Разгадка трех тел
НАУКА / #6_ИЮЛЬ_2024
Текст: Максим ГРЕВЦЕВ / Фото: Netflix, Space X, NASA, Universidad Politécnica de Cartagena, Wikipedia
На фото: Кадр из сериала «Задача трех тел» (2024)
«Задача трех тел» — даже если вы не увлекаетесь научной фантастикой, скорее всего, это название вам знакомо. Изданный в Китае в 2006 году и вышедший на английском языке в 2014‑м роман Лю Цысиня признан самым успешным произведением на китайском языке XXI века. Трилогия уже была дважды экранизирована. Автор — инженер, и в романе содержится множество отсылок к физико-техническим концепциям. Вместе с экспертами Национального центра физики и математики (НЦФМ) попытаемся найти границу между наукой и фантастикой.
Наша Солнечная система устроена просто: звезда, вокруг которой вращаются планеты. Но во Вселенной существуют и другие звездные системы, в центре которых — две, три и даже больше звезд; они называются кратными. Из кратных многочисленнее всего тройные. Именно такая система описана в романе «Задача трех тел», и даже указано ее название — Альфа Центавра. В научной фантастике Альфа Центавра фигурирует часто: можно вспомнить и «Магелланово облако» Станислава Лема, и «Аватар» Джеймса Кэмерона (именно там находится планета Пандора, на которой происходит действие фильма).
Конечно, Лю Цысинь не случайно выбрал именно эту систему: она ближайшая к нам (находится на расстоянии всего 4,36 световых года). Завязка романа следующая: три звезды Альфы Центавра образуют хаотичную систему, и предсказать траектории их движения невозможно. Вымышленная планета Трисолярис расположена на неустойчивой орбите этих звезд (кстати, уже после выхода романа астрономы обнаружили на орбите Альфы Центавра планеты). Жизнь там очень сложна: ужасная жара непредсказуемо сменяется запредельным холодом. Сформировавшаяся на Трисолярисе цивилизация много раз находилась на грани исчезновения, и наконец ее обитатели решили покинуть свою звездную систему. Они получают сигнал с нашей планеты и решают, что Земля — подходящий объект для колонизации… Согласитесь, любопытный сюжет. Но еще интереснее то, какие физические принципы и инженерные технологии описаны в романе.
Конечно, Лю Цысинь не случайно выбрал именно эту систему: она ближайшая к нам (находится на расстоянии всего 4,36 световых года). Завязка романа следующая: три звезды Альфы Центавра образуют хаотичную систему, и предсказать траектории их движения невозможно. Вымышленная планета Трисолярис расположена на неустойчивой орбите этих звезд (кстати, уже после выхода романа астрономы обнаружили на орбите Альфы Центавра планеты). Жизнь там очень сложна: ужасная жара непредсказуемо сменяется запредельным холодом. Сформировавшаяся на Трисолярисе цивилизация много раз находилась на грани исчезновения, и наконец ее обитатели решили покинуть свою звездную систему. Они получают сигнал с нашей планеты и решают, что Земля — подходящий объект для колонизации… Согласитесь, любопытный сюжет. Но еще интереснее то, какие физические принципы и инженерные технологии описаны в романе.
Солнце как ретранслятор
В романе
Молодая женщина-астрофизик Е Ваньцзэ оказалась на секретном объекте «Красный берег», созданном с целью поиска внеземных цивилизаций, но мощность радиотелескопа слишком мала. Е обнаруживает, что в структуре Солнца есть слои, не пропускающие, а отражающие радиосигналы с Земли, многократно усиливая их. Таким образом, строение Солнца позволяет использовать его как ретранслятор и усилитель.
В реальности
Объясняет Сергей Клоков, выпускник МГУ Саров:
— Современное представление о структуре Солнца таково: в центре — плотное горячее ядро, в нем протекают процессы термоядерного синтеза; его окружает слой лучистого переноса энергии, где происходит переизлучение фотонов; следом идет конвективный слой — в нем перемешивается горячая плазма (как теплый и холодный воздух — в комнате с теплым полом); и все это окружено фотосферой — видимой поверхностью звезды. (Вокруг фотосферы есть еще корона, но нам она сейчас не интересна.) Такая модель описывает всё, что мы наблюдаем, и даже предсказывает некоторые события (циклы солнечной активности, спектр излучения и т. д.).
В романе вводится модель «энергетических зеркал» — слоев лучистого переноса энергии внутри звезды, на границах которых частота излучения (а значит, и энергия) резко падает. Эти границы отражают излучение с бóльшей длиной волны. Причем, судя по всему, слои имеют дискретный характер: между ними есть промежутки.
Однако в реальности Солнце — непрерывный объект, поэтому спектр его электромагнитного излучения тоже непрерывен и включает все длины волн: от многокилометровых радиоволн до жесткого гамма-излучения. А раз в спектре не видно линий отражения, то и само Солнце не должно иметь четко разграниченных слоев. Так что этот эпизод романа противоречит научным данным.
Солнце также не может выступать ретранслятором радиосигнала. Оно поглотит любое электромагнитное излучение. Даже если допустить, что наша звезда просто переизлучит сигнал, то это излучение будет направленно во все стороны. И его амплитуда («сила» сигнала) будет очень маленькой, так как рассеется во всех направлениях.
Однако Солнце может служить усилителем. Это достигается гравитационным линзированием. Согласно Общей теории относительности, массивные объекты искривляют пространство-время вокруг себя. Мы наблюдаем это в телескопы в различных частях Вселенной. Наша звезда — массивный объект и тоже искривляет пространство вокруг. Искривленное пространство может послужить для нас линзой: свет, как бы обходя массивное тело, фокусируется за ним. И если расположить наблюдателя на правильном расстоянии, он сможет рассматривать очень далекие объекты как через увеличительное стекло.
