# Пять теоретических способов межзвездных полетов от PBS Space Time Источник: https://www.youtube.com/watch?v=EzZGPCyrpSU Канал: PBS Space Time Опубликовано: 15.10.2015 --- Межзвездные путешествия могут стать реальностью гораздо быстрее, чем кажется на первый взгляд, если человечество проявит достаточную политическую волю и готовность к колоссальным финансовым затратам. В новом материале научно-популярного канала PBS Space Time ведущий подробно разбирает пять перспективных технологических концепций, способных доставить космический аппарат к ближайшей звездной системе Альфа Центавра. От контролируемых взрывов водородных бомб до искусственных черных дыр — эти проекты балансируют на грани современной физики и инженерной фантастики, но вполне достижимы в обозримых масштабах времени. ## 🌌 В погоне за Альфой Центавра: уравнение веса и предела [[JUMP:0:01]] Человечество стоит перед фундаментальным вопросом колонизации других миров. Илон Маск в свое время задавался вопросом, почему мы до сих пор не видим следов великих галактических империй и не усеяна ли наша Галактика остатками цивилизаций одной планеты. Прежде чем обращаться к совсем экзотическим концепциям вроде безинерционного EM Drive, кротовых нор или варп-двигателя Алькубьерре, автор видео предлагает сосредоточиться на технологиях, реалистичных для нашего поколения. Ведущий подчеркивает, что первая экспедиция человечества к звездам не должна ждать фантастических открытий далекого будущего. Для иллюстрации масштаба задачи моделируется гипотетический сценарий: ученые обнаружили пригодную для жизни «Землю 2.0» в системе Альфа Центавра на расстоянии 4,4 световых лет. Чтобы добраться туда раньше вымышленных соперников-«кербалов» и успеть до падения на нашу планету надвигающегося астероида K1, инженерам необходимо найти идеальный баланс между скоростью корабля и временем, необходимым на разработку технологии. Этот расчет ведущий называет «уравнением веса» (weight calculation): нет никакого смысла запускать примитивный и медленный корабль через 20 лет, если высокотехнологичный аппарат, запущенный через 50 лет, с легкостью обгонит его в пути. ## 🚀 Вариант 1: Традиционное ракетное топливо и его космические тупики [[JUMP:1:38]] Использование классического химического ракетного топлива для межзвездных полетов, по жесткой оценке автора, является абсолютно тупиковым путем. Самым быстрым пилотируемым кораблем в истории цивилизации остается ракета миссии «Аполлон-10», которая сумела развить скорость около 25 000 миль в час. При таких показателях полет до Альфы Центавра занял бы у астронавтов астрономические 120 тысяч лет. Главным ограничивающим фактором здесь выступает закон сохранения импульса и суровое уравнение Циолковского. Оно гласит, что максимальная скорость корабля жестко привязана к скорости истечения газов, а также к массам топлива и самого аппарата. Чтобы долететь до Альфы Центавра за время человеческой жизни, кораблю необходимо развить скорость не менее 10% от скорости света ($0.1c$). Ведущий приводит наглядное сравнение: для достижения такой скорости на стандартном жидком топливе потребуется топливный бак, размеры которого физически превышают масштабы всей наблюдаемой Вселенной. Физика оставляет лишь два пути для набора высокой скорости: выбрасывать назад огромную массу реактивной струи либо разгонять гораздо меньшую массу, но до колоссальных релятивистских скоростей. ## ☢️ Вариант 2: Ядерный импульс и термоядерный синтез проекта Orion [[JUMP:2:44]] Для достижения максимальной скорости необходимо топливо с наивысшей плотностью энергии, основанное на прямой конверсии массы в энергию по формуле $E=mc^2$. Самым брутальным и одновременно реалистичным решением этой задачи в XX веке стал знаменитый проект «Орион» (Project Orion), разрабатывавшийся выдающимся физиком Фриманом Дайсоном и его коллегами в конце 1950-х и 1960-х годах. Суть концепции заключается в контролируемом подрыве ядерных зарядов позади космического корабля, который буквально «серфит» на мощных взрывных волнах. Базовые расчеты проекта с использованием современных термоядерных технологий выглядят следующим образом: * Доля массы топлива: около 3/4 от всей стартовой массы межзвездного корабля. * Боезапас: 300 000 водородных бомб мощностью 1 мегатонна каждая. * Режим разгона: последовательный подрыв зарядов один за другим в течение примерно одного месяца с постоянным комфортным ускорением в 1G. Подобная схема разгона позволяет достичь заветных 10% скорости света, что обеспечит прибытие к Альфе Центавра всего за 44 года. Однако автор указывает на