Антиматерия: единственный ключ к межзвездным путешествиям
В то время как человечество наслаждается беспрецедентным успехом миссии «Артемида II», которая впервые за 54 года вернула людей на Луну и отдалила их от Земли дальше, чем когда-либо прежде, многие из нас невольно задумываются о более масштабных целях.
Как вид, мы мечтаем не просто вернуться на Луну, но и отправиться в места, где мы никогда не были: на другие планеты, в другие звездные системы или даже в другие галактики.
Однако, если мы когда-либо захотим отправить людей за пределы Солнечной системы, нам предстоит решить ряд серьезных проблем: проблемы расстояния, времени, скорости и эффективности использования топлива.
Межзвездные расстояния огромны, даже по сравнению с огромными межпланетными расстояниями, которые мы встречаем в Солнечной системе.
При современных ракетных технологиях потребовались бы сотни человеческих жизней, чтобы достичь даже ближайшей звезды, и это потому, что мы ограничены скоростью, которая, в свою очередь, ограничена эффективностью наших источников топлива.
Химические ракеты используют довольно эффективные источники топлива, такие как жидкий кислород и жидкий водород, но преобразуют в энергию менее одной миллионной части массы топлива.
Если бы мы перешли к ядерному делению, мы могли бы преобразовать в энергию около одной тысячной части массы топлива (0,1%), в то время как термоядерный синтез мог бы преобразовать в энергию почти одну сотую части (0,7%) массы топлива.
Но идеальным источником топлива стала бы аннигиляция материи и антиматерии: она на 100% эффективна.
Если не будет открыт какой-либо новый закон физики, только антиматерия обеспечит энергию, необходимую для реальных межзвездных путешествий.
Запуск «Аполлона-17», девятой и последней пилотируемой миссии на Луну в рамках программы «Аполлон», также стал первым ночным стартом ракеты «Сатурн V», состоявшимся 7 декабря 1972 года. «Сатурн V» остается самой тяжелой ракетой-носителем в истории, способной доставлять на низкую околоземную орбиту наибольшую массу среди всех когда-либо созданных ракет.
В стремлении использовать антиматерию в качестве ракетного топлива возникают три основные проблемы, которые необходимо преодолеть, если мы действительно хотим, чтобы человечество отправилось в межзвездное путешествие.
- Создание антиматерии. Мы знаем, как это делать в лабораторных условиях, и хотя для создания антиматерии требуется гораздо больше энергии, чем мы в конечном итоге высвобождаем при её аннигиляции, это не является проблемой. Проблема заключается в том, что нам пришлось бы создавать антиматерию в больших количествах. Если сложить всю антиматерию, когда-либо созданную во всех лабораториях за всю историю Земли, получится всего лишь около микрограмма антиматерии. Нам потребовалось бы в миллионы раз больше, чтобы обеспечить энергией межзвездное путешествие;
- Хранение антиматерии. Именно то, что делает антиматерию таким фантастическим источником топлива — её склонность к аннигиляции с любой обычной материей, с которой она соприкасается, — делает её ненадёжным источником топлива. Каким-то образом нам нужно безопасно и стабильно хранить эту антиматерию, а затем транспортировать её в место, где она подвергнется контролируемой аннигиляции с равным и противоположным количеством обычной материи;
- Возможность использования энергии, полученной в результате аннигиляции материи и антиматерии. Предполагая, что мы сможем преодолеть первые две проблемы, нам затем необходимо преобразовать эту энергию аннигиляции в полезную тягу: в идеале, направляя частицы после аннигиляции в противоположном направлении от того, в котором мы хотим, чтобы космический аппарат ускорялся.
Давайте рассмотрим эти проблемы по порядку, более подробно.
