Перевод статьи на сайте Centauri Dreams, оригинал доступен по ссылке
Переведено специально для Книжного клуба Фантлаба
Поскольку новый роман Ларри Нивена и Грегори Бенфорда «Корабль-звезда» только что занял первое место в моей стопке книг, отложенных для прочтения, и поскольку на прошлой неделе я писал о двигателях Шкадова, я попросил Грегори Бенфорда подробнее объяснить, как могут работать эти огромные сооружения. Грег уже отвечал в электронном письме, что двигатель Шкадова по своей сути нестабилен, и более ранние обсуждения этой идеи на Centauri Dreams сводились к сомнениям о возможном движении с помощью такого устройства. Однако я упомянул о том, что Грегори Бенфорд и Ларри Нивен описали в своем романе модифицированный двигатель Шкадова, и мне не терпелось услышать их мнение о том, как подобное может быть возможным. Грег, отмеченный наградами автор научной фантастики и физик, делится здесь своими соображениями — и оговорками — по поводу двигательной схемы, способной перемещать звезды.
Физик Леонид Шкадов впервые описал в 1987 году звездную двигательную установку, созданную путем установки огромного зеркала в статичном, фиксированном положении вблизи звезды. Чтобы добиться подобного эффекта требовалось точно уравновесить гравитационное притяжение зеркала к звезде и световое давление от нее, иначе оно либо упадёт на звезду, либо улетит от нее. Зеркало, отражая излучение Солнца, создавало бы небольшое постоянное ускорение, из-за которого оно начало бы постепенно ускоряться: через миллион лет Солнце будет двигаться со скоростью 20 м/с и переместится на 0,03 световых года — намного меньше, чем его орбитальная скорость вокруг центра галактики, ~100 км/сек.
В начале 2000-х я думал, что, технологию можно усовершенствовать. Я поделился некоторыми идеями с Ларри Нивеном, и в итоге мы написали два романа о звездных двигателях подобного типа — «Чаша небес» и «Корабль-звезда». Вот объяснение из послесловия к «Кораблю-звезде»:
цитатаМы считаем такие двигатели умными объектами – статически неустойчивыми, но динамически стабильными, подобно нам самим, когда мы ходим. Мы падаем вперед на одну ногу, затем поднимаемся на другую. Это требует очень быстрой обработки сигналов и координации. (Мы — единственные крупные бесхвостые животные, которые справились с этим. Две ноги опасны без большого мозга или стабилизирующего хвоста.) В научной фантастике было немало больших тупых объектов, но, насколько я знаю, ни одного умного. Наш большой умный объект больше, чем Мир-Кольцо, и он движется куда-то, используя целую звезду в качестве двигателя.Наша Чаша представляет собой оболочку диаметром более ста миллионов миль, удерживаемую на звезде гравитацией и электродинамическими силами. Звезда испускает длинную струю горячего газа, которая настолько хорошо удерживается магнитом, что выходит через отверстие в верхней части чашеобразной оболочки. Эта струя движет всю систему вперед – звезда в буквальном смысле слова превращена в двигатель «корабля». На внутренней поверхности Чаши находится обширная цивилизация. Структура романа не слишком напоминает "Мир-кольцо" Ларри, потому что главная проблема заключается в установлении контакта с туземцами.
Преимуществами любого большого объекта, будь то Тупой или Умный, является энергия и пространство. Накопленная солнечная энергия огромна, а жизненное пространство находится за пределами осознания, его можно выразить разве что численно. Пока мы планировали роман, мой друг Фримен Дайсон заметил: “Мне нравится обозначать качество среды обитания через коэффициент R, равный отношению общей массы к запасу доступной энергии. Чем больше R, тем беднее среда обитания. Если мы рассчитаем R для Земли, используя общее количество падающего солнечного света в качестве доступной энергии, то результат составит около 12 000 тонн на Ватт. Если мы рассчитаем R для кометного объекта с оптическими концентраторами, движущегося в любой точке галактики, где видна звезда нулевой звездной величины, то результат составит 100 тонн на Ватт. Кометный объект, расположенный практически в любой точке галактики, в 120 раз лучше планеты Земля в качестве дома для жизни. Основная проблема планет заключается в том, что они имеют слишком малую площадь и слишком большую массу. Жизнь нуждается в пространстве не только для сбора падающей энергии, но и для утилизации отработанного тепла. В долгосрочной перспективе жизнь распространится в тех местах, где масса может быть использована наиболее эффективно, вдали от планет, в кометных облаках или в пылевых облаках недалеко от подходящей звезды. Если такой звездой окажется наше Солнце, у нас есть шанс обнаружить странствующую форму жизни, которая, возможно, обосновалась неподалёку”.
