Возможны ли межзвездные путешествия?

В бесконечных глубинах космоса, на расстоянии многих триллионов миль от нас, гораздо дальше самых удаленных планет Солнечной системы, сияют звезды. Их огромное множество: красные, желтые, оранжевые, голубые, белые. Астрономы уверены, что, по крайней мере, некоторые из этих звезд обогревают вращающиеся вокруг них планеты. Но вполне возможно, что в будущем мы станем свидетелями открытия сначала десятков, а потом и сотен подобных земле планет, может быть, даже с запасами воды или признаками жизни.

Издалека астрономы пытаются исследовать эти планеты и определить их основные свойства, но единственный способ тщательно изучить все детали — запустить космический корабль. До того, как космические станции не побывали в космосе, нам мало что было известно о планетах Солнечной системы. Некоторые полагали, что на Венере есть океаны, а на Марсе — каналы, и никто, в сущности, не знал ничего о таких далеких мирах, как Уран и Нептун.

Проблемы и перспективы

Как бы ни хотелось нам подлететь поближе к звездам и увидеть вращающиеся вокруг них планеты крупным планом, многие ученые уверены, что подобные путешествия никогда не осуществятся. Энергия и расходы, необходимые для путешествия на Альфу Центавра — ближайшую к нам звездную систему — настолько велики, что даже сторонники межзвездных перелетов вынуждены считаться с ними.

Приверженцы космических путешествий часто ссылаются на вещи, в существование которых раньше не верили, а теперь считают само собой разумеющимися.

Например, многие ученые начала двадцатого века утверждали, что аэропланы никогда не смогут перелететь через атлантический океан. С другой стороны те, кто не верит в возможность межзвездных перелетов, с не меньшим азартом напоминают о надеждах прошлого, которые не оправдались вопреки всем ожиданиям. К примеру, еще не так давно многие верили, что в 90-е годы все мы будем летать на работу на своих личных вертолетах.

Среди профессиональных астрономов есть немало таких, кто верит, правда без всяких оснований, в то, что разумная жизнь — явление весьма распространенное в Галактике. Однако до сих пор ни одна внеземная раса не удосужилась посетить Землю — факт, подвигнувший в 1950 году физика Энрико Ферми задать свой знаменитый вопрос: "Где же они?" Чтобы объяснить это явное противоречие, названное парадоксом Ферми, астрономы, допускающие существование других обитаемых миров во Вселенной, предполагают, что из-за трудности организации и высокой стоимости экспедиции ни одна цивилизация не отваживается на подобные путешествия. Следовательно, и мы — земляне — никогда не справимся с этой задачей.

На сегодняшний день людям уже удалось запустить в космос межпланетные корабли и изучить с их помощью все планеты Солнечной системы от Меркурия до Нептуна, и только Плутон остался за темной полосой неизвестности.

В некотором смысле первыми межзвездными кораблями человечества стали четыре автоматические станции — "Пионер-10", "Пионер-11", "Вояджер-1" и "Вояджер-2"; именно они покидают сейчас Солнечную систему с высокой скоростью, направляясь к звездам. "Пионер" может пройти за год расстояние в 2.3 раза большее, чем расстояние между Землей и Солнцем, а более стремительные "Вояджеры" — в 3.4 раза. Но звезды так далеко, что даже "Вояджеру" потребовалось бы 80000 лет, чтобы достичь Альфы Центавра, находящейся на расстоянии 4.3 светового года от Земли. Но, в случае удачи, до этого не дойдет: космические корабли будущих столетий, наверняка, догонят и перегонят современных "тихоходов", вернут их на родную планету в качестве экспонатов в музей освоения космоса.

