Владимир Каланов,
сайт "Знания-сила".

Космический корабль будущего

Американская автоматическая станция (зонд) Вояджер, облете́вшая Юпитер, послала на Землю изумительные фотографии само́й планеты и её двух спутников. Тот же зонд с помощью поля тяготения Юпитера был далее направлен в сторону Сатурна и достиг его в точно намеченное время после путешествия, длительность которого поражает воображение.

Об этом сейчас мало кто вспоминает, и, если не считать ссылок вскользь в журнальных статьях, видно, что это событие интересует очень немногих. Похоже, что двери в грандиозный космический цирк, прикова́вший всех к экранам телевизоров во время первой посадки на Луну, на этот раз оказались закрытыми. Однако действительно интересная страница в исследовании космоса открывается только теперь.

Пройдут десятки лет, прежде чем человек отважится - если вообще ему это удастся - отправиться в сторону других планет. Автоматические же станции уже достигают пределов Солнечной системы, и мы наконец начинаем узнавать кое-что о доселе практически незнакомых планетах - достаточно вспомнить пример Венеры. Максимальное расстояние, достигнутое зондом (несколько миллиардов километров), приблизительно в 10000 раз превышает расстояние до Луны (400000 км), куда смог добраться сам человек. Когда будет закончено исследование Солнечной системы, первой на очереди окажется ближайшая к нам звезда, Альфа Центавра, удаленная на 4,3 светового года, что несколько больше чем 40000 млрд. км. Любопытно, что это расстояние в свою очередь в 10000 раз превышает радиус Солнечной системы. Сухие цифры на бумаге не могут создать представление об ужасающих размерах пустоты́, отделяющей нас от Альфы. Самолет мог бы преодолеть такое расстояние за 4 млн. лет, а космическому кораблю с двигателем на химическом топливе потребовалось бы не менее 40000 лет. При этом надо учесть, что необходимое для путешествия количество горючего намного превосходит возможности современной мировой экономики.

Что же делать? Несмотря на почти безнадежный характер предприятия, уже рассмотрены различные, варианты межзвездных путешествий, причём все они основаны на разумных предположениях о будущих возможностях науки и техники. Имеет смысл проанализировать некоторые из этих проектов, чтобы составить представление об их грандиозности.

Проект "Орион"

Первый серьёзный проект, в настоящее время отвергнутый, имел кодовое название "Орион". На первом этапе предполагалось создание космического корабля на ядерном топливе для полётов внутри Солнечной системы (дадим ему название "Орион-1"). Он выглядел бы как большой небоскрёб, покоящийся на прочной плите. Под плитой намечалось взорвать некоторое количество маленьких атомных бомб (кажется, около двухсот); при этом ударная волна от взрыва должна была вывести всю конструкцию на орбиту, оставив за собой огромное радиоактивное облако.

Расчеты позволяли надеяться на возможность запуска свыше 100 тысяч тонн полезного веса при затратах, значительно меньших стоимости самого́ космического корабля.

После завоевания Солнечной системы с помощью транспортных кораблей такого типа предполагалось собрать "Орион-2" прямо в межпланетном пространстве, используя тот же принцип, что и раньше, но уже с королевским размахом. Вместо обычных атомных предполагалось использовать сотни тысяч водородных бомб, для того чтобы подтолкнуть корабль в сторону Альфы со скоростью в одну сотую скорости света (3000 км/с); даже в таком случае путешествие должно занять по крайней мере 400...500 лет. Из тех, кто отправился бы в путь с Земли, никто бы не долетел живым до Альфы; таким образом, речь шла об участии многих поколений в установлении "моста" между звёздами. Можно, однако, с уверенностью утверждать, что осуществление проекта "Орион-1" вызвало бы ожесточенное и, пожалуй, оправданное, сопротивление не только экологов. С другой стороны, я бы с удовольствием воспринял запуск "Ориона-2": огромные количества накопленных в арсеналах адских машин были бы разрушены на границах Солнечной системы, далеко от нашего собственного дома.