Понимание этого помогло мне продумать Чашу, R которой составляет около 10¹⁰!
Стабильность
Двигатели Шкадова нестабильны. Они не являются стационарными ( это изобретение Боба Форварда), потому что они не находятся на орбите. Толкните их, как это делает реальная фотонная тяга, и они будут обречены упасть наружу. Итак, как создать что-то, что использует энергию звезды для ее перемещения и может быть иметь стабильное положение относительно неё?
Меня волновал этот вопрос, и я вспомнил о работе, которую мы с моим братом Джимом проделали над повышением качества парусов путем десорбции краски, которую мы могли нанести на поверхность паруса, чтобы она сдувалась при попадании на нее луча микроволновой энергии, придавая кораблю ускорение. Это срабатывало в экспериментах, которые мы проводили в Лаборатории реактивного движения в рамках гранта НАСА. В принципе, выбрасывать массу в сторону лучше, чем отражать солнечный свет, потому что фотоны обладают очень малым импульсом. Отношение импульса фотона к импульсу частицы, движущейся со скоростью V, равно
(V/c)(2Ep )/EM
где Ep — энергия фотона, а EM — кинетическая энергия массы M. Таким образом, если эти две энергии одинаковы, то фотон обладает небольшой долей импульса массы, V/c.
Поэтому Мы решили не использовать фотоны, а вместо этого взять струю частиц, исходящих от звезды, заставляя ее вырываться в космос прямо через центр чаши. Струя должна быть ограничена магнитными полями, иначе она будет болтаться во все стороны, как незакреплённый пожарный шланг. Магнитные поля с ближайшей части звезды фокусирует отражающая полоса зеркал на Чаше. Таким образом струя из отраженной энергии постоянно отталкивает звезду, а управление магнитными полями, встроенными в саму структуру Чаши, позволяет сохранять импульс и стабильность.
Если, конечно, кому-то как-то удастся достигнуть подобного.
Ларри Нивен и я начали мысленно создавать Чашу:
цитатаЛокальная центробежная сила полностью исключает необходимость накопления массы для удержания предметов, используя для этого только силу вращения. Естественно, это подводит нас к необходимости вырабоки требований к конструкции Чаши.Крупные объекты, построенные человеком, будь то пирамиды, соборы или небоскребы, всегда можно критиковать как преступное расточительство ресурсов цивилизации, особенно если они кажутся безвкусными. Но только не в том случае, если они расширяют жилые пространства и создают полунатуральную среду обитания. Эта идея восходит к книге Олафа Стэплдона «Создатель звёзд»: "Мало того, что каждая солнечная система оказалась окружена плотной сетью световых ловушек, накапливавших «убегающую» солнечную энергию с целью разумного ее использования (Галактика теперь светилась не так ярко), многие звезды, не подходившие на роль солнц, были разрушены, а их обширные запасы внутриатомной энергии пущены в дело..”
Наш корабль, Умная Чаша, тоже куда–то летит, а не просто стоит на месте, ожидая посетителей, таких как Мир-Кольцо, — и его экипаж живёт на борту.
Мы начали с очевидного: куда они направляются и зачем?
Ответ на этот вопрос лег в основу двух романов. В этом и заключается прелесть умных объектов – они не просто вызывают восхищение, они интригуют.
Мой дедушка часто говорил, когда мы отправлялись в Мексиканский залив за креветками, что лодка просто ищет место, где бы затонуть.
Итак, приступая к разработке нового большого умного объекта, я сказал: "Искусственный мир просто ищет, где бы лопнуть".
Вы живете всего в нескольких метрах от космического вакуума, на быстро перемещающейся из-за вращения Чаши поверхности (для создания центробежной силы тяжести). Это упрощает запуск кораблей, поскольку они сразу же будут иметь высокую начальную скорость… но это также означает, что необходимо компенсировать высокие нагрузки, которые могут привести к разрыву швов. Представьте, что обитатели солнечной стороны захотят поработать, попробовать что-то новое…
“Знаешь, Фред, я думаю, что смогу провести санузел, просто просверлив вот здесь. Ой—ой-ой!”
И вакуум высасывает вас наружу. Внезапно вы начинаете двигаться по касательной со скоростью тысяча километров в секунду — гораздо большей, чем 50 км/с, необходимые для того, чтобы преодолеть силу притяжения звезды. Это упрощает исследование близлежащих звезд во время облета.
Но этот простой выход на самом деле опасен. Чтобы жить на Большом умном объекте, вам самим лучше быть достаточно сообразительными.
