Мичио Каку
Бъдещето на човечеството (11) (Заселването на Марс, междузвездните полети, безсмъртието…)

8.
Конструиране на звездолети

Защо да летим до звездите?

Защото сме наследници на първите примати, които са поискали да видят какво има оттатък хълма.

Защото не е възможно вечно да живеем тук.

Защото звездите са там, горе, и ни мамят с нови хоризонти.

Джеймс и Грегъри Бенфорд

Във филма „Пасажери“ свръхмодерният звездолет „Авалон“, задвижван с огромни термоядрени двигатели, е на път към колонията Втори дом, която се намира на далечна планета. Заселниците са били привлечени от въздействащи реклами. Земята е стара, изчерпана, пренаселена и мръсна. Защо да не поставят ново начало в един друг, интересен свят?

Полетът трае 120 години и през това време пасажерите са в състояние на анабиоза, при което замразените им тела се намират в специални камери. Когато „Авалон“ стигне до местоназначението си, всичките 5000 пътници ще бъдат автоматически съживени. Ще се почувстват ободрени и готови да изградят своя нов живот на новото място.

Но по време на полета метеорна буря пробива корпуса на звездолета и поврежда термоядрените двигатели, което предизвиква редица технически проблеми. Един от пътниците се съживява преждевременно, а до края на полета остават 90 години. Той започва да се чувства самотен и потиснат при мисълта, че ще умре много преди корабът да пристигне. Самотата му става непоносима и той решава да събуди красива спътница. Естествено, двамата се влюбват. Но когато тя разбира, че мъжът нарочно я е съживил почти век предварително и двамата ще умрат в междупланетното чистилище, у нея се надига гняв.

С филми от рода на „Пасажери“ Холивуд напоследък се опитва да придаде малко реализъм на научната фантастика. Полетът с „Авалон“ протича по старомодния начин, без да се превишава скоростта на светлината. Но ако попитаме някое дете какво знае за звездолетите, то веднага ще се сети за кораби като „Ентърпрайз“ от сериала „Стар Трек“ или „Милениум Фалкън“ от „Междузвездни войни“, които прекосяват галактиката със свръхсветлинна скорост и може би дори минават през времепространствени пролуки и летят през хиперпространството.

Реално погледнато, първите звездолети може би ще бъдат непилотирани и няма да приличат на огромните лъскави кораби от филмите. Възможно е да са не по-големи от пощенска марка. През 2016 г. колегата ми Стивън Хокинг, за всеобща изненада, дава подкрепата си за проекта „Пробив към звездите“ (Breakthrough Starshot), чиято цел е създаването на „нанокораби“ — космически платноходи с монтиран на тях сложен чип и задвижвани чрез огромна и мощна наземна лазерна система. Чипът ще бъде с размерите на човешки палец, ще тежи по-малко от 30 грама и ще съдържа милиарди транзистори. Един от най-обещаващите аспекти на това начинание е, че то може да се реализира с помощта на вече съществуващи технологии и не е нужно да се чака един или два века. Според Стивън Хокинг разработката на нанокорабите ще струва 10 милиарда долара и може да се извърши в рамките на едно поколение, а благодарение на лазерна система с мощност 100 милиарда вата тези кораби ще се движат с една пета от скоростта на светлината, което ще им позволи да достигнат най-близката до нас звездна система Алфа Центавър за 20 години. За сравнение, всяка мисия с космическа совалка навремето е струвала почти 1 милиард долара, въпреки че полетите протичат само в околоземна орбита.

Това, което могат да направят нанокорабите, не може да се постигне с ракета с химически двигател. Ракетната формула на Циолковски показва, че конвенционална ракета от типа на „Сатурн“ не може да достигне най-близката до Слънчевата система звезда, защото за да се повиши скоростта, ще е нужно прогресивно увеличаване на количеството гориво, а ракетата не може да носи достатъчно гориво за толкова дълъг полет. Дори ако допуснем, че подобен полет е възможен, той би продължил около 70 000 години.

Ракетите с химически двигател хабят много гориво заради теглото на самото гориво, което трябва да се изведе в космоса заедно с ракетата, докато нанокорабите ще получават пасивно енергия от външни наземни лазери, така че няма да се хаби излишно гориво — цялото му количество ще отива за задвижването на кораба. И понеже нанокорабът няма да се нуждае от собствена двигателна енергия, в него няма да има движещи се части. Това значително ще намали вероятността от механични повреди. Освен това липсата на запалими вещества ще елиминира риска от взрив при изстрелването или в космоса.

Съвременните компютърни технологии позволяват в един чип да се побере цяла научна лаборатория. Нанокорабите ще бъдат снабдени с камери, датчици, химически комплекти и соларни клетки и всичко това ще служи за извършване на подробни анализи на далечни планети и изпращане на радиоинформация към Земята. След като компютърните чипове вече толкова много са поевтинели, към звездите може да се изпращат хиляди нанокораби с надеждата, че някои от тях ще оцелеят; въпреки опасностите по време на полета. (Тази стратегия наподобява процесите в природата, където растенията разпръскват хиляди семенца с помощта на вятъра, за да има по-голям шанс някои от тях да покълнат.)

Ако един нанокораб прелети покрай системата Алфа Центавър със скорост равна на 20% от скоростта на светлината, той ще разполага само с няколко часа, за да изпълни мисията си. В рамките на този период той ще търси подобни на Земята планети и бързо ще ги фотографира и анализира, за да определи особеностите на тяхната повърхност, температурата и атмосферния състав, като по-специално ще следи за наличието на вода или кислород. Освен това ще изследва звездната система за възможни радиосигнали, които биха били признак за съществуването на извънземен разум.

Основателят на „Фейсбук“ Марк Зукърбърг публично декларира подкрепата си за проекта „Пробив към звездите“, а руският инвеститор и бивш физик Юрий Милнер лично е предоставил 100 милиона долара. Нанокорабите вече са много повече от идея. Но за да се осъществи проектът изцяло, трябва да се преодолеят няколко пречки.

Проблеми при лазерните платноходи

За да се изпрати флотилия от нанокораби до Алфа Центавър, е необходима система за генериране на лазерни лъчи с обща мощност поне 100 GW и тези лъчи трябва да се насочат към парашутите на нанокорабите за около 2 минути. Светлинното налягане от лазерните лъчи ще изстреля корабите в космоса. Лъчите трябва да се насочат с изключителна прецизност, за да се гарантира, че нанокорабите ще достигнат целта си. Дори най-малкото отклонение от правилната траектория би поставило мисията под въпрос.

Основната пречка не е свързана с научната страна на проекта, която в общи линии вече е разработена, а с финансирането, въпреки че начинанието е подкрепено от няколко известни учени и предприемачи.

Изграждането на един ядрен реактор струва няколко милиарда долара, но той може да генерира само 1 GW (един милиард вата) енергия. Осигуряването на държавно и частно финансиране за достатъчно мощна и прецизна лазерна система представлява изключително сериозен проблем.

Преди да започнат полетите до далечни звезди, учените може да решат да изпратят нанокораби до по-близки дестинации в рамките на Слънчевата система, за да изпробват технологията. Полетът до Луната ще трае само 5 секунди, до Марс — около час и половина, а до Плутон — няколко дни. Експедициите до най-далечните планети в Слънчевата система няма да отнемат 10 години; нанокорабите ще предоставят нова информация за тях само за броени дни и така процесите ще може да се следят почти в реално време.

На по-късен етап би могло да се помисли за създаването на батарея от лазерни оръдия на Луната.^[41] При преминаване на лазерен лъч през земната атмосфера се губят около 60% от енергията му. Този проблем може да се реши чрез изграждането на лазерна база на Луната, където също така ще се осигури голямо количество евтина електрическа енергия от соларни панели. Спомнете си, че лунният ден е равен на около 30 земни дни — това ще рече, че слънчевата енергия ще може ефективно да се улавя и съхранява в акумулатори. Подобна система би спестила милиарди долари, защото за разлика от атомната енергия, слънчевата е безплатна.