Далекая цель

Самые большие проблемы, с которыми столкнутся звездные путешественники — огромные расстояния до звезд. Астрономы так часто переводят расстояния в световые года, что нередко забывают, насколько в действительности велик световой год. Луч света настолько быстр, что за одну секунду может 7.5 раз обернуться вокруг Земли. Таким образом, расстояние, пройденное за год, будет поистине велико. Представьте, что Галактика сжалась так, что Земля и Солнце оказались всего в дюйме (2.5 см) друг от друга. Тогда Юпитер расположился бы на расстоянии пяти дюймов от Солнца, а далекий Нептун — всего лишь в 30 дюймах. И даже в этом масштабе световой год остался бы равным целой миле (1.6 км), а Альфа Центавра удалилась бы на 4.3 мили от Земли. А если бы Галактика Млечный Путь, такая огромная и необъятная, сжалась до размеров десятицентовой монеты, то вся обозримая Вселенная, от Земли до самых далеких известных нам квазаров, стала бы не больше двух миль шириной.

"Вояджеры" движутся в пространстве со скоростью всего лишь 0.005% световой, но чтобы отправить настоящий космический корабль на Альфу Центавра и добраться до места назначения хотя бы лет за пятьдесят, до тех пор, пока еще будут живы ученые, организовавшие экспедицию, необходимо ускорить этот корабль, по крайней мере, до 10% скорости света. Для сравнения: если выйти за пределы Солнечной системы "лишь" с 1% скорости света, то потребуется 430 лет, чтобы достичь Альфы Центавра, а за такой длительный срок уровень техники может подняться настолько, что станет возможным строительство более скоростных космических кораблей. Представим, что Христофор Колумб — долгожитель, и ему потребовалось бы 500 лет, чтобы переплыть Атлантический океан. Его то и дело обгоняли бы более совершенные корабли, а быстрые аэропланы успевали бы проделать путь от Европы до Америки задолго до того, как он сам достиг заветных берегов. А когда бы он, наконец, добрался туда, Новый Свет, абсолютно новый для него, Колумба, был бы уже довольно "старым" для любого другого.

Однако достичь высокой скорости, близкой к скорости света очень сложно, поскольку для этого требуется много энергии и денег. Например, кораблю весом в одну тонну потребовалось бы столько энергии, сколько крупная индустриальная держава потребляет в течение месяца. Правда по солнечным масштабам это совсем немного: одно только Солнце каждую секунду излучает в космос в миллион раз больше энергии. Таким образом, энергия есть, людям остается только научиться использовать ее.

Другое препятствие, на которое указывают критики, — стоимость экспедиции. Подобное путешествие может обойтись больше, чем в триллион долларов. Однако то, что невообразимо дорого сегодня, может стать дешевым спустя столетия. В конце концов, американские колонисты в 1776 году не отважились бы организовать полет на Луну, как из-за отсутствия техники, так и необходимости в астрономических суммах, а их потомки меньше, чем через два века, успешно высадили человека на Луну. А если уж мы справились с этим используя технику шестидесятых, то почему бы нашим последователям не запустить человека на орбиту вокруг Альфы Центавра?

Бесспорно, первыми межзвездными путешественниками станут машины, а не люди. Человек добрался только до Луны, тогда как автоматические космические станции побывали уже за Нептуном.

Машинам в отличие от людей не нужны воздух, вода, пища и минимальные удобства. К тому же компьютеры и приборы будущих десятилетий станут компактнее, легче и мощнее, что позволит уменьшить вес космического корабля.

Теория Эйнштейна

Если бы мы отправились к звездам, то неминуемо столкнулись бы с трудностями, предсказанными специальной теорией относительности Эйнштейна, в которой рассматриваются эффекты тел, движущихся со скоростью близкой к скорости света. Скорость света является наиболее известным релятивистским барьером; именно из-за предельного характера этой скорости землянам придется ждать, по крайней мере, 4.3 года, пока корабль не достигнет Альфы Центавра, а потом еще 4.3 года, пока корабль с информацией не вернется на Землю.

Специальная теория относительности описывает также влияние скорости на массу и время. С увеличением скорости космического корабля увеличивается и его масса, а это плохо, поскольку ускорять его становится все труднее и труднее. Однако для любого пассажира на борту корабля время течет намного медленнее, что хорошо, потому что дает возможность путешествовать на большие расстояния. Эти два релятивистских эффекта, затрагивающие массу и время, малы при низких скоростях и сильно возрастают, когда скорость корабля приближается к скорости света. При скорости равной скорости света масса тела становится бесконечной, вот почему ни одно материальное тело не может двигаться так быстро.

