Физика невозможного - Мичио Каку

Учитывая стремительное продвижение программы SETI и обнаружение все новых внесолнечных планет, контакт с внеземной жизнью — считая, разумеется, что таковая существует в нашей ближайшей окрестности, — может произойти уже в этом столетии, что заставляет отнести такой контакт к I классу невозможности. Если в космосе действительно существуют иные цивилизации, возникает следующий очевидный вопрос: сможем ли мы когда-нибудь добраться до них? И как насчет нашего собственного отдаленного будущего, когда Солнце начнет расширяться и готово будет поглотить Землю? Неужели наша судьба действительно там, среди звезд?

9. Звездолеты

Нелепая идея выстрелить в Луну — прекрасный пример того, до какого абсурда может довести ученых порочная специализация... совершенно очевидно, что это предложение в принципе нереализуемо.

А. Бикертон, 1926 г.

Лучшая часть человечества, по всей вероятности, никогда не погибнет, но будет переселяться от солнца к солнцу, по мере их погасания. Нет конца жизни, конца разуму и совершенствованию человека. Прогресс его вечен.

Константин Циолковский, отец ракетной техники

Однажды в далеком будущем наступит наш последний спокойный день на Земле. Когда-нибудь, через миллиарды лет, небо вспыхнет огнем. Солнце вспухнет пламенным шаром, бушующий ад заполнит небеса. Температура на Земле резко подскочит, океаны вскипят и испарятся, оставив после себя обугленную иссохшую пустыню. Горы постепенно расплавятся и потекут потоками лавы по тем местам, где когда-то стояли полные жизни города.

Законы природы говорят нам, что этот мрачный сценарий — наше неизбежное будущее. Когда-нибудь Земля погибнет в пламени и будет поглощена Солнцем. Это закон природы.

Катастрофа произойдет в течение ближайших 5 млрд лет. В этом космическом масштабе расцвет и падение человеческих цивилизаций кажется крохотной рябью на поверхности океана времени. Когда-нибудь мы должны будем покинуть Землю или умереть. И когда условия на Земле станут невыносимыми, человечеству, нашим потомкам, придется что-то предпринимать. Что?

Математик и философ Бертран Расселл однажды посетовал, «что ни огонь, ни героизм, ни сила мысли или чувства не могут сохранить жизнь после могилы; что все труды веков, вся преданность, все вдохновение, вся полуденная яркость человеческого гения обречены на гибель в гигантском пожаре Солнечной системы; и весь храм достижений Человека с неизбежностью будет погребен под развалинами Вселенной...».

Для меня его слова — одно из самых отрезвляющих высказываний. Но Расселл писал в те времена, когда ракетные корабли считались невозможными. Сегодня перспектива когда-нибудь покинуть Землю уже не кажется столь фантастической. Карл Саган как-то заметил, что нам следовало бы стать «двупланетным видом». Жизнь на Земле столь драгоценна, сказал он, что ее следовало бы распространить по крайней мере еще на одну планету — на случай катастрофы. Земля движется в «космическом тире», полном астероидов, комет и других обломков, дрейфующих недалеко от ее орбиты. Столкновение с любым из них может привести к гибели человечества.

Поэт Роберт Фрост задавался вопросом: каким образом погибнет Земля, в пламени или во льду? Мы, зная законы природы, можем уверенно предположить, каким будет конец мира в случае естественной катастрофы.

Если говорить о тысячелетиях, то одной из опасностей, угрожающих нашей цивилизации, является наступление нового ледникового периода. Последний такой период закончился 10 000 лет назад. Еще через 10-20 тыс. лет, когда наступит следующий, большая часть Северной Америки может оказаться под километровым слоем льда. Расцвет человеческой цивилизации приходится на нынешнее недолгое межледниковье, когда климат на Земле стоит необычайно теплый, но такая ситуация не может продолжаться вечно.

Если говорить о миллионах лет, то катастрофический эффект может принести столкновение с Землей какого-нибудь крупного метеорита или кометы. Последнее подобное столкновение имело место 65 млн лет назад, когда на полуостров Юкатан в Мексике обрушился объект примерно Юкмвпоперечнике. На месте падения возник кратер диаметром около 300 км. Результатом его стало вымирание динозавров — доминировавшей в то время на Земле формы жизни. В этом масштабе времени еще одно космическое столкновение представляется вполне вероятным.

