Полный гайд межзвездных путешествий: «омолаживающая» скорость света, антиматериальный двигатель и червоточины

В 1977 году человечество запустило за пределы Солнечной системы свою самую амбициозную миссию. Два идентичных аппарата Voyager 1 и Voyager 2 отправились в наиболее длительное в истории космических исследований путешествие. И хотя их первоначальной миссией было изучение внешних планет Солнечной системы, на сегодня оба зонда уже пересекли границы гелиосферы и вошли в межзвездное пространство, став самыми удаленными искусственными космическими аппаратами из когда-либо запущенных человечеством.

В это сложно поверить, но двигаясь с колоссальной для нас скоростью — около 61 500 км/ч (Voyager 1) и 55 000 км/ч (Voyager 2), они преодолели только ≈0,02% дистанции до ближайшей к нам звездной системы — Альфа Центавра. Если бы оба космических аппарата целенаправленно отправились именно туда, чтобы добраться до своего конечного пункта назначения, им понадобилось бы свыше 73 000 лет.

Опыт Voyager побуждает смириться, что, вероятно, нам никогда не будут подвластны межзвездные путешествия. Впрочем, в нашей Вселенной существуют парадоксы, использование которых, теоретически, может помочь преодолевать космические расстояния значительно быстрее. Сегодня мы составили для вас наиболее полное пособие о странствиях меж звезд.

Фундамент межзвездных путешествий: Эйнштейновские парадоксы

Межзвездные путешествия, по представлениям научной фантастики, требуют преодоления огромных расстояний и времени. Когда говорим о полетах к другим звездам, становится очевидным, что привычная для нашей планеты ньютоновская физика, на которую в течение 300 лет опирались все механические расчеты на Земле, больше не работает: для космологических расстояний необходимо было ее полное переосмысление. Ньютоновская физика утверждала, что орбиты вращения планет в Солнечной системе должны быть стабильными, однако в течение длительных астрономических наблюдений Меркурий вел себя довольно странно, каждое столетие смещая свою орбиту на 43 угловые секунды.

В начале прошлого века исследовать загадку прецессии перигелия Меркурия взялся немецкий физик — Альберт Эйнштейн. Изобретенная ним новая физика, изложенная в Специальной теории относительности и обнародованная в 1905 году, а в 1915-м дополненная в Общей теории относительности, полностью изменила представления человечества о природе пространства и времени.

В отличие от Ньютона, считавшего гравитацию силой, мгновенно действующей на объекты на расстоянии, Эйнштейн предположил, что гравитация является искривлением ткани пространства-времени, которая словно «прогибается» под воздействием сверхмассивных объектов, таких как планеты, звезды и тому подобное. А поскольку Меркурий был ближайшей к Солнцу планетой, Эйнштейн понял, что именно масса звезды должна влиять на отклонение его орбиты. Применив свои уравнения, он сумел рассчитать точный угол отклонения перигелия Меркурия, который, к удивлению многих физиков, составил именно 43 угловых секунды. Одна из величайших загадок астрономии начала ХХ века была решена — орбиты планет не являются стабильными, они постоянно корректируются гравитацией более массивных объектов.

Новая физика Альберта Эйнштейна наглядно продемонстрировала, что ни время, ни пространство не являются абсолютными понятиями, а зависят от совокупности факторов, в частности от скорости движения наблюдателя, который следит за ними. Специальная теория относительности попыталась описать не только круговые орбитальные траектории, но и движение по прямой линии с постоянной скоростью. Ее два основных принципа основывались на двух базисах:

1. Законы физики одинаковы для всех наблюдателей, пребывающих в состоянии равномерного движения относительно друг друга.
2. Скорость света в вакууме одинакова для всех наблюдателей, независимо от движения источника света.

Открытие этих принципов предусматривало такие последствия, как замедление времени и сокращение дистанции в пространстве. Эйнштейн понял, что когда объект приближается к скорости света, с ним будут происходить странные вещи. Время относительно неподвижного наблюдателя для объекта замедляется, а его длина сокращается в направлении движения. Открытые эффекты были не просто теоретическими курьезами — они являются фундаментальной частью ткани Вселенной. На сегодняшний день явления, описанные Эйнштейном в Теории относительности, многократно подтверждены: от поведения субатомных частиц в ускорителях (во время экспериментов в адронном коллайдере) до корректного функционирования спутников GPS, геопозиционирование которых согласовано с установленными на них сверхточными атомными часами.

