Эти планеты всего лишь несколько новых записей в громадной будущей энциклопедии экзопланет, дополнять которую приходится едва ли не каждую неделю. Есть в ней и странные, необычные звездные системы, которые Стэплдону могли разве что присниться, в том числе системы с четырьмя и более звездами, обращающимися по сложным орбитам в едином «клубке». Многие астрономы считают, что любая планетная структура, которую мы только можем вообразить, вероятно, существует где-то во Вселенной – разумеется, если ее существование не противоречит законам физики.
Это означает, что мы можем весьма и весьма приблизительно подсчитать, сколько в Галактике существует землеподобных планет. В ней около 100 млрд звезд, следовательно, землеподобных планет, обращающихся вокруг солнцеподобных звезд, может быть около 20 млрд – и это только в нашей Галактике. А поскольку галактик, которые мы можем наблюдать при помощи имеющихся инструментов, тоже около 100 млрд, мы можем оценить количество землеподобных планет в видимой Вселенной. Получим умопомрачительное число – 2 млрд триллионов.
Осознав, что наша Галактика, вполне возможно, кишмя кишит обитаемыми планетами, вы уже не сможете с прежним спокойствием рассматривать звездное ночное небо.
Итак, астрономы обнаружили в дальнем космосе землеподобные планеты. Следующая задача – проанализировать их атмосферу на наличие кислорода и водяного пара, которые указывали бы на возможное присутствие жизни, и попытаться уловить радиоволны, которые свидетельствовали бы о существовании разумной цивилизации. Такое открытие стало бы одним из великих поворотных пунктов в истории человечества, сравнимым с укрощением огня. Оно не только заново переопределило бы наши отношения с остальной Вселенной, но и изменило нашу судьбу.
Новый золотой век исследования космоса
Открытие экзопланет наряду с интереснейшими идеями, которые привносит в нашу жизнь новое поколение мечтателей, возрождает в обществе интерес к космическим путешествиям. Первоначально главными двигателями космической программы были холодная война и соперничество сверхдержав. Тогда американцы были согласны потратить громадную сумму – 5,5 % федерального бюджета США – на космическую программу «Аполлон», поскольку на кон был поставлен престиж страны. Однако такую лихорадочную гонку невозможно поддерживать до бесконечности, и со временем финансирование резко сократили.
Американские астронавты в последний раз ступали на поверхность Луны в 1972 г. Сегодня и «Сатурн-5», и космические челноки разобраны на части и ржавеют в музеях, а рассказы о них остались на страницах пыльных книг. НАСА часто критиковали, называя «агентством полетов в никуда». Несколько десятилетий шестеренки этого механизма крутились вхолостую, а само агентство бодро и решительно двигалось по давно проторенным путям.
Но постепенно экономическая ситуация начала меняться. Стоимость космических путешествий, которая прежде могла подорвать бюджет целой страны, неуклонно снижалась, в значительной степени благодаря притоку энергии, денег и энтузиазма от растущей когорты частных предпринимателей. Неудовлетворенные «черепашьими» темпами деятельности НАСА, миллиардеры Илон Маск, Ричард Брэнсон и Джефф Безос достали свои чековые книжки и занялись строительством ракет. Они хотят не только получить прибыль, но и исполнить свою детскую мечту о полете к звездам.
Вновь дала знать о себе политическая воля. Вопрос уже не в том, отправят ли США астронавтов на Красную планету, а о том, когда это произойдет. Президент США Барак Обама заявлял, что астронавты ступят на поверхность Марса где-то после 2030 г., а президент Трамп попросил НАСА ускорить темпы.
Техника для строительства флотилии ракет и космических модулей, пригодных для межпланетного путешествия, – к примеру, сконструированная НАСА ракета-носитель СЛС (Space Launch System, SLS) с кораблем «Орион» и тяжелая ракета-носитель «Фалкон Хэви» с капсулой «Дракон», разработанная Илоном Маском – проходит первые этапы испытаний. Именно они будут доставлять грузы и астронавтов на Луну, астероиды, Марс и даже дальше. Эта задача вызвала общественный резонанс и породила не только энтузиазм, но даже конкуренцию. Вполне возможно, что когда-нибудь разные группы будут соперничать за возможность первыми воткнуть флаг в марсианскую почву.