До началото на XXII в. би трябвало да е напълно развита технологията за самовъзпроизвеждащите се роботи и в такъв случай изграждането на соларни системи и лазерни батареи на Луната, Марс и по-далече ще може да бъде поверено на машините. Отначало би могло да се изпрати екип от роботи, някои от които ще добиват ресурси от реголита, а други ще построят фабрика. После ще има и такива, които ще контролират сортирането, стриването и топенето на суровините във фабриката с цел извличането на различни метали. Пречистените метали може да послужат за изграждането на лазерни инсталации, както и за производството на нови самовъзпроизвеждащи се роботи.

С течение на времето може да се създаде мрежа от подобни станции из цялата Слънчева система, от Луната чак до облака на Оорт. Тъй като са пръснати приблизително до средата на пътя до Алфа Центавър и са предимно неподвижни, кометите в облака на Оорт може да се окажат идеални за разполагането на лазерни системи, които да дават допълнителен тласък на нанокорабите по пътя им към най-близката звездна система. Когато даден нанокораб премине покрай такава станция, лазерите в станцията ще се задействат автоматично и ще тласнат допълнително кораба към звездите.

Тези далечни аванпостове може да бъдат построени от самовъзпроизвеждащи се роботи, които вместо слънчева светлина ще използват термоядрен синтез като основен източник на енергия.

Светлинни платноходи

Нанокорабите с лазерно задвижване^[42] са само един от многото видове звездолети в категорията на така наречените светлинни платноходи. Подобно на морските платноходни кораби, които улавят силата на вятъра, светлинните платноходи използват светлинното налягане от Слънцето или от лазери. Всъщност много от математическите формули, на които се базира морската платноходна навигация, важат и за космическите светлинни платноходи.

Светлината е съставена от частици, наречени фотони, и когато фотоните се сблъскат с даден предмет, те упражняват върху него съвсем слаб натиск. Именно защото светлинното налягане е толкова слабо, учените дълго време не са знаели, че то съществува. Йохан Кеплер пръв се досеща за това, след като си дава сметка за необичайния факт, че опашките на кометите винаги сочат в посока на отдалечаване от Слънцето. Той стига до правилния извод, че опашката се образува от налягането от слънчевата светлина, която отвява от кометата прах и ледени кристали надалече от Слънцето.

В пророческия си роман „От Земята до Луната“ Жул Верн предугажда изобретяването на светлинния платноход, като казва: „В бъдеще ще има много по-високи скорости^[43], чийто източник вероятно ще бъде светлината или електричеството… един ден ще можем да летим до Луната, планетите и звездите“.

Константин Циолковски развива концепцията за соларните платноходи — космически кораби, които използват светлинното налягане от Слънцето. Но тяхната история протича на приливи и отливи. Соларните платноходи не са приоритет на НАСА. Както апаратът „Космос 1“ на Планетарното дружество на САЩ, така и „НаноСейл-Д“ на НАСА претърпяват инциденти при изстрелването си съответно през 2005 и 2008 г. По-късно НАСА създава апарата „НаноСейл-Д2“, който влиза в ниска околоземна орбита през 2010 г. Единственият успешен опит за извеждане на соларен платноход извън околоземна орбита е извършен от японците през 2010 г. Става дума за апарата „ИКАРОС“, чието платно е с размери 14х14 м и използва светлинното налягане от Слънцето. След 6 месеца „ИКАРОС“ достига Венера и по този начин доказва, че идеята за соларните платноходи е осъществима.

Тази идея продължава да набира популярност, въпреки че успехите се редуват с неуспехи. Европейската космическа агенция предвижда изстрелването на соларния платноход „Госъмър“, чиято задача ще бъде да разчисти част от хилядите късове космически боклук, замърсяващи района около Земята.

Наскоро интервюирах учения от НАСА Джефри Ландис, който е възпитаник на Масачузетския технологичен институт и в момента работи върху програмата за Марс и върху светлинните платноходи. Както той, така и съпругата му Мери Тързило са известни писатели фантасти. Попитах Ландис как успява да съчетае тези два толкова различни свята — света на строгата наука и сложните формули и този на космическите фантазии и вярата в НЛО. Той отвърна, че обожава научната фантастика, защото тя му дава възможност да размишлява за далечното бъдеще. А физиката му поддържа връзката с действителността.

Джефри Ландис се е специализирал в областта на светлинните платноходи. Той предлага да бъде конструиран звездолет за полет до системата Алфа Центавър, който да има супертънко светлинно платно от диамантоподобен материал, широко няколкостотин километра. Това ще бъде гигантски кораб с тегло 1 милион тона и за неговото построяване и използване ще са необходими ресурси от цялата Слънчева система, включително енергия от лазерни устройства, разположени в близост до Меркурий. За да може да спре при пристигането си, корабът ще бъде оборудван с огромен магнитен парашут, а магнитното поле за парашута ще бъде създадено чрез метален обръч с диаметър 100 км. През обръча ще минават водородни атоми от космическото пространство, които ще създават триене и така скоростта на светлинния платноход постепенно ще намалява в продължение на няколко десетилетия. Полетът до Алфа Центавър и обратно ще продължи общо 2 века, затова екипажът ще трябва да претърпи многократна смяна на поколенията. Макар че построяването на такъв звездолет е физически възможно, разходите ще бъдат много големи, а и Джефри Ландис признава, че изграждането и тестването му може да отнемат между 50 и 100 години. Междувременно Ландис помага за създаването на лазерните платноходи по проекта „Пробив към звездите“.

Йонни двигатели

Освен лазерното задвижване и соларните платна има още редица потенциални способи за задвижване на звездолети. За да можем да ги сравним, е добре да използваме понятието „специфичен импулс“ — това е тягата на ракетния двигател, умножена по времето на работата му. (Специфичният импулс се измерва в секунди.) Колкото по-дълго работят двигателите на дадена ракета, толкова по-голям е специфичният импулс, а оттук може да се изчисли крайната скорост.

В списъка по-долу е посочен специфичният импулс на различни видове ракетни двигатели. Някои видове не са включени тук — например лазерните ракети, Соларните платноходи и правопоточните термоядрени двигатели, чийто специфичен импулс по принцип е безкрайна величина, защото те могат да работят неограничено.

Ракетен двигател	Специфичен импулс
С твърдо гориво	250
С течно гориво	450
Ядрен	800-1000
Йонен	5000
Плазмен	1000-30000
Термоядрен	2500-200000
Импулсен ядрен	10000-1 милион
С антиматерия	1 милион-10 милиона

Обърнете внимание, че химическите двигатели, които работят само няколко минути, имат най-малък специфичен импулс. След тях се нарежда йонният двигател, който може да се използва при експедиции до близки планети. Йонният двигател работи с газ, например ксенон, от чиито атоми се отстраняват електрони и така се образуват йони (частици с електрически заряд), след което йоните се ускоряват с помощта на електрическо поле. Устройството на йонния двигател донякъде напомня на телевизионен монитор, в който поток от електрони се насочва чрез електрически и магнитни полета.

Йонният двигател има изключително слаба тяга (често от порядъка на няколко десетки или стотици грама), така че ако включите такъв двигател в лабораторни условия, все едно нищо не се е случило. В космоса обаче ракетите с подобни двигатели ще могат постепенно да достигат скорости, надвишаващи тези на ракетите с химически двигатели. Разликата между йонния и химическия двигател е като разликата между костенурката и заека. Въпреки че заекът бяга много бързо, той може да поддържа това темпо само няколко минути, след което умората надделява. Костенурката е бавна, но може да върви с дни, затова на дълги разстояния тя е победителят. По същия начин йонният двигател може да работи непрекъснато с години, затова има значително по-голям специфичен импулс от химическите двигатели.

