Как летать к звездам

Глава 1

Короче, решил я добавить свои 5 копеек к теме, как летать к звездам, не натыкаясь на противоречия с современной физической картиной мира.

Начнем с простого, то есть с релятивистских (досветовых) кораблей.

Ракеты

У Скумбриева в «Заметках о космической фантастике» проводятся [надо отметить, довольно приблизительные] расчеты, из которых следует, что обычный для современной космонавтики ракетный корабль до звезд в разумные сроки не долетит.

И это, в общем, правильно: ракетные двигатели подчиняются формуле Циолковского, из которой следует, что скорость корабля с заданной полезной нагрузкой и заданным удельным импульсом (скоростью истечения рабочего тела) логарифмически зависит от стартовой массы. Как меня учили в Универе, логарифм – это не функция. Он, сволочь, растет очень медленно. Поэтому достижение скоростей, значительно превосходящих этот самый удельный импульс, требует огромной стартовой массы.

Можно, например, оценить, что для химического ракетного двигателя со скоростью истечения 4.5км/с (кислородно-водородный вакуумный двигатель RL-10, используемый на разгонном блоке Centaur), чтобы развить половину скорости света (150 000 км/c) потребуется стартовая масса в e**3333 (основание натурального логарифма в степени 3 тысячи триста тридцать три) больше массы полезной нагрузки. Это число с примерно 1.4 тысячами десятичных нулей. На калькуляторе не проверяйте, я с ходу не сумел найти калькулятора, в который такое влезает. Для сравнения, масса Солнца – всего лишь 1.9*10**30кг. То есть для отправки зонда массой один килограмм в Солнечной системе не хватит водорода (я уж не говорю про кислород).

Но, как видно из этих расчетов, проблема не в самой массе, а в удельном импульсе. Может быть, можно найти топливо получше, чем водород с кислородом?

Электрореактивные двигатели, для которых продемонстрированы очень большие удельные импульсы, сразу отпадают. Такой двигатель нуждается в источнике энергии. При этом, мощность такого источника должна быть равна произведению удельного импульса двигателя на его тягу. То есть электрореактивный двигатель может иметь либо большую тягу, либо большой импульс, но не то и другое одновременно.

Еще при этом, межзвездный корабль не может пользоваться Солнцем в качестве источника энергии (он же улетит от Солнца вскоре после того, как его скорость заметно превысит орбитальные скорости планет). Так что для такого корабля лимитирующим фактором будет именно запас энергии и скорость преобразования этого запаса в пригодную для создания тяги форму.

Наилучший из известных источников энергии – это ядерное или термоядерное топливо.

Вопрос только, как преобразовать эту энергию в реактивную тягу. Тут вариантов довольно много:

1. Поставить на корабль ядерную электростанцию, а полученную энергию использовать для электрореактивных двигателей. Довольно скучно, так как интересные с точки зрения межзвездных полетов соотношения тяги и импульса требуют мощностей начиная от многих тераватт и выше. А электростанции такой мощности, построенные по доступным в обозримом будущем технологиям, получаются довольно тяжелые.

2. Термический ракетный двигатель, вроде американского проекта NERV. Тоже скучно, потому что удельный импульс ограничен температурой активной зоны, а эта температура не может превышать температуру плавления/возгонки твердых материалов (4000 градусов для графита, 3959 для карбида гафния, 3420 для вольфрама), из которых должна быть сделана оболочка этой самой зоны. Используя водород в качестве рабочего тела, можно получить удельный импульс около 9 км/с, что всего в два раза лучше, чем у химических ракет.Интересно для межпланетных полетов, но к звездам на этом не улетишь.

3. Газофазные термические ЯРД. Эскизные проекты таких двигателей на полном серьезе разрабатывались, но даже до экспериментальных установок ни один не дошел. Понятно, что избежать истечения топлива в таком двигателе невозможно, а без этого вся затея быстро теряет смысл. Также, КПД теплопередачи от активной зоны к рабочему телу довольно низок, так что есть опасность, что все тепло будет нагревать стенки камеры и задача сведется к предыдущей.

4. Импульсные ЯРД. Самый знаменитый из них – это, конечно, орион Улама-Дайсона.

