Об использовании водорода думать пока не приходится, поскольку на сегодняшний день мы умеем производить лишь неуправляемые реакции этого рода в печально знаменитых водородных бомбах. Во всех индустриальныхдержавах проводятся многочисленные исследования с целью овладения термоядерной реакцией, то есть контроля и управления ею, но прогресс в этой области идет медленно. Сейчас космонавты совершают полеты, буквально сидя на большой обыкновенной бомбе. Для создания столь же комфортабельных космических кораблей, оснащенных "водородной бомбой", предстоит еще немало потрудиться...
Зато процесс деления ядра урана уже приручен. И можно представить себе ракету, загруженную жидким водородом, который, пройдя через обычный ядерный реактор, будет выбрасываться назад при очень высокой температуре - следовательно, с очень большой скоростью. Конечно,
ется решить весьма непростые проблемы - например, как защитить экипаж от радиации. Но ядерные ракеты, возможно, имеют большое будущее, правда не близкое.
Возможно применение ионных двигателей, и ими уже пользуются. Они работают на ионизации материи. Иначе говоря, от каждого атома горючего надо оторвать по электрону. Теперь это уже не проблема. Полученные таким образом электрически заряженные ионы разгоняются электрическим полем до скоростей, значительно превосходящих те, что могут быть получены с применением химического топлива, - порядка 100 км/сек. Значит, ракету можно разогнать до значительно больших скоростей при хорошем КПД.
Сейчас такие "ионные ракеты" дают очень слабый первоначальный импульс, несопоставимый с той огромной силой, которая требуется, чтобы космический корабль преодолел земное притяжение. На сегодняшний день лишь один спутник, запущенный в Соединенных Штатах 4 февраля 1970 года, был снабжен двумя небольшими иойными ракетами. Они служат для корректировки его орбиты. Их сила тяги составляет всего 400 мГ! Но не думайте, что эта цифра так уж смехотворно мала: если одно и то же тело будет получать даже слабый импульс в течение нескольких месяцев или лет, то оно станет вполне действенным. Так, если на космический корабль весом в одну тонну в течение года будет воздействовать сила всего в 1 грамм, он достигнет скорости 300 м/сек и пройдет за это время 5 миллионов километров,
НАСА рассмотрела проект юпитерианского зонда, приводимого в движение ртутным ионным двигателем. Зонд будет нести около 400 кг ртути; энергию, необходимую для потребления этого
ва", будут давать солнечные батареи площадью 150 м^ и мощностью 14 кВт. Запуск намечен на апрель 1976 года, а в августе 1978 зонд должен будет достичь Юпитера.
Как видим, даже с применением такой передовой техники межпланетные полеты совершаются очень медленно. А мы знаем: чтобы навестить другие цивилизации, нам потребуется достичь окрестностей соседних звезд. Не забудем о масштабах межзвездных расстояний! Пусть через десятилетия мы сможем достичь Плутона за несколько недель. Но ведь свет от него к нам идет всего пять минут. А свет от ближайшей звезды - четыре года!
БОРЬБА СО ВРЕМЕНЕМ
Продолжительность космических странствий была и остается главным препятствием, с которым сталкивается человек, мечтая побывать во Вселенной. Видимо, есть только два способа "выиграть время"; либо увеличить скорость, либо замедлить жизнь.
Второй вариант еще несколько десятилетий назад вызывал у любителей научной фантастики улыбку. Но теперь, когда медики сперва открыли, потом научились использовать и, наконец, сделали общераспространенным замораживание, его можно рассматривать всерьез.
Как мы уже говорили, холод приостанавливает, но не убивает жизнь. Поэтому в принципе ничто не препятствует неограниченному продлению жизни в замороженном состоянии. Остаются, правда, технические проблемы - следует разработать методику замораживания человеческого тела на долгое время, но есть вполне реальные надежды, что они будут скоро решены.
Таким образом, вполне можно представить себе полет в космос полностью автоматических, как и теперь, кораблей с замороженным экипажем на борту, который будет реанимирован спустя долгие годы, при подлете к цели. Можно даже вообразить, что члены экипажа замораживаются по очереди, просыпаясь на несколько лет, то есть идет нечто подобное обычной корабельной вахте.
Артур С. Кларк впечатляюще изображает такое применение замораживания в своей книге "Космическая Одиссея 2001 года": экипаж космического корабля, отправленного для исследования окрестностей Сатурна, замораживается по очереди. В результате за годы путешествия космонавтов до цели экономятся тонны продуктов, а люди просыпаются свежими и бодрыми. По Кларку, постоянно бодрствуют на корабле только два человека и помощник-робот: их троих достаточно, чтобы обеспечить контроль за аппаратурой. Трое остальных "спят". Именно так, как нам представляется, можно было бы совершить пятнадцатилетний полет в два конца.
Факторы гуманитарного и психологического порядка делают этот способ замедления жизни на практике более затруднительным, чем в теории. Ведь он потребует от тех, кто отправится в путь, полного отречения от всех земных привязанностей, своих современников, своего "века". Но, может быть, все же найдутся желающие отправиться в такое замечательное странствие!
Чтобы уменьшить хотя бы субъективно время межзвездного путешествия, пригодится еще одно чисто физическое явление: релятивистское сокращение времени, известное под названием "Ланжевеновский парадокс космонавта".
Есть разные способы постичь теорию относительности. Можно попытаться ее "понять"
воить физический смысл релятивистских эфс^ектов. Но они так расходятся с нашим повседневным опытом, с привычной нам механикой, что этот путь весьма ненадежен и доступен разве что тем, кто привык обращаться с формулами теории относительности. А можно просто принять .эти формулы на веру (зная, что они достаточным образом проверены) и выводить следствия из них.
Поскольку мы не хотим утомлять читателя математическими расчетами, а без них трудно показать, в чем состоит пресловутый "временной парадокс", ограничимся только констатацией факта: время не абсолютно, как мы привыкли считать. Оно зависит от системы, в которой его измеряют. Так, время, протекшее для меня от полудня нынешнего дня до полудня следующего, для другого совсем не обязательно равняется двадцати четырем часам. Это зависит от того, что я буду делать между двумя моментами.
