Аннотация: Когда-то в фантастике, когда она была научной, любили размышлять о звездолетах.
В наше время научную фантастику почти не пишут.
Нынешним читателям реальность фэнтезийных средиземий гораздо уютнее, чем холодные и бездушные космические пространства.
Есть еще произведения, которые на первый взгляд кажутся космической фантастикой, но по сути дела являются фэнтезийными, ибо в их галактических империях царят магические силы.
Научную фантастику сейчас писать труднее по нескольким причинам. Нынешние писатели боятся отпугнуть читателей громадностью цифр и масштабов, которые не смогут передать ни какие художественные эпитеты.
Так что не знаю для кого я это пишу...
Начну с межзвездных путешествий.
В шестидесятые годы двадцатого века особенности полетов с околосветовой скоростью в фантастике были описаны достаточно хорошо. С тех пор ничего не изменилось в лучшую сторону, хотя и было почти забыто.
В нынешней ненаучной фантастике космические корабли летают гораздо быстрее скорости света, но парадокс в том, что такая противоестественная скорость делает мир тесней, а фантастику менее эпичной.
Было бы гораздо необычнее, если бы кто-то попытался описать галактическую империю, если нельзя превысить скорость света. Указ императора шел бы до окраин десятки тысяч лет, а самому правителю пришлось бы стать бессмертным, войны затягивались бы на тысячелетия.
Это было бы гораздо интересней.
Заранее предупреждаю критиков, что речь пойдет о фантастике, поэтому буду позволять некоторые допущения. Например, рассуждать о полетах на скоростях, которые крупному транспортному средству практически нереально достичь по причинам затрат энергии (хотя частицы даже в старых ускорителях легко разгоняли). Но закон физики о невозможности превышения скорости света нарушен не будет.
С прошедшего времени фантасты в своих произведениях всё легкомысленее относились к межзвездным полетам, а тем временем ученые всё больше сомневались в достижимости для человечества даже самых близких звезд. И чем больше задумывались, те сильнее понимали какими невероятными трудностями грозит такая задача.
Даже младшие школьники знают, что на скорости света лететь до ближайшей звезды больше четырех лет. Но вот о достижении такой скорости мечтать получается только в нетрезвом состоянии, а со скоростями, доступными сейчас практически, потребуются десятки тысяч лет полета.
Вспомним образ из старой фантастики.
Звездолет всегда представлялся мне гораздо более впечатляющим сооружением, чем космический кораблик из современной ненаучной фантастики. Понятно, что он должен быть большим и бронированным, чтобы защитить от многолетнего излучения, с учетом того, что всё встречное излучение на околосветовых скоростях сдвигается по спектру в сторону более жесткой радиации. А обычный газ и межзвездная пыль на пути опасны словно разогнаны на ускорителеле.
Предполагалось, что спереди звездолет прикрыт очень толстой плитой брони.
Обычным космическим апаратам нет нужды иметь аэродинамически обтекаемую форму, они могут иметь какой угодно вид. Но при приближении к световой скорости снова возникает надобность в обтекаемых обводах.
Жилой отсек звездолета как меж двух огней. Спереди от излучения защищает бронированный обтекатель, а барьер от излучение двигателя. Предполагалось, что двигатель должен находиться весьма далеко от жилого отсека, отделенный не только броней, но и пустыми отсеками. Этот промежуток может не иметь внешней обшивки, только несущий каркас. Тогда звездолет может выглядеть как Эйфелева башня.
Звездолет должен быть большим не только потому, что в нем много запасов на годы пути, но и ради технологической автономности. В эпоху расцвета космической научной фантастики еще не существовало 3Д принтеров, а в наше время серьезно планируется оснащать морские авианосцы автономными мини-заводами (фабрикаторами), которые прямо в пути могут чинить и производить для него детали оборудования. Понятно, что для звездолета, который отправляется в многолетний путь, это еще важнее чем для авианосца.
Питание в полете. За всю жизнь человек съедает не настолько много пищи, чтобы это оправдывало развертывание на борту замкнутого сельского хозяйства. Не окупится даже за сто лет.
В моем представлении (из прошлого века) звездолет - это огромное сооружение километровых размеров, значительнее любого авианосца. И для разгона такой громады нужна энергия больше чем доступна всей современной цивилизации.
Первая проблема - это источник энергии. В старой фантастике упоминалось, что желательно что-то наподобие антивещества, но это слишком опасное и крайне сложное в получении топливо.
Вторая проблема - невозможный двигатель, который будет страшно перегреваться. Весьма скоро звездолет весь раскалится как звезда.