Гравитационное линзирование, создаваемое массивными объектами (галактиками и их скоплениями, областями с темной материей), помогает астрономам заглядывать дальше, чем позволяет телескоп. Существует даже идея создания космического аппарата, использующего Солнце в качестве гравитационной линзы. Такой телескоп позволит различать объекты размерами в несколько километров на расстояниях в несколько световых лет. Это значит, что можно будет увидеть планеты, расположенные у ближайших звезд! Современные телескопы даже близко на такое не способны. Правда, есть нюанс: такой аппарат надо разместить за орбитой Плутона. И если отправить его туда уже возможно, то оставить на стационарной орбите — пока что весьма затруднительно.
В романе
Молодая женщина-астрофизик Е Ваньцзэ оказалась на секретном объекте «Красный берег», созданном с целью поиска внеземных цивилизаций, но мощность радиотелескопа слишком мала. Е обнаруживает, что в структуре Солнца есть слои, не пропускающие, а отражающие радиосигналы с Земли, многократно усиливая их. Таким образом, строение Солнца позволяет использовать его как ретранслятор и усилитель.
В реальности
Объясняет Сергей Клоков, выпускник МГУ Саров:
— Современное представление о структуре Солнца таково: в центре — плотное горячее ядро, в нем протекают процессы термоядерного синтеза; его окружает слой лучистого переноса энергии, где происходит переизлучение фотонов; следом идет конвективный слой — в нем перемешивается горячая плазма (как теплый и холодный воздух — в комнате с теплым полом); и все это окружено фотосферой — видимой поверхностью звезды. (Вокруг фотосферы есть еще корона, но нам она сейчас не интересна.) Такая модель описывает всё, что мы наблюдаем, и даже предсказывает некоторые события (циклы солнечной активности, спектр излучения и т. д.).
В романе вводится модель «энергетических зеркал» — слоев лучистого переноса энергии внутри звезды, на границах которых частота излучения (а значит, и энергия) резко падает. Эти границы отражают излучение с бóльшей длиной волны. Причем, судя по всему, слои имеют дискретный характер: между ними есть промежутки.
Однако в реальности Солнце — непрерывный объект, поэтому спектр его электромагнитного излучения тоже непрерывен и включает все длины волн: от многокилометровых радиоволн до жесткого гамма-излучения. А раз в спектре не видно линий отражения, то и само Солнце не должно иметь четко разграниченных слоев. Так что этот эпизод романа противоречит научным данным.
Солнце также не может выступать ретранслятором радиосигнала. Оно поглотит любое электромагнитное излучение. Даже если допустить, что наша звезда просто переизлучит сигнал, то это излучение будет направленно во все стороны. И его амплитуда («сила» сигнала) будет очень маленькой, так как рассеется во всех направлениях.
Однако Солнце может служить усилителем. Это достигается гравитационным линзированием. Согласно Общей теории относительности, массивные объекты искривляют пространство-время вокруг себя. Мы наблюдаем это в телескопы в различных частях Вселенной. Наша звезда — массивный объект и тоже искривляет пространство вокруг. Искривленное пространство может послужить для нас линзой: свет, как бы обходя массивное тело, фокусируется за ним. И если расположить наблюдателя на правильном расстоянии, он сможет рассматривать очень далекие объекты как через увеличительное стекло.
Гравитационное линзирование, создаваемое массивными объектами (галактиками и их скоплениями, областями с темной материей), помогает астрономам заглядывать дальше, чем позволяет телескоп. Существует даже идея создания космического аппарата, использующего Солнце в качестве гравитационной линзы. Такой телескоп позволит различать объекты размерами в несколько километров на расстояниях в несколько световых лет. Это значит, что можно будет увидеть планеты, расположенные у ближайших звезд! Современные телескопы даже близко на такое не способны. Правда, есть нюанс: такой аппарат надо разместить за орбитой Плутона. И если отправить его туда уже возможно, то оставить на стационарной орбите — пока что весьма затруднительно.
Чисто восточное убийство
16 декабря 2020 года в больницу Шанхая попал миллиардер Линь Ци, владелец Youzoo Interactive (разработчик сверхпопулярных во всем мире компьютерных игр). Врачи быстро поняли, что произошло отравление, обнаружив в крови пациента следы сразу пяти ядов, включая ртуть и яд рыбы фугу. Довольно быстро подозреваемым стал Сю Яо, с которым незадолго до убийства у Линь Ци случился конфликт. Сю как юрист добился того, что Линь получил права на экранизацию «Задачи трех тел» и множество смежных лицензий, мечтая превзойти успех вселенной «Звездных войн». Линь оценил работу и назначил Сю генеральным директором компании, занимавшейся проектом. Однако что-то пошло не так — Сю провалил переговоры с NETFLIX. Линь понизил Сю в должности и распорядился убрать его имя из списка продюсеров. Сю так возненавидел босса, что построил у себя дома целую химическую лабораторию и начал синтезировать яды. Расследование показало, что он получил более ста композиций. Яды Сю испытывал на животных, а некоторые — даже на коллегах, к которых недолюбливал. Пострадали, но остались живы четыре человека. А Линь Ци не помогли даже 40 переливаний крови — он скончался. За убийство суд приговорил Сю к смертной казни. Вердикт огласили через сутки после премьеры сериала NETFLIX в марте 2024 года.
