Интерстеллар: наука за кадром - Кип Торн

Лазерный массив, работающий на солнечной энергии и расположенный в космосе или на Луне, генерирует лазерный луч мощностью в 7,2 тераватта (за год потребляющий примерно вдвое больше, чем общее потребление электричества в США за 2014 год!). С помощью линзы Френеля диаметром в 1000 километров этот луч фокусируется на парусе диаметром в 100 километров и весом в 1000 тонн, который закреплен на более легком космолете. (Необходимая точность направления луча – до миллионных долей секунды дуги.) Световое давление луча толкает парус и космолет, к половине 40-летнего путешествия до проксимы Центавра разгоняя его примерно до одной четверти от скорости света. Затем, в течение второй половины пути, космолет использует модификацию того же механизма, чтобы замедлиться, и в итоге его скорость оказывается достаточно мала, чтобы совершить посадку на планету (можете придумать, как должно происходить торможение?[51]).

Форвард, как и Дайсон, считал, что реализовать предложенный им способ передвижения можно будет в XXII веке. Я, глядя на связанные с этим технические сложности, думаю, что времени понадобится больше.

Гравитационные пращи у двойной черной дыры

Третий способ – это моя собственная сумасбродная – крайне сумасбродная! – вариация одной из идей Дайсона [Dyson 1963].

Представьте, что вы решили за несколько лет облететь изрядную часть Вселенной, совершив не просто межзвездное, а межгалактическое путешествие с околосветовой скоростью. Вы можете это сделать с помощью пары черных дыр, вращающихся одна вокруг другой (так называемая двойная черная дыра). У этих дыр должны быть сильно вытянутые эллиптические орбиты, причем достаточно большие, чтобы приливные силы не уничтожили ваш звездолет. Используя химическое или ядерное топливо, вы выводите корабль на орбиту вблизи одной из черных дыр – орбиту раскручивания (рис. 13.4). Корабль приближается к дыре, делает вокруг нее несколько оборотов, а затем в момент, когда дыра движется практически прямо в направлении дыры-спутника, корабль перелетает ко второй дыре и начинает кружиться вокруг нее. Если черные дыры все еще движутся навстречу друг другу (а это продолжается недолго), вы перелетаете обратно к первой дыре. Если же нет, кружение продолжается; нужно оставаться на орбите вокруг второй дыры до тех пор, пока дыры не начнут снова двигаться навстречу друг другу, и лишь тогда отправиться к первой дыре. Таким образом, перелетая от дыры к дыре только в моменты их встречного движения, корабль набирает все большую и большую скорость, которая приближается к скорости света настолько, насколько это вам угодно (при условии достаточно вытянутых орбит двойной дыры).

Рис. 13.4. Звездолет разгоняется до околосветовой скорости

Чтобы контролировать время кружения около каждой из дыр, вам, что примечательно, понадобится лишь небольшое количество ракетного топлива. Главное – выйти на критическую орбиту вокруг дыры и затем начать кружение. О критической орбите я расскажу в главе 27, а пока достаточно отметить, что эта орбита крайне нестабильна. Это напоминает кружение на мотоцикле по гладкой кромке вулканического кратера. Если вы чутко держите равновесие, на кромке можно оставаться сколь угодно долго, но если вы решите съехать с накатанной, достаточно малейшего отклонения руля, чтобы мотоцикл понесся прочь от кратера. Точно так же, если вы решите покинуть критическую орбиту, малейшее усиление ракетной тяги позволит центробежным силам взять верх и отбросить корабль прочь, к другой черной дыре.

Когда скорость звездолета достаточно приблизится к световой, вы можете сойти с критической орбиты и устремиться к далекой галактике, которую выбрали пунктом назначения.

Рис. 13.5. Старт с критической орбиты к далекой-далекой галактике

Путешествие может быть далеким, до 10 миллиардов световых лет. Но когда вы движетесь с околосветовой скоростью, время для вас течет гораздо медленнее, чем на Земле. Если скорость достаточно близка к световой, вы сможете добраться до своей цели за несколько лет, а то и меньше (по вашему персональному времени), а приближаясь к цели, притормозить с помощью другой двойной черной дыры, если вы ее там найдете!