Другие варианты запуска космического корабля

Вместо закати́вшегося "Ориона" возникли новые проекты. В одном из них предлагается создать корабль в виде сферического бака, содержащего огромное количество замороженного дейтерия (тяжелого водорода), причем дейтерий должен быть извлечё́н, как с изрядной долей оптимизма считают авторы проекта, из атмосферы Юпитера. Внутри большого термоядерного реактора дейтерий будет превращаться в гелий, за счет чего корабль получит нужный импульс. Хотя скорость перемещения этого корабля должна быть выше, чем скорость "Ориона-2", в намеча́емом путешествии придется принять участие также не одному поколению астронавтов. Проблема, однако, в том, что никто еще не сумел построить такой реактор; и хотя многие считают, что успех в этом деле придёт через десяток лет, всё равно всё мероприятие кажется безнадежным.

Космический корабль

Рождённые исключительно богатым воображением следующие идеи, возможно, как раз и приведут к созданию космического корабля будущего. Всё межзвёздное пространство заполнено водородом, и поэтому кое-кто высказывает мнение, что именно этот водород стоит использовать в качестве горючего, вместо того чтобы брать его с собой из дому. Следовательно, если бы удалось сообщить кораблю достаточно высокую начальную скорость, то, находясь в пути, он мог бы собирать необходимое количество газа для непрерывного пополнения запасов горючего и достигнуть, таким образом, скорости, близкой к скорости света. Путешествие могло бы быть выполнено всего одним поколением астронавтов. Разворот корабля был бы осуществлен с помощью галактического магнитного поля, как остроумно предлагается в одном из недавних проектов. Другая идея, которую стоило бы объединить с предыдущей, предусматривает создание на астероидах мощнейших лазеров, которые должны превращать солнечную энергию в сверхинтенсивные узко направленные лучи света. Свет "дул" бы в громадный, диаметром в сотни километров, "парус" корабля, сделанный из тончайшего алюминированного майлара (лавсана). Давление излучения обеспечило бы необходимый импульс при отправлении в сторону необъятного межзвездного пространства. В этом случае мы также имеем дело с разумным подходом к возможностям современной развивающейся технологии, и речь вовсе не идёт о реализации проекта в обозримом будущем.

Что увидели бы астронавты?

Итак, вообразим, что честолюбие, стремление к славе, некоторое отсутствие здравого смысла или, более скромно, стремление к неизведанному заставили кого-то отважиться на рискованное и небывалое путешествие, и вот оно началось. Что же увидели бы астронавты? При увеличении скорости космического корабля релятивистские эффекты всё больше давали бы себя знать, становясь всё значительнее по мере приближения к роковому пределу 300000 км/с, к скорости света. Такого рода эффекты связаны между собой, и рассматривать их надо как целое.

На больших расстояниях от Солнечной системы Солнце будет выглядеть как очень яркая звезда, интенсивность свечения которой быстро падает с увеличением расстояния. При этом два явления начнут проявляться в виде прекрасного зрелища. О первом из них, "эффекте Доплера", можно составить представление, прислушиваясь к гудку́ проходящего поезда. Звук гудка становится выше по мере приближения поезда к нам (увеличивается частота) и ниже - при удалении его (частота падает). Что касается света, то этот эффект воспринимается как смещение цвета в сторону синего, когда источник приближается, и к красному, когда удаляется. Свет от Солнца и от ближайших звезд будет постепенно приобретать всё более красный цвет; при достижении определенной скорости перемещения корабля весь свет от звезд уже перейдет в область инфракрасного излучения, становясь невидимым. Напротив, свет Альфы, как и всех звёзд по курсу космического корабля, будет смещаться в сторону синего цвета, чтобы в конце концов тоже исчезнуть, но в ультрафиолетовой области. Останется полоса разноцветных промежуточных звёзд, для которых эффект Доплера мал и непостоянен. Эта полоса будет непрерывно перемещаться вперед из-за второго явления, аберрации света. Представим себе, что мы попали в сильный ливень и побежали под укрытие. Капли дождя при этом приобретают относительно нас горизонтальную составляющую скорости, из-за чего у нас создается впечатление, что источник дождя находится впереди, а не вверху над нами. По этой же причине при движении с релятивистской скоростью астронавтам покажется, что свет звёзд приходит от источников, смещенных вперед относительно корабля. Звёзды не будут видны с кормы: их изображения переместятся к носу корабля. Описанный эффект вполне реален; свыше столетия его наблюдают астрономы при исследовании движения Земли вокруг Солнца. При движении со скоростью, равной 90% скорости света, что представляет собой предел, к которому, возможно, позволит приблизиться техника будущего, звёздная панорама станет неузнаваемой, превратившись в маленькое светящееся гало по курсу корабля с сильными следами помех, вызванных межзвездным газом на пути света.

