среда, 31 декабря 2008 г.

Лаз во вселенную

От того, что человек вышел в околоземный космос, звезды не стали ближе. Их разделяют чудовищные расстояния, по сравнению которыми даже свет летит медленно, а теория относительности, положившая скорость света пределом для путешествий материальных тел, казалось бы, не оставляет никакой надежды.
Однако человеческое любопытство ничто не может остановить. Физики и так и эдак присматривались к уравнениям, описывающим Вселенную, и потихоньку у них начало складываться представление о том, что есть-таки обходной путь, которым можно быстро пробраться к далеким звездам. Самые свежие соображения высказали Ричард Обуса (Richard K Obousy) и Джеральд Кливер (Gerald Cleaver) из техасского университета Бейлора в статье, которую в феврале 2008 года опубликовал журнал Британского межпланетного общества. Рассказ об этом направлении исследований комментирует кандидат физико-математических наук из Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН С.В.Красников, ведущий отечественный специалист по проблеме. В частности, он рассмотрел один из возможных объектов для сверхсветовых путешествий, который теперь называют "трубой Красникова" (см. "Physical Review D", 1998, т. 57, № 8) — речь о ней пойдет ниже. Ему же принадлежит предложение называть весь класс объектов для быстрых путешествий словом "лаз", что соответствует английскому слову "shortcut".
Нора в пространстве
Типичным примером лаза служит кротовая нора. Этот объект соединяет между собой две области пространства, фактически сложенных, как согнутый пополам листок бумаги. Проделав дырку в обеих его половинках и вклеив в нее трубочку из свернутого в цилиндр пространства, по этой трубочке можно быстро перебраться с одного края листа на другой. Считается, что подобные объекты возникали при рождении Вселенной, когда пространство было очень сильно локально искривлено. Не исключено, что некоторые норы сохранились до наших дней. Обнаружив нору, можно попытаться в нее нырнуть (хотя бы теоретически) и вынырнуть с другой стороны в совсем другом месте Вселенной. У фантастов это называется порталом, и за обнаружение оного ставят памятник. Правда, чаще всего никто не знает, куда портал приведет и как найти дорогу назад. Более того, неясен ответ не только на вопрос "куда?", но и "когда?" — если одна горловина норы движется, то склеиваемые ею точки пространства могут приобрести разные значения времени. В этом случае получается машина времени.
О создании кротовых нор и их использовании в качестве машины времени рассуждали многие физики. Одну из первых статей на эту тему в 1998 году в "Physical Review Letters" опубликовали Майкл Моррис, Кип Торн и Улви Юртсевер из Калифорнийского технологического института. Вот как они рассуждают о возможном способе создания кротовых нор. Предположим, что есть очень развитая цивилизация. Обладая не сравнимыми с нашими техническими возможностями, она могла бы использовать то обстоятельство, что в вакууме на уровне планковских размеров, то есть порядка 10-35 м, кипит своеобразная квантовая пена, где постоянно появляются все возможные топологические конфигурации пространства. Если в этой пене найти фрагмент, строение которого соответствует кротовине, и вырастить его до макроскопических размеров, то есть растянуть соответствующую область пространства-времени на 35 порядков, то задача будет решена. Вопрос о том, как это делать, впрочем, не обсуждается.
В соответствии с теоремой о свойствах решений уравнений Эйнштейна (ее именуют "топологическая цензура"), для того, чтобы кротовую нору можно было пересечь, в определенном ее сечении должна находиться так называемая экзотическая материя. Ее главное свойство — отрицательная плотность энергии, она же способность расталкивать пространство, а не сжимать его, как это свойственно обычной материи. Из-за этого экзотическая материя обладает удивительным свойством — ее гравитационная (то есть проявляющаяся в законе тяготения) масса отрицательна. После того как в конце XX века было показано, что во всей Вселенной действует расталкивающая сила, которую назвали «темная энергия», "космологический член", "лямбда-член", надежды на существование кротовин несколько усилились.
Рассуждение о пузыре
Альтернативой кротовой норе служит "пузырь Алькубьерре". Его предложил Мигель Алькубьерре, работавший в то время в Университете Уэльса. Примечательно, что в его статье, которая была опубликована в 1994 году в журнале "Classical and Quantum Gravity" и без упоминания которой не обходится ни одна статья о перемещениях со сверхсветовыми скоростями, есть только четыре ссылки, и те на классические статьи по теории относительности и строению пространства-времени. То есть Алькубьерре фактически стал основателем исследований движения со сверхсветовой скоростью, и именно ему, если идея окажется воплощенной (на что надежды, правда, почти нет), благодарные потомки должны будут ставить памятник. Вот как он рассуждает:
"Представим себе, что речь идет об инфляционной стадии Вселенной (она приходится на первые несколько миллионов лет после Большого Взрыва, когда расширение шло с ускорением. — Примеч. ред.), и рассмотрим относительные скорости удаления двух наблюдателей друг от друга. Очевидно, что если мы просто подсчитаем изменение разделяющего их расстояния за некий промежуток времени, то получим значение гораздо больше скорости света. Однако это не значит, что наблюдатели будут путешествовать со сверхсветовой скоростью: каждый из них движется внутри своего светового конуса. Огромная скорость удаления будет лишь следствием быстрого расширения пространства-времени. Кстати, это хороший пример того, как интуиция, основанная на специальной теории относительности, может приводить к заблуждениям, когда рассматривают динамическое пространство-время". Однажды об этом эффекте мы упоминали в связи с картой Вселенной (см. "Химию и жизнь", 2006, № 8) — сейчас радиус сферы, которая удаляется от нас со сверхсветовой скоростью, то есть отправленный с Земли сигнал ее никогда не достигнет, насчитывает 4,74 гигапарсеков, при том, что современный радиус Вселенной оценивают в 13,7 гигапарсеков.
Из рассуждения Алькубьерре следует, что, обладая возможностью по своему желанию расширять или сжимать пространство-время, человек может соответственно удаляться или приближаться к выбранному объекту с какой угодно скоростью.
Чтобы поверить алгеброй гармонию своих рассуждений, Алькубьерре применил излюбленный прием специалистов по теории относительности, а именно придумал пространство с особой метрикой. Этим словом физики определяют следующее понятие. Представим себе, что у нас есть поверхность, на которую нанесена сетка координат. Возьмем две точки на ней и попытаемся ответить на вопрос: каково расстояние между ними? Правило, которое позволяет определить ответ, а также задать уравнение движения по любой кривой, и есть метрика. В обыденной жизни мы пользуемся метрикой Евклида — расстояние есть корень из суммы квадратов разностей координат, которые отсчитывают вдоль трех взаимно перпендикулярных осей.
