Вольдемар Смилга - Очевидное? Нет, еще неизведанное…

• Название: Очевидное? Нет, еще неизведанное…
• Автор: Вольдемар Смилга
• Издательство: Молодая гвардия
• Жанр: Физика
• Год: 1966

Эффектное название, возможно, и интригует, но, уж конечно, ничего не объясняет. А в этой книге довольно серьезно рассказывается о том, чего достигла физика со времен Галилея до Эйнштейна, о явлениях древних, как мир, и, по-видимому, всем знакомых, а в конечном счете — о специальной теории относительности.

---

Кстати, столь же успешно, как о фотонных, можно рассуждать об электронных, протонных и мезонных ракетах. Если, скажем, у электронов отдачи скорость относительно ракеты очень близка к скорости света, то подобный реактивный двигатель очень незначительно проигрывает по сравнению с фотонным в отношении импульса, получаемого ракетой на единицу выброшенной массы.

А фантазируя о техническом осуществлении двигателя, способного разгонять ракету до световых скоростей, пожалуй, легче представить себе отдачу импульса при помощи электронов. Впрочем, выбор объекта фантазии — дело вкуса.

Прежде всего уточним, почему вообще световые скорости непременно сопутствуют мечтам о звездных полетах.

Ближайшая к Солнцу звезда (она так и названа «Ближайшая Центавра») отделена от нас куском пространства в 4,2 светового года. Соответственно время, необходимое для путешествия со скоростью V, равно

t = 4,2 · c/v.

Поэтому даже для полета к ближайшей из звезд ракета должна достигнуть относительно солнечной системы скоростей, сравнимых со скоростью света. Иначе экспедиция продлится десятки тысяч лет. Например, при весьма приличной для «каботажного» межпланетного путешествия скорости 100 километров в секунду добираться к созвездию Центавра пришлось бы примерно 12 600 лет. Подобные сроки не очень удобны, и потому, если уж лететь к звездам (хотя бы и в мечтах), необходимы ракеты со скоростями, более или менее близкими к скорости света.

Итак, прикинем, что необходимо для путешествия. Ограничимся ближайшими созвездиями: скажем, для начала направимся к самому близкому — созвездию Центавра.

Субрелятивистские ракеты и путешествия к ближайшим созвездиям — фантастика, хотя и беспочвенная, но относительно допустимая.

Если корабль смог бы развить скорость 100 тысяч километров в секунду, весь полет занял бы 28–30 лет. Время не маленькое, но в общем приемлемое. Поэтому удовлетворимся пока такой «медленной» ракетой[90].

Прежде всего необходимо представить полезную массу ракеты — иначе говоря, всю массу за вычетом горючего. Естественно, здесь есть богатый материал для полета мысли, однако, скажем, 100 тысяч тонн — наименьшее значение, которое можно выбрать (ибо даже в фантазии надо сохранять совесть).

100 тысяч тонн! На первый взгляд цифра громадная. Стоит, однако, вспомнить, что водоизмещение крупнейших океанских кораблей достигает 50–80 тысяч тонн. Вряд ли размеры звездолета можно мыслить меньше размеров линкора, хотя бы потому, что, как мы сейчас убедимся, необходим колоссальный запас горючего, а его надо же где-то хранить. А корпус? Корпус должен быть неизмеримо прочнее, чем у линкора, поскольку самые тяжелые артиллерийские дуэли представляются детской перестрелкой из рогаток рядом с той ужасной непрерывной бомбардировкой, которая ждет ракету в пути.

Пытаясь представить себе массу ракеты, можно, конечно, забыть об оборудовании, о научной аппаратуре, о всех сложнейших приборах управления полетом, но нельзя сбрасывать со счетов сам реактивный двигатель. Необычайно мощный, основанный, безусловно, на использовании ядерного горючего, а следовательно, окруженный исключительной защитой, он один должен весить (даже в мечтах) по меньшей мере десятки тысяч тонн.

Короче, самые отчаянные энтузиасты должны согласиться, что, считая полезную массу ракеты в 100 тысяч тонн (105), мы еще занижаем ее возможное значение в десятки раз. И если в дальнейшем мы останемся верны этой цифре, то единственно потому, что вся беспочвенность идеи очень хорошо видна даже в этом случае.

Пойдем на уступки мечтателям и, проявив известную резвость мысли, вообразим, что наш корпус успешно выдерживает соударения с космической пылью и защищает от космического излучения. Вообще-то говоря, никакой ультракорпус не поможет, но допустим, что с этой задачей мы справились.

По весьма уважительным причинам истребляется межзвездная среда.

Дело в том, что стоит лишь задуматься о двигателе, и все сразу отходит на задний план. (Впрочем, вероятно, справедлива и «обратная теорема»: «если заинтересоваться проблемой защиты, то можно уже не думать о двигателе».)