Улам начал с проекта двигателя, в котором ядерный заряд взрывался в заполненной водой (наверное, все-таки, водяным туманом) камере диаметром 40 метров. Потом (видимо, после попыток оценить, сколько взрывов могла бы пережить такая камера), он пришел к классической схеме, когда взрыв происходит в вакууме, в нескольких сотнях метров от толкающей плиты, и никакого рабочего тела к бомбе не добавляют. КПД такой штуки довольно низок, но параметры (тяга и удельный импульс) получаются весьма впечатляющие.

Улам и Дайсон оценивали проекты не только лунных и межпланетных орионов, но и проект ориона со стартовой массой 40 тысяч тонн для полета к Альфе Центавра со скоростью 1000 км/c. Такой полет занял бы около 300 лет.

Правда, построить такую штуку, или, хотя бы, ее прототип, никто так и не рискнул.

Существует также проект «Медуза», в котором вместо толкающей плиты используется парус, или, скорее, что-то типа парашюта. Этот парус, очевидно, должен быть сделан из чего-то типа мономолекулярного углеволокна. Он размещается впереди корабля, и бомба тоже выкидывается вперед. Недостаток такой конструкции очевиден – корабль подвергается всем факторам атомного взрыва без какой-либо защиты. Но такое устройство гораздо легче ориона, а парус можно приблизить к полусферической или даже параболической форме, повысив, тем самым, КПД.

Менее атомпанковый вариант ИЯРД обсуждался в проекте «Дедал». Там предполагалось использовать термоядерную реакцию с инерционным удержанием. Используя 50 000 тонн дейтерия, разработчики планировали довести беспилотный зонд с полезной массой 450 тонн до звезды Барнарда за 50 лет. Исследования по таким реакторам реально ведутся. Идея состоит в том, чтобы вбрасывать в активную зону шарики с замороженным дейтерием и разогревать их импульсными лазерами или электронными пучками. Если разогрев вести достаточно равномерно, можно получить температуры и плотности, достаточные для зажигания термоядерной реакции. Реакцию в таких установках реально получали, но положительный выход энергии (больше энергии, чем необходимо для работы нагревающих лазеров) пока что не достигли.

Наконец, раз уж мы заговорили про компактные и мощные источники энергии, нельзя не упомянуть мечту многих фантастов, антивещество. Теоретически, это самая компактная из возможных форма хранения энергии. При аннигиляции, вся его масса переходит в энергию по знаменитой формуле E=mc**2. Имея такое топливо, можно по-новому взглянуть на все перечисленные выше схемы ядерных космических кораблей.

Имея антивещество, можно обдумывать и более эффективные схемы преобразования энергии в движение, например, фотонную тягу. Обычно, когда говорят про фотонную тягу, представляют себе идеальное зеркало, которое отражает все излучение. В случае неконтролируемой аннигиляции антивещества, большая часть энергии выделяется в виде гамма-лучей с энергией 500 кЭв и более. Такие лучи не отражаются ни одним известным веществом, поэтому зеркало для них невозможно было бы изготовить. Многие физически неграмотные фантасты останавливаются на констатации этого печального факта. А более грамотные (например, братья Стругацкие) пишут про зеркала из мезовещества (правда у них источником излучения служит не антивещество, а термоядерная реакция…).

К счастью, для аннигиляционного фотонного двигателя никакого зеркала не нужно, и мезовещества тоже. Гамма-лучи довольно хорошо поглощаются веществом и нагревают его. А нагретое тело излучает. Те самые фотоны, которые нам нужны. Да, они невидимые, но для двигателя это совершенно неважно. Впрочем, при температурах более 500 градусов будут вам и видимые фотоны.

Но, скажете вы, ведь излучать-то оно будет равномерно во все стороны? А вот нифига подобного. Интенсивность теплового излучения пропорциональна четвертой степени температуры, поэтому неравномерный нагрев легко может обеспечить нам нужную неравномерность. Так что, окружив зону аннигиляции параболическим поглотителем-переизлучателем с малой теплопроводностью, мы можем получить почти точно такую же тягу, как и от зеркала.

Самое смешное, что человечество уже построило ядерный фотонный ракетный двигатель, основанный на неравномерном нагреве. Речь идет про так называемую «аномалию Пионеров» - долгое время остававшееся необъясненным дополнительное ускорение зондов «Пионер-10» и «Пионер-11», которое, в конце концов, удалось объяснить неравномерным излучением тепла. А тепло, в свою очередь, генерировалось радиоизотопным термическим электрогенератором (ну и электрическим оборудованием, которое этот генератор кормил). Конечно, тяга этого устройства оказалась очень мала (около километра в час за два десятилетия) и она была направлена к Солнцу, а не от него. Но все-таки надо учесть, что его никто не проектировал как двигатель!

