В прошлом сентябре несколько сотен ученых, инженеров и любителей космоса собрались под одной крышей в отеле Hyatt в центре города Хьюстон. Причина собрания — второе открытое заседание 100 Year Starship. Финансирует эту высокотехнологичную тусовку само агентство DARPA, а руководит бывший астронавт Мэй Джемисон. Цель проста: «воплотить в реальность полет человека за пределы нашей Солнечной системы к другой звезде в ближайшие 100 лет». Интригует? Вас ждет увлекательный рассказ.
Большинство присутствующих на конференции сходятся во мнении, что развитие пилотируемой космонавтики происходит удручающе медленно. Несмотря на миллиарды долларов, которые были потрачены за последние 20-30 лет, космические агентства не особо продвинулись с точки, заложенной еще в 60-х годах. Чем, кстати, не преминул воспользоваться Элон Маск, основав собственное космическое агентство SpaceX. 100 Year Starship планирует ускорить процесс полета к другой звезде, форсировав развитие перспективных технологий. Что ж, пристегиваемся.
Среди самых долгожданных презентаций на конференции была и такая: «Механика варп-поля 102» («Warp Field Mechanics 102»), которую представил Гарольд «Сынок» Уайт из NASA. Ветеран космического агентства работает над особой двигательной программой в Космическом центре Джонсона (JSC) недалеко от Hyatt. С командой в шесть человек Уайт недавно излагал цели NASA на будущее космических путешествий. В новой презентации было многое: от всевозможных проектов полетов и улучшения химических ракет до мощных двигателей на базе антиматерии и энергии ядра. Однако самое интересное было вот что: варп-двигатель. Или двигатель деформации. Называйте как угодно, но варп остается варпом для многих — от любителей Star Trek до любителей Star Craft.
Прольем немного света: варп-двигатель может сделать возможными путешествия быстрее скорости света. Вы, конечно же, скажете, что это невозможно, поскольку противоречит общей теории относительности Эйнштейна. Уайт считает, что нет. За полчаса, которые ему были отведены на симпозиуме, он рассказал о физике потенциального варп-движения, используя такие понятия, как пузыри Алькубьерре и гиперпространственные колебания. Также он отметил, что его теоретические вычисления позволили проложить дорогу к варп-движению, и он начинает физические испытания в своей лаборатории NASA, которую он назвал Eagleworks.
Как вы уже начали подозревать, работающий варп-двигатель станет словом номер один в истории космических путешествий. Мы не только сможем долететь до Марса быстрее, чем за полтора года, как планируется, но и выйти за пределы Солнечной системы, а может даже заменить источник питания на «Вояджере». Поездка на современном космическом корабле к ближайшей к нам звезде — Альфе Центавра — займет 75 000 лет. Но если корабль будет оборудован варп-двигателем, на всё про всё уйдет две недели, если верить Уайту.
В связи с прекращением работы шаттлов и возрастающей деятельностью частных сегментов в области околоземных полетов, NASA сообщает, что будет ориентироваться на смелые вылазки подальше в космос, куда дальше, чем порядком надоевшее копание Луны. Но без принципиально новых двигателей толку от таких вылазок будет мало. Спустя пару дней после собрания 100 Year Starship глава NASA Чарльз Болден эхом повторил слова Уайта:
«Однажды мы хотим набрать варп-скорость. Мы хотим двигаться быстрее скорости света и не останавливаться на Марсе».
Звездный путь
Физик Мигель Алькубьерре разработал модель варп-двигателя после просмотра эпизода «Звездного пути».
Первое употребление выражения «варп-движение» датируется 1966 годом, когда Джин Родденберри запустил «Звездный путь». В течение последующих тридцати лет варп существовал только в виде одной из самых устойчивых концепций научных фантастов. Но однажды эпизод попался на глаза физику по имени Мигель Алькубьерре. Тогда он работал в области общей теории относительности и задался вопросом: что нужно, чтобы создать варп-двигатель? Свою работу он опубликовал в 1994 году.
