Układ słoneczny od dawna nie wzbudzał szczególnego zainteresowania pisarzy science fiction. Ale, co zaskakujące, dla niektórych naukowców nasze planety „domowe” nie są źródłem wielu inspiracji, chociaż nie zostały jeszcze praktycznie zbadane.
Ledwie wycinając okno w kosmos, ludzkość jest rozdarta w nieznane odległości i nie tylko w snach, jak wcześniej.
Siergiej Korolow obiecał też, że niebawem loty w kosmos „na bilecie związkowym”, ale to sformułowanie ma już pół wieku, a kosmiczna odyseja to wciąż sprawa elity - zbyt droga przyjemność. Jednak dwa lata temu HACA uruchomiła ambitny projekt 100-letniego statku kosmicznego, który obejmuje etapowe i wieloletnie tworzenie naukowo-technicznych podstaw lotów kosmicznych.
Ten niezrównany program powinien przyciągnąć naukowców, inżynierów i pasjonatów z całego świata. Jeśli wszystko zakończy się sukcesem, za 100 lat ludzkość będzie mogła zbudować statek międzygwiezdny, a po Układzie Słonecznym będziemy się poruszać jak tramwajem.
Jakie więc problemy należy rozwiązać, aby loty gwiezdne stały się rzeczywistością?
CZAS I PRĘDKOŚĆ SĄ Względne
Film promocyjny:
Astronautyka automatycznych pojazdów wydaje się niektórym naukowcom prawie rozwiązanym problemem, co jest dziwne. I to pomimo tego, że nie ma absolutnie sensu wystrzeliwania w gwiazdy maszyn z obecnymi prędkościami ślimaka (ok. 17 km / s) i innym prymitywnym (jak na tak nieznane drogi) wyposażeniu.
Teraz amerykańskie statki kosmiczne Pioneer-10 i Voyager-1 opuściły Układ Słoneczny i nie ma już z nimi żadnego połączenia. Pioneer 10 zmierza w kierunku gwiazdy Aldebaran. Jeśli nic mu się nie stanie, dotrze w okolice tej gwiazdy … za 2 miliony lat. W ten sam sposób inne urządzenia czołgają się po całym Wszechświecie.
Tak więc, niezależnie od tego, czy statek jest zamieszkany, czy nie, aby polecieć do gwiazd, potrzebuje dużej prędkości, zbliżonej do prędkości światła. Pomoże to jednak rozwiązać problem latania tylko do najbliższych gwiazd.
„Nawet gdybyśmy zdołali zbudować statek gwiezdny, który mógłby latać z prędkością bliską prędkości światła” - napisał K. Feoktistov - „czas podróży w samej tylko naszej Galaktyce będzie liczony w tysiącach i dziesiątkach tysiącleci, ponieważ jego średnica wynosi około 100 000 światła. lat. Ale w tym czasie na Ziemi przejdzie znacznie więcej”.
Zgodnie z teorią względności przebieg czasu w dwóch układach poruszających się względem siebie jest inny. Ponieważ na dużych odległościach statek będzie miał czas na rozwinięcie prędkości bardzo zbliżonej do prędkości światła, różnica czasu na Ziemi i na statku będzie szczególnie duża.
Zakłada się, że pierwszym celem lotów międzygwiazdowych będzie Alfa Centauri (układ trzech gwiazd) - najbliższa nam. Możesz tam polecieć z prędkością światła za 4,5 roku, na Ziemi w tym czasie zajmie to dziesięć lat. Ale im większa odległość, tym większa różnica w czasie.
Pamiętasz słynną „Mgławicę Andromedy” Ivana Efremova? Tam lot jest mierzony w latach i ziemskich. Piękna bajka, nic nie powiesz. Jednak ta upragniona mgławica (a dokładniej galaktyka Andromedy) znajduje się w odległości 2,5 miliona lat świetlnych od nas.
Według niektórych obliczeń podróż astronautom potrwa ponad 60 lat (według godzin statku kosmicznego), ale na Ziemi minie cała era. W jaki sposób ich odlegli potomkowie spotkają się z przestrzenią „neadertalczyków”? I czy Ziemia w ogóle będzie żyła? Oznacza to, że powrót jest w zasadzie bez znaczenia. Jednak podobnie jak sam lot: musimy pamiętać, że galaktykę mgławicy Andromedy widzimy tak, jak wyglądała 2,5 miliona lat temu - o ile jej światło dociera do nas. Jaki jest sens latania do nieznanego celu, który być może dawno nie istniał, przynajmniej w swojej dawnej formie i na starym miejscu?