Например, житель пригорода, каждый день отправляющийся на работу в Париж, привык к тому, что вечером его наручные часы и ходики, которые оставались дома на стене, показывают одно время. Но это только иллюзия, вызванная тем, что скорость пригородной электрички неизмеримо меньше скорости света. На самом деле, наручные часы немного отстали.
Если путешественник удалится от нас со скоростью, близкой к скорости света, затем остановится и таким же образом вернется назад, время для него пройдет намного медленней, чем на Земле. Если, например, он оставит дома брата-близнеца, то, вернувшись, найдет его дряхлым старцем, а сам будет по-прежнему в расцвете сил.
Чтобы проиллюстрировать этот пример, предположим, что и туда, и обратно наш путешественник движется с постоянным ускорением, равным
ускорению падающего тела на Земле: 10 метров в секунду за секунду. Если он удалится на расстояние 800 световых лет от нас, его путешествие продлится всего 27 лет. Но Земля и ее обитатели, когда он вернется, состарятся больше чем на полтора тысячелетия...
Таким образом, и "сокращение времени", и приостанавливание жизни экипажа при помощи замораживания делают путешествие доступным по времени для экипажа космического корабля, однако для оставшихся на Земле время от этого не замедляется. Теория относительности позволяет сколь угодно приближаться к скорости света, хотя и не превышать ее. Для путешествия к Проксиме Центавра и назад все равно понадобится восемь земных лет, для путешествия на 500 световых лет - тысяча...
Очевидно, что такого рода космическая экспедиция потребует полного самоотвержения не только от экипажа, но и от "сухопутных" техников, которые лишатся практической возможности воспользоваться результатами своего труда. Потому эти масштабные предприятия могут быть осуществлены усилиями многих поколений в течение десятков, а то и сотен лет - и это при условии, что через несколько лет земляне не бросят занятия космосом, не утратят страсти к познанию Вселенной и не оставят замороженных на произвол судьбы.
Здесь встает еще одна деликатная проблема. Если космическая экспедиция с Земли будет отправлена при недостаточном уровне развития технических средств, ее команда может прибыть на место позднее тех, кто воспользуется новейшими достижениями техники. Представьте себе досаду и отчаяние самоотверженных смельчаков, когда, вернувшись спустя десятилетия к жизни, чтобы осуществить свою мечту, они увидят снисходительные насмешки своих пра-пра-правнуков...
КАКИХ СКОРОСТЕЙ МЫ МОЖЕМ ДОСТИЧЬ?
Теория относительности позволяет представить себе скорости, близкие к световым. Это значит, что мы можем достичь скоростей гораздо больших, чем те, на которые способны наши нынешние космические корабли.
Как мы видели, существенным источником энергии мог бы стать водород. Термоядерная реакция прекрасно известна в теории - ведь именно она производит энергию, излучаемую Солнцем, - и мы умеем получать ее на Земле (термоядерная бомба). Но даже если мы сможем достаточно овладеть ею, чтобы использовать для ракетных двигателей, окажется, что и этой энергии далеко не достаточно.
Дело в том, что практическое использование ракеты возможно лишь при том условии, что "соотношение масс" будет не слишком велико. Под этим имеется в виду соотношение массы ракеты на старте - с двигателями, горючим и всеми необходимыми аксессуарами - с той массой, которую следует запустить.
Простой расчет показывает, что для идеальной ракеты, использующей водородно-гелиевый синтез, соотношение масс, чтобы достичь 0,99 скорости света, составит около 2 миллиардов. Иными словами, чтобы вывести в космос тонну полезного груза, потребуется ракета массой в два миллиарда тонн! Ясно, что такой вариант не может рассматриваться всерьез. Значит, нужно искать еще более сильную реакцию.
Соединяясь для образования молекулы гелия, четыре атома водорода несколько теряют в массе. По знаменитой формуле Эйнштейна Е = тс^, где (с - скорость света), эта масса превращается в энергию. Если мы используем весь водород, теряющийся в процессе термоядерной реакции, то масса и, следовательно, энергия, будет гораздо больше.
Но это разрушение (аннигиляция) вещества уже известно на опыте. Всякой частице - например, протону (ядро атома водорода) - соответствует определенная античастица, например, антипротон. Иногда такие античастицы с космическими лучами попадают на Землю и, сталкиваясь с "нормальными" частицами, уничтожаются, освобождая огромное количество энергии.
Если нам удастся создать из них антиматерию, мы получим энергию 25 миллиардов кВт'ч на килограмм топлива!
К сожалению, мы совершенно не знаем, как это сделать. Не умеем запасать антивещество, которое, естественно, не может содержаться ни в каком сосуде из обычного материала. Не умеем и производить с ним реакции.
Все равно: представим, что наши потомки или представители еще какой-то, более развитой цивилизации научились управлять аннигиляцией материи. Расчет массы ракеты, необходимой, чтобы запустить тонну груза со скоростью, на 1% отличающейся от световой, даст скромную величину 14 тонн. Решение задачи межзвездных путешествий, наконец, найдено? Увы! Эти четырнадцать тонн лишь позволят кораблю покинуть Землю. Но столько же энергии понадобится, чтобы остановить его, и такое же соотношение масс потребуется на обратный путь. В общем, придется построить и запустить ракету массой 40 000 тонн.
Даже если это удастся, толку будет немного, потому что цив-илизации, которая окажется способна запустить в космос такую махину, придется еще ждать - и долго ждать - ее возвращения...
В общем, свет движется слишком медленно, а звезды, даже самые близкие, ужасно далеки...
ПО ТУ СТОРОНУ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ: БЕСКОНЕЧНО БОЛЬШОЕ И БЕСКОНЕЧНО МАЛОЕ
Так что же, межзвездные полеты недоступны для человека? Значит, .представители никакой другой цивилизации никогда нас не посещали и не посетят? .
Конечно, это не так. Ведь до сих пор мы ограничивали себя возможностями (хотя бы чисто теоретическими) в рамках обычной или классической физики. Но, говоря о возможности путешествий в масштабах Галактики, представляя себе цивилизации, обошедшие нашу в развитии на тысячи или даже на миллионы лет, можно и даже полезно пофантазировать.
