Невообразимые размеры известной Вселенной делают даже теоретические путешествия между звездами совершенно непрактичными.
В действительности, максимальная скорость, достижимая согласно известным законам физики, очень мала по сравнению с космическими расстояниями.
По оценкам, наблюдаемая нами Вселенная имеет размер около 93 миллиардов световых лет.
Скорость света в вакууме является фундаментальной константой, равной 299 792 458 м/с, и является абсолютным значением для скорости перемещения во Вселенной.
Исследование ближайших звездных систем в пределах 14 световых лет со скоростью 99% от скорости света было бы равно скорости, с которой мы сегодня исследуем нашу Солнечную систему.
В радиусе 14 световых лет от нас находятся 32 звездные системы.
Разумные цивилизации могут распространиться по галактике в течение нескольких миллионов лет. По крайней мере, так утверждают симуляторы, изучающие возможность галактической колонизации.
Согласно исследованиям Джонатана Кэрролла-Нелленбека, цивилизация способна заселить всю галактику за миллиард лет по очень консервативным правилам:
- Скорость, с которой движутся корабли, составляет 30 км/с.
- Запускайте новый колонизационный корабль каждые 100 000 лет.
- Максимальная дальность полета корабля составляет 10 световых лет.
- Максимальное время полета составляет 300 000 лет.
- Максимальная продолжительность жизни колонии, ставшей недоступной для кораблей, составляет 100 миллионов лет.
Моделирование ясно показывает, что в этих условиях галактика заселяется относительно быстро:
Однако в этом случае колонии будут отдельным и независимым образованием, а не единой группой.
Даже при 99% скорости света потребуются десятилетия путешествий в один конец (для колонистов на планете), а объединение ресурсов звездных систем для повышения глобальной производительности может оказаться вообще невозможным.
Таким образом, ограничение путешествий со скоростью света приведет к фрагментации освоения космоса, где каждый будет сам по себе, а колонизированные звездные системы будут фактически изолированы друг от друга, ожидая годами и десятилетиями корабли из других звездных систем.
Общий вывод таков: если мы не найдем способ перемещаться в пространстве в 10-1000 раз быстрее скорости света, будущее человечества обречено: мы никуда не попадем, даже если захотим.
Если обратиться к научно-фантастической литературе и фильмам, освоение космоса происходит на скоростях, превышающих скорость света. В последнее время стали появляться научно-фантастические произведения, в которых космические корабли летят на 100 и более лет к земной колонии, пока экипаж находится в спячке.
2016 х/ф "Пассажиры". Космический корабль, перевозящий 5000 пассажиров, находящихся в спячке, со скоростью 50% от скорости света летит к земной колонии в течение 120 лет.
Однако в этом случае путешественники навсегда прощаются со своей прежней жизнью, семьей, друзьями и обществом. Не все психологически способны справиться с этим и могут получить длительную травму после такого путешествия.
И это не главная проблема с расширением пространства со скоростью света.
Наша цивилизация раздробляется, теряет свою целостность, и со временем начинается постоянная борьба за ресурсы и раздел пространства между независимыми мирами.
Этой участи можно избежать, только если будут изобретены сверхсветовые технологии.
1 Движение всегда ограничено скоростью света, но стабильные пространственно-временные червоточины, соединяющие разные точки Вселенной, возможны.
В этом случае, достигнув звездной системы на бешеной скорости, можно было бы построить переходные устройства, основанные на теории червоточин, соединяющие две звездные системы, независимо от расстояния.
Туннели пространства-времени, или червоточины, являются наиболее теоретически совершенными методами сверхсветовых путешествий. Однако те из них, которые не противоречат теории относительности (например, мост Эйнштейна-Розена), непроходимы и поэтому непригодны для путешествий. Те, которые теоретически проходимы (туннель Морриса-Торна), требуют экзотической материи в виде космических струн с отрицательной массой. Никто не знает, где искать эту экзотическую материю и существует ли она в нашей Вселенной.
2 Разработать сверхсветовые двигатели, которые позволят кораблю путешествовать быстрее скорости света.
Варп-двигатель.
Сегодня работают над обоими теоретическими подходами.