Поиск внеземной жизни
В романе
Е Ваньцзэ хочет проверить свою теорию использования Солнца в качестве ретранслятора-усилителя. Направив радиосигнал на Солнце, она без разрешения руководства отправляет послание другим цивилизациям. Через восемь лет Е получает с некой планеты ответ: «Не отвечайте! Не отвечайте! Не отвечайте!..» Инопланетянин предупреждает, что в противном случае для Земли возникнет угроза. Однако Е разочарована в человечестве и надеется, что более развитая цивилизация поможет добиться справедливости на Земле.
В реальности
Объясняют Максим Вялков и Виталия Кулешова, молодые ученые НЦФМ, аспиранты МГУ Саров:
— Однажды американский физик Энрико Ферми, обедая в кафетерии Лос-Аламосской лаборатории, задался вопросом: если галактик и звездных систем миллиарды миллиардов, то, по теории вероятности, разумная жизнь наверняка возникла не только на Земле. Почему же мы, земляне, не наблюдаем хотя бы следы внеземных цивилизаций? Этот вопрос теперь называется парадоксом Ферми. Одни ученые считают, что ответ прост: мы одни. Другие уверены, что мы пока не можем увидеть этих следов, но они есть.
Кстати, наша страна активно участвует в поиске инопланетных цивилизаций. Во-первых, первое послание в космос отправил именно СССР (в 1962 году азбукой Морзе на Венеру послали три слова: «Ленин», «СССР», «Мир»; сигнал отразился и отправился дальше — в созвездие Весов). Во-вторых, уже не идеологизированные, а вполне научные попытки отправить сигнал в 1999 и 2003 годах предпринимались с установки РТ‑70 в Крыму. Проект назывался «Космический зов», его научным руководителем был Александр Зайцев, сотрудник Института радиотехники и электроники РАН. А в 2001 году тот же А. Зайцев отправил в космос зашифрованную музыку, включая две русские народные песни и композиции Рахманинова.
Помимо радиосигналов, земляне использовали для поиска контактов с инопланетянами материальные носители информации. Прежде всего, это пластины на «Пионерах» и «Вояджерах» (сейчас, спустя полвека, они приближаются к границам Солнечной системы).
Наконец, астрономы ищут экзопланеты — объекты, находящиеся в обитаемых зонах звезд (такие, на которых температура позволяет существовать воде в жидком состоянии — ключевому условию для развития жизни). В поиске помогают орбитальные аппараты, такие как Kepler и TESS.
Предпринимаются также попытки поймать инопланетные сигналы. Это инициатива проекта SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence). SETI использует мощные радиотелескопы для прослушивания космоса в поисках таких сигналов, но, несмотря на десятилетия исследований, убедительных доказательств существования внеземного разума пока нет.
Есть и скептики, выступающие против поисков инопланетян. Среди них — весьма уважаемые ученые. Например, Стивен Хокинг в одном из выпусков документального телесериала «Любимые места Стивена Хокинга» сказал, что встреча с более развитой цивилизацией может иметь для Земли те же последствия, какие прибытие Колумба имело для коренных жителей Америки. Собственно, на этом и строится сюжетная пружина «Загадки трех тел».
В романе
Е Ваньцзэ хочет проверить свою теорию использования Солнца в качестве ретранслятора-усилителя. Направив радиосигнал на Солнце, она без разрешения руководства отправляет послание другим цивилизациям. Через восемь лет Е получает с некой планеты ответ: «Не отвечайте! Не отвечайте! Не отвечайте!..» Инопланетянин предупреждает, что в противном случае для Земли возникнет угроза. Однако Е разочарована в человечестве и надеется, что более развитая цивилизация поможет добиться справедливости на Земле.
В реальности
Объясняют Максим Вялков и Виталия Кулешова, молодые ученые НЦФМ, аспиранты МГУ Саров:
— Однажды американский физик Энрико Ферми, обедая в кафетерии Лос-Аламосской лаборатории, задался вопросом: если галактик и звездных систем миллиарды миллиардов, то, по теории вероятности, разумная жизнь наверняка возникла не только на Земле. Почему же мы, земляне, не наблюдаем хотя бы следы внеземных цивилизаций? Этот вопрос теперь называется парадоксом Ферми. Одни ученые считают, что ответ прост: мы одни. Другие уверены, что мы пока не можем увидеть этих следов, но они есть.
Кстати, наша страна активно участвует в поиске инопланетных цивилизаций. Во-первых, первое послание в космос отправил именно СССР (в 1962 году азбукой Морзе на Венеру послали три слова: «Ленин», «СССР», «Мир»; сигнал отразился и отправился дальше — в созвездие Весов). Во-вторых, уже не идеологизированные, а вполне научные попытки отправить сигнал в 1999 и 2003 годах предпринимались с установки РТ‑70 в Крыму. Проект назывался «Космический зов», его научным руководителем был Александр Зайцев, сотрудник Института радиотехники и электроники РАН. А в 2001 году тот же А. Зайцев отправил в космос зашифрованную музыку, включая две русские народные песни и композиции Рахманинова.
Помимо радиосигналов, земляне использовали для поиска контактов с инопланетянами материальные носители информации. Прежде всего, это пластины на «Пионерах» и «Вояджерах» (сейчас, спустя полвека, они приближаются к границам Солнечной системы).
Наконец, астрономы ищут экзопланеты — объекты, находящиеся в обитаемых зонах звезд (такие, на которых температура позволяет существовать воде в жидком состоянии — ключевому условию для развития жизни). В поиске помогают орбитальные аппараты, такие как Kepler и TESS.
Предпринимаются также попытки поймать инопланетные сигналы. Это инициатива проекта SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence). SETI использует мощные радиотелескопы для прослушивания космоса в поисках таких сигналов, но, несмотря на десятилетия исследований, убедительных доказательств существования внеземного разума пока нет.