Мощността на йонния двигател може да се повиши, ако йонизацията на газа се извършва с помощта на микровълни или радиовълни, след което получените йони се ускоряват чрез магнитни полета. Това се нарича плазмен двигател и той теоретически би могъл да намали времетраенето на полета до Марс от девет месеца на по-малко от 40 дни, както твърдят привържениците на тази технология, но плазменият двигател все още е в процес на разработване. (Една от спънките при този вид двигател е голямото количество електричество, което е необходимо за образуването на плазмата — за междупланетна мисия би бил нужен цял ядрен реактор.)

НАСА от десетилетия разработва и конструира йонни двигатели. Например ракетата „Дийп Спейс Транспорт“, с която нашите астронавти може да се отправят към Марс през 30-те години, ще бъде с йонно задвижване. Към края на века йонните двигатели вероятно ще залегнат в основата на междупланетните мисии. Въпреки че химическите двигатели може да останат най-добрият вариант от гледна точка на времетраенето на мисиите, йонните двигатели ще бъдат сигурна и надеждна алтернатива в случаите, когато времето не е най-важното нещо.

След йонния двигател в списъка се нареждат задвижващи системи от по-хипотетично естество. По-долу ще разгледаме всяка от тях.

Звездолетите през следващите 100 години

През 2011 г. ДАРПА и НАСА финансират симпозиума „Звездолетите през следващите 100 години“. Събитието предизвиква голям интерес. Целта е не да се построят звездолети през следващите 100 години, а да се съберат на едно място водещи учени, които да очертаят реалните стъпки към осъществяването на междузвездни полети. Симпозиумът е организиран от членове на неформалното обединение „Старата гвардия“, което включва възрастни физици и инженери (много от които вече са над 70 години), желаещи да помогнат със своите знания на човечеството по пътя му към звездите. Това са хора, които със своя ентусиазъм са поддържали пламъка в продължение на десетилетия.

Джефри Ландис е един от членовете на „Старата гвардия“. Сред тях има и една интересна двойка близнаци, Джеймс и Грегъри Бенфорд, които са не само физици, но и писатели фантасти. В разговор с мен Джеймс сподели, че интересът му към звездолетите се зародил още в детските му години, когато четял всякаква научна фантастика, каквато намерел, но най-вече класическата поредица „Космически кадет“ на Робърт Хайнлайн. По онова време той разбира, че ако двамата с брат му наистина имат сериозен интерес към космоса, трябва да учат физика. И то задълбочено. Затова и двамата записват докторантура по физика. В момента Джеймс е президент на „Майкроуейв Сайънсис“ и от десетилетия работи върху микровълновите системи с висока мощност. Грегъри е професор по физика в Калифорнийския университет в Ървайн, а в другото си амплоа е спечелил ценната награда „Небюла“ с един от романите си.

След симпозиума „Звездолетите през следващите 100 години“ Джеймс и Грегъри пишат книгата „Векът на звездолетите: Най-великата цел“, която съдържа много от представените по време на събитието идеи. Джеймс, който е специалист по микровълнова радиация, смята, че светлинните платноходи предоставят най-добрата възможност за полети извън Слънчевата система. Той обаче знае, че от много години се правят и други теоретични разработки, които почиват на солидна научна основа и някой ден може наистина да се реализират, въпреки огромните разходи.

Ядрени двигатели

Някои от тези алтернативни концепции датират от 50-те години на XX в., когато човечеството живее в страх от ядрена война, но неколцина учени работят върху използването на ядрената енергия за мирни цели. Те обмислят всевъзможни идеи, включително оформянето на акваторията на пристанища с помощта на ядрени взривове.

Повечето от тези предложения са отхвърлени поради опасността от радиация и разрушения в резултат на ядрените взривове. Но една интересна инициатива, която не слиза от дневния ред на научната общност, е проектът „Орион“, който е свързан с използването на атомни бомби като енергиен източник за звездолети.

Основната идея е проста: да се изработят малки атомни бомби, които ще могат да се изстрелват една по една от задния край на звездолет. При взривяването на всяка бомба ще се образува ударна вълна, която ще тласка кораба напред. Благодарение на поредицата взривове корабът би могъл почти да достигне скоростта на светлината.

Идеята е развита от ядрения физик Тед Тейлър^[44] и от Фрийман Дайсън. Тейлър е известен с изобретяването на широка гама от атомни бомби — от най-мощната взривявана някога бомба, базирана само на ядрено делене (без термоядрени реакции), която е близо 25 пъти по-мощна от бомбата над Хирошима, до портативното оръдие „Дейви Крокет“, чиито ядрени снаряди са 1000 пъти по-слаби от бомбата над Хирошима. Но Тейлър копнее да намери мирно приложение на обширните си познания за ядрените експлозиви. Ето защо той с готовност се включва в проекта „Орион“.

Най-голямото предизвикателство в рамките на този проект е как да се контролира поредицата взривове, за да може звездолетът хем да използва ударната вълна, хем да не се разруши. Проектират се различни модели за различни скорости. Най-големият е с диаметър 400 м и тегло 8 милиона тона и се задвижва с 1080 бомби. На теория корабът може да развие скорост равна на 10% от скоростта на светлината и да достигне звездната система Алфа Центавър за 40 години. Въпреки огромните му размери изчисленията показват, че нещата могат да се получат.

Но някои анализатори поставят идеята под съмнение, като изтъкват, че звездолетите с такъв импулсен ядрен двигател ще предизвикат радиоактивно замърсяване. Тед Тейлър им опонира, че радиоактивно замърсяване се получава, когато земна маса и металният корпус на бомбата станат радиоактивни след взрива, а това може да се избегне, ако двигателят на звездолета работи само в космическото пространство. Но Договорът за забрана на ядрените опити от 1963 г. създава пречка за подобни експерименти, включително и с малки атомни бомби. В крайна сметка проектът „Орион“ остава като любопитен епизод, за който се разказва само в старите книги.

Недостатъци на ядрените двигатели

Друга причина за отпадането на проекта е, че самият Тед Тейлър губи интерес към него. Веднъж го попитах защо е оттеглил подкрепата си за това начинание, при положение че то явно е било добра възможност за него да реализира таланта си. Той ми обясни, че звездолетът „Орион“ би представлявал вид атомна бомба. Въпреки че почти цял живот е проектирал уранови атомни бомби, той смята, че един ден корабът „Орион“ би могъл да използва и мощни, специално проектирани водородни бомби.

Водородните (термоядрените) бомби, които отделят най-много енергия от всички видове взривни устройства, досега са преминали през три етапа на разработка. Първите водородни бомби от 50-те години на XX в. имали гигантски размери и се транспортирали с големи кораби. Те биха били практически безполезни по време на ядрена война. Бомбите от второ поколение са малките портативни РБГ-ИН (разделящи се бойни глави с части за индивидуално насочване — англ.: MIRV), които са гръбнакът на ядрения арсенал на САЩ и Русия. Десет такива бойни глави могат да се поберат в носовата част на междуконтинентална балистична ракета.

Бомбите от трето поколение, наричани още „дизайнерски бомби“, засега съществуват само на теория. Те ще могат лесно да се укриват и ще се предлагат в различни разновидности в зависимост от вида на бойното поле — например пустиня, гора, арктически район или космоса. Тед Тейлър ми каза, че се е разочаровал от проекта и се бои, че бомбите може да бъдат използвани от терористи. За Тейлър ще е истински кошмар, ако създадените от него бомби попаднат в лоши ръце и разрушат някой американски град. Той съзнава иронията на тази коренна промяна в позицията си. Преди е бил един от учените, които съзнателно биха допринесли за ядреното унищожение на град като Москва. Но когато става ясно, че оръжията от трето поколение могат да застрашат американските градове, той изведнъж решава да се противопостави на разработването на модерни ядрени оръжия.