Алькубьерре представил пузырь в пространстве. В передней части пузыря пространство-время сжимается, в то время как в задней части пузыря — расширяется (как во время Большого взрыва). Деформация будет слабо влиять на корабль, как обычная волна, несмотря на суматоху за пределами пузыря. В принципе, варп-пузырь может двигаться сколь угодно быстро: ограничение скорости света, предсказанное в рамках теории Эйнштейна, работает только с пространством-временем, а не с искажениями самого пространства-времени. В пузыре, как предсказал Алькубьерре, пространство-время останется неизменным, а сами космические путешественники — целыми и невредимыми.
Варп-двигатель сможет отправить путешественников не только за пределы земной орбиты, но и целой Солнечной системы. Уравнения общей теории относительности Эйнштейна очень сложны в одностороннем решении — вычислении того, как материя искривляет пространство-время, — но в обратную достаточно просты. Используя их, Алькубьерре выяснил, какое распределение материи необходимо для создания варп-пузыря. Но проблема в том, что решение выявило странную форму материи — отрицательную энергию.
В примитивном объяснении гравитация — это сила притяжения между двумя объектами. Каждый объект, вне зависимости от своей величины, притягивает окружающую его материю. В понимании Эйнштейна эта сила является кривизной пространства-времени. Отрицательная энергия, однако, является отталкивающей гравитацией. Вместо того, чтобы стягивать пространство-время, отрицательная энергия будет его расталкивать. Грубо говоря, для работы двигателя Алькубьерре нужна отрицательная энергия, чтобы заставить пространство-время позади корабля расширяться.
И хотя никто никогда не измерял отрицательную энергию, квантовая механика (добавим к списку парадоксов) предсказывает ее существование, а значит, ученые вполне могут создать ее в лаборатории. Одним из способов ее создания мог бы стать эффект Казимира: две параллельные проводящие пластины, расположенные достаточно близко друг к другу, должны создавать небольшое количество отрицательной энергии. Модель Алькубьерре рухнула в тот момент, когда потребовалось огромное количество отрицательной энергии, куда большее, чем можно создать — если верить ученым.
Уайт говорит, что нашел способ обойти это ограничение. В компьютерной симуляции Уайт изменял силу и геометрию варп-поля. Выяснилось, что в теории можно создать варп-пузырь, используя в миллион раз меньше отрицательной энергии, чем предполагал Алькубьерре, и достаточно для того, чтобы космический корабль мог сам ее производить.
«Из невозможного всё стало правдоподобным».
«Сынок»
Гарольд «Сынок» Уайт, инженер NASA, разрабатывающий варп-двинатель в лаборатории Eagleworks.
Дальнейшее повествование — от лица Константина Какаэса с PopSci.
Космический центр Джонсона раскинулся рядом с лагунами, где Хьюстон уступает дорогу порту Галвестона. В воздухе витает запах кампусов, в которых тренируются будущие космонавты. В день моего визита Уайт встретил меня в пятнадцатом здании, малоэтажке с лабиринтами коридоров, офисов и лаборатории, которые вместе составляют Eagleworks. Он был одет в поло с вышитой на нем эмблемой Eagleworks: орел, раскинувший крылья над футуристическим звездолетом.
Уайт начал свою карьеру не с лаборатории движения. Он изучал машиностроение и присоединился к агентству в 2004 году к группе робототехники в качестве подрядчика, которым и работал с 2000 года. В итоге, он взял на себя управление манипулятором на МКС, параллельно работая над кандидатской степенью в области физики плазмы. Только в 2009 году Уайт занялся изучением двигателей, которыми давно интересовался, а за рабочим местом в NASA дело не стало.
«Сынок — уникальная личность», — рассказал его босс Джон Эпплуайт, возглавляющий подразделение двигательных систем в центре Джонсона. — «Он определенно фантазер, но при этом инженер. Он может превратить свое воображение в полезный технический продукт».