Характерная черта метрики Алькубьерре — наличие пузыря. Посредине плоского пространства есть область, вокруг которой пространство деформировано. Причем с точки зрения наблюдателя, расположенного внутри этого пузыря, спереди по направлению движения пространство в тонком слое сильно сжато, а сзади — наоборот, сильно расширено. Анализ закона движения в пространстве с такой метрикой показывает, что пузырь будет двигаться с какой угодно скоростью, причем скорость эта прямо пропорциональна толщине стенки пузыря и степени деформации пространства в ней. При этом появляется возможность совершенно невиданного в механике дела — безопорного движения: двигатель на деформированном пространстве перемещается сам по себе, не расходуя рабочее тело и ни от чего не отталкиваясь.
Замечательное свойство всей этой конструкции состоит в том, что космический корабль, помещенный внутрь пузыря, не испытает никаких нагрузок, хотя по ее границам действуют чудовищные приливные силы, способные разорвать любой материальный объект. Время внутри пузыря течет так же, как и снаружи, у стороннего наблюдателя. Более того, в каждой точке корабля, коль скоро он находится внутри пузыря и не соприкасается с его границами, время будет течь одинаково, то есть экипаж избежит тех приключений, которые выпали Иону Тихому, попавшему по воле Станислава Лема в зону темпоральных вихрей. В общем, путешественник на этом корабле имеет все шансы слетать к далекой звезде и вернуться обратно за сколь угодно короткое время, если ему позволят энергетические ресурсы, речь о которых пойдет дальше.
"На самом деле это не совсем так, — рассказывает С.В.Красников. — Одна из главных проблем пузыря Алькубьерре состоит в том, что, когда решено послать с его помощью экспедицию, скажем, к альфе Центавра, его, строго говоря, строить уже поздно. Более того, сам корабль не может создавать вокруг себя пузырь: он должен быть создан заранее. Проблема вот в чем. Посмотрите на передний край пузыря. Он сжимает пространство, то есть в этой стенке расположена экзотическая материя с отрицательной плотностью энергии. Если пузырь полетит со сверхсветовой скоростью, то окажется, что расположенная на его границе материя тоже движется со сверхсветовой скоростью. Это не то чтобы запрещено, но равносильно использованию тахионов — частиц, летящих со сверхсветовой скоростью. Однако сама возможность их существования не доказана, а если окажется, что такие частицы существуют, то и пузырь строить не понадобится. Значит, экзотическая материя, пригодная для создания пузыря, должна быть заранее распределена по всему пути следования корабля. Поэтому пузырь Алькубьерре, если его удастся создать, подойдет лишь для быстрых перемещений по уже созданным трассам. А создавать их придется с помощью обычного медленного транспорта".
Модификация пузыря Алькубьерре — пузырь Жозе На-тарио (Jose Natario) из португальского Высшего технического института (см. "Classical and Quantum Gravity", 2002, т. 19). Этот пузырь не создает впереди и позади себя области сильного сжатия и растяжения. Вся деформация сконцентрирована внутри пузыря и организована таким образом, что растяжение в одних направлениях компенсируется сжатием в других. Он решает некоторые проблемы пузыря Алькубьерре, однако и в пузыре Натарио тоже должна быть экзотическая материя.
Альтернативой служит труба Красникова. В ней предложена другая хитрая метрика, и благодаря ей корабль может создавать трубу по мере движения. А воспользуется он ею для движения со сверхсветовой скоростью на обратном пути. В результате полет выглядит следующим образом. Возьмем за цель опять-таки альфу Центавра. Двигаясь с субсветовой скоростью, корабль будет лететь до нее три с лишним тысячи лет по земным часам. Из-за лоренцовского сокращения времени, однако, на корабле пройдет лишь несколько дней. Затем, воспользовавшись созданной во время полета трубой, корабль полетит назад не только в пространстве, но и во времени и вернется примерно через год после старта. При этом не возникает никаких нарушений причинности, не образуются никакие контрамоты, корабль нигде не встречается сам с собой. В общем, никаких петель времени, что не может не радовать.
Отрицательная энергия
Необходимость использовать экзотическую материю — один из серьезных недостатков пузырей Алькубьерре и Натарио. Расчет показывает, что ее количество весьма велико: для создания двигающегося со скоростью света пузыря первого типа, способного вместить метровый объект, масса такой материи должна составлять порядка -1062 килограмм, что превышает (если брать это значение по модулю) массу Вселенной.
Однако анализ, который провели португалец Франсиско Лобо (Francisco S. N. Lobo) из Лиссабонского университета и новозеландец Мэтт Виссер (Matt Visser) из Веллингтонского университета Виктории в своей статье, опубликованной в журнале "Classical and Quantum Gravity" за 2004 год, показал, что оба пузыря обладают отрицательной энергией, причем независимо от скорости движения. Иначе говоря, причина в самой по себе процедуре деформации пространства. Впрочем, при малых скоростях есть шанс эту энергию компенсировать. Для этого надо вспомнить, что у космического корабля есть масса. И у Алькубьерра, и у Натарио корабль внутри пузыря, строго говоря, отсутствует. Причина понятна: он усложнил бы задачу, а цель ученых состояла в том, чтобы рассказать о принципиальной возможности двигаться с какой угодно скоростью, не особенно задумываясь о деталях и механизмах такого движения.
Лобо и Виссер рассчитали пузырь с кораблем для малых скоростей, когда можно в соответствующих уравнениях пренебречь подавляющим большинством членов. Главный физический смысл полученного результата состоит в том, что, как было предложено еще Эйнштейном сто лет тому назад, масса сжимает пространство-время. Вполне естественно, что помещение массивного корабля в растянутое пространство компенсирует это растяжение и, с точки зрения стороннего наблюдателя, деформация внутри пузыря может оказаться равной нулю. Правда, для выполнения этого условия изначальное растяжение внутри пузыря должно быть совсем небольшим. А поскольку, как было сказано выше, скорость движения прямо пропорциональна этой деформации, двигаться такой пузырь будет чрезвычайно медленно и заявленной цели — быстрого перемещения к далеким звездам, достичь не сможет.
"На самом деле в этой статье есть серьезный подвох. Ход рассуждения такой. Есть пузырь. Можно написать метрику. А потом сделать "естественное" предположение, что надо просто приравнять, взяв их по модулю, массы корабля и стенок пузыря. На самом деле это совсем не естественное предположение, потому что пузырь Алькубьерре нельзя создать вокруг корабля; его надо создавать заранее, а потом уж в него помещать корабль. Проблему с большим количеством экзотической материи, которая нужна для создания пузыря, авторы статьи не пытались решить. Пафос был в другом: в попытке установить зависимость предельной скорости корабля от его массы. По-моему, эта попытка была неудачной", — говорит С.В.Красников.
Впрочем, идеи о том, как сократить массу экзотической материи, которая нужна для организации пузыря, имеются. Один из способов предложил бельгиец Крис ван ден Брук (Chris Van Den Broeck) из Католического университета Левина. В статье, опубликованной в журнале "Classical and Quantum Gravity" за 1999 год, он предлагает взять пузырь Алькубьерре микроскопического размера, а внутри него надуть макроскопический пузырь, в котором можно разместить большой объект. Если предположить, что способ вольного обращения с пространством-временем, допускающий его многочисленные деформации, найден, то в таком предложении нет ничего фантастического. Для стороннего наблюдателя все, что происходит внутри пузыря ван ден Брука, не представляет интереса, он видит лишь микроскопический пузырь Алькубьерре и соответственно обнаруживает, что его отрицательная энергия незначительна. По оценкам С.В.Красникова, опубликованным в журнале "Physical Review D" за 2003 год, пузырь ван ден Брука можно удержать от схлопывания, поместив в его горловину всего лишь миллиграммы экзотической материи, причем независимо от того, сколь велика внутренняя область, занятая пассажиром.