Конечно, тяга фотонного двигателя на тепловом [пере]излучении не может быть велика. Температура внутренней поверхности переизлучателя не может превышать упомянутые выше 4000 градусов температуры возгонки графита, а значит, тяга устройства по порядку величины должна быть сравнима с тягой солнечного паруса (~10**-6 ньютон на квадратный метр). Поэтому для экспедиций с экипажем такой двигатель вряд ли пригодится. Но для беспилотных зондов…

Что можно отправить ракетой

В общем, летать к звездам на досветовых скоростях с использованием ракетных двигателей, как выясняется, возможно. Но такой полет потребует огромных затрат и займет сотни лет. А масса полезной нагрузки, доставленной к звезде, оказывается очень мала. Поэтому про межзвездные империи и торговлю при таких технологиях можно забыть, да и вопрос о колонизации, наверное, выглядит достаточно пессимистически.

Тем не менее, стоит задуматься, для чего такие перелеты можно было бы применить.

Список причин для таких путешествий, приходящий мне в голову, довольно короткий, но при этом весьма интересный.

1. Автоматические зонды

2. "Ковчеги поколений"

3. Экипажи со сроком жизни, существенно превосходящим человеческий (инопланетяне, киборги, эволюционировавшие люди, анабиоз)

4. Протягивание конечных точек для каких-нибудь тирьямпампаций

Автоматические зонды кажутся неинтересной для фантастики темой. Тем более, даже полет «Дедала» продолжительностью 50 лет кажется очень длительным предприятием. За такое время на Земле многое может измениться, и потомки строителей зонда могут потерять интерес к данным, которые такой зонд мог бы передать.

Но давайте посмотрим на недавнюю историю. Зонды «Вояджер» были запущены в 1977 году, то есть сорок один год назад. Данные от них до сих пор поступают, и никто финансирование станциям слежения не срезал. То есть, способность человечества поддерживать долгосрочные проекты, видимо, улучшается. И проект длительностью 50 лет уже вполне в пределах наших организационных и политических возможностей.

Самым интересным применением для автоматического зонда, конечно же, был бы контакт с инопланетной культурой. Вот это тема для фантастики как раз очень благодатная. Зондом можно передать много такого, чего не передашь по радио (нельзя недооценивать пропускную способность грузовика с жесткими дисками…). Причем, речь может идти как о чем-то полезном для обоих сторон контакта, так и о чем-то вредном.

Ковчеги поколений – это все-таки слишком большая нагрузка для ракетного звездолета. Но все-таки для полноты картины про них тоже следует упомянуть.

А вот небольшую команду из долгожителей или пассажиров в анабиозе вполне можно было бы отправить.

А если не ракетой?

Главная проблема с ракетными звездолетами в том, что они должны нести с собой запас энергии и рабочего тела, и большая часть этой энергии в конечном итоге уйдет на разгон этого самого запаса, масса которого – по самым оптимистическим оценкам – будет в тысячи раз больше массы полезной нагрузки.

Это приводит нас к мысли, что энергию или даже массу звездолет должен получать откуда-то еще.В принципе, осмысленных вариантов тут не так много.

1. Гравитационная праща

2. Сбор энергии из естественных источников в точке отправления (солнечные и электромагнитные паруса)

3. Получение энергии из искусственного источника в точке отправления (лазерные и ионные паруса и др.)

4. Сбор вещества и энергии по дороге.

Гравитационную пращу (прохождение по гиперболическим траекториям вблизи планет) фантасты недооценивают, а зря. Именно таким образом человеческая цивилизация уже отправила к звездам пять аппаратов (два «Пионера», два «Вояджера» и «Новые горизонты»). Правда, они предназначались для исследования планет и ни к каким конкретным звездам не нацелены – но зато отправили их очень дешево.

