила меха­нику Ньютона, а лишь установила границы ее применимости: меха­ника Ныотона оказывается справедливой, когда скорости тел малы по сравнению со скоростью света. Более того, при этих условиях формулы теории относительности переходят в формулы механики Ныотона, которая, следовательно, является частным (а точнее, пре­дельным) случаем теории относительности Точно так же будущая новая, более общая теория, несомненно, откроет новые возможно сти, связанные с неизвестными нам формами материи и неизвест­ными законами природы. Но она не отменит теорию относитель­ности, а включит ее как свой частный предельный случай. Следова тельно, мы не можем в своем сегодняшнем геле, состоящем из обычной материи, путешествовать со скоростью больше скорости свсга. Вот если бьг нагие тело состояла из тахионов! Или если бьг вдруг оно приобрело форму торсионных полей. Тогда другое де;го. Но здесь мы вьгходим за границы признанного современной нау­кой. Значит, надо не бороться против теории относительности, а искать новые возмояшости.

Новые возможности стану], следствием новых неожиданных от­крытий. Конечно, они потребуют коренного изменения наших представлений о Мире, ггрежде всего о свойствах времени и про — сгранства. Бесполезно гадать, каковы будут эти открытия. Экстра­полируя современные тенденции развития науки, можно предви­деть ее будущий характер на небольигой срок вперед. А дальше — неожиданньге открытия перечеркнут все наши прогнозы. Вот поче­му «истинное будущее, — как справедливо замечает А. Кларк, — не поддается логическому предвидению».