Есть и скептики, выступающие против поисков инопланетян. Среди них — весьма уважаемые ученые. Например, Стивен Хокинг в одном из выпусков документального телесериала «Любимые места Стивена Хокинга» сказал, что встреча с более развитой цивилизацией может иметь для Земли те же последствия, какие прибытие Колумба имело для коренных жителей Америки. Собственно, на этом и строится сюжетная пружина «Загадки трех тел».
Запуск ракеты-носителя Falcon 9 со спутником NASA TESS, предназначенным для поиска подобных Земле планет за пределами Солнечной системы
Космические путешествия
В романе
Инопланетная цивилизация (трисоляриане) отправила на Землю целый космофлот, состоящий из массивных кораблей, максимальная скорость движения которых — одна десятая скорости света. Источник энергии — аннигиляция материи и антиматерии. Для «ловли» античастиц в носах кораблей установлены магнитные воронки. Предполагается, что 4,36 светового года флот преодолеет за 450 лет.
В реальности
Объясняет Сергей Клоков:
— По сути, это вопрос о двигателях космических аппаратов. Сегодня существует всего один тип двигателей, использующийся постоянно; еще один — на стадии испытаний; и один — на стадии разработки. Первый — это химические двигатели. Тяга в них создается за счет сгорания топлива и направления реактивной струи в нужную сторону. Такие двигатели используются уже больше полувека. Они достаточно просты и надежны, позволяют быстро набрать большую скорость. Но топливо в них быстро расходуется, да и вес очень ограничен.
Второй тип — двигатели на ионной тяге. Движение в них обеспечивается выбрасыванием ионов — заряженных атомов — в одном направлении. При этом, по закону сохранения импульса, сам аппарат двигается в противоположную сторону. Ускорение от одного иона очень маленькое, но непрерывная работа обеспечивает постоянное ускорение в течение длительного времени. При этом расход «топлива» — газа, ускоряемого электрическим полем, — очень мал. Как следствие, возможен набор значительной скорости, но очень медленный. Сейчас такие двигатели испытываются на небольших зондах и показывают хорошие результаты.
Двигатели третьего типа похожи на парус, только вместо ветра в них используется электромагнитное излучение. Самое очевидное — солнечный ветер, такие аппараты уже испытываются. Однако для повышения скорости необходимо использовать не только видимый свет, но и весь спектр электромагнитного излучения. Пока материалов с нужными характеристиками не существует. Поэтому сейчас разрабатывается аппарат, который будет ускоряться за счет лазерного луча с Земли (и с орбитальных установок). Суть в том, что очень интенсивный поток фотонов, отражаясь от «паруса», создаст давление света. Расчеты показывают, что, таким образом можно будет разогнать аппарат до сотых и даже десятых долей скорости света.
Вернемся к роману. Двигатель, работающий на аннигиляции материи и антиматерии, — отличная идея. При аннигиляции пара частица-античастица высвобождает два фотона с суммарной энергией, равной полной энергии этих частиц. Например, при аннигиляции протона и антипротона выделится энергия почти 2 ГэВ (2·109 эВ). Чтобы понять, много это или мало, сравним полученную величину с энергией, высвобождающейся вследствие самой эффективной ядерной реакции — реакции термоядерного синтеза. При слиянии дейтерия и трития выделяется примерно 17 МэВ (1,7·107 эВ). Это в сто раз меньше. Да еще и условия должны быть чудовищные: температура в миллионы градусов Цельсия и давление в миллионы атмосфер. А аннигиляция происходит сама по себе. Так что, взяв с собой чистый водород в баллоне, можно обеспечить себя практически неиссякаемым источником энергии? В чем же подвох?
К сожалению, их много. Да, водород — самый распространенный элемент во Вселенной. Но в космическом пространстве он встречается нечасто: его средняя концентрация в галактике — около 100 частиц на 1 м3. Да, его можно «ловить» с помощью электромагнитного поля, но для этого тоже нужна энергия. Куда бóльшая проблема — античастицы: их в космосе почти нет. В наблюдаемой Вселенной присутствует так называемая барионная асимметрия, то есть материи на много порядков больше, чем антиматерии. Можно использовать ускорители для генерации античастиц — сейчас ученые так и делают. Но это требует большого времени и огромных энергетических затрат. Может быть, энергетический выхлоп будет достаточен, чтобы покрыть расходы? Нет. Для создания античастиц тратится не меньше энергии, чем их энергия покоя. А значит, даже в идеале выигрыш будет нулевой.
Еще один важный вопрос: как перенаправлять энергию от аннигиляции для работы двигателей? При таком процессе направление излучения фотонов по большей части произвольно. Эту проблему можно решить, поместив точку протекания реакции в фокус параболического или гиперболического зеркала. Тогда один фотон практически всегда будет отражаться от зеркала и передавать ему импульс. Однако для того, чтобы фотон отразился от зеркала, величина кристаллической решетки поверхности должна быть намного меньше длины волны излучения. При аннигиляции протонов и антипротонов один фотон будет иметь энергию 1 ГэВ. Этой энергии соответствует длина волны порядка 10-15м. Такое коротковолновое излучение пройдет сквозь любой материал, будет рассеиваться на ядрах, нагревать зеркало и все, что находится за ним. Добавим к этому еще повреждение аппаратуры и облучение экипажа. Так что, к сожалению, такой двигатель человечеству не подходит, по крайней мере, на данном этапе развития науки и технологий.
В романе
Инопланетная цивилизация (трисоляриане) отправила на Землю целый космофлот, состоящий из массивных кораблей, максимальная скорость движения которых — одна десятая скорости света. Источник энергии — аннигиляция материи и антиматерии. Для «ловли» античастиц в носах кораблей установлены магнитные воронки. Предполагается, что 4,36 светового года флот преодолеет за 450 лет.