Уровень влияния релятивистских эффектов ученые выражают коэффициентом Лоренца, названного по имени нидерландского физика Хендрика Лоренца. Коэффициент Лоренца зависит от скорости: он равен единице при нулевой скорости, возрастает при увеличении последней и становится бесконечным при скорости света. При 20% скорости света коэффициент Лоренца равен только 1.02, отсюда следует, что космический корабль, двигающийся с такой скоростью, лишь на 2% тяжелее, чем он был в состоянии покоя, а время замедляется настолько, что для экипажа пройдет только 1 час, в то время как на Земле пройдет 1.02 часа. При 50% скорости света коэффициент Лоренца достигнет 1.15, что все равно очень мало: масса корабля при такой скорости всего на 15% больше, чем в покое, а один час времени на борту равен 1.15 часа на Земле. И только при скорости свыше 80% скорости света коэффициент Лоренца начинает быстро расти. При 87% скорости света он достигает 2.00, таким образом, масса увеличивается вдвое, а время замедляется относительно земного в два раза.

Жизнь на скоростной трассе

Настоящей проблемой для сторонников межзвездных путешествий является не специальная теория относительности, а то, как достичь скоростей, при которых такие путешествия станут возможными. Даже 10% скорости света — 30 тыс. км в секунду — намного превышает скорости наиболее быстрых из запущенных ранее космических кораблей.

В принципе, самое лучшее ракетное горючее — это антивещество — противоположность обычного вещества. Ядро атома нормального вещества заряжено положительно, а вращающиеся вокруг электроны — отрицательно. В антивеществе наоборот: ядро — отрицательно, а вращающиеся частицы, позитроны, — положительно. Встречаясь, вещество и антивещество взаимно уничтожают друг друга (аннигилируют), преобразуя всю массу в энергию. Выходит, что вещество и антивещество — мощное топливо, т.к. даже в маленьком количестве массы m содержится энергия Е, равная mc2. Скорость света настолько велика, что при ее умножении на саму себя (возведении в квадрат) количество энергии, даже при маленькой массе вещества или антивещества, будет огромным. Если поздороваться за руку с двойником, состоящим из антивещества, то полученной энергией можно будет снабжать целую страну в течение нескольких месяцев или послать небольшой космический корабль на Альфу Центавра.

К сожалению, антивещество не существует на Земле в естественном виде и астрономам неизвестны его источники в Солнечной системе. Антивещество может возникнуть в результате ядерных реакций, но только в очень маленьких количествах, поэтому для того, чтобы выработать даже относительно небольшое количество антивещества, необходимого для двигателя космического корабля, потребуются колоссальные расходы. На сегодняшний день антивещество, даже если бы ученые нашли способ добывать его, стоило бы триллионы долларов за унцию.

Но любая ракета, даже работающая на смеси вещества и антивещества, столкнется со своеобразной ловушкой: чтобы ускорить космический корабль, необходимо увеличить и мощность двигателя. Чем больше горючего заправлено, тем выше масса. Чтобы получить больше энергии, нужно еще больше топлива, но тогда увеличится вес ракеты и так до бесконечности... Поэтому ученые разрабатывают проекты, которые позволят ускорять космические корабли без ракет. В 1960 году Роберт Бассард предложил добывать горючее из самого космоса. В открытом космосе имеются атомы водорода. Если бы корабль мог собрать их и поместить в ядерный реактор, то полученной энергии хватило бы, чтобы пополнить запасы горючего. К сожалению, в межзвездном пространстве на один кубический сантиметр приходится в среднем только один атом водорода, поэтому кораблю пришлось бы собирать эти атомы на расстоянии радиусом свыше сотни или даже тысячи миль.