критическую проблему — торможение в пункте назначения. Если тратить половину топлива на остановку у цели, начальную маршевую скорость придется уменьшить вдвое, из-за чего полет в один конец растянется на 90 лет. В таком случае потребуется смениться трем поколениям людей на борту. Тем не менее, эта технология считается наиболее быстро реализуемой, так как человечество прекрасно научилось создавать термоядерное оружие еще в эпоху Холодной войны, хотя Договор о запрещении испытаний 1963 года накладывает на космические ядерные взрывы строгий международный запрет. В качестве альтернативы ведущий упоминает более «аккуратные» термоядерные двигатели с замкнутой реакцией — импульсные системы вроде проекта «Дедал» (Project Daedalus) или непрерывный управляемый синтез. Они способны поднять планку скорости чуть выше $0.1c$, однако технологии удержания термоядерной плазмы только начинают зарождаться и сопряжены с колоссальными трудностями на стыке ракетостроения и ядерной физики. ## 💥 Вариант 3: Двигатели на антиматерии и релятивистское замедление времени [[JUMP:4:41]] Если термоядерный синтез превращает в чистую энергию менее 1% массы покоя вещества, то аннигиляция материи и антиматерии дает стопроцентную эффективность. По словам автора, это невероятно эффективное топливо: всего 10 граммов антиматерии хватит, чтобы долететь на обитаемом корабле до Марса всего за один месяц. Главным камнем преткновения остается добыча и безопасное хранение антивещества. Сегодня его получают в ускорителях частиц мизерными порциями, что обходится астрономически дорого. Чтобы построить полноценный межзвездный корабль, человечеству необходимо масштабировать производство антипротонов примерно в 100 триллионов триллионов раз ($10^{26}$). Если эта промышленная задача будет решена, физики смогут построить так называемый пионный двигатель. Аннигиляция протонов и антипротонов порождает заряженные пионы, движущиеся со скоростями, близкими к световой. Направляемые мощными магнитными полями, эти частицы обеспечат тягу, которая в 50 раз превышает энергоэффективность лучших термоядерных альтернатив на килограмм топлива. В этом случае вполне достижима скорость в $0.5c$ (полет до Альфы Центавра за 9 лет) или даже $0.8c$. При разгоне до $0.8c$ начнет активно проявляться релятивистский эффект замедления времени, благодаря которому для самих астронавтов на борту субъективное путешествие займет всего 3,3 года. ## ⛵ Вариант 4: Световые паруса и лазерные магистрали [[JUMP:6:02]] Что если полностью отказаться от необходимости нести тяжелое топливо и массивное рабочее тело на борту корабля? Концепция светового паруса предлагает кораблю скользить сквозь космос под давлением колоссального направленного луча света. Инженерное решение предполагает создание паруса шириной в километр со специальным сапфировым покрытием. Двигать его будет гигантский космический лазер, чья мощность эквивалентна суммарной выработке 100 средних атомных электростанций. Большинство современных концепций световых парусов разрабатывались исключительно для беспилотных межзвездных зондов. Скорость в 10% от световой считается вполне реальной при использовании ультралегкого углеволоконного паруса, подгоняемого направленным микроволновым излучателем от одной АЭС (это современный апдейт классического проекта Starwisp Роберта Форварда). Однако для транспортировки живых людей потребуется гораздо более масштабная система: * Лазер видимого диапазона невероятных размеров, размещенный на поверхности Луны и питаемый реакторами на гелии-3, либо выведенный на устойчивую орбиту вокруг Солнца с гигантскими массивами солнечных батарей. * Огромный парус со специальным передовым жаропрочным и высокоотражающим покрытием. Поскольку корабль не обременен весом топлива, его максимальная скорость ограничена только мощностью лазера, точностью фокусировки луча и размерами паруса. Скорости выше $0.1c$ выглядят технически выполнимыми. Тем не менее, проблема торможения у цели остается критической — авторы упоминают теоретический вариант деселерации за счет встречного звездного ветра целевой системы, хотя на практике это крайне трудно реализовать. ## 🕳️ Вариант 5: Двигатель на черных дырах — сингулярность «Кугельблиц» [[JUMP:7:32]] Самым экзотическим, но физически обоснованным вариантом сублюминального (досветового) корабля ведущий называет двигатель, работающий на энергии искусственной черной дыры Шварцшильда. Речь идет о концепции под названием «Кугельблиц» (Kugelblitz — в переводе с немецкого «шаровая молния»), где сингулярность формируется не из сверхплотной массы, а