В реальности
Объясняет Сергей Клоков:
— По сути, это вопрос о двигателях космических аппаратов. Сегодня существует всего один тип двигателей, использующийся постоянно; еще один — на стадии испытаний; и один — на стадии разработки. Первый — это химические двигатели. Тяга в них создается за счет сгорания топлива и направления реактивной струи в нужную сторону. Такие двигатели используются уже больше полувека. Они достаточно просты и надежны, позволяют быстро набрать большую скорость. Но топливо в них быстро расходуется, да и вес очень ограничен.
Второй тип — двигатели на ионной тяге. Движение в них обеспечивается выбрасыванием ионов — заряженных атомов — в одном направлении. При этом, по закону сохранения импульса, сам аппарат двигается в противоположную сторону. Ускорение от одного иона очень маленькое, но непрерывная работа обеспечивает постоянное ускорение в течение длительного времени. При этом расход «топлива» — газа, ускоряемого электрическим полем, — очень мал. Как следствие, возможен набор значительной скорости, но очень медленный. Сейчас такие двигатели испытываются на небольших зондах и показывают хорошие результаты.
Двигатели третьего типа похожи на парус, только вместо ветра в них используется электромагнитное излучение. Самое очевидное — солнечный ветер, такие аппараты уже испытываются. Однако для повышения скорости необходимо использовать не только видимый свет, но и весь спектр электромагнитного излучения. Пока материалов с нужными характеристиками не существует. Поэтому сейчас разрабатывается аппарат, который будет ускоряться за счет лазерного луча с Земли (и с орбитальных установок). Суть в том, что очень интенсивный поток фотонов, отражаясь от «паруса», создаст давление света. Расчеты показывают, что, таким образом можно будет разогнать аппарат до сотых и даже десятых долей скорости света.
Вернемся к роману. Двигатель, работающий на аннигиляции материи и антиматерии, — отличная идея. При аннигиляции пара частица-античастица высвобождает два фотона с суммарной энергией, равной полной энергии этих частиц. Например, при аннигиляции протона и антипротона выделится энергия почти 2 ГэВ (2·109 эВ). Чтобы понять, много это или мало, сравним полученную величину с энергией, высвобождающейся вследствие самой эффективной ядерной реакции — реакции термоядерного синтеза. При слиянии дейтерия и трития выделяется примерно 17 МэВ (1,7·107 эВ). Это в сто раз меньше. Да еще и условия должны быть чудовищные: температура в миллионы градусов Цельсия и давление в миллионы атмосфер. А аннигиляция происходит сама по себе. Так что, взяв с собой чистый водород в баллоне, можно обеспечить себя практически неиссякаемым источником энергии? В чем же подвох?
К сожалению, их много. Да, водород — самый распространенный элемент во Вселенной. Но в космическом пространстве он встречается нечасто: его средняя концентрация в галактике — около 100 частиц на 1 м3. Да, его можно «ловить» с помощью электромагнитного поля, но для этого тоже нужна энергия. Куда бóльшая проблема — античастицы: их в космосе почти нет. В наблюдаемой Вселенной присутствует так называемая барионная асимметрия, то есть материи на много порядков больше, чем антиматерии. Можно использовать ускорители для генерации античастиц — сейчас ученые так и делают. Но это требует большого времени и огромных энергетических затрат. Может быть, энергетический выхлоп будет достаточен, чтобы покрыть расходы? Нет. Для создания античастиц тратится не меньше энергии, чем их энергия покоя. А значит, даже в идеале выигрыш будет нулевой.
Еще один важный вопрос: как перенаправлять энергию от аннигиляции для работы двигателей? При таком процессе направление излучения фотонов по большей части произвольно. Эту проблему можно решить, поместив точку протекания реакции в фокус параболического или гиперболического зеркала. Тогда один фотон практически всегда будет отражаться от зеркала и передавать ему импульс. Однако для того, чтобы фотон отразился от зеркала, величина кристаллической решетки поверхности должна быть намного меньше длины волны излучения. При аннигиляции протонов и антипротонов один фотон будет иметь энергию 1 ГэВ. Этой энергии соответствует длина волны порядка 10-15м. Такое коротковолновое излучение пройдет сквозь любой материал, будет рассеиваться на ядрах, нагревать зеркало и все, что находится за ним. Добавим к этому еще повреждение аппаратуры и облучение экипажа. Так что, к сожалению, такой двигатель человечеству не подходит, по крайней мере, на данном этапе развития науки и технологий.
На всех космических парусах
Солнечное парусное устройство ACS3 от NASA, сделанное из углеродного волокна и гибких полимеров
Весной 2024 года NASA вывела на орбиту аппарат размером меньше микроволновки, который должен протестировать систему раскрытия космического паруса, выполненную из композитных материалов. Площадь парусаx— около 80 м². Европейское космическое агентство уже испытало парус из двойного слоя графена.
Не следует забывать и о проекте Breakthrough Starshot, запущенном российским бизнесменом Юрием Мильнером при участии Стивена Хокинга в 2016 году. Идея состоит в том, чтобы небольшой зонд с помощью лазера и паруса разогнать до 20 % скорости света и отправить на Альфу Центавра — ту самую, откуда хотят сбежать трисоляриане.
Не следует забывать и о проекте Breakthrough Starshot, запущенном российским бизнесменом Юрием Мильнером при участии Стивена Хокинга в 2016 году. Идея состоит в том, чтобы небольшой зонд с помощью лазера и паруса разогнать до 20 % скорости света и отправить на Альфу Центавра — ту самую, откуда хотят сбежать трисоляриане.
