# Мэтт О'Дауд: «Межзвездная среда пытается нас убить, но этого недостаточно»

Источник: https://www.youtube.com/watch?v=wdP_UDSsuro
Канал: PBS Space Time
Опубликовано: 22.06.2022

---

Космос — смертельно опасное место, но действительно ли он настолько враждебен, что человечество обречено навсегда остаться в пределах Солнечной системы? В поисках ответа на знаменитый парадокс Ферми ученые часто сталкиваются с теорией о том, что межзвездные путешествия попросту нецелесообразны из-за колоссальных технических трудностей. Ведущий научно-популярного канала PBS Space Time Мэтт О'Дауд подробно разбирает, какие опасности таит в себе межзвездная среда и действительно ли физика ставит крест на наших мечтах о далеких мирах.

## 🌌 Великое молчание Вселенной и парадокс Ферми
[[JUMP:0:00]]

С тех пор как физик Энрико Ферми задал свой знаменитый вопрос: «Где все?» [0:18], человечество не перестает размышлять над парадоксом Ферми. В галактике, где миллиарды планет существовали миллиарды лет, создавая условия для зарождения технологических цивилизаций, мы не видим никаких следов тех, кто прошел этот путь до нас [0:33]. Существует множество объяснений этого феномена: от оптимистичных (мы одни из первых, кто преодолел эволюционные барьеры) до пугающих (все развитые цивилизации быстро уничтожают себя) [0:49].

Однако существует еще одно объяснение, которое Мэтт О'Дауд называет самым скучным, но крайне правдоподобным: мы не видим инопланетян просто потому, что межзвездные перелеты слишком сложны и не стоят затраченных усилий [1:19]. Технологические цивилизации могут возникать, развиваться и достигать невероятного уровня прогресса, но ни одна из них не колонизирует галактику, поскольку транспортировка живых существ между звездами сопряжена с колоссальными рисками и энергозатратами [1:31]. 

Сложность межзвездных путешествий обусловлена двумя ключевыми факторами:

*   Колоссальные расстояния между звездными системами [1:46].
*   Смертоносная природа самой межзвездной среды [3:18].

## 🚀 Проблема огромных расстояний и как её решить
[[JUMP:1:46]]

Первая и наиболее очевидная проблема — это гигантские расстояния [1:46]. Ближайшая к нам звезда, Проксима Центавра, находится на расстоянии 4,2 световых года [2:01]. Самому быстрому из когда-либо созданных человечеством космических аппаратов — солнечному зонду Parker, летящему со скоростью 163 км/с, — потребовалось бы более 7000 лет, чтобы добраться туда (даже если бы он летел точно в цель) [2:01]. 

Для того чтобы перелет имел смысл для человека, время в пути должно укладываться в рамки человеческой жизни. Это означает необходимость движения на релятивистских скоростях — значительных долях скорости света [2:19].

По мнению Мэтта О'Дауда, проблема скорости принципиально решаема [2:32]. В качестве примера он приводит проект Breakthrough Starshot, который предлагает отправить к Альфе Центавра флот микрозондов на световых парусах [2:32]. Мощный лазерный массив с Земли должен разогнать эти крошечные аппараты до 20% от скорости света [2:32]. 

Конечно, эти зонды представляют собой лишь кремниевые чипы, а транспортировка людей потребует кораблей на много порядков массивнее из-за систем жизнеобеспечения и защитных экранов [2:47]. Тем не менее, теоретически возможны и более продвинутые двигательные установки:

*   Гигантские световые паруса [3:03].
*   Компактные термоядерные двигатели [3:03].
*   Двигатели на аннигиляции материи и антиматерии [3:03].

Хотя эти технологии относятся к далекому будущему, физика не запрещает их создание. Главная проблема кроется во втором факторе — в том, что межзвездное пространство буквально пытается уничтожить любого путешественника [3:18].

## ☄️ Межзвездная среда: невидимый убийца
[[JUMP:3:18]]

Пространство между звездами в нашей Галактике далеко не пусто. Оно заполнено диффузным газом и пылью, которые называют межзвездной средой (ISM) [3:36]. На релятивистских скоростях даже одиночная молекула превращается в крошечную пулю [3:50], не говоря уже о космических лучах — высокоэнергетических частицах, способных уничтожить все живое [3:50].

Будущее человечества как межзвездного вида зависит от ответа на простой вопрос: можно ли снабдить крупный пилотируемый корабль адекватной защитой от микрочастиц, не утяжелив его настолько, что разгон до релятивистских скоростей станет физически невозможным? [4:02] Если ответ «нет», то парадокс Ферми решается самым разочаровывающим образом: все цивилизации просто вынуждены оставаться дома [4:20].