Деформация измерений
В принципе пространство для создания пузыря Алькубьерре можно деформировать, распределив в его стенках определенным образом экзотическую материю. В упомянутой в начале статье Ричарда Обусы и Джеральда Кливера предпринята попытка получить то же самое за счет манипуляций с дополнительными измерениями. Напомним, что дополнительные измерения возникли из желания ответить на несколько неприятных вопросов вроде: отчего мощность гравитационного взаимодействия оказывается существенно ниже, чем у трех остальных — слабого, сильного и электромагнитного? Или — почему расчетная плотность энергии вакуума на 119 порядков (!) больше, чем измеряемая? Одно из решений этой задачи состоит в том, что гравитация, и только она, распространяется в другие, скрытые измерения, а если бы померить ее и там, то все взаимодействия оказались бы сравнимы по своей силе. Вопрос о существовании этих измерений столь сильно волнует физиков, что их поиск будет одним из главных экспериментов (см. "Химию и жизнь", 2008, № 3) на Большом адронном коллайдере, который заработал было в сентябре 2008 года, но из-за аварии со сверхпроводящими магнитами был сразу же остановлен до весны 2009 года.
Среди множества следствий наличия во Вселенной скрытых измерений есть и такое, весьма интересное: уменьшение размера одного из них способно породить увеличение размеров всех остальных. В частности, об этом подробно рассуждали Алан Ходос и Стивен Детвейлер из Йельского университета в статье, опубликованной в "Physical Review D", 1980, т. 21. Они показали, что в начале времен Вселенная, обладающая одним лишним измерением, могла быть фактически одномерной, а затем, по мере уменьшения размера этого измерения, остальные три выросли до нынешних размеров. А то самое, исходное, сократилось до размеров порядка 1О-33 м. Правда, оценки, полученные из гравитационных соображений, дают размер на 27 порядков больший, порядка микрона.
В 1995 году Яна Левина из Канадского института теоретической астрофизики вернулась к этому вопросу и показала, что изменениями размеров скрытых измерений можно вполне объяснить развитие пространства в нашей Вселенной, в частности, и начальную инфляцию, и последующее замедление расширения. Дополнительные измерения служат одним из следствий теории суперструн (справедливость которой, впрочем, как и наличие самих измерений, никто пока не доказал, а размер последних — доподлинно не измерил). И в рамках этой теории появляется слабая надежда на управление размером измерений: согласно воззрениям ее адептов, именно струна, "накрутившись" на измерение, определяет его размер. Струна при всей своей загадочности — материальный объект, и есть небольшая надежда, что, как-то воздействуя на нее, можно менять ее упругость, вызвав тем самым локальное изменение размера скрытого измерения и соответственно расширение либо сжатие реального пространства-времени. В общем, построить-таки вокруг космического корабля пузырь Алькубьерре.
"Способ построения пузыря Алькубьерре, который предлагают Обуса и Кливер, чрезвычайно экзотичен. Совершенно непонятно, как можно изменять параметры струны, ведь это фундаментальная константа. Более того, в тензоре Эйнштейна, который описывает деформацию пространства, есть десять компонент. А изменение размера измерения дает лишь одну переменную. Где взять остальные девять? Когда Алькубьерре рассказывал о своей идее, он решал совсем другую задачу: показать, что нечто экзотическое — полет со сверхсветовой скоростью — в принципе не противоречит действительности. Тот факт, что для его существования нужна экзотическая материя, гораздо менее экзотичен, чем управление размером скрытых измерений. Не нужно думать, что такая материя — это выдумки теоретиков. По крайней мере один ее вид можно наблюдать экспериментально при демонстрации эффекта Казимира (мы о нем упоминали в феврале 2001 года. — Примеч. ред.). Суть этого эффекта в том, что если взять две большие проводящие пластины и поместить их на небольшом расстоянии в вакууме, то между ними возникнет экзотическая материя, вызывающая силу притяжения. Ее происхождение связано с тем, что вне пластин могут существовать все возможные нулевые колебания вакуума, а внутри — только те, длина волны которых меньше расстояния между пластинами. Так что создание неоднородного распределения экзотической материи в пространстве, благодаря чему можно получить пузырь Алькубьерре, представляется менее фантастичным, чем идея управления измерениями", — говорит С.В.Красников.
Если же все-таки окажется, что измерениями управлять можно, сколько энергии потребуется на создание пузыря? Вот как Обуса и Кливер пытаются ответить на этот вопрос.
В уравнении Эйнштейна, связывающем кривизну пространства-времени с внешними источниками гравитационного поля, есть уже упоминавшийся лямбда-член. Можно показать, что в многомерном пространстве лямбда-член обратно пропорционален четвертой степени размера скрытого измерения. А скорость расширения пространства определяется постоянной Хаббла, которая пропорциональна корню квадратному из лямбда-члена. Получается, что постоянная Хаббла обратно пропорциональна квадрату размера скрытых измерений. Осуществляя полет в пузыре Алькубьерре, скажем, со скоростью света, нужно, чтобы пространство на его границе сжималось и расширялось именно с этой скоростью. С учетом того, что постоянная Хаббла ныне составляет 2,17.10-18 (м/с) м, ее нужно увеличить на 26 порядков, то есть изменить размер скрытых измерений на 13 порядков величины. В результате значение лямбда-члена в пространстве, связанном с пузырем, вырастет на 52 порядка и составит 1042 Дж/м3. Если предположить, что размер корабля 10 метров, а операция по деформации пространства проводится над всем объемом заключающего его пузыря, то потребуется 1036 ГДж энергии. Такое ее количество может выделиться при аннигиляции планеты, подобной Юпитеру. Нельзя сказать, что это мало, но в то же время это гораздо лучше, чем потребность сжечь всю Вселенную.
А что будет, если пространство деформировать не по всему объему пузыря, но только в его тонкой стенке? Минимальная толщина стенки — планковская длина, 10-35 м. Объем стенки сферического пузыря диаметром 10 м тогда составит 10-32 м. На деформацию такого объема пространства со скоростью света надо будет затратить 100 ГДж энергии. Для выработки этого количества энергии уже не надо устраивать катастрофу космического масштаба, можно вполне обойтись имеющимися ресурсами.
Тщательное исследование пузыря Алькубьерре, впрочем, показало, что безнаказанно сокращать толщину его стенки нельзя: величина отрицательной энергии, о которой говорилось выше, от этого только возрастает. Тот факт, что возникает вполне обычное для техники противоречие — улучшение одного качества конструкции требует ухудшения другого, — позволяет заподозрить, что все эти захватывающие дух идеи имеют шанс когда-нибудь привести к чему-то реальному.
© С.М.Комаров, Химия и жизнь, №11, 2008

