Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей

Как бы то ни было, задавшись целью посетить сверхмассивную черную дыру в центре нашей Галактики, заведомо можно обернуться за 30 лет для экипажа. Пространство-время нашей прекрасной Вселенной, где время замедляется в зависимости от скорости, буквально зовет нас в путь? Ах, если бы.

*****

Циолковский с нами. Мы уже видели, тренируясь на протонах, что для разгона до скоростей, близких к скорости света, требуется все больше энергии. Ракета – приспособление, которое разгоняет себя само (не отталкиваясь ни от чего вроде дороги, воздуха или воды, за неимением таковых): она продвигает себя реактивно, и происходит это, в общем, по Циолковскому (см. главу «прогулка 2»). Правда, формула, носящая его имя, в оригинале относится к миру малых скоростей – малых, конечно, по сравнению со скоростью света, хотя и остававшихся недостижимой мечтой в течение всей жизни автора. Однако она обобщается на интересующий нас случай без больших проблем, а главное – ее «основное послание» остается прежним: чтобы использовать топливо на более поздних этапах полета, его тоже надо разогнать, а для этого необходимо дополнительное топливо, а чтобы его разогнать, необходимо еще больше топлива. Разумеется, чем эффективнее сгорает каждый килограмм топлива и чем быстрее поэтому «отстреливаются» продукты сгорания, тем большую скорость приобретает ракета, но общей ситуации это не меняет: чтобы «на финише» полезная нагрузка заданной массы разогналась до определенной скорости, требуется значительно большая масса топлива на старте. Отношение масс (во сколько раз ракета на старте тяжелее полезной нагрузки) зависит от желаемой скорости довольно драматическим образом, и пожелания по увеличению этой скорости обходятся крайне дорого в смысле стартового веса. Полный или (почти) пустой бак в автомобиле – фактор, оказывающий тем большее влияние на движение, чем ближе класс автомобиля к «Формуле-1», но и этот последний случай несравним с тем, что происходит при реактивном движении.

При реальных запусках с Земли требуется еще и подняться вверх в гравитационном колодце (преодолевая сопротивление воздуха с учетом целого ряда дополнительных факторов, таких как давление газов в сопле и др.; формула Циолковского относится к идеальной ракете, а в реальности все только сложнее). Ракета-носитель «Сатурн V» (рис. 5.16) имела на старте массу без малого 2 970 000 кг, а на лунную орбиту забрасывала до 48 600 кг. Отношение полного веса к полезному весу – около 60. «Чанчжэн-5» («Великий поход-5») на старте весит 854 500 кг, а на лунную орбиту выводит до 9400 кг – отношение несколько больше 90. Масса «Фалькон-9» на старте – 549 054 кг, а на низкую околоземную орбиту он выводит 22 800 кг; поделив, получаем 24. Для «Союза» имеем соответственно 308 000 и 6450 кг, отношение около 48. Все эти, как и все мыслимые в будущем, химические ракеты – те, которые основаны буквально на сгорании топлива, – безнадежны для межзвездных перелетов. Не связывая себя условностями технологических решений, выберем самое быстрое выбрасывание «агента» из ракеты и самое эффективное превращение массы «топлива» в это выбрасываемое. В нашей Вселенной-с-ограничениями этим «самым-самым» оказывается фотонная ракета, питающаяся от аннигиляции.

Рис. 5.16. «Сатурн V» поднимает сам себя и «Аполлон-8»

Такая ракета летит вперед из-за того, что посылает в противоположную сторону быстрее всего прочего распространяющийся агент – свет; энергия (а значит, и количество движения), которую уносит этот свет, получена из «топлива» самым эффективным способом: полным превращением вещества и антивещества в свет. Вместо баков с горючим и окислителем, входящих в конструкцию «Сатурна V», «Чанчжэн-5», «Протона», «Ариан-5» и т. д., внутри нашей ракеты – «бак» с антивеществом и запас такого же количества вещества. Формула E = mc² «работает» в непрерывном режиме так, чтобы обеспечить постоянно ощущаемое в ракете ускорение 1,5g, и мы будем беззастенчиво предполагать стопроцентную эффективность превращения массы в энергию света, посылаемого точно в направлении, противоположном движению[95]. При скорости выбрасывания агента, равной скорости света, формула Циолковского в варианте для больших скоростей даже упрощается. В таблице 5.3 приведены результаты ее применения: отношения массы ракеты на старте к ее массе в пункте назначения. Все это – для путешествия на ПМЖ, обратная дорога вообще не обсуждается, потому что она немедленно сделает ситуацию запредельной: ракете придется разгоняться, а затем тормозить с полным запасом «топлива», потребным для еще одного такого путешествия.

Таблица 5.3. Путешествия с постоянным разгоном и последующим постоянным торможением на фотонно-аннигиляционной ракете