Но для столь фантастического двигателя теоретически можно придумать весьма экзотический способ охлаждения. Мне, как любителю астрофизики, вспомнился один эффект, который называется "нейтринным холодильником". Суть его в том, что когда звезда достигает определенной стадии развития, она начинает сильно терять энергию прямо из своих глубин за счет излучения почти всепроникающих нейтрино.
Позже, просматривая очередную лекцию (кажется это была лекция астрофизика Сергея Попова), я услышал про еще один эффект, дающий направленное излучение нейтрино. Дело в том, что если вещество в недрах превращающейся звезды ориентировано сильным магнитным полем, то поток нейтрино тоже направлен. И этот поток в момент превращения дает настолько сильную отдачу, что меняет скорость звезды (звезды!) на тысячу километров в секунду!
Разумеется, что использование даже чего-то отдаленно похожег на этот эфект в двигателе звездолета это очень далекая от реальности фантастическая идея. Но звездолет, использующий нетрино, имеет некоторые преимущества в отличие от привычного старым фантастам фотонного. Его двигатель не так всесжигающе ярко сияет.
Кстати, фотонный звездолет не обязан работать в видимом диапазоне. Есть вариант с двигателем Мотовилова, который представляет собой антенны, излучающие направленные радиоволны. Изображение такого звездолета я видел еще в очень давно на обложке старого советского журнала "Техника -молодежи".
Такой радиволновой звездолет не имеет многих проблем, присущих обычному фотонному. Но не понятно, что же для него будет источником электроэнергии. И есть еще небольшая такая неприятность, что он будет в своем диапазоне слышен всей Галактике.
Это явно не для тех цивилизаций, которые хотят скрыть свое присутствие от других.
* * *
Межзвездный вакуум очень чист, гораздо чище чем лабораторный. Но и он не совсем идеален.
Средний размер пылинок - доли микрона.
Масса пыли в сотню раз меньше, чем масса межзвездного газа. Пылинки вдали от звезд встречаются очень редко, обычное расстояние между ними как от Земли до Луны. Но звездолет пролетает такое расстояние чуть более чем за секунду. Поэтому по площади носового обтекателя они будут колотить как нескончаемый дождь. Раз в две минуты на каждый квадратный метр.
Уже на скорости около 1000 километров в секунду кинетическая энергия сравнима с ядерной. То есть столкновение даже с маленьким метеоритом размером с кирпич будет сравнимо с ядерным взрывом. Надо напомнить, что на такой скорости лететь до соседней звезды больше 1200 лет, надо разгоняться больше.
При приближении к скорости света кинетическая энергия начинает возрастать уже по другой формуле, еще более сильно. Там уже каждая встречная песчинка грозит испепелить звездолет.
Проблема межзвездных полетов в том, что таких пылинок на пути может повстречаться немало. Космос пустынен, но на таких скоростях препятствия встречаются чаще, а отклониться невозможно.
Если фантастическое допущение позволит приблизиться к скорости света еще сильнее, то я продолжу.
Энергия каждой пылинки будет превышать энергию аннигиляци антиматерии.
На практике может сложиться так, что риск окажется настолько велик, что сделает пилотируемые межзвездные полёты неприемлемыми. Особенно для долгоживущих людей, которым есть смысл больше ценить свою жизнь.
Можно изменить концепцию звездолета.
Пустить вперед тараны? И таких таранов, должен быть не один.
Если вы хотите разогнаться еще ближе к скорости света, то ничинается эффект релятивистского линзирования.
Релятивистское линзирование собирает на звездолет не только излучение, искажается само пространство, поэтому еще увеличивается встречный поток газа и пыли.
Среда становится препятствием для дальнейшего увеличения скорости. Это предел будет одним в туманностях, в обычной межзвездной среде скорость будет выше, а в межгалактической еще выше.
На больших скоростях возрастает энергия встречных космических частиц, среди них больше станет тех, которые при столкновении с броней переднего обтекателя начнут порождать мезоны. Среди них будут быстрые мюоны, частицы с зарядом как у электрона, но большей массы, которые обладают большой проникающей способностью. Способны пронизать слои металла толщиной сотни метров. От них будет крайне сложно защититься.
А если уж вы совсем сильно разогнались, то начинает влиять даже РЕЛИКТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ.
Весь объем Космоса наполнен реликтовым излучением. Это радиоизлучение микроволнового диапазона, которое в очень древние времена породила остывающая при расширении плазма. Изначально это был свет, и вся Вселенная была наполнена светом такого же диапазона как у советской лампочки накаливания. Но за прошедшие тринадцать с лишним миллиардов лет, за счет эффектов расширения Вселенной, увеличилась длина волн этого электромагнитного излучения.