Но для потенциального космического странника удивительные эффекты новой физики Эйнштейна стали палкой о двух концах. С одной стороны, они делали возможным преодоление огромных космологических расстояний в течение одной человеческой жизни, даже если эти расстояния занимают тысячи лет с точки зрения наблюдателя на Земле. Но наряду с этим появлялось и временное расхождение, из-за чего путешественник, который двигался достаточно долго в космическом пространстве со скоростью, близкой к скорости света, возвращаясь на Землю, попадает уже в будущее, где все, кого он знал, давно умерли (это явление описывает парадокс близнецов, о котором мы ниже подробно еще поговорим).

Замедление времени и сокращение пространства обусловлено тем, что наша Вселенная не является трехмерным пространством с отдельным временем, а представляет собой единый четырехмерный континуум, который следует воспринимать как спаренное пространство-время, в котором первое неразрывно связано со вторым. Сама природа Вселенной порождает удивительную взаимосвязь: скорость, с которой мы движемся через пространство, влияет на скорость, с которой мы движемся сквозь время. Таким образом, если человечество когда-нибудь получит возможность совершить межзвездное путешествие, оно должно принять тот факт, что это путешествие будет не просто физическим перемещением из точки А в точку Б, но и полноценным прыжком во времени.

«Омолаживающее» путешествие к Альфа Центавра и парадокс близнецов

Давайте рассмотрим пример с путешествием к ближайшей к нашему Солнцу звездной системе — Альфа Центавра, расположенной на расстоянии примерно 4,37 светового года. Световой год является мерой не времени, а расстояния, которая означает, что для того чтобы добраться до Проксима Центавра, свету, движущемуся в космическом вакууме с постоянной скоростью 299 792 458 м/с, придется потратить ≈4,37 земного года. Именно столько времени пройдет для наблюдателя этого межзвездного путешествия, который останется на Земле, однако для самого космического корабля и его экипажа все будет совсем иначе.

Дело в том, что чем ближе скорость космического корабля будет к скорости света, тем сильнее будет сжиматься пространство в направлении его движения, и тем сильнее будет замедляться время для него. Эти два явления называют релятивистским сокращением длины (или Лоренцево сокращение) и замедлением времени (time dilation). Благодаря им для экипажа космического корабля путешествие к звездной системе Альфа Центавра продлится значительно меньше, чем для землян. Это произойдет, ведь пространство между путешественником и пунктом назначения будет сокращаться, а поскольку скорость света является константой (постоянной величиной), такое путешествие займет меньше времени.

Несмотря на то, что подобный феномен сложно даже представить в масштабе нашего макромира, он предусмотрен уравнениями Эйнштейна. Само космическое путешествие для межзвездного путника будет происходить привычно: его часы будут тикать с обычной скоростью, и время для него будет течь, как и всегда. Парадокс станет очевидным лишь тогда, когда он вернется домой и обнаружит, что на протяжении его межзвездного путешествия время на Земле не шло в ногу с его собственным.

Альберт Эйнштейн в своей статье от 1905 года назвал это явление парадоксом часов. Но в 1911 году французский физик Поль Ланжевен расширил этот мысленный эксперимент, использовав для наглядной иллюстрации эффект двух близнецов.

Представьте, что один из двух братьев-близнецов отправляется в космический вояж на корабле со скоростью, близкой к скорости света, а другой остается на Земле. Когда странник вернется, он будет значительно моложе своего брата, ждавшего его дома. Решение парадокса заключается в том, что путешественник находится не в инерционной системе отсчета на протяжении всей поездки. Он должен ускоряться в начале, двигаться определенное время с этим ускорением в космосе, а в конце станет замедляться. Именно это нарушает симметрию между близнецами и вызывает расхождение во времени. Близнец на Земле остается в инерционной (относительно постоянной) системе отсчета, тогда как близнец-путешественник переживает периоды ускорения и замедления. В таких разных условиях любое понятие одновременности теряет свой смысл.