Джеймс Бенфорд ме информира, че макар импулсният ядрен двигател на Тейлър да е само проект, американската държава всъщност е произвела цяла серия ракети с ядрен двигател. Вместо да се задвижват с малки атомни бомби, те използват старомоден уранов реактор за генериране на необходимата топлина. (Реакторът подгрява течност, например течен водород, до висока температура, след което течността се изстрелва през дюза и така създава тяга.) Изработени са няколко версии, които са тествани в пустинята. Въпросните реактори са били високорадиоактивни и е съществувал постоянен риск от прегряване на ядреното гориво по време на изстрелването, което би било катастрофално. Поради най-различни технически проблеми и силните антиядрени настроения в обществото изпитанията с тези ракети са прекратени.

Термоядрени двигатели

Плановете за използване на атомни бомби за задвижване на звездолети са изоставени през 60-те години на XX в., но скоро след това се появява друга възможност. През 1978 г. Британското междупланетно дружество поставя началото на проекта „Дедал“. Целта е вместо уранови бомби, действащи на принципа на ядреното делене, да се използват малки водородни (термоядрени) бомби, каквито Тед Тейлър не е разработвал, макар че е бил свидетел на появата им. (Малките водородни бомби по проекта „Дедал“ всъщност са бомби от второ поколение, а не от крайно опасното според Тейлър трето поколение.)

Има няколко начина за извличане на енергия от термоядрен синтез за мирни цели.^[45] Един от тях е методът на магнитното задържане, при който газообразен водород се поставя в голямо магнитно поле с формата на геврек и се нагрява до милиони градуси. Тогава ядрата на водородните атоми започват да се блъскат едно в друго и от тях се синтезират ядра на хелий, при което се отделя взривна ядрена енергия. Термоядреният реактор служи за загряване на течност, която после се изстрелва през дюза и така се задвижва ракетата.

Най-добрият в момента термоядрен реактор, действащ на принципа на магнитното задържане, е Международният експериментален термоядрен реактор (МЕТР; англ.: ITER) в Южна Франция. Това е огромна машина, 10 пъти по-голяма от втората по големина такава. Тежи 5110 тона, висока е 11 м и има диаметър 20 м, а изграждането й досега струва над 14 милиарда долара. Очаква се до 2035 г. с този реактор да бъде осъществен термоядрен синтез, а мощността му ще достигне 500 MW топлинна енергия (за сравнение, един стандартен уранов ядрен реактор има мощност 1000 MW електрическа енергия). Надеждите са, че това ще е първият термоядрен реактор, който ще произвежда повече енергия, отколкото консумира. Въпреки забавянията и преразхода на средства физиците твърдят, че реакторът МЕТР ще твори история. Скоро ще разберем дали е така.

Нобеловият лауреат Пиер-Жил дьо Жен посочва: „Казваме, че ще вкараме Слънцето в кутия. Идеята е хубава. Проблемът е, че не знаем как да направим кутията“.

Друг вариант на ракетния двигател по проекта „Дедал“ е лазерният термоядрен двигател, при който гранула от богат на водород материал се компресира чрез мощни лазерни лъчи. Този процес се нарича инерционно задържане. Той се използва например в Националния център по термоядрено възпламеняване (НЦТВ) към Националната лаборатория „Лорънс Ливърмор“ в Калифорния. Лазерната батарея в този център, състояща се от 192 гигантски лъча, които минават по тръби с дължина 1500 м, е най-голямата на света. Когато се концентрират върху малка гранула литиев деутерид, който е богат на водород, лазерните лъчи обгарят повърхността на гранулата и предизвикват миниексплозия, при което гранулата се разпада, а температурата й се повишава до 100 милиона градуса по Целзий. Това предизвиква термоядрен синтез, при който се отделя 500 трилиона вата енергия в рамките на няколко трилионни от секундата.

Веднъж наблюдавах демонстрация в НЦТВ във връзка с едно телевизионно предаване по „Дискавъри Сайънс“, на което бях водещ. Посетителите на центъра първо минават през серия проверки с оглед на националната сигурност, защото Националната лаборатория „Лорънс Ливърмор“ е мястото, където се проектира ядреният арсенал на САЩ. Когато най-накрая ме пуснаха, бях поразен. Основната камера, в която се концентрират лазерните лъчи, е висока колкото пететажна сграда.

В един от вариантите на проекта „Дедал“ се използва процес, подобен на лазерния термоядрен синтез. При него богатата на водород гранула се нагрява не с лазерни лъчи, а с мощна система от електронни лъчи. Предполага се, че ако се взривяват по 250 гранули в секунда, с получената енергия един звездолет би могъл да развие много висока скорост, макар че тя ще бъде малък процент от скоростта на светлината. В този случай термоядреният двигател трябва да бъде с огромни размери. Една от версиите на ракетата „Дедал“ би тежала 54 000 тона и би била дълга 190 метра, а максималната скорост на полета се изчислява на 12% от скоростта на светлината. Такова гигантско съоръжение сигурно ще трябва да се строи в космоса.

Термоядреният ракетен двигател е концептуално издържан,^[46] но досега никой не е виждал реално колко голяма е задвижващата сила на термоядрената енергия. Освен това грамадните размери и сложното устройство на тези хипотетични двигатели поставят под съмнение изпълнимостта на подобни проекти, поне до края на нашия век. Все пак, наред със светлинните платноходи, ракетите с термоядрен двигател са най-перспективни.

Двигатели с антиматерия

Технологиите от петата вълна (които включват двигателите с антиматерия, светлинните платноходи, термоядрените двигатели и нанокорабите) могат да разкрият вълнуващи нови хоризонти в областта на звездолетостроенето. Захранваните с антиматерия двигатели, като тези от „Стар Трек“, може да станат реалност. Те ще използват най-мощния енергиен източник във вселената^[47]: директното преобразуване на материята в енергия в резултат на сблъсъка между материя и антиматерия.

„Антиматерия“ е обратното на „материя“, тоест материя с противоположен заряд. Антиелектронът има положителен заряд, а антипротонът има отрицателен заряд. (Когато бях в гимназията, се опитах да изследвам антиматерията: в Уилсънова камера поставих капсула с натрий-22, който излъчва антиелектрони, и фотографирах красивите следи от антиматерията. По-късно конструирах бетатрон — ускорител на електрони, с капацитет 2,3 милиона електронволта, с надеждата да анализирам свойствата на антиматерията.)

При сблъсъка между материя и антиматерия двете се унищожават взаимно и се получава чиста енергия, тоест това е реакция със 100% ефективност от гледна точка на отделената енергия. За сравнение, ядрените оръжия имат само 1% ефективност; повечето енергия от една водородна бомба се пропилява.

Не би било сложно да се проектира ракетен двигател, който работи с антиматерия. Горивото (антиматерията) ще се съхранява в обезопасени контейнери и ще се подава равномерно към специална камера. Там ще се свързва с обикновена материя, предизвиквайки експлозия от гама-лъчи и рентгенови лъчи. Получената енергия ще се изстрелва през отвор и така ще поражда тяга.

Според Джеймс Бенфорд двигателите с антиматерия са предпочитани от любителите на научната фантастика, но направата им се възпрепятства от сериозни проблеми. Един от тях е, че антиматерията се среща в природата в сравнително малки количества, а за двигателите ще трябва да се произвежда много такова гориво. Първият атом антиводород, съставен от антиелектрон и антипротон, е произведен през 1995 г. от Европейската организация за ядрени изследвания (ЦЕРН) в Женева. Сноп от обикновени протони бил насочен през мишена, съставена от обикновена материя. В резултат на сблъсъка се образували няколко антипротона. Протоните и антипротоните били разделени с помощта на мощни магнитни полета и били отведени в две различни посоки. След това антипротоните били забавени и вкарани в магнитен капан, където се свързали с антиелектрони и образували антиводород. През 2016 г. физиците от ЦЕРН изследвали антиелектроните на антиводорода. Установено било пълно съответствие между енергийните нива на антиводорода и обикновения водород, което е съвсем логично.