Солнечные паруса неплохо раскритикованы Скумбриевым. Но его критика относится к кораблям макроскопического размера. Расчеты показывают, что размер спор у многих спорообразующих земных организмов как раз подходит для выноса в межзвездное пространство солнечным излучением. А сами споры вполне способны длительное время выживать в вакууме. Первым на это обратил внимание лауреат Нобелевской премии С. Аррениус (правда, нобелевку он получил не за это). Потом расчеты показали, что споры бактерий могут не только вылетать из Солнечной системы, но и подниматься за счет термофореза в верхние слои атмосферы, где их это самое излучение уже вполне может подхватить. Гипотеза о панспермии, таким образом, не подтверждается данными современной науки, но, в общем, им и не особо противоречит.

Также, неплохой (и недооцененный) сюжетный ход для фантастики – это сверхцивилизация, которая таким образом засевает окружающее пространство наномашинами (или их спорами).

Световой парус, подсвечиваемый лазерами – это уже вполне нормальное средство для межзвездных путешествий, позволяющее разогнать зонд массой порядка нескольких килограмм до высоких околосветовых скоростей, укладываясь при этом во вполне обозримый (для писателя-фантаста) бюджет. Или что-то потяжелее, используя какие-то более фантастические бюджеты. И это тема, весьма активно эксплуатируемая фантастами. Можно вспомнить и «Мошку в зенице Господней», и «Розу и червя», и даже Высоцкого с его «вот двигаясь по световому лучу…».

Проблема наведения лазера на такой зонд проще, чем кажется. В нелинейной оптике известно такое явление, как обращение волнового фронта. Оно позволяет получить световой луч, направление которого в точности обратно направлению упавшего луча, наподобие того, как это делает катафот, но гораздо точнее. Поймав луч, отраженный от паруса, пропустив его через активную среду лазера и отразив его от фазового зеркала, мы как раз и получим луч, точно сфокусированный на парусе, но при этом двукратно усиленный лазером. Эта технология используется в термоядерных реакторах с инерционным удержанием плазмы, и, в этом смысле, совершенно не относится к фантастике.

К сожалению, сфокусирован луч будет не на самом парусе, а на точке, в которой парус был в момент отражения исходного луча – то есть уже на расстояниях в несколько световых секунд эту технологию становится не так-то просто использовать. Но если светить парусу точно вслед…

Двигатель Баззарда

И вот, наконец-то, мы дошли до настоящего покорителя межзвездных просторов – баззарда, или таранно-черпательного двигателя (ramscoop drive).

К сожалению, этот двигатель не существует не только в форме прототипов, но даже и в форме сколько-нибудь правдоподобных расчетов. Но когда это останавливало фантастов?

Сама идея двигателя, в том виде, как она была сформулирована изобретателем, очень проста и привлекательна: собирать межзвездный газ и использовать его в качестве термоядерного топлива. Но препятствий на пути к ее реализации множество, как реальных, так и воображаемых.

Наиболее очевидное препятствие состоит в том, что плотность межзвездного газа в окрестностях Солнца очень мала (0.3 атома на кубический сантиметр), так что диаметр газозаборника должен измеряться тысячами или даже сотнями тысяч километров. Очевидно, что никакой материальный газозаборник такого диаметра никуда не улетит.

Но почти весь межзвездный газ ионизирован, поэтому его сбор при помощи магнитной ловушки выглядит уже более реальным. Также, понятно, что создать такую ловушку магнитами, установленными на самом корабле, нереально. Но заряженный газ, движущийся в магнитном поле, сам создает магнитное поле. В магнитогазодинамике известно по крайней мере одно явление, которое могло бы нам помочь сжать этот газ до плотностей и температур, достаточных для зажигания термоядерной реакции: Z-pinch, самосжатие плазменного шнура собственным магнитным полем.

Второе препятствие состоит в том, что межзвездный газ состоит, главным образом, из водорода. Водород способен выдавать энергию при термоядерном синтезе, но вообще-то он горит очень плохо. Первая фаза реакции (слияние двух протонов с образованием позитрона и ядра дейтерия) выдает всего 0.42МЭв и даже в ядре Солнца идет очень медленно. А времени на следующие фазы в ловушке баззарда вряд ли хватит.

В статье Heppenheimer, T.A. (1978). "On the Infeasibility of Interstellar Ramjets". Journal of the British Interplanetary Society была приведена оценка, что энергия, которая могла бы выделиться в ходе протон-протонной реакции, на девять десятичных порядков (т.е. в миллиард раз) ниже, чем энергия, которая была бы рассеяна синхротронным излучением при сжатии плазменного шнура до необходимой плотности. Впрочем, потом были проведены расчеты, учитывающие, что межзвездный газ содержит и более тяжелые ядра, и было показано, что реакции с участием дейтерия или CNO-цикла (так называемый «углеродный катализ») способны в таких условиях дать положительный выход энергии.