Неважно, сталкиваются ли две частицы внутри ускорителя или в глубинах космоса; важно лишь то, что мы можем обнаружить обломки выходящих частиц, включая вновь образованные «дочерние» частицы. Хотя поток высокоэнергетических частиц в космосе ниже, достижимые энергии намного выше, чем в земных лабораториях. В условиях высоких энергий во время этих событий могут образовываться новые пары частица-античастица, включая как фундаментальные (кварки, лептоны), так и составные (барионы, мезоны) частицы.
Мы знаем, как создавать антиматерию в лабораториях: для этого достаточно столкнуть частицы при высоких энергиях.
Например, самый простой способ получить антипротон — это столкнуть два протона при достаточно высоких энергиях, чтобы после столкновения образовалось достаточно «дополнительной» энергии, согласно формуле Эйнштейна E=mc2, для образования дополнительной пары протон-антипротон.
Протонов пруд пруд, поэтому нас не особо волнует их сохранение — антипротоны и есть та антиматерия, которая нам нужна.
Поэтому мы создаём электрические и магнитные поля, чтобы искривлять и удерживать их, чтобы они не аннигилировали вместе с первым же встреченным протоном.
Большой адронный коллайдер (БАК) в ЦЕРНе является местом самых высокоэнергетических столкновений протонов, но для создания антипротонов лучше использовать столкновения с более низкими энергиями.
Причина в том, что если мы создадим антипротон в результате высокоэнергетического столкновения, антипротон будет обладать большой кинетической энергией, что затруднит его контроль, удержание или предотвращение столкновения с объектом, содержащим протон.
Фактически, предшествующий БАК рекордный коллайдер, Теватрон в Фермилабе, использовал пучки антипротонов, которые сталкивались с протонами в его ускорителе, что привело к невероятным фундаментальным открытиям в конце XX века, включая открытие топ-кварка.
Подобно тому, как атом представляет собой положительно заряженное массивное ядро, вокруг которого вращается один или несколько электронов, антиатомы просто заменяют все составляющие их частицы материи на их антиматериальные аналоги, при этом позитрон(ы) вращаются вокруг отрицательно заряженного ядра антиматерии. Те же энергетические возможности существуют и для антиматерии, и для материи. Впервые гипотеза об антиматерии (в форме позитронов) была выдвинута Дираком (Dirac) в 1928/29 годах, а в лаборатории она была впервые обнаружена лишь несколько лет спустя: в 1932 году.
Мы также знаем, как хранить антиматерию в лабораториях.
Электрические и магнитные поля используются для искривления заряженных частиц, и если известны масса, заряд и кинетическая энергия создаваемой антиматерии, можно использовать эти поля для неограниченного хранения антиматерии.
Сначала частицы замедляются, а затем внутри полости создается почти идеальный вакуум: область, лишенная обычной материи, за исключением стенок контейнера.
Затем внутри полости создается серия квадрупольных электрических полей и равномерно однородных магнитных полей, чтобы удерживать частицы с одинаковой массой и зарядом: ловушка Пеннинга (Penning).
Однако ловушки Пеннинга действительно полезны только в том случае, если вам нужно удержать небольшое количество частиц.
Если частиц слишком много, взаимное отталкивание из-за наличия большого количества одноименных зарядов все равно «вытолкнет» многие из этих зарядов к стенкам контейнера, что приведет к потере антиматерии, которую вы так усердно создавали и удерживали.
Хотя то, что мы впервые успешно перевезли антиматерию (на грузовике!), является огромным достижением, факт в том, что внутри перевезенной ловушки Пеннинга было всего 82 антипротона.
Сама ловушка весила более 1000 кг, и тем не менее это была самая компактная крупномасштабная ловушка Пеннинга из когда-либо построенных.
Для килограмма антиматерии потребовалось бы более 1027 антипротонов, которые нужно было бы удержать: слишком много для такой установки.
23 марта 2026 года антиматерия была успешно доставлена грузовиком, не будучи уничтоженной или потерянной. Устройство, известное как ловушка Пеннинга, которое сейчас загружают на транспортный грузовик, содержало почти 100 антипротонов, все из которых были успешно учтены после завершения поездки грузовика. Это также представляет собой самую маленькую и легкую ловушку Пеннинга, когда-либо успешно использованную.