Проблема № 1 — проблема горючего.

Любой вид «химического» топлива должен быть отброшен сразу и бесповоротно. Действительно, при скорости 100 тысяч километров в секунду каждый килограмм ракеты имеет кинетическую энергию 5,4 · 1014 килограммометров. За эту энергию нужно «платить». Поэтому, даже если считать, что кпд двигателя равен единице, и пренебречь действием внешних сил, для разгона одного килограмма массы необходимо сжечь столько топлива, чтобы освободилось 5,4 · 1022 эргов[91].

Мерить это число земными масштабами несколько затруднительно. Объемы обычных горючих, необходимые для получения такой энергии, исчисляются десятками, сотнями и тысячами кубических километров. Поэтому источником энергии могут служить только ядерные реакции — ядерное горючее.

На первый взгляд ядерная энергия спасает положение. Действительно, на каждый килограмм разгоняемой массы необходимо «сжечь» — перевести в кванты электромагнитного излучения — только 60 граммов горючего вещества.

Процессы, при которых все реагирующее вещество переходит в излучение, известны. Это реакции аннигиляции элементарных частиц с соответствующими античастицами. Например, при реакции «электрон — позитрон» две реагирующие частицы полностью «сгорают», и вместо них образуются два гамма-кванта.

Однако даже при самом пылком воображении приходится признать, что нет ни малейших надежд на использование таких реакций в технике хотя бы потому, что абсолютно невозможно представить резервуар для горючего антивещества. Античастицы моментально вступят в реакцию со стенками, после чего ракетный корабль с экипажем незамедлительно отправится в «надзвездные» миры.

Утешительные соображения по поводу «антигорючего»…

Можно ли думать, что весьма значительную массу антивещества удастся удержать в ловушке при помощи какого-то сверхсильного электромагнитного поля (в так называемой «магнитной бутылке») таким образом, что горючее не вступит в какой-либо контакт со стенками?

Надеяться можно вообще на все что угодно. Например, в средние века примерно столь же обоснованно полагали, что в обычной (немагнитной) бутылке можно запечатать дьявола.

Впрочем, пока мы летим «только» к созвездию Центавра, скрепя сердце можно примириться с обычным ядерным горючим.

Можно рассчитывать или на уже освоенные реакции распада тяжелых ядер, или же на термоядерные реакции синтеза легких ядер, энергетическую базу будущего. Если иметь в виду такие реальные ядерные топлива, то, чтобы разогнать 1 килограмм массы до скорости 100 тысяч километров в секунду, потребуется всего лишь несколько килограммов ядерного горючего[92], допустим 10 килограммов. Вспоминая, что в процессе путешествия корабль должен минимум два раза набирать такую скорость (при отлете с Земли и при отправлении в обратный путь к Земле) и два раза гасить ее (при подлетах к звезде и к Земле), получаем, что на каждый килограмм полезной массы ракеты необходимо взять как минимум 10 тонн ядерного горючего.

Итак, если полезная масса 105 тонн, стартовая масса ракеты как минимум — 109 тонн. Примерно столько весит металлический астероид средних размеров — объемом в 1/10 кубического километра.

И некоторые обнадеживающие цифры.

Оценим теперь энергию реактивной струи, необходимой для разгона ракеты с ускорением 1 м/сек2.

Если считать, что струя состоит из частиц, имеющих массу покоя, то при разумных скоростях истечения (порядка 100 тысяч км/сек) кинетическая энергия струи, выбрасываемой за секунду, определится маловразумительным числом 1027 эргов.

Фотонный двигатель не спасает положения. Мощность фотонной струи, обеспечивающей нужную тягу, — 3 · 1027 эрг/сек.

На Земле невозможно найти процессы, при которых за секунду выделяется такая энергия. Весь земной шар за одну секунду получает от Солнца примерно в 550 раз меньшую энергию. Нужную мощность можно развить, полностью «сжигая» 1100 килограммов массы за одну секунду, или же, если думать об урановом горючем, примерно 1300 тонн урана.

Иначе говоря, получить эту энергию можно, взорвав около миллиона атомных бомб.

Причем, вспомните, при расчетах все время выбирались наиболее выгодные нам цифры — в частности, взято очень маленькое ускорение. Но полученное число так неправдоподобно огромно, что можно позволить себе широкий купеческий жест — уменьшить его в 100, в 1000, если угодно, в 10 тысяч раз, ибо одинаково невозможно представить ракетный двигатель на ядерном горючем с мощностью в 1027 эргов за секунду или же с мощностью в 1023 эргов за секунду. В обоих случаях вырабатываемая энергия мгновенно испепелит межзвездный корабль.