От организацията посочват: „Ако съберем цялата антиматерия, която някога е произвеждана в ЦЕРН, и я унищожим чрез сблъсък с материя, получената енергия ще стигне колкото да се захрани една електрическа крушка за няколко минути“. За космическите ракети е нужно много повече. Освен това антиматерията е най-скъпоструващата форма на материята. На днешните цени един грам би струвал около 70 трилиона долара. В момента антиматерия може да се произвежда само с ускорител на частици, и то в много малки количества, а изработката и използването на такива устройства излиза изключително скъпо. Големият адронен колайдер на ЦЕРН е най-мощният ускорител на частици в света, чието изграждане струва над 10 милиарда долара, но той може да създаде само много тънък лъч антиматерия. Ако трябва по този начин да се добие гориво за звездолет, това би разорило дори САЩ.

Днешните гигантски ускорители на частици са многофункционални машини, които обаче служат само за изследователски цели и производството на антиматерия с тях е крайно неефективно. Проблемът би могъл да се реши отчасти с построяването на специални фабрики за антиматерия. В такъв случай, според Харолд Гериш от НАСА, цената й може да падне до 5 милиарда долара за грам.

Съхранението на антиматерия също представлява трудност и струва скъпо. Ако сложим антиматерия в бутилка, тя рано или късно ще влезе в съприкосновение със стените на бутилката и ще я унищожи. Налага се да бъдат използвани Пенингови капани. Пенинговият капан е устройство, което държи антиматериалните атоми в суспензивно състояние с помощта на магнитно поле и така те не могат да влязат в досег със съда.

В научната фантастика проблемите с разходите и съхранението понякога се решават от само себе си с откриването на „антиастероид“, от който може да се добива евтина антиматерия. Но този хипотетичен сценарий повдига един сложен въпрос: откъде всъщност произхожда антиматерията?

Накъдето и да погледнем из космоса с нашите прибори, виждаме материя, но не и антиматерия. Знаем, че е така, защото при сблъсъка на един електрон с антиелектрон би се отделила най-малко 1,02 милиона електронволта енергия. Това е основният признак, че някъде има сблъсък с антиматерия. Но при изследването на вселената учените откриват твърде малко радиация от този тип. В по-голямата си част вселената, която виждаме около себе си, е съставена от същата обикновена материя, от която сме изградени и ние.

Физиците предполагат, че в мига на Големия взрив вселената се е намирала в пълен баланс, в смисъл че е съществувало еднакво количество материя и антиматерия. При това положение двете биха се унищожили взаимно до последната частица и във вселената не би останало нищо друго, освен радиация. Но ето че нас ни има — и сме изградени от материя, каквато не би трябвало да е останала. Излиза, че нашето съществуване е в разрез със законите на съвременната физика.

Все още не е ясно защо във вселената има повече материя, отколкото антиматерия. Само една десетмилиардна част от първоначалната материя във вселената е оцеляла след Големия взрив и ние сме част от нея. Според водещата теория нещо е нарушило идеалния баланс между материя и антиматерия в мига на взрива, но не се знае какво. Ако някой може да разреши тази загадка, Нобеловата награда му е в кърпа вързана.

Задвижваният с антиматерия двигател е един от основните приоритети за всички, които искат да строят звездолети. Но свойствата на антиматерията все още са почти напълно неизследвани. Не знаем например дали тя „пада“ нагоре или надолу. Според съвременната физика би трябвало да пада надолу, както обикновената материя. Ако това е така, антигравитацията вероятно е невъзможна. Но това, както и много други неща, не е проверено по емпиричен път. Предвид високите разходи и ограничените ни познания ракетните двигатели с антиматерия сигурно ще си останат само една мечта през следващите 100 години, освен ако в космоса случайно не бъде открит антиастероид.

Правопоточни термоядрени двигатели

Правопоточният термоядрен двигател е още една примамлива концепция.^[48] Той ще прилича на гигантски сладолед във фунийка. Ще черпи газообразен водород от междузвездното пространство и ще го подава към термоядрен реактор, който ще произвежда от него енергия. Подобно на двигателите на реактивните самолети и крилатите ракети, правопоточният термоядрен двигател ще бъде много икономичен. Реактивните самолети използват обикновен атмосферен въздух и няма нужда да носят на борда си окислител, а това намалява себестойността на полетите. По подобен начин звездолетите с правопоточен термоядрен двигател ще използват водород от космоса, който е в неограничено количество, и така ще могат да се ускоряват непрекъснато. Специфичният импулс на двигателя ще бъде безкрайна величина, както при соларните платноходи.

В известния роман „Тау Нула“ от Пол Андерсън се разказва за звездолет с правопоточен термоядрен двигател, който претърпява повреда и не може да се изключи. Скоростта на звездолета все повече нараства и се доближава до скоростта на светлината, при което започват да се случват странни времепространствени изкривявания. Вътре в кораба времето забавя своя ход, а наоколо вселената старее с обичайното си темпо. Колкото по-бързо лети звездолетът, толкова по-бавно тече времето вътре в него. За пътуващите всичко в кораба изглежда съвсем нормално, докато навън вселената бързо старее. Накрая скоростта на звездолета става толкова висока, че навън минават милиони години, а членовете на екипажа само седят и гледат безпомощно. След като пътуват много милиарди години напред в бъдещето, те разбират, че вселената вече не се разширява, а е започнала да се свива. Процесът на разширяване е обърнал посоката си. Галактиките се приближават една към друга, температурата расте и всичко върви към мига на Голямото смачкване. В края на романа, когато звездите вече загиват, корабът успява да се избави от огненото кълбо на свиващата се вселена и преминава през нов Голям взрив, от който се ражда нова вселена. Всичко това изглежда нереално, но всъщност е в унисон с Айнщайновата теория на относителността.

Ако оставим настрана апокалиптичните истории, правопоточният термоядрен двигател изглежда съвършен, дори прекалено съвършен. Но през годините по негов адрес е имало редица забележки. Може да се окаже, че фунията му трябва да бъде с диаметър стотици километри, което ще я направи ужасно трудна за изработване и адски скъпа. Термоядреният реактор може да няма енергийния капацитет, който е нужен за междузвезден полет. Освен това д-р Джеймс Бенсън веднъж сподели с мен, че в нашата част на Слънчевата система няма достатъчно водород за захранване на такъв двигател, макар че в други райони на галактиката може да е различно. Според други анализатори слънчевият вятър ще създава съпротивление, което ще надвишава тягата на двигателя, и звездолетът няма да може да развие скорост, близка до скоростта на светлината. Физиците се опитват да променят конструкцията, за да преодолеят тези недостатъци, но ще мине още много време, докато правопоточният термоядрен двигател стане реалистичен вариант.

Проблеми при звездолетите

Трябва да подчертаем, че по отношение на всички споменати дотук видове звездолети съществуват и други проблеми, свързани със скоростите, близки до светлинната. Вероятността от сблъсъци с астероиди представлява сериозен риск — дори съвсем малък астероид може да пробие корпуса на кораба. Както вече стана дума, совалките навремето получават дребни повърхностни пропуквания и драскотини от космически отломки, които вероятно са ги удряли със скорост, близка до орбиталната (29 000 км/ч). Но при скорости, близки до светлинната, сблъсъците ще бъдат многократно по-силни и може дори да разрушат звездолета.