Разработка механики
Оказалось, что тут не обойтись без хитростей.
Как мы объяснили в «Корабле-звезде»:
цитатаМы предположили, что Строители Чаши сделали каркас из чего–то вроде скрита — термина, используемого в Мире-Кольце, — сероватого полупрозрачного материала, прочность которого примерно равна энергии ядерной связи, материала того же уровня физики, который удерживал Мир-Кольцо от распада. Этот материал — единственное физическое чудо, необходимое для того, чтобы Мир-Кольцо или Чаша работали механически. Стабилизировать Мир—Кольцо несложно — просто нейтрализуйте небольшое боковое биение. Заставить Чашу работать в динамическом режиме гораздо сложнее; главная проблема — звёздный двигатель и его магнитные поля. Это была зона ответственности Бенфорда, поскольку он опубликовал много научных статей в Astrophysical Journal, посвященных струям из аккреционных дисков вокруг черных дыр, некоторые из которых весят намного больше галактик. Но кто управляет струей? И как, ведь она больше планеты по размеру? Вот как вы получаете сюжетные ходы из лежащей в их основе физики.Один из способов представить себе прочность конструкции, необходимую для того, чтобы удержать Чашу вместе, — это представить, что могло бы удержать башню высотой в сто тысяч километров на Земле. Самое высокое здание, которое у нас сейчас есть, — это небоскреб Бурдж-Халифа высотой 829,8 м (2722 фута) в Дубае, Объединенные Арабские Эмираты. Таким образом, для Мира-Кольца или Чаши мы используем материал, похожий на скрит, который в 100 000 раз прочнее, чем лучшие современные стали или углеродные композиты. Однако даже в статическом равновесии здания имеют тенденцию прогибаться под воздействием различных нагрузок, а очень плохая погода может обрушить очень прочные здания. Так что это действительно мегаструктура мастеров-инженеров. Мы знаем, что нейтронные звезды могут справляться с такими нагрузками, значит умные инопланетяне или даже обычные люди тоже могут с этим справиться. Итак, пусть инженеры из Калифорнийского технологического института (где Ларри был студентом), Технологического института Джорджии (куда Бенфорд чуть не поступил) или Массачусетского технологического института (где Бенфорд взял творческий отпуск) займутся этим вопросом, а затем подождём столетие или два — кто знает, что они могут изобрести? Это предпосылка и, что еще лучше, обещание — суть современной научной фантастики.
Внутренняя часть нашей Солнечной системы содержит достаточно материала для создания классической сферы Дайсона. Планеты и огромные скопления льда и камня, такие как Пояс Койпера и облака Оорта, — все, что вращается вокруг звезды, может дать массу, достаточную для создания Шара. Для инопланетных разумов это может стать заманчивым искушением. Соберите весь материал, движущийся по орбите и сожмите его, соединяя молекулярным клеем. Затем сделайте из полученного материала пластины, которые можно использовать для строительства. Это позволяет конструкторам соединить их в единую оболочку – например, из сферических треугольников. Работа многих поколений, даже для существ с очень долгой продолжительностью жизни. Но даже мы, люди, способны на это, что видно на примере Шартрского собора, Великой китайской стены и многого другого.
Происхождение
И все же: кто её построил? Возможно, чаша изначально была создана для того, чтобы жить под постоянным солнечным светом. Представьте себе, что это межзвездная Флорида, теплая и ласковая, с фантастическим ночным небом. Которое со временем меняется.
цитатаПоначалу строители, возможно, наслаждались сиянием своего маленького солнца, осваивая и колонизируя Чашу, мечтая о том, чтобы у нее была огромная площадь поверхности, на которой было бы место для необъятных природных просторов. Но затем аборигены Чаши начали мечтать о колонизации галактики. Им пришла в голову идея реактивного двигателя, и у них уже была возможность его создать, добавив сопло на поверхности сферы. Создание зеркальной зоны заняло некоторое время, но затем реактивный двигатель позволил им путешествовать. Это сработало не так хорошо, как они думали, и потребовало контроля, что они и сделали, используя мощные магнитные поля.Система пригодилась и для космических полетов. Оказавшись в космосе, вы оказываетесь в свободном падении; масса Чаши довольно велика, но вы выходите за пределы корпуса на высокой скорости, так что слабое притяжение Чаши не является проблемой. Любой желающий может путешествовать по Солнечной системе, и она очищена от всех крупных частиц. (Атмосфера помогает уничтожить любые метаориты, которые могли бы представлять угрозу).