Мы входим в новый золотой век космических путешествий, когда исследование Вселенной после нескольких десятилетий небрежения вновь станет волнующей частью национальной повестки.
Вглядываясь в будущее, мы можем различить контуры того, как наука преобразует процесс исследования космоса. Благодаря революционным успехам в широком спектре отраслей техники мы сегодня можем порассуждать о том, что наша цивилизация, возможно, переселится однажды в дальний космос, научится терраформировать планеты и путешествовать меж звезд. Это долгосрочная цель, но уже сегодня мы можем обозначить примерные сроки и приблизительно оценить, когда будут достигнуты те или иные космические рубежи.
Я расскажу о шагах, необходимых для достижения этой амбициозной цели. Но главное для нас, если мы хотим определить примерный ход будущих событий, – разобраться в научных принципах, которые стоят за нынешними чудесными достижениями.
Революционные волнытехнического прогресса
Для начала попробуем окинуть взглядом обширную панораму истории человечества и представить ее в более широком контексте. Если бы наши предки смогли увидеть нас сегодняшних, что бы они подумали? На протяжении большей части своей истории люди влачили жалкое существование, боролись за жизнь во враждебном и равнодушном мире, где средняя продолжительность жизни составляла не больше 20–30 лет. В основном мы вели кочевой образ жизни и переносили свои пожитки на собственных спинах. Каждый день нам приходилось неустанно бороться за то, чтобы обеспечить себе пищу и убежище. Мы жили в постоянном страхе перед опасными хищниками, болезнями и голодом. Но, если бы наши предки могли увидеть нас сегодняшних – с нашей способностью мгновенно пересылать картинки в любой уголок планеты, с ракетами, которые могут доставить нас на Луну и дальше, с машинами, которые ездят сами по себе, – они наверняка сочли бы нас колдунами и волшебниками.
История показывает, что научные революции приходят волнами, а толчком к ним часто служат успехи физики. Первую волну научных и технических достижений в XIX в. породили физики, создавшие теорию механики и термодинамики. Это позволило инженерам создать паровую машину, за которой последовали локомотивы и промышленная революция. Этот глубокий сдвиг в техническом оснащении поднял человеческую цивилизацию из состояния невежества, непосильного труда и бедности и привел в машинную эру.
Вторую волну технического прогресса в XX в. тоже возглавили физики; они открыли и поставили на службу человеку законы электричества и магнетизма и в конечном итоге привели всех нас в эру электричества. Это сделало возможным электрификацию городов, появление динамо-машин и генераторов, телевидения, радио и радаров. Вторая волна породила современную космическую программу, позволившую нам посетить Луну.
Третья волна науки в XXI в. нашла свое выражение в высоких технологиях, а возглавили ее квантовые физики и изобретенные ими транзистор и лазер. Благодаря им стали возможны суперкомпьютеры, интернет, современные телекоммуникации, GPS и взрывной рост производства микросхем, которые проникли во все сферы нашей жизни.
В этой книге я расскажу о технологиях, которые позволят нам проникнуть еще дальше по мере исследования планет и звезд. В первой части мы поговорим о создании постоянной лунной базы и о действиях, необходимых для колонизации и терраформирования Марса. Для этого нам придется использовать четвертую волну технического прогресса, в которую входят искусственный интеллект, нано- и биотехнологии. Задача терраформирования Марса превышает наши сегодняшние возможности, но технологии XXII в. позволят превратить эту безжизненную промороженную пустыню в пригодный для обитания мир. Мы поговорим об использовании самовоспроизводящихся роботов, сверхпрочных и сверхлегких наноматериалов и полученных биотехнологическими методами растений, которые позволят кардинально снизить расходы и превратить Марс в настоящий рай. Со временем мы пойдем еще дальше и создадим поселения на астероидах и лунах газовых гигантов – Юпитера и Сатурна.
Во второй части мы попробуем заглянуть в те времена, когда человечество сможет выйти за пределы Солнечной системы и исследовать ближайшие звезды. Эта задача опять же превосходит наши нынешние технические возможности, но пятая волна технических достижений сделает ее выполнение возможным: у нас появятся нанокорабли, лазерные паруса, прямоточные термоядерные двигатели, двигатели на антивеществе. НАСА уже сегодня финансирует исследования, без которых сделать межзвездные путешествия реальными попросту не получится.