Через несколько миллиардов лет Солнце, постепенно расширяясь, поглотит Землю. Более того, по нашим оценкам, за ближайший миллиард лет Солнце разогреется примерно на 10% и сожжет Землю. Через 5 млрд лет Солнце превратится в красный гигант и в процессе этой эволюции полностью поглотит нашу планету. Земля окажется внутри атмосферы звезды.

Через 10 млрд лет погибнут и Солнце, и галактика Млечный Путь. Наше Солнце, исчерпав наконец запасы водородно-гелиевого топлива, сожмется и превратится в крохотный белый карлик; постепенно звезда остынет, и со временем от нее в космической пустоте останется только черный ком ядерного шлака. Галактика Млечный Путь столкнется с соседней, гораздо более крупной, галактикой — Туманностью Андромеды. Спиральные рукава Млечного Пути будут оторваны, и наше Солнце, вполне возможно, будет вышвырнуто в пустоту космоса. Черные дыры в центрах обеих галактик, сплясав танец смерти, в конце концов столкнутся и сольются воедино.

Итак, установлено, что человечество должно когда-нибудь покинуть Солнечную систему и переселиться к соседним звездам или погибнуть. Остается вопрос: как туда попасть? До ближайшей к нам звезды, Альфы Центавра, больше 4 св. лет. Традиционные ракеты с химическими реактивными двигателями, рабочие лошадки нынешней космической программы, с трудом развивают скорость до 18 км/с. С этой скоростью лететь до ближайшей звезды пришлось бы 70 000 лет.

Анализируя космическую программу, нельзя не отметить, что между нашими сегодняшними возможностями и характеристиками настоящего звездолета, который позволил бы нам начать исследование Вселенной, существует громадная пропасть. После того как в начале 1970-х гг. закончилось исследование Луны, наша пилотируемая программа предусматривала работу астронавтов на орбитах не выше 500-600 км на шаттлах и Международной космической станции. Однако в 2010 г. NASA планирует прекратить полеты шаттлов и создать вместо них космический корабль «Орион»; этот же корабль должен будет к 2020 г. снова — после полувекового перерыва — доставить астронавтов на Луну. Планируется организовать на Луне постоянную обитаемую базу. После этого, возможно, будет отправлена пилотируемая экспедиция к Марсу.

Очевидно, если мы хотим когда-нибудь добраться до звезд, нам потребуются ракеты совершенно иного типа. Необходимо радикально увеличить либо тягу наших двигателей, либо время их работы. К примеру, крупная ракета с химическими двигателями может обладать тягой в несколько тысяч тонн, но работать она будет всего несколько минут. И наоборот, ракета с двигателем другого типа, например ионным (он будет описан чуть ниже), хотя и обладает небольшой тягой, зато работать в открытом космосе способна годами. Там, где речь идет о ракетах, черепаха всегда обгонит зайца.

В отличие от химических реактивных двигателей, ионные не производят внезапного и очень эффектного выброса раскаленных газов, которые, собственно, и толкают традиционные ракеты. Их тяга обычно измеряется не в тоннах, а в граммах. Если такой двигатель на Земле положить на стол, у него не хватит сил сдвинуться с места. Но все, что эти двигатели недобирают в тяге, они более чем компенсируют продолжительностью работы; в вакууме открытого космоса они способны работать годами[25].

Типичный ионный двигатель напоминает внутренность телевизионной трубки — кинескопа. Электрический ток разогревает нить, которая, в свою очередь, создает поток ионизированных атомов, например, ксенона, которые затем выбрасываются через сопло. Вместо струи раскаленного, взрывного газа ионный двигатель выбрасывает слабый, но постоянный поток ионов.

В 1998 г. NASA провело успешный запуск зонда «Дип Спейс-1» с ионным двигателем NSTAR на борту; этот двигатель проработал в общей сложности 678 суток, установив тем самым новый рекорд. Европейское космическое агентство также провело испытания ионного двигателя на борту лунного аппарата SMART-1. На японском космическом зонде «Хаябуса», который сблизился с астероидом, произвел посадку на него и забор грунта, работали четыре ксеноновых ионных двигателя. Вообще, ионный двигатель по характеристикам выглядит не блестяще, но способен обслуживать дальние (и не слишком спешные) экспедиции к другим планетам. Возможно, когда-нибудь ионный двигатель станет непритязательной рабочей лошадкой межпланетного транспорта.