Oznacza to, że nawet loty z prędkością światła są uzasadnione tylko do stosunkowo bliskich gwiazd. Jednak pojazdy lecące z prędkością światła nadal żyją tylko w teorii, co przypomina science fiction, jednak naukowe.
STATEK WIELKOŚCI PLANETY
Naturalnie przede wszystkim naukowcy wpadli na pomysł wykorzystania najskuteczniejszej reakcji termojądrowej w silniku okrętowym - już częściowo opanowanej (do celów wojskowych). Jednak aby podróżować w obu kierunkach z prędkością bliską światła, nawet przy idealnej konstrukcji systemu, wymagany jest stosunek masy początkowej do masy końcowej nie mniejszy niż 10 do trzydziestej potęgi. Oznacza to, że statek kosmiczny będzie jak ogromna kompozycja z paliwem wielkości małej planety. Nie da się wystrzelić takiego kolosa w kosmos z Ziemi. I montować na orbicie - też nie bez powodu naukowcy nie omawiają tej opcji.
Bardzo popularna jest idea silnika fotonowego wykorzystującego zasadę anihilacji materii.
Anihilacja to przekształcenie cząstki i antycząstki, gdy zderzają się, w dowolne inne cząstki inne niż pierwotne. Najlepiej zbadana jest anihilacja elektronu i pozytonu, które generują fotony, których energia porusza statek kosmiczny. Obliczenia przeprowadzone przez amerykańskich fizyków Ronana Keane'a i Wei-minga Zhanga pokazują, że nowoczesne technologie można wykorzystać do stworzenia silnika anihilacyjnego zdolnego do przyspieszenia statku kosmicznego do 70% prędkości światła.
Jednak zaczynają się dalsze problemy. Niestety, użycie antymaterii jako paliwa nie jest łatwe. Podczas anihilacji dochodzi do wybuchów silnego promieniowania gamma, które są śmiertelne dla astronautów. Ponadto kontakt paliwa pozytonowego ze statkiem jest obarczony śmiertelną eksplozją. Wreszcie, wciąż nie ma technologii pozwalających na uzyskanie wystarczającej ilości antymaterii i jej długotrwałego przechowywania: na przykład atom przeciwwodoru „żyje” teraz mniej niż 20 minut, a wyprodukowanie miligrama pozytonów kosztuje 25 milionów dolarów.
Ale przypuśćmy, że z czasem te problemy można rozwiązać. Jednak nadal będzie potrzebne dużo paliwa, a masa startowa statku fotonowego będzie porównywalna z masą Księżyca (według Konstantina Fieoktistowa).
ŁAM ŻAGIEL
Najpopularniejszy i najbardziej realistyczny statek kosmiczny jest dziś uważany za żaglowiec słoneczny, którego pomysł należy do radzieckiego naukowca Friedricha Zandera.
Żagiel słoneczny (świetlny, fotonowy) to urządzenie, które wykorzystuje ciśnienie światła słonecznego lub lasera na powierzchni lustra do napędzania statku kosmicznego.
W 1985 roku amerykański fizyk Robert Forward zaproponował projekt sondy międzygwiazdowej przyspieszanej energią promieniowania mikrofalowego. Projekt przewidywał, że sonda dotrze do najbliższych gwiazd za 21 lat.
Na XXXVI Międzynarodowym Kongresie Astronomicznym zaproponowano projekt kosmicznego statku laserowego, którego ruch zapewnia energia laserów w zakresie optycznym, znajdujących się na orbicie Merkurego. Według obliczeń droga statku kosmicznego tego projektu do gwiazdy epsilon Eridani (10,8 lat świetlnych) iz powrotem zajęłaby 51 lat.
„Jest mało prawdopodobne, że na podstawie danych uzyskanych z podróży w naszym Układzie Słonecznym będziemy w stanie poczynić znaczące postępy w zrozumieniu świata, w którym żyjemy. Oczywiście myśl kieruje się ku gwiazdom. Wszakże wcześniej zrozumiano, że loty w pobliżu Ziemi, loty na inne planety naszego Układu Słonecznego nie są ostatecznym celem. Wydawało się, że głównym zadaniem jest torowanie drogi do gwiazd”.