Във филмите тази опасност се елиминира с помощта на мощни силови полета, които успешно отблъскват всички микрометеорити, но това е само плод на въображението на сценаристите. На практика е възможно да се генерират електрически и магнитни силови полета, но през тях лесно могат да минат дори най-обикновени предмети, ако са без заряд, например пластмасови, дървени или гипсови предмети. В космоса дребните микрометеорити нямат заряд и не могат да бъдат отразени чрез електрически и магнитни полета. А що се отнася до гравитационните защитни полета, те са изключително слаби и действат на принципа на привличането, затова не могат да създадат необходимата отблъскваща сила.

Друго предизвикателство е спирането. Ако скоростта на космическия полет е близка до светлинната, как може тя да се намали при наближаване на крайната цел? Соларните и лазерните платноходи ползват енергията на Слънцето или съответно лазерни лъчи, а с тях не може да се убие скоростта на звездолета. Затова този тип кораби сигурно ще са подходящи най-вече за мисии, в които трябва просто да се прелети покрай обекта.

При ракетите с ядрен двигател най-добрият начин за спиране може би е чрез завъртане на 180°, вследствие на което тягата започва да действа в обратната посока. Но по този начин приблизително половината от тягата за цялото пътуване ще бъде изразходвана само за спирането. Ако корабът е соларен платноход, платното му би могло в един момент да се завърти така, че светлинната енергия на звездата, към която приближава, да убие скоростта му.

Друг проблем е, че повечето от пилотираните звездолети трябва да са много големи и затова ще могат да се строят само в космоса. За всеки проект ще се наложи организирането на множество космически пилоти за извеждане на съставните компоненти в орбита, както и още за самото сглобяване. За да се избегнат непосилните разходи, трябва да се помисли за по-икономичен начин за изпращане на хора и товари в космоса. Едно от възможните решения е космическият асансьор.

Асансьори към космоса

Космическият асансьор ще бъде революционен продукт на нанотехнологиите.^[49] Той ще представлява гигантска шахта, която води от Земята към космическото пространство. Влизаш в асансьора, натискаш бутона за нагоре и бързо се изстрелваш в орбита. Няма да се усеща онова смазващо натоварване, което изпитват астронавтите при излитане с ракета. Издигането ще е също толкова приятно, колкото пътуването с асансьор до последния етаж в някой мол. Както в приказката за Джак и бобеното стъбло, асансьорът привидно няма да се подчинява на закона за гравитацията и ще осигурява лесен достъп до космоса.

Възможността за изграждане на космически асансьор е разгледана за пръв път от руския физик Константин Циолковски, който е впечатлен от построяването на Айфеловата кула през 80-те години на XIX в. Щом инженерите могат да създадат такова величествено съоръжение, разсъждава Циолковски, защо да не може да се направи нещо още по-високо, което да стига до космоса? Чрез елементарен физичен анализ той доказва, че ако една кула е достатъчно висока, тя ще може по принцип да стои права благодарение на центробежната сила, без да е нужна външна сила. Ако имаме например въже с топче в единия край и го размахаме хоризонтално във въздуха, топчето няма да падне на земята; по същия начин космическият асансьор няма да се срути, тъй като върху него ще действа центробежната сила от въртенето на Земята.

Идеята, че ракетите може да не са единственото средство за издигане в космоса, по онова време е радикална и вълнуваща. Веднага обаче възниква един проблем. Механичното напрежение върху въжетата на космическия асансьор може да достигне 100 GPa, а това надвишава якостта на стоманата, която е 2 GPa. Тоест ако въжетата са стоманени, те ще се скъсат и асансьорът ще пропадне.

Концепцията за космическия асансьор е изоставена за близо век. За нея се сещат само отделни автори като Артър Кларк, който описва нещо подобно в романа си „Фонтаните на Рая“. Но на въпроса кога би било възможно да се построи такова съоръжение, Артър Кларк отвръща: „Може би 50 години след като хората спрат да се присмиват на тази идея“.^[50]

Но днес вече никой не се присмива. Концепцията за космическия асансьор не изглежда толкова футуристична в наши дни. През 1999 г. предварително проучване на НАСА установява, че ако такъв асансьор има въже с дебелина 1 м и дължина 50 000 км, ще може да превозва 15 тона полезен товар. През 2013 г. Международната академия по астронавтика публикува доклад от 350 страници, в който се съдържа заключението, че при наличие на достатъчно средства и изследвания до 2035 г. може да се построи космически асансьор за многократно използване с товароносимост 20 тона. Оценките за разходите обикновено варират между 10 и 50 милиарда долара, което е доста по-малко от сумата от 150 милиарда долара, похарчена за Международната космическа станция. Същевременно благодарение на космическите асансьори разходите за извеждане на полезен товар в космоса може да намалеят 20 пъти.

Сега проблемът не е в научната обосновка, а в инженерното изпълнение. Правят се подробни изчисления, за да се прецени дали асансьорните въжета може да се изработят от чисти въглеродни нанотръбички, които са изключително яки и няма да се скъсат. Възможно ли е обаче да се произведат достатъчно нанотръбички за направата на космическо въже, дълго хиляди километри? От днешна гледна точка отговорът е „не“. Невероятно трудно е да се произведат чисти въглеродни нанотръбички по-дълги от 1 см. Понякога в медиите се съобщава за произведени нанотръбички с дължина еди-колко си метра, но в тези случаи става дума за композитни материали. Това всъщност са влакна от компресирани въглеродни нанотръбички, които не притежават чудните свойства на чистите нанотръбички.

За да стимулира интереса на хората към проекти като космическия асансьор, НАСА подкрепя програмата „Юбилейни предизвикателства“ (Centennial Challenges), по която се дават награди за нови технологии с космическо приложение, разработени от аматьори. Един от конкурсите е за компоненти за минипрототип на космически асансьор. В качеството си на водещ на телевизионно предаване аз трябваше да отразя участието в този конкурс на група млади инженери, които бяха убедени, че асансьорите ще направят космоса достъпен за обикновените хора. Те демонстрираха как малка капсула може да се издигне по дълго въже с помощта на лазерни лъчи. Телевизионният ни екип се опита да улови ентусиазма на тази нова гилдия предприемчиви инженери, които имат амбицията да построят бъдещето.

Космическите асансьори ще осигурят качествено нов вид достъп до космоса и от територия за астронавти и военни пилоти ще го превърнат в пространство за детски и семейни забавления. Те ще предложат нов и ефективен подход към астронавтиката и космическата индустрия и ще дадат възможност за сглобяване на свръхскоростни звездолети и други сложни машини в извънземни условия.

Но реално погледнато, предвид огромните инженерни проблеми, изграждането на първия космически асансьор може да се очаква най-рано към края на нашия век.

С присъщото си любопитство и хъс човечеството рано или късно ще надрасне нивото на термоядрените двигатели и задвижваните с антиматерия ракети и ще се изправи пред най-голямото предизвикателство. Един ден то може да премине отвъд пределната за вселената скорост: скоростта на светлината.

Изкривяване на времепространството

Веднъж едно момче прочело детска книга и променило световната история…^[51] Годината е 1895-а, а електрификацията на градовете тепърва започва. За да научи повече за това странно ново явление, момчето разгръща книгата „Популярни четива по природни науки“ от Арън Бърнстийн. В нея авторът предлага на читателя да си представи, че пътува с електрическия ток по телеграфен кабел. Момчето си задава въпроса какво би станало, ако вместо електрически ток имаме лъч светлина. Можем ли да изпреварим светлината? То си казва, че щом светлината е вълна, светлинният лъч трябва да изглежда неподвижен, застинал във времето. Но въпреки че е само на 16 години, то осъзнава, че никой никога не е виждал неподвижна светлинна вълна. Този въпрос продължава да го занимава през следващите 10 години.