Несомненно, мир бесконечно большого и бесконечно малого готовит нам еще много сюрпризов и неисчислимых возможностей, которые трудно вообразить. Эти возможности находятся на самой границе наших знаний. Но их могли уже освоить другие цивилизации, для которых мы кажемся дикарями, впервые добывшими огонь...
В мире бесконечно большого - мы уже знаем, - существуют, хотя еще и не наблюдались прямо, системы, дающие столько энергии, что звезды по сравнению с ними - сущая ерунда.
Если два небесных тела проходят близко друг от друга, одно из них получает от другого энергию, ускоряется и переходит на новую орбиту. Так, например, Фред Хойл объясняет происхождение Плутона. Используя этот принцип, американцы собираются запустить зонды в "большой тур", который охватит планеты Юпитер, Сатурн, Нептун и Плутон. Воспользовавшись благоприятным положением этих планет по отношению друг к другу, они хотят направить
рабль "рикошетом", так что в результате он облетит большую часть Солнечной системы. Самый заманчивый проект (их существует несколько) предусматривает последовательный облет Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Он потребует около семи с половиной лет.
Но даже планеты-гиганты недостаточно массивны, чтобы дать существенный выигрыш в скорости. Однако возможно, что другие системы находятся в более выигрышном положении, чем мы. Центром планетной системы может быть не одиночная звезда, а пара звезд, очень близких к друг другу. Между тем, существуют так называемые "выгоревшие" (взорвавшиеся) звезды. В таких звездах (их еще называют нейтронными) масса, равная солнечной, может быть сконденсирована в теле диаметром всего несколько километров. Один литр такого вещества весит столько же, сколько наш гигантский танкер! Это значит, что гравитационное поле вокруг них необычайно сильно. Так вот: если двойная звезда состоит из двух нейтронных, вокруг нее существуют орбиты, на которых тело быстро разгоняется до скоростей, близких к световым.
Фримен Дайсон представил себе, как могли бы этим пользоваться жители такой системы. Они извлекли бы из своих звезд гигантскую энергию, но в первую очередь воспользовались бы ею для разгона своих космических кораблей. Пассажиры таких аппаратов достигали бы скорости, близкой к скорости света, причем, как можно предсказать, им пришлось бы переносить лишь весьма умеренные перегрузки. Ведь их тела разгонялись бы звездой вместе с кораблем.
Можно ли получить энергии больше, чем путем аннигиляции определенной массы вещества? Современная физика отвечает категорическим
"нет". И, разумеется, она права. Так же точно были правы химики прошлого века, непреложно утверждавшие, что количество энергии, получаемой из вещества, не может превысить максимальной энергетической ценности химической реакции. Как они могли знать, что атомы делятся и содержат несравнимо большую энергию?
А что, если наши элементарные частицы преподнесут такой же сюрприз? Если они состоят из частиц еще более элементарных? И если они результат реакций, высвобождающих еще больше энергии?
Между прочим, некоторые специалисты по атомной физике уже заподозрили существование гипотетических новых частиц, названных кварками. Пока что они окружены завесой тайны и в свободном состоянии не наблюдались. Будущее покажет, существуют ли эти кварки на самом деле и какая от них может быть польза.
ТАМ, ГДЕ КОНЧАЕТСЯ НАУКА
Мы подошли к краю бездны - к тем пределам, за которыми начинается то, что некоторые без колебаний именуют лженаукой, а тех, кто их переходит, - шарлатанами. Но разве риск, в том числе интеллектуальный, - не благородное дело? Давайте вместе заглянем за край бездны
Мы приняли за догму, что материальному телу невозможно превзойти скорость света. Так учит нас теория относительности, сомневаться в которой не приходится.
Часто говорят, что теорию Эйнштейна могут понять только немногие избранные. Это совершенная ерунда. Математиков, которые развивают эту область, действительно немного, но физиков и астрономов, постоянно пользующихся ее уравнениями, - легион.
Теория относительности долго оставалась отчасти загадочной для широкой публики, но она детально проверена как в лабораториях на Земле, так и в космосе.
Ничто не мешает полагать, что релятивистская механика - лишь приблизительное выражение действительных законов природы, так же как еще более грубым приближением была классическая механика Галилея-Ньютона.
Одна теория сменяется другой голько тогда, когда перед наукой открывают' i совершенно новые области. Классическая механика лишь приблизительно выражает всеобщие законы, управляющие мирозданием, но в тех областях, где она применима, - совершенно верна. Лишь исследование бесконечно малого в атоме и бесконечно большого в космосе открыло ее недостаточность. Тогда появилась теория относительности.
Если когда-нибудь и появится новая теория, по отношению к которой релятивистская механика будет лишь приблизительно верной, можно биться об заклад, что релятивистские уравнения останутся верными в той области, в которой применяются сегодня, а именно в области "нашей" Вселенной*. Она может быть неточной лишь в еще более малых или больших мирах. Но, скорее всего, пессимистических заключений относительно межзвездных полетов, к которым мы пришли ранее, это не коснется.
* Говоря математическим языком, уравнения классической механики являются первой производной от релятивистских уравнений, вводящих' величину v"/c', где v - скорость данного тела, а с скорость света. Нет никаких оснований думать, что реальные законы механики имеют ту простую аналитическую форму, какую дает им теория относительности. Но величинами высших порядков в релятивистской, а тем более в классической области можно пренебречь.
Наконец, есть еще один вариант, который привлекает внимание писателей-фантастов, но основан на столь же непрочном фундаменте, как и предыдущий. Чтобы сократить расстояние между двумя точками, предлагается просто выйти из нашей Вселенной. Мы не можем в популярном издании говорить об искривлении пространства, о том, какие астрономические единицы применяются для его измерения. Ограничимся образным сравнением.
Когда думали, что Земля плоская, было невозможно представить себе более короткий путь через океан, чем по его поверхности. Но, поскольку Земля круглая, прямая линия в действительности проходит гораздо ниже уровня моря. Так, прямая, соединяющая два берега Атлантического океана, проходит в 640 километрах ниже уровня океана, а путь по ней был бы короче на 360 километров.