вторник, 30 декабря 2008 г.

Законы биологии и межзвездные полеты

За последние годы в нашей Галактике открыто несколько десятков солнцеподобных звезд с обращающимися вокруг них планетами. Наблюдениями установлено, что по своему химическому составу, структуре и характеру движения Солнечная система не является уникальной даже в пределах нашей Галактики. Нет также оснований считать, что в пределах одной галактики могут действовать разные законы природы. Это значит, что эти законы неминуемо должны привести к зарождению Жизни и в других звездных и планетных системах, как и в нашей.
Попытки установить контакт с иными цивилизациями в 1960–1970-е годы прошлого века с помощью радиотехнических средств к успеху не привели. Самый надежный и убедительный способ – это, конечно, слетать к этим звездам и на месте обнаружить следы жизни. Но, например, за время полета к звездам произойдет смена многих поколений участников экспедиции. Понимая это, основоположник теоретической космонавтики Константин Циолковский выдвигал идею совершать межзвездные путешествия колониями. Как же будут решаться биологические проблемы в этих колониях?
«Универсум-25»
В 1969 году доктор Джон Колхаун из Института психического здоровья в Пулсвиле (штат Мэриленд, США) создал мышиный «рай» под названием «Универсум-25», где были все необходимые условия для полноценного развития колонии. Мыши резвились на обширном пространстве при оптимальной температуре. Прекрасные условия жизни и необходимые прививки предохраняли их от болезней. Были предусмотрены также специальные отделения для беременных мышек, чтобы ничто не препятствовало им свободно размножаться. «Рай» был рассчитан на 4 тыс. особей.
Сначала поселили в нем четыре супружеские пары. Чувствовали они себя здесь прекрасно, и через год население «рая» насчитывало уже тысячу мышей. Некоторые из них дожили до мышиных седин (800 дней), что в пересчете на человеческий возраст составляет 80 лет. Однако вскоре что-то в этом «раю» испортилось. Третье поколение самцов устраивало между собою кровавые драки, во время которых множество мышей было загрызено победителями. И все же появилось на свет четвертое поколение, хотя и менее многочисленное. Мужские представители этого поколения уже не дрались между собой. Колхаун назвал их «красавцами», так как они отличались замечательным мехом, не тронутым зубами соперников. Но потомства они не дали.
Экспериментатор пробовал спасти поколение «красавцев», переселив их в другие клетки, к обычным, «не райским» самкам. Ничего не помогло: в один из майских дней 1973 года умер естественной смертью последний житель «Универсума-25».
По мнению Р. Чайченко, ученого-биолога из Киевского университета, прежде всего эксперимент Колхауна подтвердил известное положение об эволюционной бесперспективности изолятов, где утрачивается пластичность вида, и популяция как бы застывает. Кроме того, в каждой популяции существует «зараженность» летальными генами.
В обычных условиях при свободном скрещивании многочисленных особей все эти вредные мутации оказывают лишь небольшое отрицательное влияние на жизнь популяции (здесь включается сложный генетико-компенсационный механизм). Иное дело, когда происходит близкородственное скрещивание. При этом вредная изменчивость начинает проявляться и нередко приводит к разрушительным последствиям (таковы биологические основы юридических законов, запрещающих браки между ближайшими родственниками).
Интересно было бы этот эксперимент продолжать с целью определения условий, при которых популяция не вымирает. Необходимо было бы также определить то минимальное число супружеских пар, при котором все же продолжается нормальное развитие изолята. Эти эксперименты очень важны для претворения в жизнь идеи Константина Циолковского о полетах к звездам несколькими колониями. Тогда между ними появится возможность взаимного обмена женщинами и мужчинами для продолжения здорового потомства.
Возникает также очень интересный вопрос: можно ли экстраполировать результаты эксперимента на всю Землю? Ведь она тоже ограничена и является своего рода «изолятом», если не удастся выйти за пределы Солнечной системы. Не произойдет ли взаимное уничтожение людей при насыщении (достижении критической массы), как в мышином «рае»?
Инверсия производной
В начале 1970-х годов, занимаясь изучением аквариумных организмов, советский ученый В. Щербаков подметил любопытную закономерность. Оказывается, прирост численности организмов определяется скоростью изменения условий среды, так называемым правилом производной. Оно гласит: относительный прирост численности организмов в популяции при изменении какого-либо фактора среды прямо пропорционален производной количественной меры этого фактора за время наблюдения.
Так, при стабильных условиях изменения численности популяции не происходит. Если условия (чаще всего это количество пищи) ухудшаются, производная становится отрицательной, популяция вымирает. Наоборот, если условия имеют тенденцию к улучшению, популяция претерпевает «демографический взрыв».
Эксперименты подтвердили открытую закономерность. Так, для получения в искусственных условиях личинок веслоногих рачков (науплиусов) Щербаков применил разработанный на ее основе метод «инверсии производной». Сначала для рачков создавались условия, ставившие их на грань вымирания. Через несколько дней или недель условия улучшались, так что производная основного фактора меняла знак, становясь положительной. Именно в это время, когда условия сами по себе были еще неблагоприятны, но быстро улучшались, появилось множество личинок. Когда же условия становились близкими к оптимальным, производная приближалось к нулевому значению и количество «новорожденных» резко сокращалось, при этом падала и естественная убыль. Интересно, что при отлове веслоногих рачков в водоемах и пересадке их в аквариум популяция быстро вымирает, и только метод инверсии производной позволяет получить положительные результаты.
Закон инверсии хорошо объясняет такие явления, как послевоенные демографические взрывы (условия еще неблагоприятны, но производная высока), рост народонаселения в некоторых развивающихся странах, демографическая ситуация в России особенно в период перестройки, а также явления, носящие индивидуальный характер. Так, в процедуре лечения голодом, по мнению исследователя, положительный эффект обусловлен не столько самой голодовкой, сколько последующим улучшением питания, когда производная становится положительной.
Вывод из этого опыта заключается в следующем. При длительных межзвездных полетах в замкнутом пространстве колонии окружающие условия будут стабильными или скорее ухудшатся. Это может привести, по правилу производной Щербакова, к вымиранию космических путешественников.
«Биосфера» раздора
В 1991 году близ города Оракл в штате Аризона (США) начался эксперимент, сразу же приобретший мировую известность. Цель эксперимента – показать, смогут ли люди жить в космических поселениях – замкнутых объемах с постоянно регенерируемыми запасами воздуха и воды, питаясь продуктами, выращиваемыми здесь же, в оранжереях. Создаваемая в то время орбитальная станция МКС не могла дать ответа на этот вопрос. Во-первых, ее экипаж состоял всего из нескольких человек, тщательно подобранных по психологическим параметрам; во-вторых, время их пребывания на орбите четко оговорено и люди всегда знают, когда вернутся в привычные условия жизни, рассматривая свое пребывание на орбите как своего рода командировку. А в командировке неудобства можно и потерпеть.
Здесь же требовалось «замкнуть» в тесноте большую группу людей, причем на длительный срок. Отправить их в космос возможностей не было, потому и созрело решение создать «космическое поселение» на Земле. Им стала «Биосфера» – раскинувшийся на десятках гектаров купол, под которым были воссозданы условия различных климатических зон, имеющихся на Земле: «тропические джунгли», «пустыня», «океан», «саванна». Причем так же, как на Земле, можно было переходить из зоны в зону, выбирая наиболее комфортное место жительства, надо было заботиться о пропитании и устанавливать отношения с многочисленными соседями.
Короче говоря, если космические поселения когда-нибудь и будут созданы, они станут очень похожими на аризонский купол. И ученые очень надеялись, что дружная, заинтересованная в успехе когорта единомышленников с блеском докажет, что землянам вполне по плечу завоевание космоса, так сказать, на долгосрочной основе. Потому и отбирались в «Биосферу» только добровольцы, мужчины и женщины, да к тому же еще и научные работники.
С 1991 по 1994 год в этом прототипе будущего космического поселения работали две группы исследователей. И оба раза повторялось одно и то же. Вступая под стеклянную крышу дружной веселой командой, исследователи, будучи отрезанными от внешнего мира, проявляли все признаки психологической несовместимости. Так что уже через несколько месяцев (а эксперимент был рассчитан на годы) вконец разругавшихся интеллигентов приходилось спешно удалять. И так оба раза. Примечательно, что, объясняя причины неудачи, местные эксперты не стали углубляться в психологию, а объяснили ситуацию острой нехваткой еды и кислорода.
В этом эксперименте в какой-то степени моделируется идея Циолковского о межзвездном полете колониями. Правда, в эксперименте не ставилась задача создания семейные пары с целью продолжения рода, и оставаться под куполом в течение жизни нескольких поколений.
Последняя стадия Разума
Общий вывод, который следует по результатам рассмотренных экспериментов, не утешителен. Можно относиться к законам биологии двояко. С одной стороны, считать, что жизнь – самозарождающийся феномен. Она может сама зарождаться в любой точке бесконечной Вселенной. Однако биологическими законами природы наложен запрет на ее распространение техническим путем. Земля обречена быть «изолятом». Она – мать, колыбель, место обитания и кладбище жизни. Пока светит Солнце, жизнь на Земле в той или иной форме будет продолжаться, сменяя одно поколение другим. Погаснет Солнце, погаснет и жизнь на Земле.
С другой стороны, не хочется верить, что Разум – это последняя стадия развития жизни на Земле. В запаснике Природы должны быть последующие, «неразумные» этапы развития. У нас нет научных данных, что имеется предел изменчивости живого организма, предусмотренной самой Природой.
Пока еще не видны контуры возможностей нашего разумного этапа развития жизни. Наука ищет и находит все новые и новые направления развития. Генная инженерия и нанотехнология бурно развиваются. Использование их возможностей может привести к преодолению запретных законов биологии.
Целенаправленный поиск способов решения вышеуказанных проблем может явиться стимулирующим фактором рождения нового вектора изменчивости организмов, который может привести к возникновению новых форм жизни, лучше приспособленных к условиям длительного полета в космическом пространстве.
© Гильмутдин Давлетшин, 2007

Нейтринная коммуникация

Американские физики выдвинули предположение, что многолетнее прослушивание космического радиофира не увенчалось успехом, потому что инопланетяне, возможно, используют для передачи информации не электромагнитные волны, как люди, а пучки одного из типов элементарных частиц - нейтрино.
Свою теорию исследователи изложили в статье Галактическая нейтринная коммуникация (на arxive.org сейчас лежит уже третья редакция от 18 ноября 2008)
"До сих пор поиски основывались на том, что передача информации (у внеземных цивилизаций) должна вестись с помощью фотонов - в радио- или оптическом диапазоне. Мы предполагаем, что было бы более целесообразно искать возможный сигнал, который передается с помощью нейтрино", - пишут авторы статьи Джон Лернд из Гавайского университета (США) и его коллеги.
Нейтрино - один из типов элементарных частиц, которые обладают крайне малой массой и невероятно высокой проникающей способностью. Для них не будет преградой даже многокилометровый слой свинца.
Электромагнитные волны могут задерживаться или рассеиваться межзвездным газом и пылью, а вблизи центра галактики, где их концентрация весьма высока, использование фотонов для связи может стать просто невозможным. В то же время для нейтрино галактика практически "прозрачна".
Авторы статьи предполагают, что внеземные цивилизации могут использовать для связи нейтрино с энергией выше, чем у нейтрино, испускаемых звездами. Это даст возможность фактически полностью исключить помехи - нейтрино высокой энергии достаточно редки, и сигнал, переданный с их помощью, не будет так подвержен шумам, как в электромагнитном спектре.
Концепция источника нейтринного луча из авторской статьи.

Поиски внеземных цивилизаций (SETI - Search for Extra-Terrestrial Intelligence) с помощью прослушивания межзвездного радиоэфира ведутся с 1960-х годов. Однако пока не удалось выявить ни одного внеземного сигнала искусственного происхождения.

суббота, 27 декабря 2008 г.

