Открытие Вселенной - прошлое, настоящее, будущее

v_gas/c 1), оценку можно вести по более простой формуле (формуле Циолковского):

М₀/М_к? ev_max/v_gas

Она показывает, что химическое топливо полностью теряет эффективность уже для миллисветовых ракет — для разгона 1 тонны полезного груза потребуется стартовая масса М₀ ~ е100 ~ 2,7.10⁴³ тонн. Это что-то близкое к массе доброго миллиона галактик!

Рассматривая разгон ракеты до v_max = 0,99 с с помощью уранового и термоядерного горючего, получим соответственно 3,4.10²⁶ тонн и 1,6.10⁹ тонн на каждую тонну полезного груза.

Но ведь кроме разгона при путешествии к далекой звезде потребуется и торможение, а потом еще один цикл разгон-торможение при возвращении на Землю. Из-за этого приходится не умножать результаты на 4, а возводить их в 4-ю степень. Так что даже термоядерная ракета полезной массой всего 100 тонн должна иметь начальную топливную загрузку около 6,6.10³⁸ тонн, то есть порядка галактической массы!

Поэтому единственно разумным вариантом выглядит аннигиляционный двигатель с v_g/c = 1, где роль истекающего газа играет свет. На его основе рассмотренный полет 100 тонной кабины в режиме двойного разгона-торможения при v_max/c = 0,99 потребует топливной загрузки порядка 4 млн. тонн. Это сама по себе не особенно страшная величина — такую массу имеет водяная «капля» радиусом около 100 метров.

Двигатель выглядит вполне эффективно, но это далеко не единственная проблема. Нужно еще сконструировать сам реактор (существующий лишь как общая научная идея), придумать способ получения и хранения 2 млн. тонн антивещества, обеспечить высокую концентрацию жесткого излучения, для которого обычные рефлекторы не годятся, устроить многое другое…

Все виды топлива имеют одно серьезное преимущество перед антивеществом — их добыча идет в естественных условиях и выгодна в том плане, что энергозатраты на нее уступают энерговыходу добываемого вещества. Антивещество же приходится производить буквально из энергии, к счастью, мы не имеем его месторождений[163]. На производство 2 млн. тонн антивещества самое малое пришлось бы затратить порядка 4.10²⁶ Дж энергии (с учетом того, что в силу законов сохранения приходится производить примерно одинаковое количество обычного вещества). Установке, полностью использующей всю мощность, перехватываемую Землей у Солнца (2.10¹⁷ Вт), пришлось бы непрерывно обслуживать этот проект на протяжении 63 лет и 4 месяцев! И это, не считая огромных потерь, затрат на хранение и транспортировку, наконец, на строительство фантастического ускорителя, способного продуцировать что-то около 2 килограммов элементарных частиц в секунду…

Уже этого рассмотрения достаточно, чтобы убедиться в простом факте: субсветовые скорости движения ракет — удел цивилизаций II типа, то есть пока очень далекая от нас проблема.

Однако непонятно, насколько возникающие трудности преодолимы даже для них.

Чтобы поддерживать в фазе разгона допустимое для космонавтов ускорение, например 2g, необходима колоссальная эффективность двигателя Р » 6.10⁹ Вт/кг[164] (для сравнения укажем, что у современных кораблей с мощными ядерными реакторами она вряд ли доходит до 20, эффективность Солнца как «двигателя» Р_€ = 2.10^-4 Вт/кг). Но в таком случае полная начальная светимость аннигиляционной ракеты составит L = РМ₀ » 2,4.10¹⁹ Вт, причем максимум ее спектра будет приходиться на чрезвычайно жесткое излучение[165]. Получается мощная? — лучевая звезда, и она представляет огромную опасность для Земли и всего пространства Солнечной системы. При фокусировке излучения порядка одной угловой секунды ракета даже на расстоянии 100 астрономических единиц дает «зайчик» площадью около 4,5 млрд. км² (на порядок больше площади Земли) и поток радиации раза в 4 превысит общий поток Солнца в районе земной орбиты! Иными словами, ее старт следует устроить где-то на самых окраинах Солнечной системы, видимо, не ближе одного светового года от Солнца. Ну а транспортировка туда горючего малой скоростью (миллисветовые грузовики?) потребует тысячелетий. Идея же промежуточного старта на двигателях обычного типа наталкивается на другую опасность — допустимо ли монтировать аннигиляционную супербомбу в окрестностях Земли?