В третьей части мы проанализируем, каким образом можно было бы модифицировать наши тела, чтобы дать нам возможность найти себе новый дом среди звезд. Межзвездные путешествия, возможно, будут занимать десятки, а то и сотни лет, так что нам, очень может быть, придется генетически изменить себя и научиться без вреда для себя проводить длительные периоды времени в глубоком космосе. Не исключено, что сделано это будет путем увеличения продолжительности жизни человека. Хотя сегодня источник вечной молодости невозможен, ученые уже исследуют перспективные направления, которые в будущем, возможно, позволят нам замедлить, а то и остановить процесс старения. Не исключено, что наши потомки будут в каком-то смысле бессмертны. Быть может, нам придется генетически доработать наши тела, чтобы хорошо себя чувствовать на далеких планетах с иной силой тяжести, другим составом атмосферы и другой экологией.
Благодаря проекту «Коннектом человека», который нанесет на карту каждый нейрон человеческого мозга, когда-нибудь мы, возможно, научимся отправлять свой коннектом в открытый космос посредством мощнейшего лазерного луча, что снимет с повестки дня множество проблем, связанных с межзвездными путешествиями. Этот процесс, который я называю лазерным переносом, освободит наше сознание и даст нам возможность исследовать Галактику или даже Вселенную со скоростью света, устранив тревоги, связанные с очевидными опасностями межзвездных путешествий.
Если наши предки 100 лет назад приняли бы нас сегодняшних за волшебников и колдунов, то кем бы сочли мы наших потомков через 100 лет?
Наши потомки, более чем вероятно, показались бы нам похожими на древнегреческих богов. Подобно Гермесу, они умели бы переноситься в пространстве и посещать близлежащие планеты. Подобно Афродите, обладали бы идеальными бессмертными телами. Подобно Аполлону, имели бы неограниченный доступ к энергии Солнца. Подобно Зевсу, умели бы отдавать мысленные команды и добиваться реализации своих желаний. Кроме того, они умели бы создавать мифических животных, таких как Пегас, при помощи генной инженерии.
Иными словами, судьба людей – стать богами, которых мы когда-то боялись и почитали. Наука даст нам средства, чтобы сформировать Вселенную по своему образу и подобию. Другой вопрос – обретем ли мы, помимо громадного небесного могущества, и Соломонову мудрость?
Возможно также, что мы столкнемся когда-нибудь с внеземной жизнью. В этой книге мы поговорим о том, что может произойти, если человечество встретится с цивилизацией, обогнавшей нас в развитии на миллион лет и научившейся свободно путешествовать по Галактике и изменять ткань пространства-времени. Не исключено, что такая цивилизация может играть черными дырами и использовать туннели в пространстве – так называемые кротовые норы – для путешествий со сверхсветовой скоростью.
В 2016 г. спекуляции на тему высокоразвитых космических цивилизаций с новым, поистине лихорадочным накалом развернулись и среди астрономов, и в средствах массовой информации. Связано это было с объявлением о том, что астрономы обнаружили свидетельства некой колоссальной «мегаструктуры» размером, возможно, со сферу Дайсона, обращающейся вокруг далекой звезды за много световых лет от нас. Хотя полученные данные далеко не однозначны, ученые впервые столкнулись хотя бы с призрачным указанием на возможность существования в дальнем космосе высокоразвитой цивилизации.
В завершение мы рассмотрим возможность того, что нам предстоит встретить не только смерть Земли, но и гибель самой Вселенной. Хотя наша Вселенная еще молода, можно предположить, что когда-нибудь в отдаленном будущем мы, возможно, вплотную подойдем к Большому замерзанию: температуры упадут почти до абсолютного нуля, и жизнь, какой мы ее сегодня знаем, по всей видимости, перестанет существовать. Не исключено, однако, что к тому времени наши технологии окажутся достаточно развитыми, чтобы человечество смогло покинуть умирающую Вселенную и проникнуть сквозь гиперпространство в новую, более молодую.
Теоретическая физика (моя специализация) прорабатывает идею о том, что наша Вселенная может представлять собой всего лишь один-единственный пузырек в мультивселенной, состоящей из множества других пузырьков-вселенных. Может быть, в мультивселенной найдется и новый дом для нас. Вглядываясь во множество вселенных, мы, возможно, сумеем разглядеть величественные замыслы Создателя звезд.