Парадокс близнецов демонстрирует глубокую взаимосвязь между пространством и временем и наглядно показывает, что наше, «земное» восприятие времени не является универсальной константой, а неразрывно связано с движением нашей планеты в космосе. Два события, которые кажутся одновременными для наблюдателя на Земле, будут происходить в разное время для путешественника. Космическое путешествие сквозь огромное пространство — на скоростях, близких к скорости света, — похоже на управление самим потоком времени, создающим новое будущее, отличное от того, что осталось позади, на Земле.

Экспериментальное подтверждение в CERN

Важно понимать, что парадокс близнецов — не просто теоретическое предположение, а доказанный факт, проверенный экспериментально Европейской организацией ядерных исследований (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN) на Большом адронном коллайдере (Large Hadron Collider, LHC), что возведен на границе между Швейцарией и Францией, недалеко от Женевы. Огромное сооружение адронного коллайдера является кольцевым ускорителем субатомных частиц, тоннели которого протянулись на 27 км. Именно там, в подземных тоннелях LHC, физики на практике могут наблюдать бесспорные доказательства того, что время и пространство действительно не являются постоянными.

Во время этих экспериментов протоны в LHC разгоняют до 99,9999991% от скорости света. Неподвижным наблюдателям, которыми выступают ученые-экспериментаторы, кажется, что разогнанные протоны за считанные секунды преодолевают расстояние в несколько десятков километров, но для самих протонов это 27-километровое кольцо коллайдера на самом деле сжимается до нескольких метров, представляя собой впечатляющий пример релятивистского сокращения пространства (сокращение Лоренца). Да и это не главная изюминка проведенных экспериментов.

Невероятная скорость разогнанных протонов начинает влиять не только на пространство, но и на время. Причем это притормаживание времени, которое происходит для протонов, настолько значительно, что их «внутренние часы» замедляются в тысячи раз. Это означает, что если бы мы сравнили два протона — один в LHC, а другой неподвижный, — то протон в коллайдере «старел» бы гораздо медленнее, вопреки тому, что для них обоих течение времени ощущается одинаково.

Еще одно удивительное следствие Теории относительности, которое мы видим благодаря CERN, связано с массой. Одна из ключевых формул теории относительности — E=mc² — постулирует, что энергия (E) тела эквивалентна его массе (m), умноженной на квадрат скорости света (c). Проще говоря, энергия и масса являются взаимозаменяемыми. Когда ученые в LHC тратят огромные объемы энергии на ускорение протонов, эта энергия превращается в массу частиц. 

На скоростях, близких к скорости света, релятивистская масса протона увеличивается в тысячи раз. Именно этот эффект делает протоны еще тяжелее для дальнейшего ускорения. А это свидетельствует о том, что достижение абсолютной (100%) скорости света невозможно для любого тела с массой, даже для самых маленьких элементарных частиц, масса которых составляет 1,67262192369 × 10⁻²⁷ кг. Итак, если разогнать до скорости света нельзя даже такие легкие частицы, оправданы ли надежды человека на то, что межзвездные путешествия на релятивистских скоростях и правда возможны?

Техническая реализация: протон-протонный реактор, антиматериальный космический двигатель и лазерные паруса

Как мы уже отмечали выше, теория относительности утверждает, что для любого объекта, обладающего массой, достичь скорости света невозможно. Чем ближе скорость тела к скорости света, тем больше будет расти его релятивистская масса. На практике это требует наличия все больших объемов энергии для дальнейшего ускорения. Однако, если мы говорим о космическом корабле, понятно, что там запас энергии всегда будет ограничен его силовой установкой или запасом топлива. Следовательно, для достижения абсолютной скорости света космическому кораблю понадобилось бы бесконечное количество энергии, что невозможно реализовать на текущем этапе развития современных энергетических установок.

Однако в контексте межзвездных путешествий мы можем хотя бы попытаться достичь определенных процентов от полной скорости света. Одним из наиболее перспективных методов разогнать космический корабль до таких скоростей является использование стабильной реакции термоядерного синтеза. В отличие от современных ядерных реакторов на электростанциях, которые получают энергию через деление атомного ядра, термоядерный синтез предлагает получать ее с помощью слияния ядер.