Теперь мы знаем, что наша Вселенная тоже не плоская (как говорят, "неэвклидова") и прямая - не кратчайшее расстояние между двумя точками. Существует ли доступный путь, чтобы сократить его? И есть ли смысл задаваться таким вопросом? Нам представляется, что все сказанное ранее является ответом на этот вопрос, потому что человек во все времена стремился к непознанным мирам, к постижению тайны мироздания.
ВЕЛИКОЕ ПЕРЕСЕЛЕНИЕ ЦИВИЛИЗАЦИИ
До сих пор мы рассматривали межпланетные путешествия в границах Солнечной системы и натолкнулись здесь на трудности, связанные прежде всего с тем, что от звезд нас отделяют гигантские расстояния, а жизнь человеческая очень коротка.'
Надо, однако, заметить, что наша Галактика по сравнению с другими находится в невыгодных
для этих целей условиях. В ней есть много областей, где плотность звезд очень высока. Самые густонаселенные зоны получили название "скоплений", которые подразделяют на две категории: шаровые и рассеянные скопления.
Шаровые - это огромные звездные агломерации почти округлой формы, содержащие сотни тысяч, а то и миллионы звезд. Рассеянные скопления содержат всего несколько сот, самое большее - несколько тысяч звезд.
Считают, что в нашей Галактике содержится около сотни шаровых скоплений, из которых три видны невооруженным глазом: скопление Центавра, 47 Тукана и М13 Геркулеса. Некоторые из них были открыты Гершелем в конце XVIII в.
Если в окрестностях Солнца расстояние между звездами составляет несколько световых лет, то в шаровых скоплениях - всего неколько световых недель или даже дней. Можно представить себе, какое великолепное зрелище видят по ночам жители планет при этих звездах: сияющее небо, усеянное звездами, и каждая из них ярче полной луны... Но для нас важно другое - небольшие расстояния между звездами благоприятны для межзвездных путешествий.
Цивилизации, родившейся в этих благословенных местах, будет особенно легко проникнуть в другие планетные системы и там войти в контакт с другой цивилизацией. Поскольку, как можно полагать, все звезды в шаровых скоплениях имеют один возраст, увеличивается вероятность, что соседние цивилизации окажутся ровесницами, а значит, есть шанс встретить равные по интеллекту расы.
Шаровые скопления представляются особо благоприятным местом для появления суперцивилизаций. Вероятно, их и следует выделить для поиска внеземных сигналов.
Жизненный ритм всегда связан с особенными условиями жизни на планете, и ничто не говорит о том, что он везде подобен нашему. Он может быть гораздо более медленным или даже, примерно совпадая с нашим, длиться гораздо дольше. Чему тут удивляться, если мы сами вдвое увеличили продолжительность собственной жизни?
Наконец, есть еще одна возможность, которой мы до сих пор не касались, - путешествия в один конец. История человечества полна примеров такого переселения народов - внезапных толчков и взаимного притяжения. Почему желание человека покорять пространство вдруг должно обрести предел? Быть может, настанет день, когда наша цивилизация устремится в окрестности космоса, чтобы колонизировать их. Тогда космические корабли возьмут с собой целые семейства, которые могут, по их желанию, быть заморожены или продолжить род путем естественного размножения в дороге.
Такие миграции предохранят нашу цивилизацию от возможного вымирания например, от ядерного взрыва или космической катастрофы.
Документ 3 ПРОБЛЕМА РАДИОКОММУНИКАЦИЙ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Моцарту не было еще четырнадцати лет, когда он написал свою первую оперу "Митридат". Менее известно, что Джеймс Клерк Максвелл в пятнадцать лет сделал первое сообщение по математике в Королевском обществе своего родного города Эдинбурга. Позднее вундеркинд поразил физиков, развернув перед ними, как сказано в "Истории науки" Пьера Руссо, "великолепную панораму электромагнитных волн, длина которых постепенно уменьшается - от электрических волн к инфракрасным, затем к видимому спектру и далее к ультрафиолету". Это было ровно сто лет назад - в 1869 году.
Но лишь через несколько десятилетий эти чисто научные открытия, связанные со славными именами Кирхгофа и Бунзена, Физо и Фуко, Максвелла и Герца, Эрстеда, Ампера и Фарадея, стали достоянием общественности. Не прошло и ста лет, как они перевернули представление о "контактах". Вместо встречи двух людей, передачи письменных сообщений или зрительных сигналов появились другие возможности общения - передача звуков и изображений на дальние расстояния по радио и телевидению.
Нас больше не пугают расстояния, отделяющие от других населенных миров, ведь теперь есть все основания надеяться на контакт - наши знания об электромагнитных волнах позволяют приблизить далекие миры.
191
Мы знаем, что свет и радиоволны - две разновидности одного явления: распространение колебаний электромагнитного поля. В каждой данной точке пространства поле периодически меняется (колеблется). Пробегают волны, характеризующиеся частотой колебаний. Например, французские радиопередатчики диапазона FM (высокочастотные колебания) используют частоты порядка 100 мегагерц, то есть в каждой точке электромагнитное поле меняется 100 миллионов раз в секунду. Это поле распространяется в любой среде, в том числе и в вакууме, где его скорость постоянна и равна 299792,5 км/сек. Поскольку скорость не зависит от частоты, можно характеризовать волну ее длиной, то есть расстоянием, которое волна проходит за один период колебаний. Для волн FM, период которых одна стомиллионная секунды, длина волны будет равна 300 000 км, деленные на сто миллионов, то есть 3 метра.
Радиоволнами называют самые длинные волны спектра, то есть волны длиной больше 1 мм (или частотой меньше 300 Ггц). Практически используют волны длиной до нескольких километров (частотой до 10 кГц).
Рассматривая теперь длины волны в порядке уменьшения, найдем последовательно инфракрасные волны с длиной от 0,8ц до 1 мм, видимый свет, цвет которого определяется длиной волны в диапазоне от 0,8ц (красный) до 0,4ц (фиолетовый). Дальше идет ультрафиолет в диапазоне от 0,4ц до 0,01ц. Далее - область рентгеновских лучей от одной сотой микрона, или от 100 А до 1 А; далее гамма-лучи -от 1 до 0,01 А; наконец, космические лучи с длиной волны менее 0,01 А.