Преимущества, которые баззард дает для межзвездных путешествий, совершенно неоценимы. Он позволяет отправлять к звездам тяжелые корабли (чем тяжелее корабль, тем более мощные магниты он способен нести, правда?) и разгонять их до высоких околосветовых скоростей. Вполне можно представить себе колонизационный ковчег, отправленный к Альфе Центавра или какой-нибудь там Тау Кита с расчетным сроком полета в несколько десятилетий. Это даже нельзя назвать ковчегом поколений, до цели долетит уже второе или третье поколение колонистов.

Но, конечно, для классической космооперы баззард совершенно не подходит. Как бы ни быстро он летал, все-таки это медленнее света, то есть даже между относительно близкими звездами полет займет годы и десятилетия. Баззарды позволяют осуществлять колонизацию, но контролировать колонии не позволяют. И торговать получится только знаниями, но не крупнотоннажными товарами. Впрочем, интересные сеттинги – например, вселенную Хейна У. ле Гуин или жизнь Фама Ньювена в Медленной Зоне – вокруг этого построить можно.

А может, лучше подождать, пока оно само подлетит?

Вместо того, чтобы лететь к звездам в их нынешнем положении, можно просто подождать, пока какая-нибудь звезда подлетит поближе. Это совершенно не фантастика: https://astronomy.com/news/2020/05/wandering-stars-brush-past-our-solar-system-surprisingly-often . Ну и вот, давайте себе представим, что когда-то в прошлом звезда с технологической цивилизацией примерно нашего уровня приблизилась к Солнечной системе. Вполне можно себе представить, что они готовы будут вложить реальные средства в необыкновенно дешевый межзвездный перелет на досветовой скорости, ведь другого шанса посмотреть на другую звездную систему и ответить на множество нерешенных вопросов планетологии, биологии, а то и сравнительной социологии им не представится!

Для такой цивилизации бурная и неидеально спланированная деятельность, вроде строительства пирамид и пресловутой Баальбекской террасы, с ее заброшенными в каменоломнях монолитами, выглядит не так уж странно. У них очень короткое временное окно для обустройства, и им надо использовать это окно по максимуму. Они могут забросить много оборудования, и они могут вполне рационально решить, что ресурсы, потерянные при ошибках планирования - это лучше, чем невыполненная программа исследований.

И это отвечает на главное возражение критиков теории палеоконтакта: если они прилетали раньше, то где же они теперь??? Ответ очевиден: улетели вместе с родиной, и даже не могли пообещать вернуться.

Конкретно с пирамидами, конечно, остается одна неувязка: если верить официальной датировке пирамид 2500BC, за 4500 лет звезда не могла улететь далеко. Если бы это была похожая на Солнце звезда класса G, мы должны были бы видеть ее невооруженным глазом, и, конечно, звезда с такими необычными параметрами собственного движения не могла бы не привлечь внимание еще в XIX столетии. Более правдоподобный кандидат - это какой-нибудь красный карлик. Их много, они не видны невооруженным глазом и параметры многих, даже точное расстояние, неизвестны.

Можно еще пофантазировать, что звезда прилетала гораздо раньше, а иероглифы про Хеопса на пирамиде нарисовали уже гораздо позже.

Более-менее всерьез такое я читал только у Ефремова, "Звездные корабли". И я, к сожалению, не смотрел но осуждаю фильмы Дэнникена, поэтому не уверен, насколько прямым текстом там изложена именно такая версия происхождения инопланетян.

Путешествия и коммуникация быстрее света

Да, вы не ослышались. Современная физика уже знает минимум три явления, которые допускают сверхсветовую коммуникацию и даже путешествия. Впрочем, пока что ни одно из них использовать таким образом нельзя.

Квантовое запутывание и квантовая телепортация

Я затрудняюсь описать это явление на пальцах. Для меня самого оно выглядит как математический фокус. Но явление это вполне реальное, неоднократно наблюдавшееся в воспроизводимых экспериментах, и состоит в синхронном изменении квантового состояния частиц при определенных условиях. Прямые измерения на расстоянии 18 километров показали, что скорость распространения «взаимодействия» при этом не менее чем в 100 000 раз превышает скорость света.