В конечном итоге нам придётся применить другой подход к удержанию антиматерии, но это может стать возможным благодаря эксперименту, проведённому в 2010-х и 2020-х годах: эксперименту ALPHA-g.
Его целью было:
- Создать большое количество нейтральных антиатомов;
- Закрепить их так, чтобы они не разрушились вместе со стенками контейнера;
- Отпустить их, чтобы они могли ощутить гравитационное поле Земли;
- И измерить, упала ли антиматерия вниз (как и предсказывалось), поднялась вверх (что позволило бы использовать варп-двигатель) или сделала что-то совершенно другое.
Проект ALPHA-g оказался успешным.
Он не только доказал, что антиматерия притягивается так же, как и обычная материя, но и продемонстрировал, что антиатомы можно создавать, контролировать и хранить, по крайней мере, временно.
Для полезного применения этого в космических путешествиях нам нужно будет найти способ создавать большое количество антиатомов и поддерживать их в сжатом состоянии, чтобы они не сталкивались со стенками контейнеров и могли храниться в течение длительного времени.
Эксперименты с ловушками Пеннинга (например, BASE) и эксперименты с антиатомами (например, ALPHA-g) представляют собой значительный прогресс на пути к цели хранения антиматерии, но нам еще предстоит долгий путь, чтобы превратить эту научно-фантастическую технологию в научную реальность.
Детектор ALPHA-g, созданный на канадском комплексе TRIUMF, был ориентирован вертикально и заполнен нейтральными антиатомами, удерживаемыми электромагнитными полями. Когда поля ослабевают, большинство антиатомов случайным образом разлетаются, но некоторые из тех, что находятся в состоянии покоя, получают возможность двигаться исключительно под действием гравитации. Если бы они падали вверх, многие предположения, ранее остававшиеся в области научной фантастики, стали бы правдоподобными. Однако, как показал эксперимент, антиатомы падают вниз в гравитационном поле, что сводит на нет наши лучшие надежды на технологии антигравитации и варп-двигателя.
Затем, после того как вы создадите и сохраните большое количество антиматерии, вам понадобится способ подавать крошечные количества этой антиматерии, понемногу, в «двигатель» с равным и противоположным количеством обычной материи.
Когда материя и антиматерия столкнутся, они аннигилируют друг друга, превращаясь в чистую энергию (в виде фотонов) в точности обратном тому способу, которым антиматерия была первоначально создана: согласно формуле Эйнштейна E=mc2.
Проблема тогда заключается в том, что делать с высокоэнергетическими гамма-лучами, возникающими в результате аннигиляции.
Если вы не создадите ничего особенного, они просто будут врезаться в стенки вашего космического корабля, ионизируя атомы и вызывая повреждения, вместо того чтобы создавать тягу.
Ключ к управлению фотонами находится в неожиданном источнике: астрономии.
В астрономии мы не используем обычное зеркало для наблюдения за высокоэнергетическими гамма- и рентгеновскими лучами; они либо проходят сквозь материю, либо поглощаются ею.
Вместо этого мы создаем полость, заполненную зеркалами, расположенными под очень малыми углами (так называемые «скользящие углы»), которые затем можно использовать для управления направлением движения высокоэнергетических фотонов.
Расположив таким образом ряд зеркал из подходящего материала, мы можем гарантировать, что фотоны, образующиеся при аннигиляции материи и антиматерии, будут отводиться от задней части космического аппарата, создавая тягу в противоположном (переднем) направлении в рамках равной и противоположной реакции, требуемой физикой.