Зато процесс деления ядра урана уже приручен. И можно представить себе ракету, загруженную жидким водородом, который, пройдя через обычный ядерный реактор, будет выбрасываться назад при очень высокой температуре - следовательно, с очень большой скоростью. Конечно,
ется решить весьма непростые проблемы - например, как защитить экипаж от радиации. Но ядерные ракеты, возможно, имеют большое будущее, правда не близкое.
Возможно применение ионных двигателей, и ими уже пользуются. Они работают на ионизации материи. Иначе говоря, от каждого атома горючего надо оторвать по электрону. Теперь это уже не проблема. Полученные таким образом электрически заряженные ионы разгоняются электрическим полем до скоростей, значительно превосходящих те, что могут быть получены с применением химического топлива, - порядка 100 км/сек. Значит, ракету можно разогнать до значительно больших скоростей при хорошем КПД.
Сейчас такие "ионные ракеты" дают очень слабый первоначальный импульс, несопоставимый с той огромной силой, которая требуется, чтобы космический корабль преодолел земное притяжение. На сегодняшний день лишь один спутник, запущенный в Соединенных Штатах 4 февраля 1970 года, был снабжен двумя небольшими иойными ракетами. Они служат для корректировки его орбиты. Их сила тяги составляет всего 400 мГ! Но не думайте, что эта цифра так уж смехотворно мала: если одно и то же тело будет получать даже слабый импульс в течение нескольких месяцев или лет, то оно станет вполне действенным. Так, если на космический корабль весом в одну тонну в течение года будет воздействовать сила всего в 1 грамм, он достигнет скорости 300 м/сек и пройдет за это время 5 миллионов километров,
НАСА рассмотрела проект юпитерианского зонда, приводимого в движение ртутным ионным двигателем. Зонд будет нести около 400 кг ртути; энергию, необходимую для потребления этого
ва", будут давать солнечные батареи площадью 150 м^ и мощностью 14 кВт. Запуск намечен на апрель 1976 года, а в августе 1978 зонд должен будет достичь Юпитера.
Как видим, даже с применением такой передовой техники межпланетные полеты совершаются очень медленно. А мы знаем: чтобы навестить другие цивилизации, нам потребуется достичь окрестностей соседних звезд. Не забудем о масштабах межзвездных расстояний! Пусть через десятилетия мы сможем достичь Плутона за несколько недель. Но ведь свет от него к нам идет всего пять минут. А свет от ближайшей звезды - четыре года!
БОРЬБА СО ВРЕМЕНЕМ
Продолжительность космических странствий была и остается главным препятствием, с которым сталкивается человек, мечтая побывать во Вселенной. Видимо, есть только два способа "выиграть время"; либо увеличить скорость, либо замедлить жизнь.
Второй вариант еще несколько десятилетий назад вызывал у любителей научной фантастики улыбку. Но теперь, когда медики сперва открыли, потом научились использовать и, наконец, сделали общераспространенным замораживание, его можно рассматривать всерьез.
Как мы уже говорили, холод приостанавливает, но не убивает жизнь. Поэтому в принципе ничто не препятствует неограниченному продлению жизни в замороженном состоянии. Остаются, правда, технические проблемы - следует разработать методику замораживания человеческого тела на долгое время, но есть вполне реальные надежды, что они будут скоро решены.
Таким образом, вполне можно представить себе полет в космос полностью автоматических, как и теперь, кораблей с замороженным экипажем на борту, который будет реанимирован спустя долгие годы, при подлете к цели. Можно даже вообразить, что члены экипажа замораживаются по очереди, просыпаясь на несколько лет, то есть идет нечто подобное обычной корабельной вахте.
Артур С. Кларк впечатляюще изображает такое применение замораживания в своей книге "Космическая Одиссея 2001 года": экипаж космического корабля, отправленного для исследования окрестностей Сатурна, замораживается по очереди. В результате за годы путешествия космонавтов до цели экономятся тонны продуктов, а люди просыпаются свежими и бодрыми. По Кларку, постоянно бодрствуют на корабле только два человека и помощник-робот: их троих достаточно, чтобы обеспечить контроль за аппаратурой. Трое остальных "спят". Именно так, как нам представляется, можно было бы совершить пятнадцатилетний полет в два конца.
Факторы гуманитарного и психологического порядка делают этот способ замедления жизни на практике более затруднительным, чем в теории. Ведь он потребует от тех, кто отправится в путь, полного отречения от всех земных привязанностей, своих современников, своего "века". Но, может быть, все же найдутся желающие отправиться в такое замечательное странствие!
Чтобы уменьшить хотя бы субъективно время межзвездного путешествия, пригодится еще одно чисто физическое явление: релятивистское сокращение времени, известное под названием "Ланжевеновский парадокс космонавта".
Есть разные способы постичь теорию относительности. Можно попытаться ее "понять"
воить физический смысл релятивистских эфс^ектов. Но они так расходятся с нашим повседневным опытом, с привычной нам механикой, что этот путь весьма ненадежен и доступен разве что тем, кто привык обращаться с формулами теории относительности. А можно просто принять .эти формулы на веру (зная, что они достаточным образом проверены) и выводить следствия из них.
Поскольку мы не хотим утомлять читателя математическими расчетами, а без них трудно показать, в чем состоит пресловутый "временной парадокс", ограничимся только констатацией факта: время не абсолютно, как мы привыкли считать. Оно зависит от системы, в которой его измеряют. Так, время, протекшее для меня от полудня нынешнего дня до полудня следующего, для другого совсем не обязательно равняется двадцати четырем часам. Это зависит от того, что я буду делать между двумя моментами.
Например, житель пригорода, каждый день отправляющийся на работу в Париж, привык к тому, что вечером его наручные часы и ходики, которые оставались дома на стене, показывают одно время. Но это только иллюзия, вызванная тем, что скорость пригородной электрички неизмеримо меньше скорости света. На самом деле, наручные часы немного отстали.