После присоединения к группе Эпплуайта, Уайт испросил разрешения на открытие собственной лаборатории, посвященной передовой двигателей. Выбрал себе логотип и приступил к работе.
Уайт привел меня в свой кабинет, который делит с коллегой, занимающимся поисками воды на Луне (а нашел, видимо, на Марсе), а после повел в Eagleworks. Пока мы шли, он рассказывал мне о сложностях, связанных с открытием лаборатории, которые он обозначил как «долгий и муторный процесс поиска продвинутых двигателей, которые помогут людям освоить космос». Он говорит, слегка растягивая слова — результат многих лет, проведенных на юге, сначала в колледже Алабамы, а после — 13 лет в Техасе.
Уайт показывает мне аппаратуру и обращает мое внимание на ее центральный элемент — квантово-вакуумный плазменный двигатель (КВПД). Устройство похоже на большой красный бархатный пончик с проводами, туго закрученными вокруг ядра. Это одна из двух основных разработок Eagleworks, наряду с варп-двигателем. Конечно же, засекреченная. Когда я спросил об этом устройстве, Уайт сказал, что не может разглашать детали, кроме того, что разработка этой технологии будет тянуться дольше, чем создание варп-двигателя. В докладе, опубликованном NASA в 2011 году, говорилось, что она использует квантовые флуктуации пустого пространства в качестве источника топлива (о которых, судя по всему, говорил еще Тесла), поэтому космическому кораблю на базе КВПД не понадобится «бензин».
Уайтовские эксперименты с варпом сосредоточились в углу комнаты. Гелий-неоновый лазер крепится на небольшом столике за решеткой с дырочками, вместе с разделителем лучей и черно-белой камерой CCD. Это интерферометр варп-поля Уайта-Джуди, названный в честь самого Уайта и Ричарда Джуди, отставного сотрудника центра Джонсона, который помогал Уайту анализировать данные с CCD. Половина лазерного света проходит через кольцо — экспериментальное приспособление Уайта. Другая половина — нет. Если кольцо никак не меняется, Уайт заметит это по данным с CCD. Если пространство искажается, то «интерференционная картинка будет совершенно другой».
Когда устройство активируется, установка Уайта работает, как в фильме: лазер светится красным, а два луча пересекаются, как лазерные мечи. Внутри кольца четыре керамических конденсатора из титаната бария, которые Уайт заряжает до 23 000 вольт. Последние полтора года он моделировал этот эксперимент, и если верить инженеру, «конденсаторы набирают мощный энергетический потенциал».
Однако когда я спросил, каким образом все это будет генерировать отрицательную энергию, необходимую для искажения пространства времени, ответ Уайта стал уклончивым: «Оно работает так… я могу сказать вам то, что могу сказать. Я не могу сказать вам то, чего не могу». Он сослался на подписку о неразглашении, поэтому детали остались под покровом тайны. Я спросил, с кем он подписал такое соглашение, на что последовал ответ:
«Приходят люди и спрашивают о всяких вещах. Я просто не могу вдаваться в подробности больше, чем сейчас».
Варп-двигатель
Уайт работает в тени ракеты «Сатурн-5» в Космическом центре Джонсона (JSC).
Теория варп-путешествий интуитивно понятна — деформировать пространство-время и создать движущийся пузырь. Но на практике у нее есть несколько существенных препятствий. Даже если Уайту удастся существенно снизить требуемое количество отрицательной энергии, чем было нужно Алькубьерре, все равно ее останется гораздо больше, чем могут создать ученые. Об этом говорит физик-теоретик из университета Тафтса Лоуренс Форд, написавший десятки статей об отрицательной энергии за последние 30 лет. Форд и другие физики говорят, что существуют фундаментальные физические ограничения — а не только инженерные проблемы — относительно того, сколько отрицательной энергии может быть сосредоточено в одном месте в течение длительного времени.