Te słowa nie należą do pisarza science fiction, ale do projektanta statków kosmicznych i kosmonauty Konstantina Fieoktistowa. Zdaniem naukowca nic szczególnie nowego w Układzie Słonecznym nie zostanie znalezione. I to pomimo faktu, że osoba ta dotarła do tej pory tylko na księżyc …
Jednak poza Układem Słonecznym ciśnienie światła słonecznego zbliży się do zera. Dlatego istnieje projekt rozproszenia słonecznego żaglowca za pomocą instalacji laserowych z jakiejś asteroidy.
Wszystko to wciąż jest teorią, ale pierwsze kroki są już podejmowane.
W 1993 roku dwudziestometrowy żagiel słoneczny został po raz pierwszy rozmieszczony na rosyjskim statku Progress M-15 w ramach projektu Znamya-2. Kiedy Progress zadokował do stacji Mir, jego załoga zainstalowała jednostkę rozwijającą reflektor na pokładzie Progress. W rezultacie reflektor utworzył jasny punkt o szerokości 5 km, który przeszedł przez Europę do Rosji z prędkością 8 km / s. Plamka światła miała jasność mniej więcej równoważną księżycowi w pełni.
Tak więc, zaletą żaglówki solarnej jest brak paliwa na pokładzie, wadą jest wrażliwość konstrukcji żagla: w rzeczywistości jest to cienka folia naciągnięta na ramę. Gdzie jest gwarancja, że po drodze żagiel nie otrzyma dziur od cząstek kosmicznych?
Opcja żeglarska może być odpowiednia do uruchamiania robotycznych sond, stacji i statków towarowych, ale nie nadaje się do załogowych lotów powrotnych. Istnieją inne projekty statków kosmicznych, ale w taki czy inny sposób przypominają one wymienione powyżej (z tymi samymi problemami na dużą skalę).
NIESPODZIANKI W PRZESTRZENI MIĘDZYGwiazdkowej
Wydaje się, że na podróżników we Wszechświecie czeka wiele niespodzianek. Na przykład, ledwo wychylając się z Układu Słonecznego, amerykański statek kosmiczny Pioneer-10 zaczął doświadczać siły nieznanego pochodzenia, powodując słabe wyhamowanie. Przyjęto wiele założeń, aż do nieznanych jeszcze skutków bezwładności, a nawet czasu. Nadal nie ma jednoznacznego wytłumaczenia tego zjawiska, rozważane są różne hipotezy: od prostych technicznych (np. Siła reakcji od wycieku gazu w aparacie) po wprowadzenie nowych praw fizycznych.
Inne urządzenie, Voyadger-1, zarejestrowało obszar z silnym polem magnetycznym na granicy Układu Słonecznego. W nim ciśnienie naładowanych cząstek z przestrzeni międzygwiazdowej zmusza pole utworzone przez Słońce do zagęszczenia. Urządzenie zarejestrowało również:
wzrost liczby wysokoenergetycznych elektronów (około 100 razy), które przenikają do Układu Słonecznego z przestrzeni międzygwiazdowej;
gwałtowny wzrost poziomu galaktycznych promieni kosmicznych - wysokoenergetycznych naładowanych cząstek pochodzenia międzygwiazdowego.
A to tylko kropla w morzu potrzeb! Jednak to, co wiemy dzisiaj o międzygwiazdowym oceanie, wystarczy, aby podważyć samą możliwość surfowania po ogromie Wszechświata.
Przestrzeń między gwiazdami nie jest pusta. Wszędzie są pozostałości gazu, kurzu, cząsteczek. Podczas próby poruszania się z prędkością bliską prędkości światła, każdy atom zderzający się ze statkiem będzie jak cząstka promieni kosmicznych o wysokiej energii. Poziom twardego promieniowania podczas takiego bombardowania w niedopuszczalny sposób wzrośnie nawet podczas lotu do najbliższych gwiazd.
A mechaniczne działanie cząstek przy takich prędkościach jest jak wybuchowe pociski. Według niektórych obliczeń każdy centymetr tarczy statku kosmicznego będzie wystrzeliwany w sposób ciągły z prędkością 12 strzałów na minutę. Oczywiste jest, że żaden ekran nie wytrzyma takiego uderzenia przez kilka lat lotu. Albo będzie musiał mieć niedopuszczalną grubość (dziesiątki i setki metrów) i masę (setki tysięcy ton).
Właściwie wtedy statek kosmiczny będzie składał się głównie z tego ekranu i paliwa, które będzie wymagało kilku milionów ton. W tych okolicznościach loty przy takich prędkościach są niemożliwe, zwłaszcza że po drodze można wpaść nie tylko w pył, ale też coś większego, czy też zostać uwięzionym w nieznanym polu grawitacyjnym. A potem śmierć jest znowu nieunikniona. Tak więc, jeśli uda się rozpędzić statek kosmiczny do prędkości podświtowej, to nie osiągnie on swojego ostatecznego celu - na jego drodze będzie zbyt wiele przeszkód. Dlatego loty międzygwiezdne można wykonywać tylko przy znacznie niższych prędkościach. Ale wtedy czynnik czasu sprawia, że te loty są bez znaczenia.