Если путешественник удалится от нас со скоростью, близкой к скорости света, затем остановится и таким же образом вернется назад, время для него пройдет намного медленней, чем на Земле. Если, например, он оставит дома брата-близнеца, то, вернувшись, найдет его дряхлым старцем, а сам будет по-прежнему в расцвете сил.
Чтобы проиллюстрировать этот пример, предположим, что и туда, и обратно наш путешественник движется с постоянным ускорением, равным
ускорению падающего тела на Земле: 10 метров в секунду за секунду. Если он удалится на расстояние 800 световых лет от нас, его путешествие продлится всего 27 лет. Но Земля и ее обитатели, когда он вернется, состарятся больше чем на полтора тысячелетия...
Таким образом, и "сокращение времени", и приостанавливание жизни экипажа при помощи замораживания делают путешествие доступным по времени для экипажа космического корабля, однако для оставшихся на Земле время от этого не замедляется. Теория относительности позволяет сколь угодно приближаться к скорости света, хотя и не превышать ее. Для путешествия к Проксиме Центавра и назад все равно понадобится восемь земных лет, для путешествия на 500 световых лет - тысяча...
Очевидно, что такого рода космическая экспедиция потребует полного самоотвержения не только от экипажа, но и от "сухопутных" техников, которые лишатся практической возможности воспользоваться результатами своего труда. Потому эти масштабные предприятия могут быть осуществлены усилиями многих поколений в течение десятков, а то и сотен лет - и это при условии, что через несколько лет земляне не бросят занятия космосом, не утратят страсти к познанию Вселенной и не оставят замороженных на произвол судьбы.
Здесь встает еще одна деликатная проблема. Если космическая экспедиция с Земли будет отправлена при недостаточном уровне развития технических средств, ее команда может прибыть на место позднее тех, кто воспользуется новейшими достижениями техники. Представьте себе досаду и отчаяние самоотверженных смельчаков, когда, вернувшись спустя десятилетия к жизни, чтобы осуществить свою мечту, они увидят снисходительные насмешки своих пра-пра-правнуков...
КАКИХ СКОРОСТЕЙ МЫ МОЖЕМ ДОСТИЧЬ?
Теория относительности позволяет представить себе скорости, близкие к световым. Это значит, что мы можем достичь скоростей гораздо больших, чем те, на которые способны наши нынешние космические корабли.
Как мы видели, существенным источником энергии мог бы стать водород. Термоядерная реакция прекрасно известна в теории - ведь именно она производит энергию, излучаемую Солнцем, - и мы умеем получать ее на Земле (термоядерная бомба). Но даже если мы сможем достаточно овладеть ею, чтобы использовать для ракетных двигателей, окажется, что и этой энергии далеко не достаточно.
Дело в том, что практическое использование ракеты возможно лишь при том условии, что "соотношение масс" будет не слишком велико. Под этим имеется в виду соотношение массы ракеты на старте - с двигателями, горючим и всеми необходимыми аксессуарами - с той массой, которую следует запустить.
Простой расчет показывает, что для идеальной ракеты, использующей водородно-гелиевый синтез, соотношение масс, чтобы достичь 0,99 скорости света, составит около 2 миллиардов. Иными словами, чтобы вывести в космос тонну полезного груза, потребуется ракета массой в два миллиарда тонн! Ясно, что такой вариант не может рассматриваться всерьез. Значит, нужно искать еще более сильную реакцию.
Соединяясь для образования молекулы гелия, четыре атома водорода несколько теряют в массе. По знаменитой формуле Эйнштейна Е = тс^, где (с - скорость света), эта масса превращается в энергию. Если мы используем весь водород, теряющийся в процессе термоядерной реакции, то масса и, следовательно, энергия, будет гораздо больше.
Но это разрушение (аннигиляция) вещества уже известно на опыте. Всякой частице - например, протону (ядро атома водорода) - соответствует определенная античастица, например, антипротон. Иногда такие античастицы с космическими лучами попадают на Землю и, сталкиваясь с "нормальными" частицами, уничтожаются, освобождая огромное количество энергии.
Если нам удастся создать из них антиматерию, мы получим энергию 25 миллиардов кВт'ч на килограмм топлива!
К сожалению, мы совершенно не знаем, как это сделать. Не умеем запасать антивещество, которое, естественно, не может содержаться ни в каком сосуде из обычного материала. Не умеем и производить с ним реакции.
Все равно: представим, что наши потомки или представители еще какой-то, более развитой цивилизации научились управлять аннигиляцией материи. Расчет массы ракеты, необходимой, чтобы запустить тонну груза со скоростью, на 1% отличающейся от световой, даст скромную величину 14 тонн. Решение задачи межзвездных путешествий, наконец, найдено? Увы! Эти четырнадцать тонн лишь позволят кораблю покинуть Землю. Но столько же энергии понадобится, чтобы остановить его, и такое же соотношение масс потребуется на обратный путь. В общем, придется построить и запустить ракету массой 40 000 тонн.
Даже если это удастся, толку будет немного, потому что цив-илизации, которая окажется способна запустить в космос такую махину, придется еще ждать - и долго ждать - ее возвращения...
В общем, свет движется слишком медленно, а звезды, даже самые близкие, ужасно далеки...
ПО ТУ СТОРОНУ КЛАССИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ: БЕСКОНЕЧНО БОЛЬШОЕ И БЕСКОНЕЧНО МАЛОЕ
Так что же, межзвездные полеты недоступны для человека? Значит, .представители никакой другой цивилизации никогда нас не посещали и не посетят? .
Конечно, это не так. Ведь до сих пор мы ограничивали себя возможностями (хотя бы чисто теоретическими) в рамках обычной или классической физики. Но, говоря о возможности путешествий в масштабах Галактики, представляя себе цивилизации, обошедшие нашу в развитии на тысячи или даже на миллионы лет, можно и даже полезно пофантазировать.
Несомненно, мир бесконечно большого и бесконечно малого готовит нам еще много сюрпризов и неисчислимых возможностей, которые трудно вообразить. Эти возможности находятся на самой границе наших знаний. Но их могли уже освоить другие цивилизации, для которых мы кажемся дикарями, впервые добывшими огонь...