Другая проблема заключается в том, что для создания варп-пузыря, который движется быстрее скорости света, ученым придется распространить отрицательную энергию вокруг корабля, в том числе и перед ним. Уайт не считает это проблемой. Когда я поинтересовался у него, он ответил достаточно туманно, мол, варп-двигатель будет работать, поскольку «все, что нужно, это аппарат, который создаст все необходимые условия». Но создание этих условий перед кораблем будет означать распределение отрицательной энергии, которая движется быстрее света, чем нарушает общую теорию относительности.
Наконец, варп-двигатель — это концептуальная проблема. В рамках общей теории относительности путешествие быстрее скорости света эквивалентно движению сквозь время. Мы уже рассуждали на тему, возможны ли в принципе такие путешествия. Говоря о том, что варп-двигатель возможен, Уайт фактически утверждает, что может создать машину времени.
Сомнения расползаются, как ночь по земле.
«Не думаю, что любое из привычных пониманий физики предполагает то, что он хочет увидеть в своих экспериментах», — говорит Кен Олум, физик из университета Тафтса, принимавший участие в собрании 100 Year Starship 2011 года. Ной Грэм, физик колледжа Миддлбери, читавший две работы Уайта по моей просьбе, ответил следующим замечанием:
«Не вижу ничего научного в этих бумагах, кроме резюмирования старых работ».
Сам Алькубьерре, ныне физик Национального автономного университета Мексики тоже сомневается:
«Даже если я сижу в корабле и у меня есть отрицательная энергия, нет никакой возможности доставить его куда мне нужно», — сказал он по телефону. — «Это отличная идея. Мне нравится она, потому что я сам ее написал. Но у нее есть ряд ограничений, с которыми я столкнулся на протяжении многих лет, и я не знаю, как их обойти».
Варп-путешествие
Слева от главных ворот центра Джонсона лежит перевернутая на бок ракета «Сатурн-5». Все ступени разъединены, чтобы можно было любоваться кишками ракеты. Только один из многочисленных двигателей носителя размером с небольшой автомобиль, а лежащая на боку ракета на пару метров длиннее футбольного поля. Это красноречиво говорит о сложности космических путешествий. Ракете уже сорок лет, и время, когда она была представлена — и когда NASA было частью большой американской мечты отправить человека на Луну — давно минуло. Сегодня Космический центр Джонсона похож на место, где когда-то гостило величие, но исчезло.
Прорыв в разработке двигателей может ознаменовать новую эру в JSC и NASA, которая продлится долгие годы и конца которой мы уже не увидим. Зонд «Рассвет», запущенный в 2007 году, исследует пояс астероидов на ионных двигателях. В 2010 году японцы представили «Икарус», первый межпланетный проект солнечного паруса, еще один вариант экспериментального двигателя. В 2016 году на МКС начнется эксперимент VASIMR, плазменной системы с высокой двигательной тягой. И хотя эти системы в один прекрасный день смогут возить астронавтов на Марс, за пределы Солнечной системы им точно не выбраться. Вот почему, по мнению Уайта, NASA нужно браться за рискованные проекты.
Варп-двигатель — это, наверное, самый невероятный проект NASA в области двигателей. Самые светлые умы научного сообщества утверждают, что Уайт не может его построить. Эксперты говорят, что он работает вопреки законам природы и физики. Несмотря на все это, NASA поддерживает эту разработку.
«То, что он пытается сделать, не нуждается в большом финансировании», — говорит Эпплуайт. — «Думаю, начальство очень заинтересовано в том, чтобы он продолжал работать. Пока это просто теория, но если она воплотится в реальность, правила игры кардинально изменятся».
В январе Уайт собрал свой варп-интерферометр и отнес его в новое помещение. Eagleworks переехала в новый дом, который больше и «сейсмически изолирован» — с энтузиазмом отмечает Уайт. То есть защищен от вибраций. Но самое лучшее в новой лаборатории то, что NASA выделило Уайту помещение, в котором разрабатывалась программа «Аполлон», та самая, которая однажды доставила Нила Армстронга и Базза Олдрина на Луну.