Немного про червоточины

На препринтах появилась свежая статья про червоточины (за 23 дек.2008): Mauricio Cataldo, Sergio del Campo, Paul Minning, Patricio Salgado. Evolving Lorentzian wormholes supported by phantom matter and cosmological constant. Собственно в статье обсуждается влияние космологической постоянной и темной энергии на создания экзотической материи и соответственно эволюцию червоточин.
Собственно чем не повод вспомнить про червоточины, поэтому перепечатываю интервью с директором Астрокосмического центра ФИАН академиком РАН Николаем Кардашевым, который вовсю пиарит Радиоастрон - новейшую российскую технику (собственно орбитальный радиотелескоп), предназначенную для поиска червоточин. В настоящее время, согласно официальному сайту, аппарат уже собран и находится в стадии предполетных испытаний.
Само интервью:
Академик РАН Николай Кардашев, директор Астрокосмического центра ФИАН
«Кротовая нора» — это туннель, связывающий разные части пространства. Вход в туннель может быть размером со звезду, с планету, с дом, с пылинку. И если вы туда нырнете, то вынырнете в другом месте. Можно попасть в другую часть нашей галактики, можно в другую галактику, можно в другую Вселенную. По физическим свойствам вход в «кротовую нору» очень похож на черную дыру. Отличие в том, что туда можно не только попасть, оттуда можно и вернуться. У «кротовой норы» нет горизонта событий. Если вы в нее погружаетесь, то вас будет все время видно. Оттуда можно посылать радиосигналы, общаться, и даже сквозь этот туннель наблюдать, что делается на другом конце, — если вы наведете телескоп.
Отчего так? «Кротовая нора» — туннель через какие-нибудь дополнительные измерения?
Нет, дело не в новых измерениях, это из-за такой сложной топологии пространства.
Вы, видимо, говорите о кривизне пространства. Действительно, если бы эта самая кривизна у пространства была, тогда понятно: сгибаем его, как лист бумаги, и прокалываем дырку. Если путешествовать по листу, то будет очень далеко, а если через дырку — рядом. Но, насколько я знаю, никакой кривизны у нашей Вселенной не обнаружено, она плоская.
Да, Вселенная плоская. Но локально кривизна есть. (Любая масса вещества искривляет пространство вокруг себя, особенно сильно этот эффект проявляется у черных дыр с большой массой. — «РР».) «Кротовая нора» — это и есть туннель между двумя входами в тех местах, где кривизна большая.
«Кротовая нора» образуется в таких местах в обязательном порядке или это случайность?
Как сделать «кротовую нору», совершенно неясно. И можно ли ее вообще сделать? Но то, что на ранней стадии развития нашей Вселенной все пространство сплошь было набито такими «кротовыми норами», сейчас почти общепринятый взгляд. Потому что пространство перед началом Большого взрыва, перед расширением, представляет собой такую пенообразную структуру сверхплотного скалярного поля с очень большой кривизной. С очень большими флуктуациями кривизны. И все эти ячейки пены между собой соединены. И потом, после Большого взрыва эти ячейки могут остаться соединенными между собой. Это было показано еще в первых публикациях Уиллера в середине пятидесятых годов.
Сверхплотное скалярное поле пенообразной структуры… Что это?
Это сверхплотный вакуум, вакуум с очень большой плотностью энергии. Это состояние вещества до начала Большого взрыва. Плотность энергии большая, поэтому кривизна пространства высокая.
Со времени Большого взрыва прошло 14 мил­лиардов лет. Что стало с ячейками этой пены сейчас? До этого, насколько я слышал, и времени-то никакого не было.
На сегодня наиболее логически непротиворечивая модель — модель многокомпонентной Вселенной. Потому что, если мы говорим про Большой взрыв, тут же начинают спрашивать: «А что было до Большого взрыва?» или «Что было в том месте, где не было Большого взрыва?» Что, спрашивать нельзя? Люди недовольны таким положением, и правильно, что недовольны.
Эти вопросы и приводят к понятию многокомпонентной Вселенной. В английском языке есть устоявшийся термин «мультиверс», в русском такого термина нет, поэтому называется так длинно. Это предположение о том, что вся наша Вселенная состоит из бесконечного количества Больших взрывов, которые независимо возникают в разные моменты времени, и пены сверхплотного скалярного поля между ними. И поэтому Вселенная бесконечна и в пространстве и во времени. В разных Вселенных могут быть даже разные законы, разные элементарные частицы.
У каждой Вселенной где-то очень далеко есть стенки, которые состоят из этого сверхплотного вакуума. Как они будут взаимодействовать с другими пузырями, другими Вселенными — этот вопрос тоже изучается.
То есть вы от вопроса «А что там, с краю?» не отмахиваетесь? Часто, когда я спрашиваю физиков, что будет, если подобраться к краю, мне отвечают, что ничего особенного я не увижу, будут все те же звезды. Представить наблюдателя, который во время расширения находился там, с краю, мы тоже не можем, потому что вся наша Вселенная родилась из внутренних областей пузыря. А поскольку увидеть мы ничего не можем, то и разговора нет.
Отворачиваться от таких вопросов, конечно, не нужно. Нужно думать о том, какое есть взаимодействие между той частью, которая похожа на нашу Вселенную, и той, которая совсем не похожа. «Вы об этом не спрашивайте, нам этого не нужно» — приемлемо только для очень небольшого числа людей науки. Ну а дальше уже имеется недовольство экспериментаторов, которые говорят, что теоретики это все придумали, а проверить нельзя. Единственная экспериментальная возможность исследовать другие компоненты «большой Вселенной» — «кротовые норы», которые изначально заведомо были, но неизвестно, существуют ли сейчас.

Черная дыра
Кротовая нора (червоточина)
Каким образом можно обнаружить «кротовую нору»? В последней публикации в «Успехах физических наук» — совместно с Новиковым и Шацким — вы приводите расчеты своей модели «кротовых нор». В чем ее особенности?
Уиллер первый показал, что в момент Большого взрыва была пенистая структура скалярного поля. Потом в том же институте в Калифорнии Моррис и Торн первыми вывели уравнения, которым должна соответствовать «кротовая нора». Вышла статья, в которой были изложены требования к свойствам вещества, чтобы эта «кротовая нора» не превратилась в черную дыру. Оказалось, что свойства вещества очень похожи на свойства магнитного поля или свойства электрического поля.

Двухмерная модель "кротовой норы"
По каким параметрам?
По уравнению состояния — связь давления и плотности энергии — для направлений вдоль поля и поперек поля. В общем, свойства магнитного поля оказались очень близкими к свойствам «кротовой норы». Мы на это обратили внимание, стали думать, чем магнитные поля у «кротовой норы» должны отличаться от тех полей, которые мы уже наблюдаем. Выяснилось, что вход в туннель будет очень похож на магнитный монополь, то есть магнит с одним полюсом.
Такого ведь в природе не бывает. У любого магнита два полюса.
Магнитных зарядов в космосе нет, это правильно. Частицы, несущие такой заряд, — монополи — искали, но не нашли. И сейчас положение такое, что нужно искать магнитные монополи крупного размера.
Зачем такая экзотика? Вы же сами говорите, что свойства «кротовых нор» похожи и на электрическое поле. А электрических зарядов много: электроны, протоны…
Да, но параметры «кротовой норы» такие, что нужен монополь большого размера. Электрические поля годятся, но в космосе много свободных электронов, эти электроны обязательно прилетят, и электрическое поле погаснет. Так что искать нужно именно магнитный монополь, и как раз потому, что магнитных зарядов в космосе нет. И вот у нас получается, что у одной горловины «кротовой норы» магнитное поле одного знака, а у другой — другого. Если у нас плюс, то на выходе минус, и наоборот.
Как можно обнаружить этот монополь, а вместе с ним и «кротовую нору»?
Сейчас есть методы, с помощью которых исследуется структура магнитного поля. Хорошо известна структура дипольного магнитного поля Земли. Есть дипольное поле у некоторых других планет. У Венеры, например, оно слабое, а у Юпитера — сильное. У Солнца есть магнитное поле… Простейший прибор для обнаружения поля — компас. А на Солнце поле измеряется по так называемому зеемановскому эффекту — по расщеплению и поляризации спектральных линий света. Это квантовый эффект: магнитное поле влияет на структуру атомов, у атомов появляются разные специальные мелкие уровни, которые зависят от мощности магнитного поля. Появляются дополнительные спектральные линии. Есть и другие эффекты: эффект Фарадея и эффект Коттона — Мутона, которые влияют на поляризацию света.
В лабораториях это все проверено и изучено на многих объектах. Мы знаем, какое магнитное поле в межзвездной среде — миллионные доли гаусса (единица магнитной индукции, 1 гаусс равен 0,0001 тесла. — «РР»). На Земле и на Солнце — порядка одного гаусса, в солнечных пятнах — тысячи гауссов. Самые большие поля в нейтронных звездах: в пульсарах — 1020, в магнетарах — 1015).
Давайте к «кротовым норам» вернемся. Как мы их увидим?
Наша Федеральная космическая программа предусматривает запуск орбитальных обсерваторий. Одна из них — «Радиоастрон» будет запускаться в конце будущего года. Через восемь лет, в шестнадцатом году, предполагается запустить обсерваторию «Миллиметрон». Эти обсерватории дадут очень высокое разрешение (способность различить две точки, находящиеся рядом. — «РР»): «Радиоастрон» — в 10 млн раз выше, чем у человеческого глаза, миллионные доли угловой секунды, «Миллиметрон» еще раз в сто больше.
С помощью этих обсерваторий мы заглянем внутрь черных дыр и проверим, не являются ли они «кротовыми норами». Если окажется, что мы увидим лишь мимо пролетающие облака газа и будем наблюдать различные эффекты, связанные с гравитацией черной дыры, искривление траектории света например, то это будет черная дыра. Если же мы увидим радиоволны, идущие изнут­ри, то будет понятно, что это не черная дыра, а «кротовая нора». Построим картинку магнитного поля по эффекту Фарадея. Пока для этого не хватало разрешения наземных телескопов. И если окажется, что магнитное поле соответствует монополю, то это почти наверняка «кротовая нора». Но сначала нужно увидеть.