Так что фантастические достижения научной фантастики, когда-то считавшиеся побочным продуктом излишне живого воображения мечтателей, могут когда-нибудь стать реальностью.
Человечество стоит на пороге, возможно, величайшего приключения в своей истории. Не исключено, что пропасть, отделяющая рассуждения Азимова и Стэплдона от реальности, будет преодолена при помощи тех поразительных открытий и стремительных изменений, которые в настоящее время происходят в науке. И первый этап нашего долгого пути к звездам начнется тогда, когда мы сумеем покинуть Землю. Как гласит старая китайская пословица, путь в тысячу ли начинается с первого шага. Дорога к звездам начинается с самой первой ракеты.
Часть I
Покидая землю
Всякий, кто сидит на верхушке крупнейшей в мире системы с кислородно-водородным топливом, зная, что ее собираются поджечь снизу, и не испытывает хотя бы легкого беспокойства, не до конца понимает сложившуюся ситуацию.
Астронавт Джон Янг
1. Подготовка к старту
19 октября 1899 г. семнадцатилетний юноша залез на вишню – и пережил озарение. Он только что прочел «Войну миров» Герберта Уэллса, и мысль о том, что ракеты помогут нам в исследовании Вселенной, показалась ему ужасно интересной и вызвала прилив энтузиазма. Юноша думал, как чудесно было бы сделать какое-нибудь устройство, которое хотя бы в принципе могло добраться до Марса, и вдруг осознал, что исследовать Красную планету – наша судьба. К тому моменту, когда юноша спустился с дерева на землю, его жизнь уже изменилась навсегда. Он посвятил свою жизнь мечте – созданию ракеты, которая могла бы воплотить в жизнь его видение. До конца своих дней он неизменно отмечал этот переломный день – 19 октября.
Звали этого молодого человека Роберт Годдард. Именно он построил первую жидкостную многоступенчатую ракету и тем самым запустил цепочку событий, которым суждено было изменить ход истории человечества.
Циолковский – одинокий мечтатель
Годдард принадлежал к небольшой горстке первопроходцев, которые, несмотря на изоляцию, бедность и насмешки окружающих, упорно продвигались вперед наперекор всему – и в итоге заложили фундамент для космических путешествий. Одним из первых в ряду этих мечтателей был великий русский ученый-ракетчик Константин Циолковский, который продумал теоретические основы космических путешествий и проложил дорогу Годдарду. Циолковский был затворником, жил в бедности и с трудом сводил концы с концами, зарабатывая на жизнь учительством. В юности он проводил большую часть времени в библиотеке – проглатывал научные журналы, изучал Ньютоновы законы движения и пытался применить их к космическим путешествиям[3 - Напомним три закона движения Ньютона:«Движущийся объект продолжает двигаться, если на него не действует внешняя сила». (Значит, наши космические зонды смогут достигать отдаленных планет с минимальными затратами топлива, поскольку в основном они движутся по инерции, ведь в космосе нет трения.)«Сила равна произведению массы на ускорение». Этот фундаментальный закон лежит в основе Ньютоновой механики, которая позволяет нам строить небоскребы, мосты и заводы.«Каждое действие вызывает равное и противоположное противодействие». Именно по этой причине ракеты могут двигаться в открытом космосе.Эти законы идеально работают при полетах зондов по всей Солнечной системе. Однако они неизбежно нарушаются в некоторых важных случаях: а) при чрезвычайно высоких скоростях, приближающихся к скорости света, б) в чрезвычайно мощных гравитационных полях, например вблизи черной дыры, в) на чрезвычайно малых расстояниях, к примеру внутри атома. Для объяснения этих явлений необходима не Ньютонова механика, а теория относительности Эйнштейна и квантовая теория.]. Его мечтой было путешествие на Луну и Марс. Самостоятельно, без помощи ученого сообщества, он разобрался в математике, физике и механике ракетной техники и рассчитал для Земли скорость убегания (она же вторая космическая), то есть скорость, необходимую для выхода из поля тяготения нашей планеты. Эта скорость оказалась равна 11,2 км/c, намного больше тех 7 м/c, до которых можно было разогнаться на лошадях в его время.