Ключевая идея заключается в том, что большая часть чаши является зеркальной, направляя отраженный солнечный свет на небольшое пятно на звезде, расположенное у подножия линии струи. В этом месте усиленный солнечный свет создает стоячую “вспышку”, которая образует струю. Эта струя толкает звезду вперед, увлекая за собой Чашу под действием силы тяжести.
Струя проходит через узловатое отверстие на “дне” чаши и выходит в космос в виде выхлопных газов. Магнитные поля, удерживаемые на поверхности звезды, обволакивают выходящую плазменную струю и удерживают ее, поэтому она не вспыхивает и не окрашивает внутреннюю поверхность Чаши, где процветает вся живая экология, площадь которой значительно превышает площадь Земли. Итак, это огромный движущийся объект, самый большой, какой мы могли себе представить, поскольку мы хотели написать роман о чем-то ещё более величественном, чем Мир-кольцо Нивена.
При вероятных параметрах звезды струя может переместить систему примерно на световой год за несколько столетий. Медленно, но неуклонно, решая деликатную проблему управления, Чаша скользит сквозь межзвездные просторы. Звезда действует как щит, останавливая случайные ледяные астероиды, которые могут оказаться на пути полусферы. Межзвездная плазма и плотность пыли оказывают трение на огромную солнечную магнитосферу Корабля-звезды, который, по сути, представляет собой сферу радиусом 100 астрономических единиц.
Таким образом, струей можно управлять, регулируя ускорение, если это необходимо. Если струя становится нестабильной, наиболее вероятным разрушающим фактором является излом – извивающийся узел в потоке, который движется наружу. Он может отразиться в сторону и заполнить зоны вблизи отверстия ядовитой плазмой, плотным солнечным ветром. Первый способ защиты, если кажется, что струя начинает изгибаться, — это отвернуть зеркала в сторону, не освещая основание струи. Но этого может оказаться недостаточно, чтобы предотвратить излом. Мы решили, что такое случалось в прошлом и продолжает жить в легендах Чаши.
Звезда спектрального класса K2, вокруг которой была построена Чаша, теперь имеет большую температуру, нагреваясь зеркалами, что приближает ее спектр к Солнечному. Это объясняет, почему спектральный класс звезды может несколько отличаться от предсказанного по ее массе. Она выглядит странно окрашенной, более желтой, чем можно было бы предположить по ее массе.
Если на то пошло, это маленькое солнце раньше было немного больше. На протяжении многих миллионов лет оно выбрасывало струю. Тем не менее, ее массы должно хватить надолго. Чаша могла бы несколько раз обогнуть саму галактику.
Атмосфера находится на довольно большой глубине, более 200 км. Она поглощает солнечный ветер и космические лучи и создает парниковый эффект. Кроме того, атмосферное давление выше земного примерно на 50%, в зависимости от местоположения в Чаше. Это также предохранитель, способный поглощать случайные, непреднамеренные удары по экологии. Если сжать всю атмосферу Земли до плотности воды, то ее глубина составит всего 30 футов. Чаша имеет гораздо большую глубину — более ста ярдов в эквивалентном объеме воды. Слишком много углекислого газа? Можно просто сделать атмосферу более разряженной.
Более глубокая атмосфера объясняет, почему в зонах с низкой гравитацией могут летать удивительно крупные объекты — крупные инопланетяне и даже люди. Мы, люди на Земле, наслаждаемся парциальным давлением кислорода в 0,21 бара, и мы вполне можем работать в атмосфере с почти чистым кислородом при давлении в два бара (но будьте осторожны с огнем). Парциальное давление в Чаше немного меньше, чем нам хотелось бы: 0,18 бар, но это компенсируется более высоким давлением. Это снижает риск возгорания, как выяснится позже.
Для начала мы написали историю происхождения Строителей, которую не включили в роман. В ней излагается версия того, что заставило Строителей сделать все это.
Правдоподобна ли Чаша?
Не совсем. Например, для неё требуется скритч, который никто не знает как создать.
А сама Чаша — это огромная катастрофа, которая вот-вот произойдет. Кто-то должен постоянно управлять реактивной струёй. Нельзя просто сказать "Это нелинейная система, не вини меня" [цитата из романа "Корабль-звезда"]. Туземцы могут участвовать в медленных полетах к звездам, но они всегда в опасности. Их общество должно скрывать это от посторонних глаз, иначе они все сойдут с ума.
Нашей целью при написании этих двух романов и, возможно, следующего было показать, насколько странным может быть мышление инопланетян, придав ему реальное, физическое присутствие в Чаше. Кроме того, мы хотели понять, каково это — думать о том, куда могло бы пойти само человечество, если бы у него было время, цель и, самое главное, — воображение.
© 2014, Грегори Бенфорд
цитировать
свернуть ветку