В мире бесконечно большого - мы уже знаем, - существуют, хотя еще и не наблюдались прямо, системы, дающие столько энергии, что звезды по сравнению с ними - сущая ерунда.
Если два небесных тела проходят близко друг от друга, одно из них получает от другого энергию, ускоряется и переходит на новую орбиту. Так, например, Фред Хойл объясняет происхождение Плутона. Используя этот принцип, американцы собираются запустить зонды в "большой тур", который охватит планеты Юпитер, Сатурн, Нептун и Плутон. Воспользовавшись благоприятным положением этих планет по отношению друг к другу, они хотят направить
рабль "рикошетом", так что в результате он облетит большую часть Солнечной системы. Самый заманчивый проект (их существует несколько) предусматривает последовательный облет Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна. Он потребует около семи с половиной лет.
Но даже планеты-гиганты недостаточно массивны, чтобы дать существенный выигрыш в скорости. Однако возможно, что другие системы находятся в более выигрышном положении, чем мы. Центром планетной системы может быть не одиночная звезда, а пара звезд, очень близких к друг другу. Между тем, существуют так называемые "выгоревшие" (взорвавшиеся) звезды. В таких звездах (их еще называют нейтронными) масса, равная солнечной, может быть сконденсирована в теле диаметром всего несколько километров. Один литр такого вещества весит столько же, сколько наш гигантский танкер! Это значит, что гравитационное поле вокруг них необычайно сильно. Так вот: если двойная звезда состоит из двух нейтронных, вокруг нее существуют орбиты, на которых тело быстро разгоняется до скоростей, близких к световым.
Фримен Дайсон представил себе, как могли бы этим пользоваться жители такой системы. Они извлекли бы из своих звезд гигантскую энергию, но в первую очередь воспользовались бы ею для разгона своих космических кораблей. Пассажиры таких аппаратов достигали бы скорости, близкой к скорости света, причем, как можно предсказать, им пришлось бы переносить лишь весьма умеренные перегрузки. Ведь их тела разгонялись бы звездой вместе с кораблем.
Можно ли получить энергии больше, чем путем аннигиляции определенной массы вещества? Современная физика отвечает категорическим
"нет". И, разумеется, она права. Так же точно были правы химики прошлого века, непреложно утверждавшие, что количество энергии, получаемой из вещества, не может превысить максимальной энергетической ценности химической реакции. Как они могли знать, что атомы делятся и содержат несравнимо большую энергию?
А что, если наши элементарные частицы преподнесут такой же сюрприз? Если они состоят из частиц еще более элементарных? И если они результат реакций, высвобождающих еще больше энергии?
Между прочим, некоторые специалисты по атомной физике уже заподозрили существование гипотетических новых частиц, названных кварками. Пока что они окружены завесой тайны и в свободном состоянии не наблюдались. Будущее покажет, существуют ли эти кварки на самом деле и какая от них может быть польза.
ТАМ, ГДЕ КОНЧАЕТСЯ НАУКА
Мы подошли к краю бездны - к тем пределам, за которыми начинается то, что некоторые без колебаний именуют лженаукой, а тех, кто их переходит, - шарлатанами. Но разве риск, в том числе интеллектуальный, - не благородное дело? Давайте вместе заглянем за край бездны
Мы приняли за догму, что материальному телу невозможно превзойти скорость света. Так учит нас теория относительности, сомневаться в которой не приходится.
Часто говорят, что теорию Эйнштейна могут понять только немногие избранные. Это совершенная ерунда. Математиков, которые развивают эту область, действительно немного, но физиков и астрономов, постоянно пользующихся ее уравнениями, - легион.
Теория относительности долго оставалась отчасти загадочной для широкой публики, но она детально проверена как в лабораториях на Земле, так и в космосе.
Ничто не мешает полагать, что релятивистская механика - лишь приблизительное выражение действительных законов природы, так же как еще более грубым приближением была классическая механика Галилея-Ньютона.
Одна теория сменяется другой голько тогда, когда перед наукой открывают' i совершенно новые области. Классическая механика лишь приблизительно выражает всеобщие законы, управляющие мирозданием, но в тех областях, где она применима, - совершенно верна. Лишь исследование бесконечно малого в атоме и бесконечно большого в космосе открыло ее недостаточность. Тогда появилась теория относительности.
Если когда-нибудь и появится новая теория, по отношению к которой релятивистская механика будет лишь приблизительно верной, можно биться об заклад, что релятивистские уравнения останутся верными в той области, в которой применяются сегодня, а именно в области "нашей" Вселенной*. Она может быть неточной лишь в еще более малых или больших мирах. Но, скорее всего, пессимистических заключений относительно межзвездных полетов, к которым мы пришли ранее, это не коснется.
* Говоря математическим языком, уравнения классической механики являются первой производной от релятивистских уравнений, вводящих' величину v"/c', где v - скорость данного тела, а с скорость света. Нет никаких оснований думать, что реальные законы механики имеют ту простую аналитическую форму, какую дает им теория относительности. Но величинами высших порядков в релятивистской, а тем более в классической области можно пренебречь.
Наконец, есть еще один вариант, который привлекает внимание писателей-фантастов, но основан на столь же непрочном фундаменте, как и предыдущий. Чтобы сократить расстояние между двумя точками, предлагается просто выйти из нашей Вселенной. Мы не можем в популярном издании говорить об искривлении пространства, о том, какие астрономические единицы применяются для его измерения. Ограничимся образным сравнением.
Когда думали, что Земля плоская, было невозможно представить себе более короткий путь через океан, чем по его поверхности. Но, поскольку Земля круглая, прямая линия в действительности проходит гораздо ниже уровня моря. Так, прямая, соединяющая два берега Атлантического океана, проходит в 640 километрах ниже уровня океана, а путь по ней был бы короче на 360 километров.