В 1903 г. Циолковский опубликовал знаменитое ракетное уравнение, позволяющее определить максимальную скорость ракеты исходя из ее массы и запаса топлива. Из этого уравнения явствовало, что зависимость между скоростью и массой топлива носит экспоненциальный характер. Было бы логично предположить, что для удвоения скорости ракеты достаточно удвоить количество топлива. На самом же деле при увеличении скорости расход возрастает экспоненциально и для дополнительной прибавки скорости требуется громадное количество топлива.
Cледовательно, ракете нужно очень много горючего, чтобы покинуть Землю. С помощью этой формулы Циолковский оценил, сколько топлива необходимо для полета к Луне, задолго до того, как его мечта воплотилась в реальность.
Циолковский следовал принципу: «Земля – колыбель человечества, но нельзя вечно жить в колыбели». Он придерживался философии так называемого космизма, связывающей будущее человечества с исследованием открытого космоса. В 1911 г. он писал: «Стать ногой на почву астероидов, поднять камень с Луны, устроить движущиеся станции в эфирном пространстве, образовать живые кольца вокруг Земли, Луны, Солнца, наблюдать Марс на расстоянии нескольких десятков верст, спуститься на его спутники или даже на самую его поверхность – что, по-видимому, может быть сумасброднее!»[4 - Циолковский К. Э. Избранные труды. – М.: Издательство Академии наук СССР, 1962. С. 205.]
Хотя сам Циолковский был слишком беден, чтобы превратить свои математические выкладки в действующие модели, за продолжателями дело не стало: следующий шаг сделал Роберт Годдард. Он своими руками построил прототипы, которым впоследствии суждено было стать основой космических путешествий.
Роберт Годдард – отец ракетной техники
Роберт Годдард заинтересовался наукой в детстве, когда на его глазах проводили электричество в его родной город. Уже тогда он твердо уверился, что наука революционно изменит нашу жизнь во всех ее аспектах. Отец, поощряя интерес мальчика, купил ему телескоп, микроскоп и подписку на журнал Scientific American. Первые эксперименты Годдарда были связаны с воздушными змеями и шарами. Однажды в библиотеке он случайно наткнулся на знаменитые «Математические начала» Исаака Ньютона и познакомился с законами движения. Вскоре после этого его интересы определились: Годдард сосредоточился на том, чтобы применить законы Ньютона в ракетной технике.
Годдард не просто удовлетворял свое любопытство, он предложил три важных новшества. Во-первых, экспериментируя с различными видами топлива, он пришел к выводу, что порошковое топливо для ракеты неэффективно. Китайцы изобрели порох много столетий назад и давно использовали его в ракетах, но порох сгорает неравномерно, так что ракеты китайцев в основном были не более чем игрушками. Первым блестящим нововведением Годдарда стала замена порошкового топлива жидким, расход которого можно контролировать, добиваясь ровного и чистого горения. Он построил ракету с двумя баками: в одном было топливо (к примеру, спирт), в другом – окислитель (к примеру, жидкий кислород). Жидкости через систему трубок и клапанов подавались в камеру сгорания, где происходил тщательно контролируемый взрыв, способный толкать ракету.
Годдард понимал, что по мере подъема ракеты в небо ее топливные баки будут постепенно опустошаться. Его следующим важным новшеством стали многоступенчатые ракеты, которые отделяли использованные топливные баки и таким образом избавлялись от бесполезной нагрузки. Это резко повышало дальность и эффективность полета.
Наконец, Годдард использовал гироскопы. После того как гироскоп раскручен, его ось сохраняет ориентацию в пространстве, всегда указывая одно и то же направление, даже если вы повернете гироскоп. К примеру, если ось гироскопа указывает на Полярную звезду, она будет указывать в этом направлении даже после того, как вы перевернете гироскоп вверх ногами. Значит, космический корабль, даже отклоняясь от своей траектории, может изменить работу своих двигателей так, чтобы компенсировать это отклонение и вернуться на первоначальный курс. Годдард понял, что для нацеливания ракет и удержания их на курсе нужно использовать гироскопы.
В 1926 г. он вошел в историю, произведя первый успешный запуск ракеты на жидком топливе. Она взлетела вверх на 12,5 м, продержалась в воздухе 2,5 с и приземлилась на капустную грядку в 56 м от точки старта. Место, где это произошло, сегодня свято для любого ученого-ракетчика и объявлено в США Национальным памятником истории.