Ситуация взаимна. Фотонная ракета не только опасна для окружающей космической среды, но и среда представляет для нее огромную опасность. Если даже предположить идеальные навигационные условия — отсутствие на пути ракеты крупных небесных тел, все равно останется межзвездная среда с плотностью не менее 1 атома водорода в кубическом сантиметре. Это вовсе не страшно для медленных тел, но для релятивистской ракеты космический вакуум будет выглядеть потоком энергичной протонной радиации — словно ее используют в качестве мишени в 6-7-Гэвном ускорителе. При крайне скромном эффективном размере этой мишени порядка 1 км она испытывала бы порядка 10²¹ соударений в секунду с очень жесткими протонами. Защита от такой радиации эквивалентна непрерывному отводу мощности порядка 10¹² Вт, то есть система, практически равная всей энергетике современной Земли, работала бы только на нужды защиты.

Но помимо столь впечатляющих энергетических проблем есть еще кое-что сроки полетов. В релятивистской теории равноускоренного движения возникает естественная константа t= c/a0 (отношение скорости света к ускорению в системе отсчета корабля), характеризующая время разгона до ультрарелятивистских скоростей. При этом времена, измеренные по часам космонавтов (?) и землян (t), связаны

формулой:

? (t) = t₀ ln [t/t₀ + v(t/to)² + 1] ' t                   при   t/t₀ « 1

? (t) = t₀ ln [t/t₀ + v(t/t₀)² + 1] ' t₀ln2(t/t₀)   при   t/t₀ » 1,

где мы выделили предельное поведение зависимости ? от t в самом начале разгона и после его завершения. Соответственно, ускорение, скорость полета и траектория корабля выглядят для земного наблюдателя следующим образом:

a(t) = a₀/[1 + (t/t₀)2]3/2 = a₀(1 – v²/c²)3/2 ' a0    при   t/t₀ « 1,

a(t) = a₀/[1 + (t/t₀)2]3/2 = a₀(1 - v²/c²)3/2 ' 0     при   t/t₀ » 1;

v(t) = a₀t/[1 + (t/t₀)2]1/2 ' a₀t  при   t/t₀ « 1,

v(t) = a₀t/[1 + (t/t₀)2]1/2 ' c     при   t/t₀ » 1;

r(t) = r₀{[1+ (t/t₀)2]1/2 -1} = r₀{1/(1 - v²/c²)1/2 -1}  ' a₀t²/2  при   t/t₀ « 1,

r(t) = r₀{[1+ (t/t₀)2]1/2 -1} = r₀{1/(1 - v²/c²)1/2 -1}  ' ct         при   t/t₀ » 1,

где введена постоянная r₀ = ct₀ = c²/a₀ — характерная длина разгона (при r »r₀ корабль практически идет со скоростью света[166]).

Из формул легко заключить, что ближний полет, скажем, на разведку 44-х звезд, заключенных в радиусе 5 парсеков вокруг Солнца, не представлял бы для космонавтов чего-то неприятного с точки зрения сроков. Путешествие к? Центавра (расстояние 4,3 световых года) в режиме двойного разгона-торможения при ускорении 2g (t » 1,53.10⁷ с ~ 0,5 года) заняло бы у них всего 5 лет, а на Земле к моменту возвращения прошло бы 10 лет. Скорость ракеты к моменту смены режима не превысила бы 0,988с.

Ситуация резко меняется, когда заходит речь об исследованиях всей Галактики. Чтобы совершить интереснейший полет к центру Галактики (r = 10⁴ парсек), космонавты могут затратить около 22 лет, имея в виду тот же режим с ускорением 2g. Но этот вполне умеренный срок противостоит 65 тысячелетиям ожидания. Что застанут космонавты, вернувшись домой, что найдут взамен утраченной