Управление 11 мерным пространством
В романе
Трисоляриане превратили протон в суперкомпьютер с ИИ, имея технологии работы в 11‑мерном пространстве микромира. Два таких микрокомпьютера (софона) они отправили на Землю.
В реальности
Объясняет Максим Вялков:
— Количество измерений — это число независимых параметров, необходимых для точного определения положения объекта в пространстве. В нашем привычном мире это число равно четырем: три пространственные координаты (длина, ширина, высота) и одна временна́я.
Однако существуют теории, предполагающие наличие дополнительных измерений, например, теория струн. В разных ее вариациях насчитывается от 10 до 26 измерений. Но как возможно существование дополнительных измерений и почему мы их не ощущаем?
Если посмотреть на звезду с Земли, она кажется точкой на небе. Таким образом, для описания поведения звезды нам достаточно знать ее положение на небе (координаты). Но если мы начнем к ней приближаться, то обнаружим, например, планеты, вращающиеся вокруг нее, а также пятна на ее поверхности. Таким образом, мы добавляем звезде характеристики, которые становятся существенными при сокращении расстояния до нее.
Теория струн предполагает, что частицы — это не точки, а протяженные объекты (струны). Шесть дополнительных измерений проявляются только в очень малых масштабах, меньше размеров атома. Мы находимся слишком «далеко» от частиц. Так же как огромные звезды на гигантских расстояниях, частицы кажутся нам точками, и пока мы не можем «приблизиться» к ним: длина волны видимого света на порядки больше, чем интересующие нас объекты.
Если в нашей Вселенной действительно больше четырех измерений, то мы взаимодействуем лишь с четырехмерными проекциями этих объектов. На что это похоже? Представьте себе существ, живущих в двухмерном мире (будем рассматривать лишь пространственные координаты), например, жителей листа бумаги. Если вы — существо, живущее в мире большей размерности — проткнете лист карандашом перпендикулярно к его поверхности, то двухмерным существам этот карандаш будет казаться кругом (так как сечение карандаша с плоскостью, перпендикулярной его оси, — это круг). Однако если вы проткнете бумагу, немного наклонив карандаш, то сечение будет уже овальным, и для двухмерных существ объект будет овалом.
Могут ли струны быть тем самым карандашом, а их колебания — различными сечениями (частицами) в нашем мире? Пока это остается загадкой, экспериментальных данных нет. Процесс создания софонов, описанный автором книги, кажется нереальным даже самым смелым физикам. Мы еще не знаем точно, сколько размерностей в нашем мире, но даже наша степень незнания достаточна, чтобы назвать его фантастическим. Однако размышления о том, как могут выглядеть объекты разных размерностей в нашей вселенной, — это интересно.
В романе
Трисоляриане превратили протон в суперкомпьютер с ИИ, имея технологии работы в 11‑мерном пространстве микромира. Два таких микрокомпьютера (софона) они отправили на Землю.
В реальности
Объясняет Максим Вялков:
— Количество измерений — это число независимых параметров, необходимых для точного определения положения объекта в пространстве. В нашем привычном мире это число равно четырем: три пространственные координаты (длина, ширина, высота) и одна временна́я.
Однако существуют теории, предполагающие наличие дополнительных измерений, например, теория струн. В разных ее вариациях насчитывается от 10 до 26 измерений. Но как возможно существование дополнительных измерений и почему мы их не ощущаем?
Если посмотреть на звезду с Земли, она кажется точкой на небе. Таким образом, для описания поведения звезды нам достаточно знать ее положение на небе (координаты). Но если мы начнем к ней приближаться, то обнаружим, например, планеты, вращающиеся вокруг нее, а также пятна на ее поверхности. Таким образом, мы добавляем звезде характеристики, которые становятся существенными при сокращении расстояния до нее.
Теория струн предполагает, что частицы — это не точки, а протяженные объекты (струны). Шесть дополнительных измерений проявляются только в очень малых масштабах, меньше размеров атома. Мы находимся слишком «далеко» от частиц. Так же как огромные звезды на гигантских расстояниях, частицы кажутся нам точками, и пока мы не можем «приблизиться» к ним: длина волны видимого света на порядки больше, чем интересующие нас объекты.
Если в нашей Вселенной действительно больше четырех измерений, то мы взаимодействуем лишь с четырехмерными проекциями этих объектов. На что это похоже? Представьте себе существ, живущих в двухмерном мире (будем рассматривать лишь пространственные координаты), например, жителей листа бумаги. Если вы — существо, живущее в мире большей размерности — проткнете лист карандашом перпендикулярно к его поверхности, то двухмерным существам этот карандаш будет казаться кругом (так как сечение карандаша с плоскостью, перпендикулярной его оси, — это круг). Однако если вы проткнете бумагу, немного наклонив карандаш, то сечение будет уже овальным, и для двухмерных существ объект будет овалом.
Могут ли струны быть тем самым карандашом, а их колебания — различными сечениями (частицами) в нашем мире? Пока это остается загадкой, экспериментальных данных нет. Процесс создания софонов, описанный автором книги, кажется нереальным даже самым смелым физикам. Мы еще не знаем точно, сколько размерностей в нашем мире, но даже наша степень незнания достаточна, чтобы назвать его фантастическим. Однако размышления о том, как могут выглядеть объекты разных размерностей в нашей вселенной, — это интересно.
Пример эффекта гравитационного линзирования — «Кольцо Эйнштейна», окруженное сотнями галактик, снятое космическим телескопом Хаббла
Квантовая запутанность
В романе
Поскольку софоны — это протоны, то есть квантовые объекты, они функционируют по законам квантовой механики, в частности, квантовой запутанности. Трисоляриане создали четыре софона, и получились две пары квантово запутанных объектов. Из каждой пары по одной частице отправили на Землю, а «напарники» остались на Трисолярисе. С их помощью инопланетяне управляли суперкомпьютерами на Земле, находясь от нее на расстоянии более четырех световых лет.