Когда образуются фотоны очень высокой энергии, такие как рентгеновские или гамма-лучи, их невозможно сфокусировать с помощью обычного зеркала; они просто ионизируют электроны, присутствующие в материале, поглощаются им или проходят сквозь него. Вместо этого, если вы хотите сфокусировать или перенаправить их, необходимо установить массив скользящих зеркал для отражения и/или фокусировки света в нужном направлении. На этом изображении показана установка зеркал высокого разрешения на борту рентгеновской обсерватории Чандра НАСА, и её можно было бы применить в камере аннигиляции материи и антиматерии на борту космического корабля. В конце концов, это преобразует вашу аннигиляцию материи и антиматерии в тягу: опять же, с эффективностью до 100%. Эффективность в данном случае означает, что 100% вашего топлива (где 50% — материя и 50% — антиматерия) преобразуется в полезную энергию, которую можно использовать для создания изменяющей импульс тяги и ускорения вашего космического корабля.
Это приводит к грандиозному плану достижения другой звездной системы:
- Используйте большую, тяжелую ракету-носитель обычного типа, чтобы вывести капсулу с экипажем, а также материей, антиматерией и двигателем аннигиляции на околоземную орбиту (при необходимости совершите несколько полетов);
- Затем начните плавно разгоняться в направлении пункта назначения, пока не достигнете желаемой скорости;
- Потом свободный полет;
- Затем, на полпути, поверните корабль в противоположную сторону;
- Затем снова двигайтесь в свободном полете, пока не придет время начать замедление;
- А затем постепенно замедляйтесь с той же скоростью, с которой вы разгонялись ранее, пока не прибудете в пункт назначения.
Если на первой половине пути можно разгоняться с ускорением 1 g (гравитационное ускорение Земли, 9,8 м/с2), а затем развернуть корабль и замедлиться с той же скоростью на второй половине пути, то легко рассчитать время, необходимое для достижения ближайшей звезды.
Вместо десятков или сотен тысяч лет путешествие можно совершить всего за несколько десятилетий: достаточно быстро, чтобы экипаж остался жив к моменту прибытия в пункт назначения.
Хотя обратный путь будет невозможен.
Если бы вы сели в космический корабль и разгонялись с ускорением 1 g (ускорение Земли) на протяжении всего полета, то всего через несколько лет ускорения вы смогли бы двигаться почти со скоростью света. По мере того, как вы будете увеличивать скорость, приближаясь к скорости света, эффект замедления времени будет становиться все более сильным. Теоретически, расстояния в несколько световых лет можно преодолеть за время, значительно меньше года, но при этом необходимо учитывать и вес реальных запасов топлива.
Однако, даже если вы сделали все, что мы упомянули до этого момента, возникает огромная проблема:
- Создать всю необходимую антиматерию;
- Разработать хранилище антиматерии;
- Разработать и построить подходящую камеру для аннигиляции материи и антиматерии;
- А для вывода полезной нагрузки и топлива на околоземную орбиту использовать обычную ракету-носитель.
Проблема в следующем: огромное количество топлива, необходимое для межзвездного путешествия.
Представим, что у нас есть небольшой груз весом всего 500 кг (1102 фунта), включая астронавтов, их еду, воду и припасы.
Если мы хотим разогнать его до 1 g, нам потребуется лишь небольшое количество материи и антиматерии для аннигилирования: 16 миллиграммов или 8 миллиграммов материи и 8 миллиграммов антиматерии.
Однако этого хватит лишь на одну секунду ускорения!
Для более длительного ускорения потребуется больше топлива.
Один грамм материи и один грамм антиматерии обеспечат две полные минуты ускорения.
300 граммов материи и 300 граммов антиматерии обеспечат 10 часов ускорения, что позволит достичь скорости 368 км/с — более 82 000 миль в час.
Это вдвое быстрее максимальной скорости космического аппарата «Parker Solar Probe», который на сегодняшний день является самым быстрым космическим аппаратом человечества.
На этом рисунке показано приближение космического аппарата Parker Solar Probe к перигелию: к самому близкому к Солнцу расстоянию за всю историю наблюдений. 24 декабря 2024 года он достиг своего максимального сближения с Солнцем, приблизившись к фотосфере Солнца на расстояние всего 4,43 диаметра Солнца. Во время этого и последующих прохождений перигелия он стал самым быстрым космическим аппаратом, когда-либо созданным человечеством.