Советские и российские физики внесли большой вклад в развитие теории туннелирования пространства-времени:
Сергей Сушков - предложил теорию самоподдерживающейся кротовой норы из-за поляризации вакуума;
Сергей Красников - теоретизировал появление стабильных, пустых молярных дыр в ранней Вселенной;
Николай Семенович Кардашев - популяризировал идею о том, что в центрах галактик находятся не массивные черные дыры, а стабильные молескиновые розетки.
Теоретическое описание сверхсветовых двигателей появилось в работе физика-теоретика Мигеля Алькубьерре - "Привод искривления".
Позже Алексей Бобрик и Джанни Мартир представили классификацию варп-двигателей, а Эрик Ленц - новую математическую конфигурацию пространственно-временных пузырей в виде солитонов, которые могут существовать без экзотической материи и других негативных энергий.
Более подробно я писал об этом здесь:
Технология гипердвигателя - здесь и сейчас
Однако все эти способы достижения сверхсветовых скоростей требуют концентрации огромного количества энергии в очень ограниченном пространстве, а эта энергия часто является экзотической и до сих пор не встречалась.
Однако даже если такие методы сверхсветовых путешествий возможны, возникает другой вопрос: откуда возьмется такое количество энергии? Например, для формирования пузыря искривления для корабля размером с современный авианосец, по самым оптимистичным оценкам, потребуется энергия, эквивалентная массе Юпитера.
В 2022 году космический телескоп "Джеймс Вебб" вернул высококачественные изображения Юпитера. Это планета, энергию которой необходимо аннигилировать, чтобы создать пузырь искривления размером менее полукилометра.....
Именно такое количество энергии произведет наше Солнце за 15 миллиардов лет. Это больше, чем время жизни нашего светила во время его активного существования на главной последовательности звездной эволюции.
Жизненный цикл нашего солнца.
Так что, повторюсь, это явно нереалистичные концепции.
Существует предположение, почему мы до сих пор не встретили инопланетян и не получили от них сообщений: они остаются запертыми в своей собственной звездной системе.
- Более того, даже при скоростях, близких к скорости света, потребление энергии не является незначительным.
Например, чтобы разогнать один грамм материи до 99% от скорости света, потребуется 130,8 килотонн энергии. А это огромное количество, требующее аннигиляции трех граммов антиматерии и трех граммов материи.
Проецируя эту цифру на 100-тонный корабль, мы получаем количество энергии 130807,8 мегатонн. Другими словами, 600 тонн материи должны быть аннигилированы в чистую энергию, чтобы теоретически разогнать 100-тонный корабль до 99% скорости света (при условии 100% эффективности аннигиляции).
Также выясняется, что путешествие со скоростью, близкой к скорости света, - не очень перспективный способ передвижения с точки зрения потребления энергии. А если учесть, что корабль должен нести еще и полезную нагрузку, то возможность такого полета стремится к нулю.
Снизив предельную скорость, мы увеличим время в пути, но значительно снизим потребность в энергии.
Достижение скорости в 86,6% от скорости света уже потребует аннигиляции равного количества материи на единицу массы.
Однако 50% энергии от аннигиляции высвобождается в виде нейтрино, которые поглощают энергию практически без взаимодействия с материей. Это еще один негативный фактор, который необходимо учитывать.
Этот фактор снижает скорость до 74,6% от скорости света.
Например, 100-тонный корабль должен был бы аннигилировать 110,85 тонн материала, чтобы достичь скорости 74,6% от скорости света, предполагая, что выходная скорость реактивной двигательной установки равна скорости света (в концепции фотонной двигательной установки).
Тем не менее, это значительное количество энергии, которое было бы эквивалентно энергии термоядерной бомбы 41772.
Ускорение до 25% от скорости света потребует аннигиляции 28,4 тонн материи, что уже можно считать правдоподобным методом получения энергии для дальних космических путешествий.
Но это только одно ускорение для достижения необходимой скорости..... А как насчет торможения и возврата?
Будущее не за горами...
Скорость в 25% от скорости света была бы приемлемой в пределах Солнечной системы, но чтобы достичь ближайшей звездной системы, Альфа Центавра, потребуется около 17 лет.