В реальности
Объясняет Максим Вялков:
— Для начала нужно вспомнить о том, что такое квантовая механика: ее ключевое отличие от классической заключается в отсутствии детерминизма, то есть определенности.
В нашем мире, подчиняющемся законам Ньютона, зная исходные условия (например, скорость и начальное положение), можно определить местонахождение и скорость объекта в произвольный момент. Если же повторять опыт, задавая одинаковые начальные скорости и координаты, то в фиксированный момент времени все значения физических величин будут совпадать. Это и есть детерминизм.
В квантовом мире, мире элементарных частиц и сверхмалых размеров, все подчиняется уравнению Шредингера, где мы оперируем волновой функцией, несущей информацию лишь о вероятности нахождения объекта в том или ином состоянии. Только экспериментальное измерение (непосредственное взаимодействие с квантовым объектом) может точно показать, в каком физическом состоянии находится объект. Пока измерение не произведено, объект может с соответствующей вероятностью принимать различные значения физических параметров.
Однако у физиков все же есть оплот стабильности в этом океане неопределенности: законы сохранения некоторых физических величин, выполнимость которых часто зависит от системы. В качестве сохраняющейся физической величины можно взять, например, энергию и импульс или же проекцию спина.
Теперь, после экспресс-тура по квантовой механике, мы отправляемся в нашу воображаемую лабораторию. Предположим, мы создали квантовый объект, способный распадаться на два осколка. Причем изначальный объект имеет нулевую проекцию спина на произвольную ось. Тогда на осколки будет накладываться связь закона сохранения спина. Если быть точным, его проекции на определенную ось. Поздравляю, теперь ваши осколки — квантово-запутанные объекты.
Уникальность такой связи объектов заключается в следующем: измеряя значение спина одного осколка, вы немедленно получаете значение спина другого осколка, который может быть удален от первого на достаточно большое расстояние. Часто такое взаимно однозначное определение параметров осколков после измерения интерпретируют как перенос информации, причем со скоростью, превышающей скорость света. Однако никакого переноса информации нет. Более того, квантовая запутанность — вещь одноразовая: как только вы провели измерение, связь частиц разрывается. Поэтому невозможно реализовать связь на основе квантовой запутанности. Это фантастика!
В романе
Поскольку софоны — это протоны, то есть квантовые объекты, они функционируют по законам квантовой механики, в частности, квантовой запутанности. Трисоляриане создали четыре софона, и получились две пары квантово запутанных объектов. Из каждой пары по одной частице отправили на Землю, а «напарники» остались на Трисолярисе. С их помощью инопланетяне управляли суперкомпьютерами на Земле, находясь от нее на расстоянии более четырех световых лет.
В реальности
Объясняет Максим Вялков:
— Для начала нужно вспомнить о том, что такое квантовая механика: ее ключевое отличие от классической заключается в отсутствии детерминизма, то есть определенности.
В нашем мире, подчиняющемся законам Ньютона, зная исходные условия (например, скорость и начальное положение), можно определить местонахождение и скорость объекта в произвольный момент. Если же повторять опыт, задавая одинаковые начальные скорости и координаты, то в фиксированный момент времени все значения физических величин будут совпадать. Это и есть детерминизм.
В квантовом мире, мире элементарных частиц и сверхмалых размеров, все подчиняется уравнению Шредингера, где мы оперируем волновой функцией, несущей информацию лишь о вероятности нахождения объекта в том или ином состоянии. Только экспериментальное измерение (непосредственное взаимодействие с квантовым объектом) может точно показать, в каком физическом состоянии находится объект. Пока измерение не произведено, объект может с соответствующей вероятностью принимать различные значения физических параметров.
Однако у физиков все же есть оплот стабильности в этом океане неопределенности: законы сохранения некоторых физических величин, выполнимость которых часто зависит от системы. В качестве сохраняющейся физической величины можно взять, например, энергию и импульс или же проекцию спина.
Теперь, после экспресс-тура по квантовой механике, мы отправляемся в нашу воображаемую лабораторию. Предположим, мы создали квантовый объект, способный распадаться на два осколка. Причем изначальный объект имеет нулевую проекцию спина на произвольную ось. Тогда на осколки будет накладываться связь закона сохранения спина. Если быть точным, его проекции на определенную ось. Поздравляю, теперь ваши осколки — квантово-запутанные объекты.
Уникальность такой связи объектов заключается в следующем: измеряя значение спина одного осколка, вы немедленно получаете значение спина другого осколка, который может быть удален от первого на достаточно большое расстояние. Часто такое взаимно однозначное определение параметров осколков после измерения интерпретируют как перенос информации, причем со скоростью, превышающей скорость света. Однако никакого переноса информации нет. Более того, квантовая запутанность — вещь одноразовая: как только вы провели измерение, связь частиц разрывается. Поэтому невозможно реализовать связь на основе квантовой запутанности. Это фантастика!
Пример нанонити, выращенной на подложке Si
Нанонить
В романе
На Земле появилась группа людей, помогающих трисолярианам — общество «Земля — Трисолярис». Они наладили постоянную связь с инопланетянами. Все полученные ими данные хранятся на компьютерах, расположенных на дрейфующем судне, где находится главный штаб общества. Спецслужбы хотят заполучить эти компьютеры, но понимают, что при штурме члены общества уничтожат информацию. Действовать нужно быстро. Ученые помогают военным найти решение — использовать уникальные супертонкие нанонити. Они невидимы для человеческого глаза и необычайно прочны. Нанонити натягивают поперек Панамского канала, судно проходит через них и разрезается на куски.