Это и есть РадиоАстрон. Если кризис не добьет проект возможно с его помощью будут открыты первые червоточины.
Какие-то объекты для наблюдений уже выбраны?
Сначала предполагаем исследовать сверхмассивные черные дыры в центрах нашей и ближайших галактик. Для нашей — это очень компактный объект с массой в 3 млн солнечных масс. Мы считаем, что это черная дыра, но она может оказаться и «кротовой норой». Есть объекты еще более грандиозные. В частности, в центре самой близкой к нам из массивных галактик М87 в созвездии Девы есть черная дыра с массой в 3 млрд солнц. Эти объекты — одни из самых главных для исследования «Радиоастроном». Но не только они. Есть, например, некоторые пульсары, которые могут оказаться двумя входами в одну и ту же «кротовую нору». И третий тип объектов — всплески гамма-излучения, на их месте возникает также кратковременное оптическое и радиосвечение. Мы их наблюдаем время от времени даже на очень больших расстояниях — как для самых далеких видимых галактик. Они очень мощные, и мы пока не вполне понимаем, что это такое. В общем, сейчас подготовлен каталог из тысячи объектов для наблюдения.
Какие следствия может иметь открытие «кротовых нор»?
Можно заглянуть в другие части Вселенной, в другие Вселенные. Некоторые известные ученые, например Игорь Дмитриевич Новиков, даже рассматривают вопрос о путешествии в прошлое или будущее, то есть о машине времени.
Без нарушения причинности?
Этот вопрос рассматривался в научных публикациях. Но об этом лучше с Игорем Дмитриевичем поговорить. В целом можно сказать, что вопрос путешествия во времени без нарушения закона причинности, вероятно, может быть решен.
Если представить, что мы когда-нибудь не просто посмотрим, а доберемся до горловины «кротовой норы» и пошлем внутрь космонавта, что он увидит во время путешествия?
Сидя внутри туннеля, он будет видеть одновременно оба входа. Если только там нет поглощающей свет материи.
А сами стенки туннеля? Он вообще имеет какую-то протяженность? Или это просто образное название для перемычки между горловинами?
Это образное название. Перемещение вещества почти мгновенное… Но можно использовать более общее уравнение, и тогда в зависимости от решения путешествие будет длительное или короткое.
Почему вообще путешествие должно происходить? Если «кротовая нора» существует, с одной стороны у нее какая-то масса вещества, с другой стороны — другая масса. Под действием гравитации путешественник должен посередине застрять…
Застрять он может только в том случае, если навстречу тоже что-то упадет. Если этого не случится, он улетит через выход. А там все зависит от того, какая масса у противоположной горловины. Они не обязательно одинаковы: все определяется историей входа. Может быть и обмен веществом между ними. А если там много газа и здесь много, то входы могут превратиться в черные дыры и произойдет схлопывание туннеля. Теоретически есть много разных вариантов, но для начала хотелось бы показать, что такие объекты вообще есть.

четверг, 25 декабря 2008 г.

Мыши в анабиозе

Сотрудники Вашингтонского университета (University of Washington) и Центра канцерологии Фреда Хатчинсона в Сиэттле(Fred Hutchinson Cancer Research Center) сумели погрузить нескольких мышей в состояние близкое к гибернации. Ученые констатировали, что за время эксперимента в организме не произошло необратимых изменений. Впоследствии, считают биологи, то же можно будет проделывать и с человеком.
Мышей поместили в камеру, содержащую воздух с небольшой примесью сероводорода (80 частей на миллион (ppm)), после чего они перестали двигаться и потеряли сознание. При этом дыхание сделалось в 12 раз медленнее, а температура тел понизилась с 37 до 11 градусов Цельсия. 6 часов спустя животных извлекли из камеры, и еще через два часа они вернулись в нормальное состояние.
Сероводород может быть смертельно-опасным в высоких концентрациях. В то же время в небольших количествах он производится организмом людей и животных, и как полагают помогает регулировать температуру тела и метаболическую активность.
Ведущий исследователь Mark Roth, высказал мнение, что кроме теоретической, эксперимент имеет безусловную ценность для медицины. Потребность в кислороде тканей и органов у организмов впавших в анабиоз резко падает. Это дало бы возможность предотвратить смерть вызванную недостаточным кровоснабжением органов и тканей при различных травмах, ишемии сердца или может повысить эффективность радиотерапии против рака.
Соавтор Eric Blackstone сказал, что следующим шагом будут исследования на больших животных.
Мыши обычно не впадают в зимнюю спячку, но они могут достигнуть подобного состояния, названного клинической вялостью, в условиях депривации пищи.
Экспериментом заинтересовалось так же Европейское Космическое агентство, исследующее возможность использования гибернации при длительных космических полетах на внешние планеты, такие как Юпитер или Сатурн.
Mark Ayre из подразделения ESA по Опережающим Концепциям (Advanced Concepts Team) прокомментировал, что гибернация помогла бы существенно сэкономить на полезной нагрузке необходимой для такого полета - ведь при гибернации для экипажа понадобились бы существенно меньшие запасы кислорода, воды и пищи. Так же сократилась бы психологическая нагрузка на экипаж - члены экипажа вместо пятилетнего ожидания просто бы заснули и проснулись только по прибытии на место, когда цель миссии будет достигнута и начнется основной этап экспедиции.
Вышепредставленная инфа датируется источником 2005-го года (BBC). Последняя работа Mark Roth'а по suspended animation (приостановленная жизнедеятельность, анабиоз) датируется августом 2008-го (Chan K, Roth MB (Aug 2008) Anoxia-induced suspended animation in budding yeast as an experimental paradigm for studying oxygen-regulated gene expression., Eukaryotic cell), что говорит о том что исследованиями в этой области Марк занимается и поныне, правда не на животных, а на микроорганизмах, в частности дрожжах. :)

воскресенье, 21 декабря 2008 г.