Okazuje się, że niemożliwe jest rozwiązanie problemu transportu ciał materialnych na odległości galaktyczne z prędkością bliską prędkości światła. Nie ma sensu przebijać się przez przestrzeń i czas za pomocą struktury mechanicznej.
MOLE HOLE
Naukowcy, próbując przezwyciężyć nieubłagany czas, wymyślili sposób „wygryzania dziur” w przestrzeni (i czasie) i „zwijania” go. Wynaleźli różne skoki w nadprzestrzeni z jednego punktu w kosmos do drugiego, omijając obszary pośrednie. Teraz naukowcy dołączyli do pisarzy science fiction.
Fizycy zaczęli szukać ekstremalnych stanów materii i egzotycznych luk we Wszechświecie, w których można poruszać się z prędkością ponadświetlną, w przeciwieństwie do teorii względności Einsteina.
Tak narodził się pomysł tunelu czasoprzestrzennego. Ta dziura łączy dwie części Wszechświata jak przecięcie tunelu łączącego dwa miasta oddzielone wysoką górą. Niestety tunele czasoprzestrzenne są możliwe tylko w absolutnej próżni. W naszym Wszechświecie te nory są wyjątkowo niestabilne: mogą po prostu zapaść się, zanim dotrze tam statek kosmiczny.
Jednak efekt odkryty przez Holendra Hendrika Casimira można wykorzystać do stworzenia stabilnych tuneli czasoprzestrzennych. Polega na wzajemnym przyciąganiu się przewodzących nienaładowanych ciał pod wpływem oscylacji kwantowych w próżni. Okazuje się, że próżnia nie jest całkowicie pusta, podlega fluktuacjom pola grawitacyjnego, w którym cząstki i mikroskopijne tunele czasoprzestrzenne samorzutnie pojawiają się i znikają.
Pozostaje tylko znaleźć jeden z otworów i rozciągnąć go, umieszczając między dwiema kulkami nadprzewodzącymi. Jedno ujście tunelu pozostanie na Ziemi, podczas gdy drugi statek kosmiczny będzie przemieszczał się z prędkością bliską prędkości światła do gwiazdy - obiektu końcowego. Oznacza to, że statek kosmiczny niejako przebije tunel. Gdy statek dotrze do celu, tunel czasoprzestrzenny otworzy się dla prawdziwej błyskawicznej podróży międzygwiazdowej, której czas trwania zostanie obliczony w minutach.
BĄBELKA KRZYWIZNY
Pokrewną teorią tuneli czasoprzestrzennych jest krzywizna bańki. W 1994 roku meksykański fizyk Miguel Alcubierre wykonał obliczenia zgodnie z równaniami Einsteina i odkrył teoretyczną możliwość deformacji falowej kontinuum przestrzennego. W takim przypadku przestrzeń przed statkiem kosmicznym zmniejszy się i jednocześnie rozszerzy się za nim. Statek kosmiczny jest niejako umieszczony w zakrzywionej bańce, zdolnej do poruszania się z nieograniczoną prędkością. Genialność tego pomysłu polega na tym, że statek kosmiczny spoczywa w bańce krzywizny, a prawa względności nie są naruszane. W tym przypadku sam pęcherzyk krzywizny porusza się, lokalnie zniekształcając czasoprzestrzeń.
Pomimo niezdolności do podróżowania szybciej niż światło, nic nie stoi na przeszkodzie, aby przestrzeń się poruszała lub propagowała deformację czasoprzestrzeni szybciej niż światło, co, jak się uważa, miało miejsce bezpośrednio po Wielkim Wybuchu, podczas formowania się wszechświata.
Wszystkie te pomysły nie wpisują się jeszcze w ramy współczesnej nauki, ale w 2012 roku przedstawiciele NASA zapowiedzieli przygotowanie eksperymentalnego testu teorii dr Alcubierre'a. Kto wie, może teoria względności Einsteina kiedyś stanie się częścią nowej globalnej teorii. W końcu proces poznania nie ma końca. Oznacza to, że pewnego dnia będziemy w stanie przebić się przez ciernie do gwiazd.
Irina GROMOVA