Другой проект без использования ракет заключается в том, чтобы собрать корабль в виде парусника, приводимого в движение давлением света. Такое давление может создавать, например, лазерная установка, находящаяся где-нибудь в космосе. Поскольку давление света — маленькое, лазеры должны быть мощными, а их лучи — очень узконаправленными. Если бы на борту такого корабля оказались люди, то они не могли бы контролировать свой полет. Вместо этого они оказались бы во власти лазерных станций, находящихся на расстоянии многих световых лет от них.

Быстрее света

Хотя подобные идеи кажутся трудно выполнимыми или, как утверждают критики, вообще неосуществимыми, по крайней мере, некоторыми из них заинтересовались известные физики. В то же время молодыми начинающими физиками выдвигаются еще более умозрительные проекты. Например, предполагают, что можно сократить путь в космосе, передвигаясь через особые пространственные туннели (так называемые "червячные норы"). Тогда космическому кораблю не понадобится преодолевать расстояние в 4.3 светового года, чтобы долететь от Солнца до Альфы Центавра. Это как если бы мы проложили туннель от США до Китая сквозь Землю, вместо того, чтобы проделывать более длинный путь по земной поверхности.

Также, в качестве фантастической гипотезы, рассматривается возможность двигаться быстрее света. Технически, согласно специальной теории относительности Эйнштейна, это не исключено. При скорости света коэффициент Лоренца — бесконечен, но при превышении этой скорости он становится, как говорят математики, мнимым (как, например, корень квадратный из отрицательного числа) и, по мере увеличения скорости корабля, уменьшается. Как преодолеть этот скоростной барьер, когда коэффициент Лоренца становится бесконечным, неизвестно, а если это все-таки произойдет, то вернуться обратно к скорости, меньшей скорости света, может оказаться и вовсе невозможным. Частицы, превышающие скорость света, называются тахионами, но никто никогда их не видел, что наводит на мысль, что их не существует в природе. Возможно, существует параллельная Вселенная, в которой все движется быстрее света, а ее обитатели стремятся к более "медленной" жизни. Тогда, может быть, мы смогли бы заключить с ними "сделку".

Но до тех пор, пока нам ничего неизвестно о такой Вселенной, ученые вынуждены покорять ту, которую они знают. В качестве первого шага по направлению к реальным межзвездным путешествиям ученые наметили запуск механических летательных аппаратов, которые будут продвигаться достаточно быстро и далеко, чтобы проверить некоторые концепции о звездных полетах, не долетая даже до ближайших звезд. Предложенный для этого космический аппарат называется TAU (Thousand Astronomical Units, тысяча астрономических единиц); он должен будет провести научные исследования на расстоянии в тысячу астрономических единиц от Солнца, что в 25 раз больше среднего расстояния до Плутона. Кораблю потребуется около века, чтобы преодолеть такое расстояние, что составит только 1% всего расстояния до Альфы Центавра. И тем не менее, TAU можно по праву считать пионером среди скоростных кораблей.

Однако сомнений на счет межзвездных путешествий очень много, так много, что, быть может, критики и правы, утверждая, что ни одной цивилизации не по силам подобные экспедиции. Таким образом объясняется факт, почему мы ничего не знаем о тех разумных видах, которые, возможно, населяют нашу Галактику. Но было бы безрассудно преуменьшать возможности той цивилизации, которая будет населять Землю в будущем, не говоря уже о неземных цивилизациях, развитие которых, возможно, на миллионы или даже миллиарды лет впереди нас. Кроме того, если будет открыт точный двойник Земли у какой-нибудь близлежащей звезды, а это может произойти уже лет через двадцать, соблазн исследовать этот мир непосредственно с космического корабля будет непреодолимым.

Возможно, подобная экспедиция будет осуществлена в течение XXI или XXII века. Если так, то те, кто верит, что разумная жизнь — распространенное явление в космосе, вынуждены будут объяснить, почему же тогда ни одна из тех цивилизаций не сделала то же самое и не отправила экспедицию в одну из наиболее многообещающих планетных систем Галактики — нашу.

Кен Кросвелл — астроном из Калифорнийского университета в Беркли (США), автор книги "В поисках планет", из которой и была адаптирована эта статья.