Что вы получаете? Путешествие из одной звездной системы в другую связано не только с большими промежутками времени, но и с огромными затратами энергии, а энергия - важнейший ресурс для любой цивилизации.
При значительном прогрессе в производстве энергии и манипулировании ею, человечеству (или любой другой разумной цивилизации) больше не будет смысла летать за пределы своей звездной системы.
Поскольку невозможно путешествовать быстрее скорости света, энергетические затраты на дальние путешествия больше не будут окупаться.
Предположим, что освоена технология извлечения энергии через излучение Хокинга, позволяющая преобразовывать материю в энергию со 100% эффективностью, и параллельно освоена технология воспроизводства материи из энергии.
Более подробно о механизме извлечения энергии черными дырами я писал здесь:
Теперь мы знаем, каким будет источник энергии будущего....
На сегодняшний день достигнуты первые практические результаты получения материи из энергии. И это не просто научная фантастика, подробнее об этом я писал здесь:
Поэтому очень развитая цивилизация будет иметь источник энергии, который можно использовать для репликации материи.
Если общая эффективность преобразования составляет 50%, то использование примерно 1,8*10 до 17-й силы джоуля дает полграмма вещества, независимо от стабильного изотопа.
Предположим, что в системе Альфа Центавра есть необычные для Солнечной системы ресурсы, которые стали очень ценными для человечества.
В фильме "Аватар" 2009 года фигурирует анобтаниум, высокотемпературный сверхпроводящий минерал. Рыночная стоимость одного килограмма чистого анобтаниума составляет 40 миллионов долларов, а рыночная стоимость необработанного анобтаниума - 20 миллионов долларов. Поставки этого минерала с Пандоры поддерживают всю экономику Земли. Короче говоря, это очень ценный товар, без которого Земля была бы винтовой.....
Имеет ли смысл высокоразвитой цивилизации доставлять фиктивный "анобтаниум" за несколько световых лет от своего родного мира?
Ответ совсем не очевиден...
Сколько энергии потребуется для транспортировки 1 грамма ценного ресурса на корабле, движущемся со скоростью 74,6% от скорости света?
Без учета массы судна, сухой груз весом в один грамм потребует затрат энергии в 1,1 грамма, чтобы аннигилировать материал для ускорения.
- Это 1,1 грамма для ускорения от Солнца до Альфы Центавра и 1,1 грамма для замедления. И то же самое для обратного пути.
Оказалось, что отправка одного грамма материала из соседней звездной системы обойдется в энергетический эквивалент 4,4 грамма материала. Это без учета массы самого космического корабля и топлива.
Не будем забывать и об общей продолжительности путешествия. Она составит более 11 лет.
Возникает вопрос: зачем ждать 11 лет, чтобы доставить 1 грамм материи из другой звездной системы, аннигилировав при этом 4,4 грамма материи, если мы можем получить 2,2 грамма желаемой материи здесь, преобразовав те же 4,4 грамма материи с помощью излучения Хокинга?
Возьмем наиболее компромиссный вариант: цивилизация овладела технологией преобразования материи в энергию посредством излучения Хокинга и технологией дублирования материи из энергии с эффективностью 50%. Это означает, что на каждый грамм материи, преобразованной в энергию, может быть произведено 0,5 грамма необходимой материи.
Имеется космический корабль массой 100 тонн. Чтобы разогнать его до 30% скорости света, необходимо аннигилировать 34,98 тонны материи при предполагаемой эффективности аннигиляции 100%. Торможение потребует еще 34,98 тонны вещества.
Затем корабль принимает 100 тонн груза, его масса увеличивается до 200 тонн. Теперь ему требуется 69,96 тонн материала для аннигиляции, чтобы достичь 30% скорости света, и столько же для замедления.
- В итоге, общие затраты энергии будут эквивалентны аннигиляции 209,88 тонн материи, в то время как для воссоздания 100 тонн материи потребуется 200 тонн материи, и при этом не придется ждать 30 лет, пока космический грузовик совершит круговое путешествие до ближайшей звезды.
Однако если учесть, что реальная эффективность аннигиляции составляет 50%, то ситуация выглядит еще более пессимистичной для полетов за пределы Солнечной системы. Более того, даже если бы максимальная скорость составляла 10% от скорости света, выигрыш в энергии был бы не так велик.