И вот теперь, по мере разгона звездолета, всё встречное реликтовое излучение начнет смещаться по спектру обратно в область видимого излучения. Только разогнаться для этого надо очень сильно.
Теоретически, оно даже может стать ультрафиолетовым, рентгеновским и даже гамма-излученем.
Межзвездные магнитные поля очень слабые, хотя и обширные. Миллионную долю гаусса. Но скорость звездолета велика. Может ли при этом возникать индукция в его металличиских и прочих проводящих частях?
Надо еще учитывать, что из-за релятивистских эффектов индукция может возрастать нелинейно.
Индукция будет наводить токи и оказывать тормозящее действие. Я не слышал, что о такй проблеме задумывался хоть кто-то из фантастов!
Магнитное поле сильнее в газовых и газо-пылевых туманностях, там эффекты индукции могут быть сильнее.
С энергетической точки зрения проблема полетов на околосветовых скоростях в том, что если даже потратить всё топливо на разгон, уже не хватит топлива, чтобы заторомозить.
Еще проблема, что нужно очень много времени на разгон. Скорость света так велика, что придется очень долго разгоняться с ускорением, которое едва выдержит человек. Это будет подобно тому как жить в условиях повышеного тяготения.
Даже если релятивистское замедление времени сократит ожидание в середине полета, но время разгона и торможения всё равно придется терпеть.
Если ускорение разгона заменит астронавтам гравитацию, то изнутри звездолет удобнее представлять как башню. Все отсеки как этажи, верх-это направление полета, а двигатель внизу.
Но при торможении верх и низ поменяются. Можно развернуть звездолет и лететь двигателем вперед или сделать поворачивающимся жилой отсек?
* * *
В последнее время больше всерьез говорят об отправке к звездам беспилотника. Его гораздо проще разогнать до субсветовых скоростей, это даже обсуждается как реальные проекты.
Разогнать его могут здесь, но дальше возникает та же проблема с торможением. Во-первых, у него на такой скорости не будет времени для изучения, он слишком быстро пролетит мимо.
Во-вторых, к планетам нельзя приближаться на релятивистских скоростях даже на полмиллиона километров, да и вообще в систему нежелательно влетать на такой скорости. В ней достаточно пыли, чтобы даже невооруженным взглядом видеть такое явление как зодиакальный свет.
Может быть, на некотором расстоянии от цели полета, межзвездный зонд раскроет световой парус. Поначалу, пока расстояние велико, свет звезды будет тормозить медленно. При релятивистских скоростях, из-за эффекта Доплера, встречный свет будет синее и парус может быть частично для него прозрачен, даже если парус металлический. Но потом, по мере приближения к чужому солнцу, свет начнет оказывать на парус большее сопротивление.
Еще идея, что можно тормозить об магнитное поле звезды, обычно оно достаточно большое как и у нашего Солнца. Но это еще нужно подсчитать.
Магнитное поле будет вызывать в парусе индукцию и тормозить его. А может быть эти токи получится использовать для связи с Землей, ведь для межзвездной связи нужна весьма большая антенна. Парус заодно и будет антенной.
* * *
Каковы теоретические пределы разгона? Если не впадать в математическое безумие с бесконечностями, которые дают релятивистские формулы на скорости света, лучше подумать как физики. Ограничением могут быть планковские величины.
Никто еще не разгонял до субсветовых скоростей макроскопический объект, а только отдельные частицы.
Я вот могу предположить, что еще до светового могут существовать барьеры, которые я бы назвал барьерами объединений. Но они, как мне кажется, больше имеют отношение к ускоренному движению, а не к постоянной скорости.
Еще ближе к скорости света энергия встречных частиц может теоретически достигнуть планковских величин. Хотя на практике макроскопическому объекту так не разогнаться.
КАРТА ГАЛАКТИКИ
Предположим, для наглядности, вы захотели нарисовать карту нашей Галактики на бумаге.
Какая она получится?
Выберем такой масштаб, что световому году будет соответствовать один миллиметр. Если не забыли еще школьные тетради в клеточку, то расстояние до ближайшей звезды поместится внутри такой пятимиллиметровой клеточки, даже чуть меньше ее.
В таком случае, для изображения Галактики потребуется лист бумаги 100 на 100 метров, целое поле. Это если пренебречь совсем уж пустынными окраинами, называемым галактическим гало. Тогда еще в несколько раз шире.
Но не забываем, что галактика имеет еще и толщину, поэтому понадобится не одна, а стопка стометровых карт.
Однако, на этом сложности не заканчиваются. Ближе к центру галактики плотность звезд гораздо больше, точкам на таком масштабе будет тесно. И в шаровых скоплениях (их полторы сотни) точки тоже сольются, для этих областей потребуются карты со своим масштабом.