През 1905 г. младежът най-после намира отговора. Името му е Алберт Айнщайн, а теорията му се нарича специална теория на относителността. Айнщайн установява, че няма нищо по-бързо от светлината, нейната скорост е най-високата скорост във вселената. При скорости близки до светлинната започват да стават странни неща. Ако дадена ракета доближи скоростта на светлината, тя ще стане по-тежка, а вътре в нея времето ще забави своя ход. Ако по някакъв начин дадено тяло достигне светлинна скорост, то ще стане безкрайно тежко, а времето ще спре. Но тези две неща са невъзможни, следователно светлинната бариера не може да бъде премината. Така Айнщайн се превръща в космически катаджия, който определя максимално допустимата скорост във вселената. Този предел тормози поколения ракетостроители до ден-днешен.

Но Айнщайн остава неудовлетворен. Относителността обяснява много от загадките, свързани със светлината, но той иска да приложи теорията си и по отношение на гравитацията. През 1915 г. той изказва удивителна хипотеза. Според нея пространството и времето, които дотогава са се смятали за постоянни величини, всъщност са променливи величини — все едно са чаршафи, които могат да бъдат намачкани, изпънати или усукани. Айнщайн предполага, че Земята се върти около Слънцето не защото то я привлича със своята гравитация, а защото Слънцето изкривява пространството около себе си. Тъканта на времепространството тласка Земята и я кара да се движи в орбита около Слънцето. Тоест причината не е гравитационното притегляне, а пространственото тласкане.

Шекспир е казал, че светът е сцена, а ние сме актьори, които идват и си отиват. Представете си времепространството като сцена. Преди се е смятало, че тя е статична, плоска и абсолютна, а часовниците тиктакат с еднакво темпо във всички краища на сцената. Но според Айнщайн сцената се огъва. Часовниците работят с различно темпо. Актьорите не могат да я прекосят, без да паднат. Може би си мислят, че някаква невидима „сила“ ги дърпа в различни посоки, но истината е, че огъващата се сцена ги бута.

Освен това Айнщайн разбира, че в неговата обща теория на относителността има „вратичка“. Колкото по-голяма е дадена звезда, толкова повече се изкривява времепространството около нея. Ако тя е достатъчно тежка, се превръща в черна дупка.

Тъканта на времепространството може да се разкъса и тогава може да се образува пролука — нещо като портал или пряк път през пространството. Тази концепция, представена за пръв път от Айнщайн и ученика му Натан Розен през 1935 г., е известна днес като мост на Айнщайн-Розен.

Пролуки в пространството

Най-простият пример за мост на Айнщайн-Розен е огледалото от книгата „Алиса в огледалния свят“. От едната страна на огледалото е английската провинция, по-точно районът около Оксфорд. От другата страна е вълшебният свят, в който Алиса се пренася мигновено, с едно докосване на огледалото с пръст.

Пролуките в пространството (англ.: wormholes) са широко използван сюжетен похват в киното. Хан Соло превежда звездолета „Милениум Фалкън“ през хиперпространството, използвайки именно такава пролука. Хладилникът, който героинята на Сигорни Уийвър отваря в „Ловци на духове“, е портал, през който тя вижда цяла вселена. В „Лъвът, Вещицата и дрешникът“ от Клайв Стейпълс Луис дрешникът също е портал или пролука, която свързва английската провинция с Нарния.

Съществуването на пролуки в пространството е установено чрез математически анализ на черни дупки — бивши гигантски звезди, чиято гравитация е толкова мощна, че дори светлината не може да се отскубне. В района на всяка черна дупка втора космическа скорост е скоростта на светлината. Преди се е смятало, че черните дупки са статични и гравитацията им е безкрайна величина (така нареченото състояние на гравитационна сингуларност). Но всички регистрирани от учените черни дупки всъщност се въртят доста бързо. През 1963 г. физикът Рой Кер открива, че ако дадена черна дупка се върти достатъчно бързо, тя може да не се свие до безкрайно малка точка в резултат на гравитационен колапс, а да съществува във вид на въртящ се пръстен. Пръстенът е стабилен, защото центробежната сила му пречи да изпадне в колапс. Но къде отива всичко, което попада в черните дупки? Физиците все още не знаят. Една от вероятностите е, че материята излиза от другата страна на черната дупка и този изход се нарича бяла дупка. Учените се опитват да открият такива бели дупки, които вместо да поглъщат материя, я изпускат, но досега не са намерили.

Ако хипотетично си представим, че сме се доближили до въртящия се пръстен на черна дупка, ще станем свидетели на невероятни деформации на времето и пространството. Може да видим снопове светлина, уловени преди милиарди години от гравитацията на дупката. Може дори да видим копия на самите себе си. Под въздействието на приливните сили атомите на тялото ни навярно ще се разтеглят, което се нарича спагетификация и би било фатално за нас.

Ако влезем в самия пръстен, има вероятност да бъдем изхвърлени от другата страна през бяла дупка и да попаднем в паралелна вселена. Представете си, че взимате два листа хартия, поставяте ги успоредно един на друг и ги пробивате с молив, при което листовете остават нанизани на молива. Пътуването по протежение на молива ще бъде пътуване между две паралелни вселени. Но ако минете втори път през същия пръстен (дупката от молива), ще се озовете в паралелна вселена, различна от предишния път. При всяко влизане в пръстена ще достигате различна вселена, също както при пътуване с асансьор в жилищен блок можете да спирате на различни етажи — с тази разлика, че ако вече сте спирали на даден етаж, после няма да можете да се върнете на него.

Гравитацията вътре в пръстена е крайна величина, така че има вероятност да не ви смачка при влизането ви. Но ако пръстенът не се върти достатъчно бързо, той би могъл да изпадне в гравитационен колапс и да ви убие. Вероятно може да бъде стабилизиран изкуствено с помощта на така наречената отрицателна материя или отрицателна енергия. Стабилността на пролуките в пространството е въпрос на баланс, а най-важното е да се поддържа необходимото съотношение между положителната и отрицателната енергия. За естественото възникване на такива портали между вселените, каквито са черните дупки, са нужни големи количества положителна енергия. Но за да останат порталите отворени и да се предотврати евентуален гравитационен колапс, трябва изкуствено да бъде създадена отрицателна материя (отрицателна енергия).

Отрицателната материя е нещо съвсем различно от антиматерията и никога не е била откривана в природата. Тя притежава необичайни антигравитационни свойства: не пада надолу, а нагоре. (За разлика от нея, антиматерията пада надолу, или поне така се предполага.) Ако преди милиарди години на Земята е имало отрицателна материя, тя може би е била отблъсната от материята на планетата и е излетяла в космоса. Вероятно затова досега не сме открили отрицателна материя.

Въпреки че физиците не са виждали признаци за отрицателна материя^[52], отрицателната енергия вече е била генерирана в лабораторни условия. Това дава надежда на любителите на научната фантастика, че някой ден ще бъде възможно да се минава през пролуки в пространството и да се пътува до далечни звезди. Само че количествата на лабораторно генерираната отрицателна енергия са нищожни и съвсем недостатъчни за нуждите на астронавтиката. За да се произведе достатъчно отрицателна енергия за стабилизирането на пролука в пространството, е необходима свръхмодерна технология, но за това ще говорим по-подробно в 13-а глава. В обозримото бъдеще хиперполетите през пространствени пролуки ще останат извън човешките възможности.

Напоследък обаче се говори за друг метод, който също е свързан с изкривяване на времепространството.

Двигателят на Алкубиере

Освен пролуките в пространството, друг способ за преминаване отвъд светлинната бариера може би е двигателят на Алкубиере. Веднъж интервюирах мексиканския специалист по теоретична физика Мигел Алкубиере.^[53] Той бил осенен от революционна идея в областта на релативистичната физика, докато гледал телевизия — нещо, което може би никога преди това не се било случвало. По телевизията давали епизод от „Стар Трек“ и Алкубиере си помислил колко е вълнуващо, че звездолетът „Ентърпрайз“ лети по-бързо от светлината. По някакъв начин корабът компресирал пространството пред себе си и звездите не изглеждали толкова далечни. Не той отивал към звездите, а звездите идвали към него.