Теперь мы знаем, что наша Вселенная тоже не плоская (как говорят, "неэвклидова") и прямая - не кратчайшее расстояние между двумя точками. Существует ли доступный путь, чтобы сократить его? И есть ли смысл задаваться таким вопросом? Нам представляется, что все сказанное ранее является ответом на этот вопрос, потому что человек во все времена стремился к непознанным мирам, к постижению тайны мироздания.
ВЕЛИКОЕ ПЕРЕСЕЛЕНИЕ ЦИВИЛИЗАЦИИ
До сих пор мы рассматривали межпланетные путешествия в границах Солнечной системы и натолкнулись здесь на трудности, связанные прежде всего с тем, что от звезд нас отделяют гигантские расстояния, а жизнь человеческая очень коротка.'
Надо, однако, заметить, что наша Галактика по сравнению с другими находится в невыгодных
для этих целей условиях. В ней есть много областей, где плотность звезд очень высока. Самые густонаселенные зоны получили название "скоплений", которые подразделяют на две категории: шаровые и рассеянные скопления.
Шаровые - это огромные звездные агломерации почти округлой формы, содержащие сотни тысяч, а то и миллионы звезд. Рассеянные скопления содержат всего несколько сот, самое большее - несколько тысяч звезд.
Считают, что в нашей Галактике содержится около сотни шаровых скоплений, из которых три видны невооруженным глазом: скопление Центавра, 47 Тукана и М13 Геркулеса. Некоторые из них были открыты Гершелем в конце XVIII в.
Если в окрестностях Солнца расстояние между звездами составляет несколько световых лет, то в шаровых скоплениях - всего неколько световых недель или даже дней. Можно представить себе, какое великолепное зрелище видят по ночам жители планет при этих звездах: сияющее небо, усеянное звездами, и каждая из них ярче полной луны... Но для нас важно другое - небольшие расстояния между звездами благоприятны для межзвездных путешествий.
Цивилизации, родившейся в этих благословенных местах, будет особенно легко проникнуть в другие планетные системы и там войти в контакт с другой цивилизацией. Поскольку, как можно полагать, все звезды в шаровых скоплениях имеют один возраст, увеличивается вероятность, что соседние цивилизации окажутся ровесницами, а значит, есть шанс встретить равные по интеллекту расы.
Шаровые скопления представляются особо благоприятным местом для появления суперцивилизаций. Вероятно, их и следует выделить для поиска внеземных сигналов.
Жизненный ритм всегда связан с особенными условиями жизни на планете, и ничто не говорит о том, что он везде подобен нашему. Он может быть гораздо более медленным или даже, примерно совпадая с нашим, длиться гораздо дольше. Чему тут удивляться, если мы сами вдвое увеличили продолжительность собственной жизни?
Наконец, есть еще одна возможность, которой мы до сих пор не касались, - путешествия в один конец. История человечества полна примеров такого переселения народов - внезапных толчков и взаимного притяжения. Почему желание человека покорять пространство вдруг должно обрести предел? Быть может, настанет день, когда наша цивилизация устремится в окрестности космоса, чтобы колонизировать их. Тогда космические корабли возьмут с собой целые семейства, которые могут, по их желанию, быть заморожены или продолжить род путем естественного размножения в дороге.
Такие миграции предохранят нашу цивилизацию от возможного вымирания например, от ядерного взрыва или космической катастрофы.
Документ 3 ПРОБЛЕМА РАДИОКОММУНИКАЦИЙ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
Моцарту не было еще четырнадцати лет, когда он написал свою первую оперу "Митридат". Менее известно, что Джеймс Клерк Максвелл в пятнадцать лет сделал первое сообщение по математике в Королевском обществе своего родного города Эдинбурга. Позднее вундеркинд поразил физиков, развернув перед ними, как сказано в "Истории науки" Пьера Руссо, "великолепную панораму электромагнитных волн, длина которых постепенно уменьшается - от электрических волн к инфракрасным, затем к видимому спектру и далее к ультрафиолету". Это было ровно сто лет назад - в 1869 году.
Но лишь через несколько десятилетий эти чисто научные открытия, связанные со славными именами Кирхгофа и Бунзена, Физо и Фуко, Максвелла и Герца, Эрстеда, Ампера и Фарадея, стали достоянием общественности. Не прошло и ста лет, как они перевернули представление о "контактах". Вместо встречи двух людей, передачи письменных сообщений или зрительных сигналов появились другие возможности общения - передача звуков и изображений на дальние расстояния по радио и телевидению.
Нас больше не пугают расстояния, отделяющие от других населенных миров, ведь теперь есть все основания надеяться на контакт - наши знания об электромагнитных волнах позволяют приблизить далекие миры.
191
Мы знаем, что свет и радиоволны - две разновидности одного явления: распространение колебаний электромагнитного поля. В каждой данной точке пространства поле периодически меняется (колеблется). Пробегают волны, характеризующиеся частотой колебаний. Например, французские радиопередатчики диапазона FM (высокочастотные колебания) используют частоты порядка 100 мегагерц, то есть в каждой точке электромагнитное поле меняется 100 миллионов раз в секунду. Это поле распространяется в любой среде, в том числе и в вакууме, где его скорость постоянна и равна 299792,5 км/сек. Поскольку скорость не зависит от частоты, можно характеризовать волну ее длиной, то есть расстоянием, которое волна проходит за один период колебаний. Для волн FM, период которых одна стомиллионная секунды, длина волны будет равна 300 000 км, деленные на сто миллионов, то есть 3 метра.
Радиоволнами называют самые длинные волны спектра, то есть волны длиной больше 1 мм (или частотой меньше 300 Ггц). Практически используют волны длиной до нескольких километров (частотой до 10 кГц).
Рассматривая теперь длины волны в порядке уменьшения, найдем последовательно инфракрасные волны с длиной от 0,8ц до 1 мм, видимый свет, цвет которого определяется длиной волны в диапазоне от 0,8ц (красный) до 0,4ц (фиолетовый). Дальше идет ультрафиолет в диапазоне от 0,4ц до 0,01ц. Далее - область рентгеновских лучей от одной сотой микрона, или от 100 А до 1 А; далее гамма-лучи -от 1 до 0,01 А; наконец, космические лучи с длиной волны менее 0,01 А.