Чтобы оценить масштаб угрозы, Мэтт О'Дауд предлагает смоделировать полет корабля к Проксиме Центавра на скорости 20% от скорости света (0,2 c) [4:32].

На такой скорости столкновение даже с миллиметровой пылинкой высвобождает сотни миллионов джоулей кинетической энергии, что мгновенно испарит корабль [5:06]. К счастью, крупные микрометеориты распределены неравномерно. Их концентрация высока внутри планетных систем, но резко падает при выходе в межзвездное пространство [5:23, 5:35]. Покинув плоскость эклиптики Солнечной системы, корабль окажется в относительной безопасности от крупных объектов [5:35].

Межзвездная среда Млечного Пути состоит из:

*   99% газа по массе (из которых около 90% составляет водород, а остальное — гелий с примесями тяжелых элементов) [6:02, 6:14].
*   1% очень мелких пылевых зерен (силикаты и углеродные соединения) [6:02, 6:41].

Средняя плотность газа в диске Галактики составляет около 1 атома на кубический сантиметр [6:14]. Однако Солнечная система находится внутри так называемого Местного пузыря — области разреженного газа, образовавшейся после взрыва древней сверхновой [6:29]. Здесь плотность еще ниже — примерно 1 атом на 10 кубических сантиметров [6:29].

Большинство межзвездных пылинок имеют размер от 0,1 до нескольких десятых долей микрометра [6:56]. Частицы большего размера вне звездных систем встречаются крайне редко, поэтому физическим разрушением от одного столкновения с крупным объектом можно пренебречь [7:08]. Тем не менее, за время перелета длиной в 4 световых года корабль неизбежно столкнется с колоссальным количеством мелких частиц [7:21].

## 🛡️ Проектирование щита: испарение обшивки
[[JUMP:7:21]]

Мэтт О'Дауд проводит аналогию с метеором или спутником, сгорающим в верхних слоях атмосферы Земли [7:34]. Несмотря на то, что плотность воздуха там ничтожна, высокая скорость объекта (десятки километров в секунду) приводит к колоссальному выделению тепла [7:50].

Плотность межзвездной среды примерно в $10^{16}$ раз меньше плотности верхних слоев атмосферы, но релятивистский корабль движется в 10 000 раз быстрее спутника [8:02, 8:15]. Расчеты показывают, что тепловая нагрузка на корабль от столкновения с межзвездным газом будет примерно в миллиард раз ниже, чем при входе спутника в атмосферу [8:31]. Это означает, что умеренная тепловая защита и радиаторы справятся с перегревом [8:31].

Однако существует проблема эрозии. Согласно исследованию физика Тхием Хоанга и его коллег от 2016 года, легкие элементы (водород и гелий) не наносят глубоких структурных повреждений, а лишь нагревают обшивку [8:58]. Но более тяжелые элементы (такие как кислород и железо) оставляют перманентные микрократеры [9:11]. 

По оценкам Хоанга, за время пути к Альфе Центавра на скорости 0,2 c:

*   Газовая эрозия испарит переднюю часть обшивки на глубину около 0,5 мм [9:27].
*   Столкновения с микропылью увеличат глубину повреждений носового щита примерно до 1 мм [9:40].

Для крошечных чипов проекта Breakthrough Starshot такое повреждение фатально [9:55], но для крупного пилотируемого корабля это решаемая проблема. Достаточно установить на носу корабля защитный экран («лобовое стекло») толщиной в несколько миллиметров [9:55]. Чтобы минимизировать массу этого щита, сам корабль должен иметь максимально вытянутую и узкую форму (иглы) [9:55]. Для более длительных путешествий можно использовать отклоняющие магнитные поля или вспомогательные защитные блоки, летящие впереди основного судна [10:44].

## ☢️ Главный барьер: смертоносная радиация для экипажа
[[JUMP:10:56]]

Даже если сам корабль прибудет к цели целым, его экипаж рискует погибнуть в пути от радиации [10:56]. Если тяжелые элементы задерживаются миллиметровым щитом, то атомы водорода проникают в обшивку на порядок глубже [11:12]. На релятивистских скоростях встречные атомы водорода лишаются своих электронов и превращаются в поток высокоэнергетических протонов [11:12].

Согласно расчетам Олега Семенова, опубликованным в работе 2006 года, экипаж неэкранированного релятивистского корабля подвергнется уровню облучения, сопоставимому с пребыванием внутри активной зоны ядерного реактора [11:30]. Это мгновенно убьет любой живой организм [11:30].