В реальности
Объясняет Сергей Клоков:
— Наноматериалы — это материалы, имеющие хотя бы один размер (из трех) от 1 до 100 нм или включающие такие элементы. Такие материалы обладают необычными свойствами: высокой удельной прочностью, очень высокой или низкой электро- и теплопроводностью. Область их применения очень широка: медицина, технологии производства и обработки материалов, фундаментальные исследования свойств материи. С каждым годом наноматериалам находят все больше применений.
Но, как и у любой реальной технологии, у наноматериалов есть свои ограничения. Во-первых, сложно получить большое количество качественных нанообъектов. Во-вторых, для того чтобы наноматериал обладал нужными свойствами, необходимо, чтобы наночастицы, из которых он создан, были выстроены в определенном порядке. Это могут быть сплетенные нанотрубки; наложенные друг на друга слои толщиной в один атом; размещенные на расстоянии друг от друга наночастицы. А сделать это для сколь-нибудь применимого размера практически невозможно (на данном этапе развития технологий). В-третьих, пока человечеству известен очень ограниченный список веществ, из которых можно сделать «нано-что-нибудь». Мы не можем взять любое вещество и сделать из него, например, лист толщиной в один атом.
В романе описывается «парящее лезвие» — тонкая нить «толщиной примерно в одну сотую человеческого волоса». Толщина волоса — около 0,08 мм. Значит, диаметр нити около 0,0008 мм, или 800 нм. Условно ее можно назвать наноматериалом. По сюжету эта нить способна разрезать практически любой материал — тело человека, дерево, сталь, кристаллы кремния. Нить не могла разрезать только такой же материал. Для того чтобы нить могла резать сталь, она должна быть прочнее металла. Для наноматериала это недостижимо. Надо также помнить, что простой разницы в прочности недостаточно. Для разрезания нужно давление на нить. Выдержит ли такая нить давление, создаваемое большим куском железа? Согласно имеющимся сегодня научным знаниям — нет. Несмотря на высокую удельную прочность наноматериалов, это все-таки удельная величина — величина на единицу массы/объема/длины. И даже самая прочная нить не выдержит нагрузки, на много порядков превышающей массу самой нити.
В реальности такой наноматериал невозможен, а очень хотелось бы. Обладая таким прочным волокном, мы могли бы осуществить давнюю идею фантастов и ученых — создать космический лифт. Длина троса такого лифта должна быть не меньше 42 тыс. км. Насколько это упростило бы нам освоение ближнего космоса!
В романе
На Земле появилась группа людей, помогающих трисолярианам — общество «Земля — Трисолярис». Они наладили постоянную связь с инопланетянами. Все полученные ими данные хранятся на компьютерах, расположенных на дрейфующем судне, где находится главный штаб общества. Спецслужбы хотят заполучить эти компьютеры, но понимают, что при штурме члены общества уничтожат информацию. Действовать нужно быстро. Ученые помогают военным найти решение — использовать уникальные супертонкие нанонити. Они невидимы для человеческого глаза и необычайно прочны. Нанонити натягивают поперек Панамского канала, судно проходит через них и разрезается на куски.
В реальности
Объясняет Сергей Клоков:
— Наноматериалы — это материалы, имеющие хотя бы один размер (из трех) от 1 до 100 нм или включающие такие элементы. Такие материалы обладают необычными свойствами: высокой удельной прочностью, очень высокой или низкой электро- и теплопроводностью. Область их применения очень широка: медицина, технологии производства и обработки материалов, фундаментальные исследования свойств материи. С каждым годом наноматериалам находят все больше применений.
Но, как и у любой реальной технологии, у наноматериалов есть свои ограничения. Во-первых, сложно получить большое количество качественных нанообъектов. Во-вторых, для того чтобы наноматериал обладал нужными свойствами, необходимо, чтобы наночастицы, из которых он создан, были выстроены в определенном порядке. Это могут быть сплетенные нанотрубки; наложенные друг на друга слои толщиной в один атом; размещенные на расстоянии друг от друга наночастицы. А сделать это для сколь-нибудь применимого размера практически невозможно (на данном этапе развития технологий). В-третьих, пока человечеству известен очень ограниченный список веществ, из которых можно сделать «нано-что-нибудь». Мы не можем взять любое вещество и сделать из него, например, лист толщиной в один атом.
В романе описывается «парящее лезвие» — тонкая нить «толщиной примерно в одну сотую человеческого волоса». Толщина волоса — около 0,08 мм. Значит, диаметр нити около 0,0008 мм, или 800 нм. Условно ее можно назвать наноматериалом. По сюжету эта нить способна разрезать практически любой материал — тело человека, дерево, сталь, кристаллы кремния. Нить не могла разрезать только такой же материал. Для того чтобы нить могла резать сталь, она должна быть прочнее металла. Для наноматериала это недостижимо. Надо также помнить, что простой разницы в прочности недостаточно. Для разрезания нужно давление на нить. Выдержит ли такая нить давление, создаваемое большим куском железа? Согласно имеющимся сегодня научным знаниям — нет. Несмотря на высокую удельную прочность наноматериалов, это все-таки удельная величина — величина на единицу массы/объема/длины. И даже самая прочная нить не выдержит нагрузки, на много порядков превышающей массу самой нити.
В реальности такой наноматериал невозможен, а очень хотелось бы. Обладая таким прочным волокном, мы могли бы осуществить давнюю идею фантастов и ученых — создать космический лифт. Длина троса такого лифта должна быть не меньше 42 тыс. км. Насколько это упростило бы нам освоение ближнего космоса!
ДРУГИЕ МАТЕРИАЛЫ