Слово «взаимодействие» тут не случайно взято в кавычки, потому что ни энергии, ни даже информации при этом не передается. Для того, чтобы создать запутывание, частицы в начальный момент должны находиться рядом. А чтобы интерпретировать результат эксперимента как запутывание, наблюдатель с самого начала должен знать, что частица запутанная.

Поскольку запутанные частицы необходимо физически передать с досветовой скоростью, даже если на этом и удастся построить коммуникацию, на этом нельзя путешествовать. Да и с тем, как это использовать для коммуникации, есть вопросы. Вроде, сначала доказали, как теорему, что коммуникация на этом принципе невозможна. Потом появились экспериментальные результаты, эту теорему опровергающие… Так или иначе, явление используется в квантовой криптографии и квантовых компьютерах – технологиях, которые вызывают большой интерес в популярной литературе, но которые от практической реализации весьма далеки.

А необходимость отправлять связанные частицы с субсветовой скоростью – на что вам придуманы лазерные паруса, баззарды и прочие субсветовые корабли?

Червоточины

Червоточины, они же кротовые или кроличьи (отсылка к Кэроллу) норы – это явление, очень популярное в фантастике. Но почему-то мало кто из фантастов знает, что это не чистая фантазия, а вполне нормальное, опубликованное в рецензируемом журнале и всерьез обсуждаемое физиками решение уравнений Общей Теории Относительности.

Черная дыра Шварцшильда в фантастике и популярной литературе обычно описывается как что-то, что все поглощает. На самом деле, это гораздо более интересное явление. Многие слышали, что черную дыру также называют сингулярностью. Но гораздо меньше народу знает, что сингулярность – это не центр черной дыры, а ее оболочка, сфера Шварцильда или горизонт событий. Именно там решения уравнений ОТО превращаются в неопределенность вида 0/0, то есть в сингулярность в математическом смысле.

Во-вторых, то, что дыра все притягивает, вовсе не означает, что она будет все поглощать. Например, Солнце все притягивает, но очень мало что на него реально падает. В том числе, недавно прошедший мимо Солнца межзвездный астероид (или инопланетный зонд?) 1I/Оумуамуа никуда не упал.

Точно так же, объект, падающий на черную дыру с достаточной поперечной скоростью, вполне может пройти по поверхности сферы Шварцшильда и вылететь из дыры обратно. И произойдет это за вполне конечное время для самого путешественника.

Поскольку такое путешествие займет бесконечное время для внешнего наблюдателя, уже тут можно сказать, что путешественник попадет в какой-то другой мир. Также, вполне можно представить себе две черные дыры, каким-то образом склеенные между собой. При этом, вторая дыра может выводить в любое место (и время) нашей или какой-то другой Вселенной.

Впрочем, как я уже сказал, для внешнего наблюдателя такое путешествие заняло бы бесконечное время. Да и путешественник, скорее всего, не переживет приливных сил у горизонта событий. Поэтому для сеттинга космооперы такие червоточины не очень интересны.

Но в 1988 году Моррисом и Торном было показано, что уравнения ОТО допускают существование стабильных и проходимых за конечное (для внешнего наблюдателя) время червоточин. Все, что для этого надо – это вещество с отрицательной гравитационной массой (так называемая экзоматерия). Но ведь это уже чисто инженерная проблема, правда?

Некоторые исследователи предлагают решения уравнений ОТО, в которых отрицательная плотность энергии создается сильными электрическими полями или некоторыми другими явлениями «обычной» физики. У некоторых получается – правда, только на бумаге – создать таким способом стабильные кротовые норы и двигатель Алькуберре.

Также, до сих пор нету прямых опытов, исследующих взаимодействие антивещества с гравитационным полем. Может быть, оно по совместительству и есть это самое экзовещество?

Двигатель Алькуберре

Двигатель Алькуберре также основан на использовании вещества с отрицательной массой, или какой-то иным способом созданной области пространства с отрицательной плотностью энергии-вещества. Если такое вещество удастся синтезировать и собрать в определенном месте в достаточном количестве, можно сформировать пузырь пространства-времени, кажущийся неподвижным изнутри, но движущийся относительно окружающего пространства с произвольной (в том числе и сверхсветовой) скоростью.