Унесенные солнцем

Тема покорения космических пространств всегда волновала человека. Едва ли не каждому из нас хоть раз в жизни рисовались межзвездные путешествия, уводящие далеко за пределы Солнечной системы. Попытки преодолеть космическое пространство делались уже достаточно давно, но реальным воплощением этих устремлений можно считать уникальные разработки инженеров Центра управления космическими полетами НАСА Дж. Маршалла. Именно здесь проводятся лабораторные исследования негнущегося, легкого материала — углеродного волокна, которое может быть использовано для создания гигантского космического парусника — величайшего из когда-либо созданных человеком межпланетных кораблей. По словам руководителя разработок межзвездных ракетных двигателей Леса Джонсона, это будет первым путешествием за пределы Солнечной системы, предпринятым человечеством.
Межзвездному космическому паруснику-зонду предстоит преодолеть расстояние, составляющее свыше 37 млрд. километров. Запуск зонда планируется провести в 2010 году, причем сделано это будет с помощью самого мощного из когда-либо созданных космических кораблей. По расчетам специалистов, полет этой уникальной системы будет длиться около 15 лет. Устремившийся к звездам со скоростью 93 км в секунду, он покроет расстояние около 4,5 тыс. км менее чем за минуту. Его скорость способна превысить скорость легендарного «Шаттла» более чем в 10 раз, да и не только. Двигаясь в пять раз быстрее космического аппарата «Вояджер», запущенного в 1977 году с целью исследования внешних пределов Солнечной системы, зонд достигнет этого корабля в 2018 году, миновав путь, проделанный «Вояджером» в течение сорока одного года, всего за восемь лет.
Для межзвездных полетов ракетам с учетом огромных расстояний и очень большой скорости требуется такое количество топлива, что они просто не в состоянии нести свой собственный вес. А потому оптимальным решением этой проблемы и могут стать космические парусники, не требующие топлива. Это — корабли с тонкими отражающими парусами, которые направляются солнечным светом, микроволновыми или лазерными лучами, подобно тому как ветер наполняет паруса океанских судов. Именно солнечные лучи станут основным источником движения гигантских конструкций. Космический парусник станет самым грандиозным сооружением в деле строительства летательных аппаратов. Его размеры превысят 400 метров (четыре футбольных поля).
На сегодняшний день основным претендентом в качестве материала для солнечного паруса является так называемое углеродное полотно. Плотность его такова, что квадратный метр паруса весит не более 3 грамм. После отделения от ракеты-носителя полотно разворачивается в космическом пространстве огромным шатром.
Исследовательские работы по выбору подходящего материала продолжаются, ведь необходимо еще и еще раз проверить его эксплуатационные качества, в частности прочность при крайне высоких и крайне низких температурах.
Основной задачей исследователей является осуществление полетов за пределы Солнечной системы, которые создадут основу для будущих межзвездных путешествий. Это позволит максимально быстро развивать необходимые технологии, которые существенно повысят безопасность и надежность космических перелетов, да к тому же снизят их стоимость.
О существовании светового давления ученые подозревали довольно давно. Первым исследователем, отметившим это явление, был Иоганн Кепплер, еще в XVII веке проводивший астрономические наблюдения, в том числе и за кометами. Тот факт, что хвост кометы отклоняется от Солнца при приближении к нему кометы, позволило предположить ученому существование давления, оказываемого солнечными лучами. Однако экспериментально в лабораторных условиях существование давления света было доказано только в 1900 году. На Земле, и вообще вблизи какого-нибудь крупного космического тела (планеты или ее спутника), невооруженным глазом определить такое давление невозможно, так как сила давления светового потока на несколько порядков слабее силы притяжения.
Кометы же — тела по космическим меркам небольшие, следовательно , мала и сила притяжения к ним. Поэтому для мельчайших частиц пыли, из которых и состоят хвосты комет, действия сил притяжения со стороны кометы и давление солнечного света сопоставимы по величине.
В связи с ростом потребляемой энергии на Земле и ухудшением экологии ученые изучают возможности более широкого, чем ранее, использования солнечной энергии. Уже существуют проекты космических электростанций на околоземных орбитах, основанных на преобразовании солнечной энергии в энергию сверхвысокой частоты и передаче ее на Землю.
Основная трудность в осуществлении этих проектов заключается в неудовлетворительной пока точности наведения излучателя энергии станции на приемную антенну на Земле, а также в необходимости создания этих антенн больших габаритов…
Вероятно, в будущем эти проблемы будут решены. Однако околоземные электростанции нельзя делать со слишком большими рабочими площадями из-за создания на Земле тени. Это значит, что космический аппарат должен находиться на более или менее постоянном расстоянии от Земли, но при этом не на околоземной орбите.
А потому он должен быть оснащен мощными двигателями, способными потреблять львиную долю вырабатываемой ими энергии. Выходом может стать расположение аппарата в окрестности одной из точек, в которой уравновешены силы притяжения Солнца, Земли и центробежная сила (речь идет о точке либрации, находящейся в тени Земли). Чтобы аппарат оставался в этой окрестности, достаточно использовать маломощные двигатели.
И тут возникает весьма привлекательная идея: а нельзя ли использовать в качестве источника энергии солнечный ветер? Ведь тогда аппарату вообще не нужен запас топлива, так как срок его службы будет ограничен только естественным старением техники. Уже в 20-х годах прошлого века появились первые проекты подобных летательных аппаратов, а в конце 70-х отечественными учеными была доказана теоретическая возможность управления космическим аппаратом силами светового давления в точках либрации.
Оснастив такой аппарат, например, рефлектором с большой площадью отражающей поверхности, выполненным из тонкой зеркальной пленки, и расположив его так, чтобы он освещался Солнцем, можно будет осуществить подсветку «ночной» стороны поверхности Земли или Луны (или отдельных участков этой поверхности). Со временем из таких конструкций может быть образована связка в виде кольца, вращающегося относительно прямой Солнце — Земля.

Что такое точки либрации?

Видя старт космического корабля, трудно поверить, что эта огромная махина оторвется от земли. Еще труднее представить, что почти вся ракета сгорит за какие-нибудь минуты. Ведь современный космический корабль — это огромная ракета-носитель с многотонным запасом топлива, выводящая на орбиту небольшой спутник. Для удержания на орбите и маневрирования вполне хватает небольшого запаса энергии и энергии, вырабатываемой солнечными батареями. Почему так происходит? Дело в том, что любое тело на околоземной орбите находится в состоянии равновесия (в идеальных условиях спутник останется на околоземной орбите навсегда, хотя в реальности он постепенно приближается к Земле из-за сопротивления разреженных слоев атмосферы).
Тем не менее, отдаляясь от Земли, объект попадает в поле действия сил притяжения других тел Солнечной системы. При этом, если исключить целенаправленные полеты на Луну или другие планеты, существенным можно считать только притяжение со стороны Земли (потому что она относительно близко) и Солнца (потому что оно большое).
Это значит, что любое тело в Солнечной системе, находящееся в некоторой окрестности Земли, станет рано или поздно спутником Земли или Солнца.
Однако существуют «волшебные» точки, в которых центробежная сила орбитального движения аппарата и силы притяжения Солнца и Земли уравновешены. Это — точки либрации. Всего их пять, две из них (самые близкие к нашей планете) находятся на прямой Солнце — Земля по разные стороны от Земли на расстоянии около миллиона километров.
© Александр Блинов, 2001

воскресенье, 14 декабря 2008 г.

Телепортация. Теория ячеек и иже с ними.

Еще одна достаточно старая моя идея. Суть достаточно проста - допустим пространство-время дискретное. Тобишь любой кусочек пространства-времени состоит не из бесконечного, а из конечного набора точек. Точки естественно достаточно малы, чтоб мы этого не замечали.
Обозначим минимально возможный отрезок длинны через Δxmin, минимально возможный отрезок времени через Δtmin. Тогда движение любого тела в пространстве можно представить нижеследующим графиком:

На рисунке представлены графики движения тел в дискретном пространстве - с равновестной скоростью, а также выше и ниже ее.