Но если вы хотите достичь даже ближайших звёзд за разумное время, вам нужно двигаться гораздо быстрее.
Помните, расстояния до звёзд измеряются в световых годах, причём ближайшая звёздная система находится на расстоянии более четырёх световых лет.
Если вы хотите добраться туда за пару десятилетий, вам нужно разогнаться до скорости, превышающей 20% от скорости света, что сложнее, чем может показаться на первый взгляд.
Конечно, можно произвести расчёты и подсчитать, что для достижения 20% скорости света (примерно 60 000 км/с) потребуется около 50 кг антиматерии и 50 кг материи в качестве топлива.
Для достижения этой скорости потребуется приблизительно 10 недель постоянного ускорения.
Затем путешествие займёт примерно 20–25 лет (время, необходимое для преодоления около 4 световых лет на такой скорости), причём астронавты будут поддерживать свою жизнь с помощью этого крошечного груза внутри.
После этого потребуется потратить ещё 50 кг антиматерии и ещё 50 кг материи на аннигиляцию материи и антиматерии для замедления, и, если расчёты верны, астронавты остановятся в системе Проксима/Альфа Центавра.
Только при максимальной (~100%) топливной эффективности, которая достигается лишь за счет аннигиляции материи и антиматерии, удается избежать катастрофической проблемы, связанной со всеми другими стратегиями движения: необходимости доставлять на борт космического аппарата огромное количество топлива.
При столкновении частицы с её античастицей происходит аннигилация, в результате которой образуется чистая энергия. Это означает, что при столкновении любых двух частиц с достаточной энергией можно создать пару материя-антиматерия. Но если энергия во Вселенной ниже определённого энергетического порога, возможна только аннигилация, а не создание. Путь к использованию антиматерии в качестве топлива в космосе предполагает её производство в больших количествах здесь, на Земле, хранение, а затем контролируемое аннигилирование с материей внутри реактивного двигателя космического корабля.
Это лучшее, что может позволить закон сохранения энергии для космического аппарата, по крайней мере, с учетом ограничений законов физики в том виде, в каком мы их сейчас понимаем.
Следующий лучший вариант после аннигиляции материи и антиматерии, которая на 100% эффективна в преобразовании материи в энергию — это ядерный синтез, как он работает на Солнце — и он преобразует лишь 0,7% своей начальной массы в полезную энергию.
Вместо того чтобы использовать 100 кг антиматерии для ускорения полезной нагрузки массой 500 кг, вам потребуется как минимум тысячи тонн (миллионы килограммов) водорода, плюс постоянно работающий термоядерный реактор, и вам придется извлекать и сбрасывать отработанное топливо (гелий) по пути.
Помните: вам нужно не только ускорять/замедлять массу, которая будет достигать конечного пункта назначения.
Вам нужно ускорять/замедлять неиспользованное топливо на каждом этапе вашего путешествия.
При всех методах, кроме аннигиляции материи и антиматерии, вы неизбежно тратите более 99% своей массы, а это значит, что всё это «топливо» просто остаётся в виде бесполезной тяжёлой массы, которую вам нужно перевозить во время путешествия.
Аннигиляция материи и антиматерии — единственный вариант межзвёздных путешествий, где большая часть того, что вы берёте с собой — это полезный груз, а не топливо, а эффективная скорость истечения (поскольку она выражается исключительно в виде фотонов) является максимально возможной: скоростью света.
Необходимые достижения будут значительными, но из всех известных нам источников топлива только антиматерия, в конечном итоге, способна воплотить в жизнь наши мечты о создании межзвездной цивилизации.
Если у вас остались вопросы или вы хотите оставить комментарий по этой статье - напишите его в разделе комментариев ниже.
До скорых встреч! Заходите!