Межзвездный космический корабль "Звезда риска" из фильма "Аватар" 2009 года имеет гораздо более впечатляющие характеристики: крейсерская скорость 70% от скорости света, полезная нагрузка 350 метрических тонн и масса 10 000 тонн. Он работает за счет аннигиляции материи и антиматерии.
Космический корабль с массой 100 тонн и максимальной скоростью 10% от скорости света должен будет аннигилировать 42,08 тонн материи во время ускорения и замедления, при этом эффективность энергии аннигиляции составит 50%.
При общем весе судна в 200 тонн и полезной нагрузке в 100 тонн расход материалов снижается до 84,12 тонн.
В результате общие затраты энергии будут эквивалентны 126,2 тоннам материала, а время пути составит не менее 86 лет.
Из 126,2 тонны материала 63,1 тонны необходимого материала (груз корабля) можно произвести в пределах Солнечной системы, не дожидаясь почти ста лет путешествия.
- В то же время, если эффективность репликатора составляет 80%, то из 126,2 тонн материала будет создано 100,96 тонн товаров, что больше, чем привез бы космический грузовик.
Оказывается, что высокоразвитые цивилизации просто не заинтересованы в полетах за пределы своей звездной системы. Это относится и к менее развитым цивилизациям, которые не разработали соответствующую технологию преобразования материи в энергию.
В Солнечной системе достаточно материи, чтобы преобразовать ее за миллион лет, высвободив энергию, равную лучистой энергии всех звезд в галактике.
Для высокоразвитой цивилизации было бы энергетически более выгодно создать виртуальную реальность и "жить" в ней, мгновенно перемещаясь по детально вымышленным (или изученным с помощью зонда) мирам, а не путешествовать сотни лет, чтобы колонизировать планету.
В игре 2018 х/ф "Первый игрок в режиме ожидания" человечество живет в похожем виртуальном мире.
Невозможность путешествовать в пространстве со скоростью, превышающей скорость света, может стать ответом на парадокс Ферми.
Даже если сверхсветовая технология потенциально существует, но является излишне энергоемкой, она просто станет бесполезной и ненужной, если цивилизация приобретет способность массово манипулировать материей и энергией, превращая одно в другое.
Расширение и колонизация звездных систем требует недорогой сверхсветовой технологии.
Другими словами, известные в настоящее время теоретические подходы к технологии искажений Алькубьерре или солитонов Ленса, требующие огромных затрат энергии, неосуществимы в реальности. В этих теориях слишком много непреодолимых проблем. Даже теория извлечения энергии из черной дыры в настоящее время намного более совершенна, чем теория сверхсветовых скоростей.
Я считаю, что человечество разработает технологию получения энергии из излучения Хокинга задолго до сверхсветовых путешествий.
Вы заметили, что почти во всех фантастических произведениях сверхсветовая скорость достигается через гипотетическую область пространства-времени, или гиперпространство.
Гиперпространство существует даже в "Звездном пути", который вдохновил Мигеля Алькубьерре на теоретическое описание пузыря (здесь он называется подпространством). Во вселенной Star Trek именно в подпространстве движутся космические корабли.
В телесериалах и фильмах "Вавилон 5", "Звездные врата" и "Звездные войны" космические корабли летят со скоростью света через гиперпространство. Даже в фильме "Интерстеллар" (2014) гиперпространство внутри пространственно-временного туннеля ведет в другую галактику.
Если существует пространство, которое позволяет нам путешествовать быстрее света, то нет необходимости создавать и поддерживать особые условия в нашем пространстве, затрачивая на это огромное количество энергии. Мы можем просто войти в подпространство или гиперпространство и полететь туда, куда захотим.
Гиперпространство, как уже существующая форма пространства-времени, сегодня является единственным гипотетическим вариантом для недорогих сверхсветовых путешествий.
Но существует ли он в реальном мире? Я не знаю. Однако у меня есть интересная идея, что ложный вакуум в нашей вселенной по своим физическим свойствам очень похож на гиперпространство, описанное в научно-фантастических романах, и, возможно, подходит на эту роль.