Положение тела в определенный момент времени показано закрашенным квадратиком. Разными цветами обозначены графики движения разных тел. Как видно из графика - существует некая скорость (назовем ее равновесной υravn) при которой во время движения тело существует в каждый момент времени и во всех точках своего пути, причем в каждый из этих моментов оно находится в различных точках пространства (желтый график). При скорости движения тела ниже равновесной оно движется как бы рывками с определенной частотой(зеленый график), при скорости выше равновесной - либо тело продолжает существовать в каждый момент времени, но не во всех точках своего пути (телепортация, красный график); либо в каждый момент времени оно существует одновременно в нескольких точках (при этом пропорционально скорости увеличивается масса тела и отдаленно все начинает походить на теорию Эйнштейна, синий график). Нас интересует первый вариант с телепортацией.
Попробуем найти равновесную скорость. Рассмотрим ситуацию со скоростями тела ниже υravn. При этом любое тело может обладать лишь скоростями из набора υravn/N, где N = 1, 2, 3, 4, 5, 6... Соответственно набором энергий :

Разность двух состояний с разными энергиями у одного тела:

Если такое тело имеет электрический заряд, то излучать электромагнитную энергию оно сможет тоже только порциями с энергией по формуле представленной выше и пользуясь классической формулой ΔE=hv , где h - постоянная Планка можно будет найти частоты на которых оно сможет излучать.
Так для одиночного электрона с массой me набор частот будет:

Тут следует сказать что одиночный электрон действительно имеет набор излучаемых частот с алгоритмом по схожей формуле:

где RH- это постоянная Ридберга. Это случай излучения одиночного электрона в атоме водорода. Понятно что в излучении принимает участие и ядро (протон) водорода и в более сложных атомах соответственно и другая формула, но если все таки такой спектр вызван квантовостью пространства, то мы легко найдем равновесную скорость из постоянной Ридберга:

Откуда υravn=2,18769*106м/с
При скоростях выше этой скорости, тело начнет телепортироваться. Величина прыжка S=υ*Δtmin (при υ больше υravn)
Конечно величина tmin нам не известна (хотя можно предположить, что она равна планковскому времени 5,4х10-44 сек). Если эта величина стремиться к нулю, то для существенного размера телепортационного прыжка нам нужны будут запредельные скорости, но в то же время независимо от того насколько близко эта величина будет стремиться к нулю при скоростях выше равновесной серия телепортационных прыжков будет откусывать существенный кусок пространства. Так превышение равновесной скорости в 2 раза съест где-то половину проходимого телом пространства.
Собственно такой тип телепортации не дает выигрыша в скорости перемещения и в затратах энергии, но если он существует - это даст существенный выигрыш в радиационной и противометеоритной защите - ведь при путешествиях со скоростями выше равновесной часть пространства будет "сминаться", а проще говоря вообще исчезать с точки зрения путешественников (см. график, кстати в СТО расстояния тоже сокращаются с точки зрения движущегося наблюдателя) - соответственно исчезнет и часть радиации с микрометеоритами в этих участках пространства - тобишь вероятность столкновения с микрометеоритами и уровень радиации будут снижаться с повышением скорости.
© Борис Чекмасов
В дополнение отрывок из книги Брайана Грина "Ткань космоса: Пространство, Время и Текстура" (Брайан Грин - один из ведущих физиков современности, автор "Элегантной Вселенной" и других научно популярных книг):
Одна возможность, которая согласуется с изложенным выше объяснением того, как теория струн соединяет квантовую механику с общей теории относительности, заключается в том, что ткань пространства на планковском масштабе похожа на решётку или сетку, в которой «пространство» между линиями сетки находится вне границ физической реальности. Точно так же, как микроскопический муравей, гуляя по обычному кусочку ткани, будет перебираться с нити на нить, может быть, движение через пространство на ультрамикроскопических масштабах аналогично требует дискретных перескоков с одной «нити» пространства на другую. Время тоже может иметь зернистую структуру с отдельными моментами, тесно упакованными друг к другу, но не сливающимися в сплошной континуум. При таком понимании представление о всё более мелких пространственных и временных интервалах резко обрывается на планковском масштабе. Точно так же, как нет такой вещи, как американская монета достоинством меньше пенни, так и нет такой вещи, как расстояние меньше планковской длины или продолжительность короче планковского времени, если ультрамикроскопическое пространство-время имеет структуру сетки.
EN

воскресенье, 7 декабря 2008 г.

Инерционные компенсаторы

Учитывая, что межзвездные перелеты - штука настолько фантастическая, что современная наука входит в ступор при попытках решения этой проблемы - я позволю себе не стесняться и публиковать на страницах этого блога совершенно дикие и неправдоподобные теории имеющие отношение к этой проблеме. Часть из этих теорий - мои (буду перебрасывать их со своего старого сайта wmpt.narod.ru дабы народ окромя почитать смог бы их еще и обсудить). Теории имеют для меня значение скорее эстетическое, чем практическое - идеи хороши уже тем что они есть.
Для начала публикую идею инерционных компенсаторов. Суть достаточна проста - масса бывает гравитационная (та которая ответственна за притяжение) и инерционная (та которая ответственна за отклик тела на приложение силы в формуле Ньютона F=ma ). Если мы сможем каким-либо способом уменьшить именно инерционную массу космического корабля до близкой к нулю величины, то используя даже самые маломощные двигатели сможем очень быстро разогнать корабль до близкой к скорости света (если Эйнштейн прав), либо к бесконечно большой скорости (если не прав) величине. При этом для межзвездных полетов не нужны будут супер-энергоемкие двигатели, вырабатывающие эрги энергии - любой ионник с тягой исчисляемой миллиньютонами разгонит Вас до скорости света за миллисекунды (а→∞ при m→0).
Чтобы уменьшить инерцию достаточно массивного корабля нам нужна отрицательная инерция, которая и будет компенсировать суммарную массу корабля. Откуда взять отрицательную инерцию? Рассмотрим тандем гравитационная масса\инерционная масса. Гравитационная масса - это аналог электрического заряда (те же притяжение\отталкивание в зависимости от величины заряда), инерционная масса в этом тандеме прямо пропорциональна гравитационной. Выражаясь математическим языком Минерц=K*Мграв, где коэффициент K равняется еденице. Что если аналогичная зависимость есть и у электрических зарядов? И почему бы инерции электрически-заряженного тела тоже не быть в прямой зависимости от величины электрического заряда? Если это так, то мы с легкостью сможем управлять инерцией корабля - ведь в электричестве нам доступны как положительные заряды, так и отрицательные и соответственно как положительная инерция, так и отрицательная.
Попробуем найти коэффициент K для электромагнитного поля. Это можно сделать несколькими способами, в зависимости от которых получим разные значения.
Первый способ заключается в том, что мы будем предполагать, что при равной напряженности электрического и гравитационного зарядов мы получим одинаковые инерции. Пусть у нас имеется пара одинаковых электрических зарядов q, расположенных на расстоянии r друг от друга. Сила с которой они взаимодействуют: F=xq2/r2, где x - коэффициент Кулона. Два одинаковых гравитационных заряда m, на расстоянии r будут взаимодействовать с силой: F=ym2/r2, где y - гравитационная постоянная. Если обе силы на одном расстоянии равны, тогда равны и напряженности соответствующих обоих видов зарядов, откуда находим соответствующий коэффициент для электромагнитного поля: xq2/r2=ym2/r2, Kэлектр=(|x\y|)1\2=1,160627*1010Кл/кг. Говоря простым языком, для того, чтобы компенсировать до нуля инерцию корабля весом в сто тонн, необходим заряд в 10-5 Кл.
Второй способ исходит из экспериментальных данных. У нас есть минимально возможный электрический заряд е и есть инерционная масса электрона me. Предположим что у электрона гравитационный заряд столь мал, что его доля в инерции электрона ничтожна по сравнению с электрической инерцией. Тогда коэффициент инерции для электричества: k=me/e=5,685679*10-12Кл/кг.
На первый взгляд теория весьма неправдоподобна - действительно никто не наблюдал еще чтоб от электрического заряда предметы становились легче. Однако нужно учитывать следующее: меняется только инерционная масса - гравитационная остается той же. Тобишь любые весы не покажут уменьшения массы, так как на заряженные тела по прежнему будет действовать гравитационная сила. Так же весьма затруднительно будет обнаружить (по крайней мере в атмосфере) и эффект увеличения скорости свободного падения - ведь к заряженному телу начнут притягиваться положительные ионы из атмосферы - падая тело будет увлекать с собой и эти ионы, вдобавок на тело будет действовать магнитная составляющая. Собственно как ни странно нигде в интернете даже не нашел - проводились ли опыты по измерению ускорения свободного падения для электрически заряженных тел. Собственно скорее всего, если такая технология будет иметь место - работать она будет только в вакууме... Впрочем - есть один странный момент, связанный с... наблюдениями НЛО - часто наблюдения НЛО описывают мгновенные изменения направления движения на больших скоростях, как будто эти объекты не обладают именно инерцией и часто наблюдатели описывают то, что НЛО светятся либо окутаны дымкой как шаровая молния - а ведь это возможно если объекты НЛО имеют нескомпенсированный электрический заряд (отсюда же и частое появление электрических помех и помех в радиосвязи)...двойное совпадение с типом перемещения, описанном мной выше - ведь аппараты с инерционной компенсацией - должны кроме громадной скорости обладать практически полной безинерционностью - то есть возможностью практически мгновенной смены направления движения в любую сторону и они должны иметь внешний электрический заряд...
© Борис Чекмасов