Именно по такому принципу должен работать протон-протонный реактор для межзвездных двигателей. Его концепция основана на процессе, питающем наше Солнце и другие звезды, — ядерном синтезе, который можно использовать как источник энергии для космических кораблей. Слияние ядер — технологический процесс, значительно более сложный, чем их разделение, ведь для стабильной реакции термоядерного синтеза нужно достичь огромных температур и давления, поскольку протоны, имея одинаковый положительный заряд, сильно отталкиваются друг от друга. Впрочем, подобный протон-протонный реактор будет иметь значительно большую энергоэффективность, что делает эту концепцию идеальной для достижения релятивистских скоростей.

Но проблема использования протон-протонного реактора в контексте межзвездных путешествий заключается не столько в возможности выработки огромного количества энергии, сколько в организации процесса ее эффективного преобразования в тягу космического корабля. Традиционные ракетные двигатели полагаются на выброс массы для создания тяги, а на релятивистских скоростях необходимое количество массы достигло бы астрономических величин.

Среди других теоретических концепций двигателей для межзвездных кораблей также представлены антиматериальные двигатели и солнечные (или лазерные) паруса. На данный момент концепции двигателей на основе антиматерии предлагают выработку тяги за счет слияния материи с антиматерией. Во время этой «встречи» оба типа вещества аннигилируют, высвобождая огромное количество энергии. Чаще всего концепты антиматериальных двигателей предлагают использование пары водород/антиводород, ведь именно водород является самым простым и распространенным элементом во Вселенной.

Сегодня процесс аннигиляции материи и антиматерии считается одним из самых эффективных известных источников получения энергии, поскольку во время него все 100% массы пары водород/антиводород превращаются в энергию. Стоит отметить, что это не означает, что коэффициент полезного действия (КПД) подобного антиматериального двигателя будет равен 100%, а лишь свидетельствует, что вся масса вещества будет превращаться в энергию, чего не происходит ни во время реакции сгорания химического топлива, ни в ходе ядерного синтеза.

Таким образом, даже небольшого количества антиматерии было бы достаточно для разгона корабля до скоростей, близких к скорости света. Вместе с тем антиматериальные двигатели пока что являются самой фантастической концепцией межзвездного двигателя, ведь главная проблема заключается в производстве и накоплении такого большого количества антиводорода. Нынешние экспериментальные установки в CERN позволяют получать и хранить незначительные объемы данной антиматерии, которая к тому же представляет собой крайне взрывоопасную субстанцию.

Последняя из концепций межзвездных двигателей, о которой поговорим сегодня, предлагает разработку лазерных парусов. Эти чрезвычайно большие легкие паруса (их можно изготовить из метаматериалов или графена) приобретают ускорение улавливанием поступающих на паруса фотонов с помощью расположенных на Земле сверхмощных лазерных установок. Давление этих фотонов хотя и оказывается мизерным, тем не менее, создает постоянную тягу, которая позволит космическому кораблю непрерывно ускоряться в условиях космического вакуума, лишенного сопротивления внешней среды.

Современные разработки, такие как проект Breakthrough Starshot, предлагают использовать мощные лазеры на Земле для «толкания» парусов, чтобы способствовать разгону до 20% от скорости света. Это помогло бы добраться к Проксима Центавра всего за 20 лет, в отличие от 73 000 лет, как это происходит с обоими Voyager. 

Решающую роль в концепции межзвездных перелетов с помощью солнечных парусов играет масса космического аппарата. Вместо того чтобы отправлять к другим звездным системам большие космические корабли либо зонды, Breakthrough Starshot предлагает запускать крошечные высокотехнологичные кубсаты весом всего несколько граммов, размером с почтовую марку. Крайне малая масса такого зонда-разведчика окажет положительное влияние на ускорение, к тому же станет значительно более дешевым решением, чем строительство больших космических кораблей.