Описание двигателя Алькуберре «на пальцах» подозрительно напоминает описание варп-двигателя из Стар Трека. Но у Алькуберре все уравнения реально прорешаны, и ошибок в этих решениях никто не нашел. Правда, некоторые скептики утверждают, что сигнал из пузыря не сможет за конечное время достигнуть экзоматерии на его фронте, поэтому управлять его движением будет невозможно.

В общем, дайте мне немного экзоматерии, и я вам не только переверну Землю, но и - … - …

А что, собственно, мешает нам летать быстрее света?

Нет, серьезно?

Наиболее известный и наиболее очевидный ограничитель – это Специальная Теория Относительности, выведенная из того экспериментального факта, что скорость света (а, на самом деле, и все остальные законы электродинамики) во всех инерциальных системах отсчета одинакова.

Само по себе это утверждение практически немедленно означает, что не может существовать инерциальной системы, движущейся со скоростью света относительно другой. Но попытки согласовать это утверждение с кинематикой привели к построению более интересных формул, связывающих скорость материального тела с его энергией. По этим формулам получается, что тело с ненулевой массой покоя, движущееся со скоростью света, должно иметь бесконечную энергию. И наоборот, фотон с нулевой массой покоя вполне может двигаться со скоростью света и иметь конечную ненулевую энергию. Эти формулы с высокой точностью подтверждены на опыте: частицы в синхротронах и более мощных ускорителях движутся с энергиями, намного превосходящими их массу покоя, но их скорость не растет быстрее световой (а если бы росла, то бегущая волна электромагнитного поля, которая их ускоряет, отставала бы от них).

Если попытаться приложить эти формулы к сверхсветовым скоростям, мы получим, что «нормальное» тело, движущееся с такой скоростью, должно иметь мнимую энергию. Или, наоборот, чтобы иметь действительную ненулевую энергию, такие тело должно иметь мнимую энергию покоя. Это довольно сложно себе представить. Впрочем, современная физика знает много вещей, которые сложно себе представить. Настоящая проблема в том, что никто никогда ничего подобного не наблюдал.

Впрочем, и это тоже не препятствие. Например, античастицы много миллионов лет никто не наблюдал, а потом их открыли. А уж фантастам рассуждать о будущих открытиях по статусу положено. Тем более, что, если для сверхсветового движения нужна мнимая энергия, наверное, все расчеты энергоемкости и КПД, которые относятся к досветовым полетам, к ней будут неприложимы. Получив совсем немного мнимой энергии, мы сможем лететь в бесконечное число раз быстрее света. Это приближение к скорости света сверху требует больших (по модулю) энергий.

Впрочем, та же самая СТО содержит еще один, менее известный среди широкой публики и фантастов, факт, который кажется более убедительным барьером на пути к сверхсветовым путешествиям.

Все знают, что формулы СТО (преобразования Лоренца) диктуют не только нелинейное изменение энергии и импульса при приближении к скорости света, но и замедление времени. Но, как выясняется, мало кто (даже обладатели инженерного образования, которые по учебному плану обязаны были проходить электродинамику, а значит и СТО) помнит, что преобразование времени в формулах Лоренца зависит не только от скорости, но и от пространственных координат. Попросту говоря, при изменении системы отсчета, у нас меняется не только скорость течения времени, но и то, какие события нам кажутся одновременными.

Применительно к сверхсветовым путешествиям, это означает, что любое путешествие быстрее света – это путешествие во времени. Точнее сказать, это путешествие во времени во всех системах отсчета, кроме одной. Совершив серию из трех перемещений – быстрее света, медленнее света и быстрее света опять – мы можем переместиться как в будущее, так и в прошлое относительно точки отправления.

Путешествия во времени – это тоже популярная тема у фантастов. Но их связь с путешествиями быстрее света почему-то не столь популярна. Вспоминаются разве что кино «Интерстеллар» (которое почему-то ругают за нарушение законов физики), «Небо сингулярности» Ч. Стросса и «Дюна» Ф. Герберта (впрочем, там только упоминается связь между путешествиями быстрее света, предзнанием и нарушениями законов термодинамики). [Update: "Кин-дза-дза" же!]. И есть еще книжка, которую к научной фантастике вообще не относят:

Между прочим, такая машина существует пока только у нас в Германии, у компании "Люфтганза". Кстати сказать, техническое решение очень простое. Это обыкновенный космоплан вроде американского шаттла, снабженный, однако, не только простыми ракетными, но и фотонными двигателями. Космоплан достигает сначала первой, потом второй космической скорости, после чего включаются фотонные двигатели. С их помощью машина развивает околосветовую скорость, и тогда время для тебя останавливается, а на Земле идет, и ты попадаешь в будущее. Или аппарат развивает сверхсветовую скорость, и тогда ты опережаешь время и попадаешь в прошлое.

