Мечта о межзвездных путешествиях часто разбивается о суровые законы физики: даже ближайшая звезда, Альфа Центавра, находится в четырех световых годах от нас. В своем новом материале популяризатор науки Айзек Артур (Isaac Arthur) исследует возможности создания ультрарелятивистских космических кораблей, способных развивать скорости, близкие к световым, и анализирует, какие технологии позволят человечеству преодолеть «тиранию ракетного уравнения».
🌌 Физика за пределом: что такое ультрарелятивистская скорость 0:01
Одной из самых разочаровывающих истин для физика, выросшего на научной фантастике, является невозможность движения быстрее скорости света . Однако, по словам Артура, даже приближение к этому пределу представляет собой колоссальную техническую сложность. Современные химические ракеты с гравитационными маневрами достигают лишь 0,1% от скорости света, что означает путь до ближайшей звезды длиной в 4000 лет .
Автор выделяет несколько уровней технологий:
- Ионные и ядерные двигатели: позволяют развить скорость до 1% световой .
- Проект «Орион» (ядерно-импульсный привод): потенциально может достичь нескольких процентов световой скорости .
- Термоядерные двигатели: могут разогнать корабль до 10% световой скорости, но вряд ли дотянут до 50% .
Настоящая «ультрарелятивистская» зона начинается на отметке 86,6% от скорости света. По мнению Артура, именно на этой скорости кинетическая энергия корабля начинает превышать его собственную энергию покоя (массу) . В качестве примера из реальности он приводит частицу «О боже мой» (Oh-My-God particle), обнаруженную в 1991 году, которая двигалась со скоростью 99,99999999999999999999951% от световой .
⏳ Парадокс времени и субъективные перелеты 3:52
Главным стимулом для достижения таких скоростей является замедление времени. Как утверждает Артур, отношение массы к общей энергии определяет, как экипаж будет воспринимать время :
- На скорости 86,6% c время для путешественника течет в два раза медленнее, чем для стороннего наблюдателя .
- На скорости 99,5% c время замедляется в 10 раз .
- При скорости 99,995% c путь в 100 световых лет займет для экипажа всего один год субъективного времени .
С точки зрения экипажа расстояние буквально сокращается (лоренцево сокращение), а с точки зрения Земли — их часы просто идут медленнее . Это делает возможным колонизацию огромных радиусов космоса без необходимости использовать «корабли поколений» или криогенную заморозку .
🚀 Двигатели будущего: антиматерия и черные дыры 5:21
Главным препятствием остается «тирания ракетного уравнения»: кораблю нужно нести топливо не только для разгона, но и для торможения . Термоядерный синтез высвобождает лишь около 1% энергии массы частиц, чего недостаточно для рывка к свету .
Артур рассматривает более радикальные варианты:
- Аннигиляционные двигатели: использование антиматерии дает выхлоп со скоростью света (фотоны) . Автор полагает, что в будущем человечество освоит хранение и производство антиматерии с гораздо меньшими затратами, чем нынешние 10 миллионов к одному .
- Прямоточный двигатель Буссарда (Bussard Ramscoop): сбор межзвездного водорода прямо по пути. Это позволяет не нести топливо с собой, но сталкивается с проблемой огромного сопротивления межзвездной среды .
- Двигатели на микроскопических черных дырах: использование излучения Хокинга для создания тяги .
- Фотонные ракеты: испускание чистого света назад, что является идеальным вариантом с точки зрения скорости выхлопа, но требует невероятно мощных источников энергии .
🔦 Лазерные магистрали: лучший вариант по мнению Артура 16:03
Наиболее перспективным и реализуемым методом автор считает использование лазерных или материальных парусов . В этой концепции энергия для разгона передается на корабль извне с помощью мощных стационарных установок.
Преимущества этого подхода:
- Кораблю не нужно нести топливо для разгона и торможения.
- Большие паруса можно использовать для торможения об межзвездную пыль (аэродинамическое сопротивление) .
- Возможность создания «межзвездных лазерных шоссе» в развитых звездных системах .
Однако у системы есть и минус: такой корабль теряет свободу маневра и становится зависимым от инфраструктуры, напоминая скорее поезд на рельсах, чем свободный исследовательский фрегат .
🛡️ Смертоносная пустота: пыль как главная угроза 7:33
На ультрарелятивистских скоростях космос перестает быть пустым. Артур подчеркивает, что даже при плотности один атом на кубический метр, на скорости 99,995% c корабль ежесекундно сталкивается с 30 миллиардами атомов на каждый квадратный метр площади . Каждая такая частица ударяет с силой, в 100 раз превышающей её энергию покоя .
Еще опаснее космическая пыль:
- Песчинка, едва видимая глазу, на таких скоростях превращается в катастрофический снаряд .
- На её обнаружение и уничтожение лазером у системы безопасности будет всего около 3 секунд при дистанции в миллиард метров .
- Для защиты потребуются массивные передние щиты, что делает бессмысленным создание крошечных нано-кораблей — броня все равно должна быть тяжелой .
💰 Экономика первого хода 11:40
В условиях цивилизации пост-дефицита, по мнению автора, стоимость энергии отходит на второй план по сравнению со стратегической выгодой . Артур приводит расчет: если колонист прибудет в новую систему на 80 лет раньше конкурента благодаря дорогому двигателю на антиматерии, он получит доступ ко всей энергии звезды, которая раньше просто уходила в пустоту . Для Солнца это порядка $4 \times 10^{26}$ Ватт . За 80 лет это дает безумный объем энергии в $10^{36}$ Джоулей, что с лихвой окупает любые затраты на разгон .