Какими бы ни были будущие разработки межзвездных двигателей, основная проблема таких путешествий заключается в том, что постепенный рост массы космического корабля во время ускорения будет сильно влиять на его инерцию, чем затруднит ему изменение направления или скорости. К тому же каждая встреча с межзвездным газом или пылью на таких релятивистских скоростях станет фатальной для космического корабля. Даже крошечные частицы материи приобретут огромную кинетическую энергию из-за релятивистской массы. Перспектива неизбежного столкновения является самой большой опасностью при планировании любого межзвездного путешествия на релятивистских скоростях.

Но если путешествия со скоростью, близкой к скорости света, настолько сложны, существуют ли другие способы когда-нибудь попасть к другим звездам? Современная астрофизика не исключает, что в нашей Вселенной могут таиться объекты, способные мгновенно перемещать тела через пространство-время.

Кротовые норы: обходя пространство-время

Одной из самых красивых гипотез, которая может значительно облегчить межзвездные путешествия, являются так называемые кротовые норы, также известные как червоточины (wormhole). В физическом смысле эти космологические объекты являются своеобразными тоннелями сквозь пространство-время, которые обеспечивают мгновенное перемещение между двумя удаленными точками космоса (звездными системами, галактиками или даже другими версиями Вселенной). И хотя физические свойства червоточины, способные разорвать саму ткань пространства-времени, граничат с научной фантастикой, кротовые норы являются решениями уравнений Общей теории относительности Эйнштейна и с математической точки зрения могут существовать в нашей Вселенной, потому этот феномен назвали мостом Эйнштейна — Розена. 

Для того чтобы космическая кротовая нора была стабильной и пригодной для межзвездных путешествий, ее должна заполнять экзотическая материя с отрицательной плотностью энергии. Этот вид материи будет создавать отталкивающую гравитацию, что не позволит червоточине схлопнуться под собственным весом, как это произошло бы с обычной материей. Кроме наличия до сих пор не открытой экзотической материи, для стабильного прохода через пространство-время космическому кораблю понадобятся чрезвычайно мощные источники собственной энергии и технологии для манипулирования пространством-временем. Одной из идей является использование антиматерии, поскольку ее аннигиляция с материей высвобождает наибольшее количество энергии. Эта энергия пригодилась бы для того, чтобы поддерживать стабильность кротовой норы при попадании внутрь нее космического корабля.

Как и перемещение в пространстве со скоростью, близкой к скорости света, путешествие через кротовую нору может привести к образованию временных парадоксов. Если предположить, что кротовая нора ведет не только в другое место, но и в иное время, это может повлечь за собой парадокс дедушки, который заключается в том, что путешественник, попавший через червоточину в прошлое, потенциально способен убить своего собственного дедушку, что гипотетически должно сделать невозможным его появление в настоящем времени.

Среди других предположений, противоречащих причинно-следственной связи, рассматриваются послания самому себе в прошлое, способные изменить будущее. Наличие подобных парадоксов побудило некоторых выдающихся физиков отвергнуть возможность существования червоточин, ведущих в прошлое. В частности, Стивен Хокинг выдвинул свою гипотезу о защите хронологии, утверждающую, что наши законы физики не способствуют образованию кротовых нор, которые бы позволили путешествовать в прошлое.

Таким образом, кротовые норы остаются очень увлекательной, но чисто теоретической концепцией. Хотя они предлагают идеальное решение для межзвездных путешествий, их реализация требует существования экзотической материи, а также технологий, которые пока остаются за пределами наших возможностей. До сих пор физическое существование червоточин не подтверждено ни астрономическими наблюдениями, ни лабораторными экспериментами.

Но каким бы ни был конечный способ межзвездных путешествий, который изобретет человечество в будущем (а мы не станем сомневаться в этом), он столкнется с серьезными этическими вызовами. Пилотируемая миссия, которая отправится к другой звезде, непременно навсегда покинет всех землян, обрекая их переживать стремительное старение (в отношении путешественников), тогда как сами путники будут стареть значительно медленнее (для землян). Некоторые фантастические предположения даже описывают сценарии, при которых странники могут вернуться в сверхразвитое или, наоборот, сильно деградировавшее земное общество, где они просто будут чувствовать себя чужаками.