из чистой энергии концентрированного света. Если сфокусировать лазерный луч колоссальной плотности энергии в микроскопической области пространства, это вызовет экстремальное искривление ткани пространства-времени и породит полноценную сингулярность. Такой рукотворный объект начинает интенсивно излучать радиацию Хокинга. При этом существует жесткая квантовая зависимость: чем меньше черная дыра, тем мощнее ее излучение. Ученые рассчитали идеальные параметры для подобной двигательной установки: * Масса черной дыры: около 600 миллиардов килограммов (эквивалентно массе двух зданий Эмпайр-стейт-билдинг). * Физический размер: примерно равен диаметру одного протона. * Выделяемая мощность: порядка 160 петаватт, что примерно в 10 000 раз превышает суммарное энергопотребление всего современного человечества. * Срок жизни сингулярности: около 3,5 лет до момента ее полного испарения. Если черная дыра будет меньше, она испарится слишком быстро и взорвется; если больше — интенсивность излучения упадет, а избыточная масса не позволит эффективно разгонять корабль. При условии успешного улавливания и перенаправления этого излучения, корабль сможет разогнаться до 10% скорости света всего за 20 дней. Ведущий с иронией добавляет, что это определенно самый крутой тип сублюминального двигателя, который использовали даже ромулане в культовой фантастической франшизе «Звездный путь». Единственный фундаментальный минус — лазеры для создания такой черной дыры должны обладать мощностью, значительно превосходящей энергетические показатели самой сингулярности, что делает технологию делом очень далекого будущего. ## 📅 Реалистичный таймлайн: когда человечество достигнет звезд? [[JUMP:9:16]] Анализируя все доступные варианты, автор видео приходит к выводу: если бы перед человечеством стояла задача колонизации в максимально сжатые сроки под угрозой вымирания, выбор однозначно пал бы на ядерный проект Orion. Базовые технологии для этого у нас уже есть, необходимо лишь увеличить мировой ядерный арсенал примерно в 200 раз. В таком супероптимистичном сценарии первые люди могли бы высадиться на Альфе Центавра уже в районе 2120 года. Другие перспективные технологии распределяются по шкале времени следующим образом, согласно оценкам PBS Space Time: * Термоядерные двигатели: появятся минимум через 50 лет, доставка первой пилотируемой экспедиции состоится во второй половине XXII века. * Чистая антиматерия и двигатели «Кугельблиц»: корабли далекого будущего, которые пригодятся для полноценного исследования Галактики на околосветовых скоростях. * Беспилотные световые паруса: наиболее близкая реальность. Межзвездные зонды типа Starwisp могут быть запущены менее чем через 30 лет. Полет займет около 45 лет, и еще 4,5 года потребуется радиосигналу, чтобы донести до Земли весть об успехе. По мнению автора, молодые зрители вполне могут дожить до момента триумфа этой миссии. ## 💬 Ответы на вопросы зрителей: от «обезьяньей скорости» до квантовой запутанности [[JUMP:10:48]] В традиционном блоке ответов на вопросы к прошлому выпуску (где скорость света определялась как фундаментальная скорость причинности) ведущий разобрал несколько популярных дилемм. На вопрос о том, почему скорость света равна именно 300 000 км/с, физик пояснил, что это число — лишь следствие произвольного человеческого определения километра и секунды. В теоретической физике скорость света часто принимают равной единице ($c=1$), переходя к так называемым естественным единицам измерения. Гораздо интереснее, по его словам, изучать соотношения фундаментальных констант: если их сильно изменить, наша Вселенная в привычном виде просто не сможет существовать. Отвечая на вопросы о квантовой запутанности и возможности мгновенной передачи сообщений, автор подчеркнул, что «жуткое дальнодействие» (как называл его Альберт Эйнштейн) действительно схлопывает волновую функцию мгновенно на огромных расстояниях. Однако фундаментальные законы физики устроены так, что этот феномен принципиально невозможно использовать для передачи информации быстрее скорости света, а значит, принцип причинности остается незыблемым. Завершая выпуск, ведущий ответил зрителю Эду Стефену, спросившему, зачем говорить о гравитационных волнах, если они еще не были зафиксированы напрямую. В качестве контраргумента он привел яркую цитату популяризатора науки Гарета Дина: «Уток мы пока не видели, но кто-то определенно крякает и ворует наши хлебные палочки». Напоследок автор официально разрешил зрителю с ником The Colonel в шутку называть скорость света «абсолютной обезьяньей скоростью».