Течение времени

Относительность проявится поразительным образом при вычислении времени полета и про́йденного расстояния. Такие расчеты выполняются по-разному для жителей Земли и для астронавтов. Для простоты примем расстояние до Альфы в точности равным четырем световым годам, а скорость космического корабля постоянной и равной 240000 км/с, т.е. четырем пятым скорости света. Людям на Земле покажется, что путешествие туда и обратно займет всего десять лет, значит, астронавты прибудут на Альфу через пять лет. Оттуда они пошлют сообщение, которое дойдёт до Земли через четыре года, т.е. спустя девять лет после начала путешествия и как раз за год до прибытия астронавтов обратно на Землю.

Чтобы понять, как воспринимают путешествие астронавты, надо учесть замедление времени, приводящее к нарушению синхронности часов на Земле и на космическом корабле, и уменьшение расстояний; оба явления чисто релятивистские. Теория (да и лабораторные эксперименты) предсказывают, что с точки зрения астронавтов весь путь будет короче на две пятых, т.е. будет равен 2,4 светового года, и, следовательно, время в пути уменьшится до шести лет.

Таким образом, время путешествия для тех, кто в пути, отличается от времени, измеряемого оставшимися на Земле. Речь идет не о какой-то фантазии в духе Азимова; уже в 1971 г. описанный эффект получил прямое подтверждение на Земле в опытах, в которых время, показанное часами на борту самолета, сравнивалось с показаниями часов, оставшихся на Земле в Американской морской обсерватории. Проследим еще раз более внимательно, как путешествуют часы в нашем воображаемом случае. Пока корабль удаляется со скоростью в четыре пятых скорости света, два сигнала, посланные с Земли с интервалом в одну секунду, настигнут корабль, разделенные уже тремя секундами; по соображениям симме́трии верно и обратное. Следовательно, три года потребуется космонавтам, чтобы принять сигналы, посылаемые с Земли в течение девяти лет, а при возвращении на Землю соотношение в точности обратное, и три года сожмутся в один год. Но давайте посмотрим на вещи с точки зрения астронавтов на космическом корабле. Предположим, что Земля посылает сигнал один раз в год. Сообщение, посланное в конце первого года, придет на корабль тогда, когда на нем уже прошло три, т.е. по прибытии на Альфу. Оставшиеся девять земных лет сожмутся в три года обратного пути корабля, так что всего окажется шесть, как мы и говорили.

Мы видим, что игра с временной синхронизацией тесно связана с тем, что сжима́ется длина пройденного пути. Отметим, что множитель три, используемый в наших рассуждениях, на самом деле является следствием двух причин: замедления движущихся часов, а также того, что при удалении корабля каждый последующий сигнал вынужден пройти больший путь и затратить больше времени, чтобы достичь адресата. Такого рода умственная гимнастика поставит в затруднительное положение большинство наших читателей, в чём можно, пожалуй, признаться, да и физику она покажется неудобной. Что же делать в этих случаях? Нужно сесть за изучение математического аппарата, что потребует на начальном этапе значительных усилий, которые, однако, будут щедро вознаграждены́ ощущением красоты и легкости выполнения расчетов. Этот математический аппарат (те́нзорный анализ) в настоящее время преподается в наших университетах и не представляет особых трудностей: в упрощенном виде его вполне можно было бы преподавать и в средних школах. Но по причинам, вдаваться в которые мы здесь не бу́дем, этот язык, как и многие другие научные языки, едва ли найдет себе место (во всяком случае, еще длительное время) в общечеловеческой культуре.