Представете си, че трябва да минете по килим, за да стигнете до маса. Обичайният начин е да вървите по килима от една точка до друга. Но има и друг начин. Някой може да придърпа масата с въже към вас, при което килимът ще се набръчка. С други думи, вместо да вървите по килима, за да стигнете до масата, килимът се нагъва и масата идва при вас.

На Алкубиере му хрумва нещо интересно. В научната практика обикновено първо се идентифицира някаква звезда или планета и после се изчислява изкривяването на пространството около нея с помощта на формулите на Айнщайн. Може обаче да се действа и в обратната последователност. Първо решаваме какво пространствено изкривяване ни трябва, а след това, пак със същите формули, определяме каква звезда или планета би го предизвикала. Това донякъде прилича на изработването на един автомобил. Може да се започне от наличните части — двигател, колела и т.н. — и от тях да се сглоби автомобилът. Другият начин е да решим какъв автомобил искаме да създадем и после да проектираме необходимите части.

Мигел Алкубиере обръща формулите на Айнщайн наопаки и процедира против обичайната логика в теоретичната физика. Опитва се да определи какъв тип звезда би могла да компресира пространството пред себе си и да разтегля пространството зад себе си. За своя най-голяма изненада той достига до много прост отговор. Оказва се, че изкривяването на пространството, както е показано в „Стар Трек“, е възможно според формулите на Айнщайн! Явно този начин на придвижване не е чак толкова невероятен.

Според предложения от Алкубиере метод на задвижване звездолетът трябва да се намира в пространствен мехур — кухина от материя и енергия. Времепространството в мехура няма да има връзка с това извън него. Докато звездолетът увеличава скоростта си, хората в него няма да усещат нищо. Ще им се струва, че корабът изобщо не се движи, а всъщност той ще лети по-бързо от светлината.

Заключението на Алкубиере шокира научната общност с изключителната си оригиналност. Но след публикуването на доклада му анализаторите отбелязват някои недостатъци. Въпреки че в доклада много добре е развита идеята за полети със свръхсветлинна скорост, липсват решения на някои възможни усложнения. Щом мехурът ще изолира звездолета от външния свят, в него няма да може да постъпва информация отвън и пилотът няма как да контролира курса на движение. Управлението на звездолета ще бъде невъзможно. Освен това не е ясно как ще се направи самият мехур. За да може мехурът да компресира пространството пред себе си, той трябва да се захранва с определен вид гориво, а именно с отрицателна материя или отрицателна енергия.

Ето че пак опираме до същото. Отрицателната материя или отрицателната енергия е онова, което не достига — както за стабилизирането на пролуките в пространството, така и за захранването на пространствените мехури. Според една обща теорема, доказана от Стивън Хокинг, всички решения, които се основават на Айнщайновите формули и позволяват да се развие свръхсветлинна скорост, предполагат използването на отрицателна материя или отрицателна енергия. (Положителната материя и енергия на звездите изкривяват времепространството по начин, който идеално обяснява движението на небесните тела. За разлика от тях, отрицателната материя и енергия изкривяват времепространството по необичайни начини и създават антигравитационна сила, с която може да се стабилизират пролуките в пространството, за да се предотврати гравитационният им колапс, както и да се позволи на пространствените мехури да развиват свръхсветлинна скорост посредством компресиране на времепространството пред тях.)

Физиците са се опитвали да изчислят колко отрицателна материя или отрицателна енергия е необходима за задвижването на звездолет. Най-новите данни показват, че нужното количество е равно на масата на планетата Юпитер. Това означава, че само една много развита цивилизация би могла да използва отрицателна материя или енергия за задвижване на звездолети, ако изобщо това е възможно. (Има обаче вероятност да се окаже, че количеството отрицателна материя или енергия, което е необходимо за достигането на свръхсветлинна скорост, е по-малко, защото изчисленията зависят от формата и размерите на пространствения мехур или пространствената пролука.)

В „Стар Трек“ тази смущаваща пречка се заобикаля, като се приема, че основният компонент на задвижващата система е рядко вещество, известно като дилитиеви кристали. Сега знаем, че „дилитиеви кристали“ може да означава „отрицателна материя или енергия“, но казано по-ефектно.

Ефектът на Казимир и отрицателната енергия

Дилитиевите кристали не съществуват, но отрицателната енергия съществува, колкото и миражна да изглежда, а това означава, че по принцип не е невъзможно да се лети през пролуки в пространството, да се компресира пространството и дори да се изобрети машина на времето. Въпреки че законите на Нютон изключват съществуването на отрицателна енергия, квантовата теория сочи обратното, което се обяснява с ефекта на Казимир, формулиран през 1948 г. и измерен в лабораторни условия през 1997 г.

Да речем, че имаме две успоредни метални пластини без заряд^[54]. Ако разстоянието между тях е голямо, така наречената електрическа сила между тях е равна на нула. Но ако пластините се доближат една към друга, те започват необяснимо да се привличат. Тогава от тях може да се извлече енергия. Понеже отначало енергията е нулева, а с доближаването на пластините една към друга става положителна, от това следва, че първоначално самите пластини са имали отрицателна енергия. Причината за това е доста езотерична. Здравият разум ни казва, че вакуумът е празно пространство с нулева енергия. Но в действителност той е пълен с частици материя и антиматерия, които се материализират за кратко и после пак изчезват. Тези „виртуални“ частици се появяват и изчезват толкова бързо, че не нарушават закона за запазване на материята и енергията, според който общото количество материя и енергия във вселената винаги остава едно и също. Тази постоянна динамика във вакуума създава налягане. Над и под двете метални пластини има повече движение на материя и антиматерия, отколкото между тях, затова налягането тласка пластините една към друга и така се създава отрицателна енергия. Това именно е ефектът на Казимир, който в рамките на квантовата теория показва, че отрицателната енергия съществува.

Силата на Казимир е изключително малка, затова в миналото е можело да бъде измерена само с най-чувствителните уреди. Но днес нанотехнологиите ни позволяват да боравим с отделни атоми. Веднъж във връзка с телевизионно предаване, на което бях водещ, посетих една лаборатория в Харвард и там имаше малък настолен уред, работещ с отделни атоми. Наблюдавах експеримент, който показа колко е трудно два атома да се доближат един до друг и да останат в това положение, без да се отблъснат или да се слепят поради силата на Казимир, която може да действа или на принципа на отблъскването, или на привличането. Добиването на отрицателна енергия е заветната цел на физиците, които имат отношение към звездолетостроенето, но за нанотехнолозите силата на Казимир е толкова мощна на атомно ниво, че е по-скоро досадна.

В заключение можем да кажем, че отрицателната енергия наистина съществува и ако може да се добива в достатъчно големи количества, би било възможно да се пътува през пролуките в пространството и да се създаде космически двигател на принципа на пространственото изкривяване, като по този начин ще се осъществят едни от най-дръзките идеи от научната фантастика. Но тези технологии са въпрос на далечното бъдеще и ще бъдат разгледани в глави 13 и 14. Междувременно човечеството ще трябва да се задоволи със светлинните платноходи, които може би ще кръстосват космоса към края на века и ще осигурят първите изображения в близък план на екзопланети в орбита около други звезди. През XXII в. хората вероятно ще могат да летят до такива планети с помощта на ракети с термоядрен двигател. А ако успеят да решат сложните инженерни проблеми, биха могли да конструират дори ракетни двигатели с антиматерия, правопоточни термоядрени двигатели и космически асансьори.

След като звездолетите бъдат построени, какво ще намерят изследователите в открития космос? Ще има ли други светове, в които хората биха могли да живеят? За щастие, космическите телескопи и сателити ни осигуряват подробна информация за звездните простори.