Для защиты от этого излучения на скорости 0,2 c потребуется:

*   Титановый щит толщиной 1–2 сантиметра [11:42].
*   Альтернативно — водяной щит толщиной около 1 метра (вода удобна тем, что корабль в любом случае несет её запасы) [11:42].
*   Внутренний слой из свинца или аналогичного тяжелого материала для поглощения вторичного излучения [11:58].

Если увеличить скорость полета ближе к световой, толщина титанового щита должна вырасти до нескольких метров, а водяного — до десятков метров [12:11]. На релятивистских скоростях любые выходы в открытый космос полностью исключены [12:11].

Вторая радиационная угроза — космические лучи [12:11]. Они приходят со всех сторон, поскольку разгоняются колоссальными магнитными полями черных дыр и сверхновых по всей галактике [12:27]. Доза от космических лучей ниже, чем от встречного межзвездного газа, и она не убьет экипаж мгновенно, но резко повысит риск развития рака за время перелета [12:41].

Защититься от космических лучей крайне сложно, поскольку они бомбардируют корабль со всех сторон [12:55]. Если разогнать корабль до 80–90% от скорости света, из-за релятивистской аберрации почти все частицы будут казаться летящими спереди, и тогда носовой щит справится с защитой [12:55]. Но на более реалистичных скоростях (около 20% c) защитный слой воды толщиной в метр придется распределять по всей площади корабля [13:09]. Это создаст огромную избыточную массу, которую современные и перспективные двигатели просто не смогут разогнать [13:09]. 

Мэтт О'Дауд резюмирует: скорее всего, первым поколениям межзвездных путешественников придется смириться с высокими рисками для здоровья ради достижения цели [13:21]. Межзвездные полеты невероятно сложны, но законы физики не делают их невозможными [13:51]. Таким образом, парадокс Ферми нельзя объяснить банальной невозможностью перелетов — Вселенная пытается нас убить, но делает это недостаточно усердно [14:09].

## 💬 Ответы на вопросы зрителей: от квантовой реальности до черных дыр
[[JUMP:15:08]]

В традиционной рубрике ответов на вопросы зрителей Мэтт О'Дауд разобрал несколько сложных физических концепций, затронутых в прошлых выпусках.

### Квантовый антиреализм Антона Цайлингера и Стивена Хокинга
[[JUMP:15:26]]

Один из зрителей поинтересовался, согласуется ли описание квантовой механики Антоном Цайлингером с антиреалистичной позицией Стивена Хокинга [15:26]. 

По мнению О'Дауда, эти взгляды действительно близки [15:40]. В своей книге «Высший замысел» (The Grand Design) Хокинг писал, что не существует независимой от теории концепции реальности [15:52]. Вместо этого он предлагал использовать «модельно-зависимый реализм» — идею о том, что физическая теория является лишь моделью и набором правил, связывающих элементы модели с нашими наблюдениями [15:52]. Эта же философия лежит в основе информационной интерпретации квантовой механики Цайлингера [16:05].

### Корпускулярно-волновой дуализм
[[JUMP:16:05]]

Отвечая на вопрос о том, исключает ли ответ на вопрос «является ли электрон частицей» ответ на вопрос «является ли он волной», О'Дауд отметил важность правильной формулировки [16:21, 16:52]. 

В рамках квантовой механики мы не можем одновременно получить информацию о волновых и корпускулярных свойствах системы [16:34]. Правильнее формулировать это как выбор между вопросами: «какова фаза волны?» и «через какой детектор прошла частица?» [16:52]. Задать оба вопроса одновременно в рамках одного эксперимента физически невозможно [17:17].

### Объединение сил внутри черных дыр
[[JUMP:17:17]]

Отвечая на вопрос о поведении фундаментальных взаимодействий в сингулярности, О'Дауд подтвердил, что по мере приближения к центру черной дыры материя достигает экстремальных плотностей [17:31]. В этих условиях электромагнитное, слабое и сильное ядерные взаимодействия (а возможно, и гравитация) должны объединяться [17:43]. Хотя точной теории квантовой гравитации еще нет, физики имеют ряд гипотез — например, теорию «пушистых комков» (fuzzball) в теории струн [17:58].

### Считывание информации через излучение Хокинга
[[JUMP:18:11]]

Зрители спросили, можно ли узнать о процессах внутри черной дыры, изучая запутанное с ней излучение Хокинга [18:11]. 

По словам О'Дауда, теоретически это возможно [18:26]. Однако получение детальной информации о недрах черной дыры извне нарушило бы классическую теорему «об отсутствии волос» [18:42], согласно которой черная дыра характеризуется только массой, зарядом и угловым моментом [18:54]. Многие физики полагают, что эта теорема должна быть нарушена для разрешения информационного парадокса черных дыр [18:54].