Все предположения о реальной возможности таких путешествий упираются в простой вопрос, аналогичный известному парадоксу Ферми: если путешествия во времени в будущем станут возможны, почему мы не наблюдаем пришельцев из будущего? Сколько-нибудь убедительный ответ на этот вопрос дан, разве что, в том же «Небе сингулярности».

Кстати, червоточины Морриса-Торна вполне допускают замкнутые «мировые линии», которые в обыденном смысле соответствуют путешествиям во времени. А исследователи квантовой телепортации стыдливо обходят вопрос, в какой именно системе отсчета одновременны наблюдаемые события.

А что нам вообще эта физика?

Нет, серьезно? На самом деле, в известной нам картине мира существуют очень большие пробелы, поэтому ожидать в будущем (может даже и не в таком уж далеком) прорывов, которые откроют, в том числе, и возможность межзвездных путешествий, не так уж и наивно.

Главная проблема современного естествознания – это построение Единой Теории Поля, или, что то же самое, квантовой теории гравитации. Для этого надо согласовать между собой Общую Теорию Относительности и квантовую механику. СТО с квантовой механикой уже согласовали в 30-40е годы, получилась квантовая электродинамика, которую Фейнман называл «драгоценностью физики».

С ОТО этот фокус не проходит. Если подставить уравнения Эйнштейна (описывающие ОТО) в уравнение Шредингера (описывающее квантовую механику) получается какая-то хрень… а, собственно, почему я это зачеркнул? Получается система уравнений. Их много, но они одинаковые, поэтому в тензорной форме их можно записать довольно компактно. Это так называемые функциональные дифференциальные уравнения, решениями которых являются не функции (как у обычных дифуров) а функционалы (на нашем уровне обсуждения можно сказать, что это такие обобщения функций). Само по себе это не беда, хотя, конечно, сильно усложняет все расчеты и понимание результатов этих расчетов.

Беда в том, что среди известных решений этих уравнений никаким подбором параметров, калибровок или граничных условий не получается найти ничего, что хотя бы отдаленно напоминало бы наблюдаемую Вселенную.

Долгое время надежды на прорыв в этой области возлагались на теорию струн (которая теория, на самом деле, представляет лишь одну из попыток подобрать эти самые граничные условия). Но что-то, вроде, дело идет к тому, что в этой теории даже внутренние противоречия распутать не получается, не то, что предсказать что-то поддающееся экспериментальной проверке. Теперь вот вместо струн мембраны (браны) предлагают. Кстати, в теории бран бывают стабильные проходимые червоточины без всякой отрицательной массы.

Интересно, что проблема тут чисто теоретическая, то есть нет ничего невозможного в том, что какой-то гений или просто очень удачливый человек распутает эту загадку без каких-либо мегагрантов, гигантских экспериментальных установок и армий аспирантов.

Но именно эта теория должна (или, во всяком случае, могла бы) ответить на вопросы, которые мы упоминали в связи с возможностью сверхсветовых путешествий: бывает ли отрицательная и мнимая масса и если да, то как их получить, какова гравитационная масса антивещества, какие законы физики действуют вблизи гравитационной сингулярности, что вообще такое одновременность…

Вторая загадка, которая тоже, что характерно, напрямую связана с гравитацией – это так называемая «темная материя». Но тут уж совсем ничего непонятно, кроме того, что параметры наблюдаемых галактик в разы отличаются от наших расчетов. То есть реальность довольно грубо опровергает теории, которые в масштабах Солнечной системы кажутся нам подтвержденными с высокой точностью.

Тем, кто думает, что такая далекая от нас темная материя не может ничего изменить в такой стабильной и уважаемой дисциплине, как физика, можно напомнить знаменитые "облачка на горизонте естествознания" о которых говорил в XIX столетии лорд Кельвин: "ультрафиолетовую катастрофу" и проблему эфирного дрейфа. Эти облачка превратились в квантовую механику и СТО, которые привели к довольно фундаментальной перестройке всего естествознания. Может быть, и тайна темной материи приведет к чему-то подобному...