Рис. 13.6. Торможение с помощью гравитационной пращи у двойной черной дыры, находящейся в галактике назначения

Вернуться домой можно тем же способом, правда, возвращение может оказаться не слишком радостным: в вашей галактике пройдут миллиарды лет, хотя вы-то постареете лишь на несколько лет. Представляете, что вы там обнаружите?

Использование подобных гравитационных пращей дает цивилизации возможность широко распространиться по межгалактическому пространству. Главная (и, возможно, непреодолимая) сложность при этом – поиск или создание подходящих двойных черных дыр. Найти двойную дыру для стартового разгона, быть может, получится без проблем (если цивилизация достаточно высокоразвитая), но двойная дыра для финишного торможения – совсем другое дело.

Что с вами будет, если не найдется подходящей двойной черной дыры для торможения или если вы пролетите мимо нее из-за недостаточно точной наводки? Дополнительные сложности обусловлены здесь расширением Вселенной[52]. Подумайте об этом.

Какими бы привлекательными ни казались все эти технологии будущего, слово «будущее» здесь ключевое. С технологиями XXI века мы неспособны достичь других звездных систем быстрее, чем за тысячи лет пути. Наша единственная, призрачная надежда на межзвездный перелет – это червоточина, как в «Интерстеллар», или еще какая-нибудь предельная форма искривления пространства – времени.

IV. Червоточина

14. Червоточины

Откуда взялось название «червоточина»

Название астрофизическим червоточинам придумал мой научный руководитель Джон Уилер. Он использовал сравнение с червоточинами в яблоках (рис. 14.1). Для муравья, который ползает по яблоку, поверхность яблока – это целая вселенная. Если плод насквозь проеден червем, муравей может попасть с верхней части яблока на нижнюю двумя способами: проползти снаружи (через свою вселенную) или спустившись по червоточине. Путь через червоточину короче, это способ срезать дорогу, быстрее попав с одной стороны муравьиной вселенной на другую.

Рис. 14.1. Муравей исследует яблоко с червоточиной

Аппетитная мякоть яблока, через которую проходит червоточина, не относится к муравьиной вселенной. Это трехмерный балк, или гиперпространство (см. главу 4). С одной стороны, стенки червоточины можно считать частью муравьиной вселенной – их поверхности имеют одну и ту же мерность (два измерения) и смыкаются со вселенной (с поверхностью яблока) на входе в червоточину. Но с другой – стенки червоточины не принадлежат муравьиной вселенной, это просто короткий путь через балк, по которому муравей может попасть из одной точки своей вселенной в другую.

Червоточина Фламма

В 1916 году, всего через год после того, как Эйнштейн сформулировал законы общей теории относительности, Людвиг Фламм из Вены нашел решение уравнений Эйнштейна, которое описывает червоточину (хоть Фламм ее так и не называл). Сейчас мы знаем, что уравнения Эйнштейна допускают существование червоточин разной формы и разных свойств, но червоточина Фламма – единственная из них в точности сферическая и не содержащая гравитирующей материи[53]. Если мы сделаем экваториальный срез червоточины Фламма, так чтобы и она, и наша Вселенная (наша брана) имели два измерения вместо трех, а затем посмотрим на нашу Вселенную и на червоточину из балка, то они будут выглядеть как показано на левой части рис. 14.2.

Рис. 14.2. Червоточина Фламма

Поскольку одно из измерений нашей Вселенной на этом рисунке отсутствует, вам следует думать о себе как о двумерном существе, перемещения которого ограничены поверхностью изогнутого «листа» или двумерных стенок червоточины. Есть два способа попасть из пункта A нашей Вселенной в пункт B: короткий путь (синий пунктир) по стенке червоточины и длинный путь (красный пунктир) по поверхности «листа» нашей Вселенной.

Разумеется, пространство нашей Вселенной трехмерно, а не двумерно. И концентрические окружности на левой части рис. 14.2 – это на самом деле вложенные одна в другую зеленые сферы, показанные на правой части рисунка. Войдя в червоточину и двигаясь по идущему от точки А синему пунктиру, вы будете проходить через сферы всё меньшего и меньшего размера. Затем сферы, хоть они и вложены одна в другую, перестанут менять размер. А потом, по мере того как вы будете выбираться из червоточины, приближаясь к точке B, величина сфер начнет расти.