Текст книги "Кинофантастика"

Автор книги: Жан-Себастьян Стейер

Соавторы: Ролан Леук
сообщить о нарушении

Текущая страница: 3 (всего у книги 11 страниц)

Расчетный аккреционный диск – это то, что увидел бы астронавт, находясь в плоскости диска (отсюда симметрия изображения по отношению к горизонтальной оси). Но при всех визуальных достоинствах и эстетике эта модель нереалистична, так как предполагает равномерное свечение поверхности диска. На самом же деле на нем должны быть разные температуры, а значит, разные варианты свечения в зависимости от расстояния до черной дыры. Кстати, температура аккреционного диска должна достигать нескольких десятков миллионов градусов, здесь же она явно гораздо ниже: при таких температурах излучение относилось бы к диапазону рентгеновских лучей и было бы незаметным для нашего глаза; герои фильма от него быстро погибли бы, а поверхность планеты Миллер была бы мертва. К тому же диск должен вращаться вокруг черной дыры со скоростями, близкими к скорости света, оказывая сильное релятивистское воздействие на свет, воспринимаемый удаленным наблюдателем. Прежде всего, эффект Доплера – Физо меняет спектр излучаемого материей света: он смещается к синему на ближней к наблюдателю стороне и к красному – на дальней. Затем явление угловой аберрации меняет видимое направление источника света, быстро смещающегося по отношению к наблюдателю. Это усиливает яркость приближающихся к наблюдателю участков диска и ослабляет яркость других. Поэтому аккреционный диск Гаргантюа должен был быть ярче и синее там, где он ближе к наблюдателю, и тусклее и краснее – дальше от него.

В фильме аккреционный диск показан «умеренно реалистично», без учета этих релятивистских эффектов: так пожелал сам Кристофер Нолан, решив, что асимметрия смутила бы зрителя. Но если черная дыра сильно влияет на окружающее световое поле, то она должна диктовать свои законы и приблизившимся к ней по неосторожности астронавтам.

Приближаясь к чудовищу

По соседству с черной дырой вы напрямую испытали бы изгиб пространства-времени: это приливные силы. Мы ощущаем их и на Земле, без труда наблюдая самое заметное их следствие – океанские приливы и отливы. В классической физике они происходят от колебания силы гравитации в зависимости от расстояния до притягивающего тела. Оказываясь в поле лунного притяжения, участки Земли, находящиеся под Луной, притягиваются ею немного сильнее, чем противоположное полушарие^[21].

На Земле это выражается в вытягивании, ось которого направлена к Луне, и нагляднее наблюдается на примере легко деформируемых океанических масс. При этом две точки на Земле, расположенные на перпендикулярной «лунному» направлению прямой, сближаются, потому что вместе «падают» в направлении центра нашего спутника. Поэтому Земля и ее океаны сжимаются в направлении, перпендикулярном «лунному».

Применительно к черной дыре приливные силы порождаются различиями в изгибе пространства-времени и могут выглядеть гораздо более впечатляющими, чем происходящее на Земле. Падая ногами в направлении черной дыры, вы почувствовали бы вытяжение вдоль тела и сжатие в перпендикулярном направлении. Как ни странно, момент, с которого вытяжение становится невыносимым для человека (скажем, при разнице в ускорении, равной 10g), не зависит от размера дыры: он наступает где-то за десятую долю секунды до достижения центральной сингулярности. То, что эта продолжительность одинакова для всех черных дыр, означает, что человек будет буквально разорван приливными силами маленькой черной дыры массой всего в несколько солнц задолго до ее горизонта, радиус которой преодолевается за долю миллисекунды. Зато мы могли бы достигнуть живыми и невредимыми горизонта черной дыры массой в 10 тыс. солнц и даже исследовать внутренность гигантской черной дыры массой в 100 млн солнц… В последнем случае приливные силы на горизонте событий становятся слабее, чем те, неуловимые, которые действуют на нас на Земле. Тем не менее после пересечения горизонта вас неудержимо повлечет к центральной сингулярности и там, независимо от массы черной дыры, разорвет приливными силами, значения которых стремятся к бесконечности!

Какова масса Гаргантюа?

Тот факт, что планету Миллер, обращающуюся на орбите Гаргантюа, не уничтожают приливные силы черной дыры, позволяет довольно точно определить массу последней. Можно показать, что интенсивность приливного вытяжения обратно пропорциональна квадрату массы черной дыры. Иначе говоря, чем выше масса черной дыры, тем слабее приливные силы. С другой стороны, само существование планеты Миллер обеспечено ее гравитацией, сопротивляющейся приливным силам. Если бы вторые превзошли первую, планета развалилась бы. Так произошло с кометой Шумейкеров – Леви: в июле 1992 года ее раздавили приливные силы Юпитера, в который спустя два года врезались ее остатки.

Если считать плотность планеты Миллер близкой к плотности Земли, а высоту орбиты уподобить радиусу горизонта, то масса Гаргантюа составит не менее 200 млн солнечных масс. Цифра кажется колоссальной, и она именно такова, если помнить, что «обычная» черная дыра имеет массу порядка нескольких солнечных. Черная звезда такого типа, называемого «звездным», обычно появляется после взрыва очень массивной звезды. Черная дыра в центре нашей Галактики, имеющая массу 4 млн солнц, – карлик по сравнению с дырой массой в 200 солнц. Но в центре некоторых активных галактик – например, Мессье 87 – обнаружены черные дыры, массы которых значительно превышают миллиард солнц! По сравнению с ними наш Гаргантюа – настоящий середнячок. Остается нерешенная проблема: такие сверхмассивные черные дыры находят пока что только в центре галактик…

Берегись, волна!

Хотя планета Миллер не гибнет от приливных сил Гаргантюа, она должна подвергаться вытягиванию по оси, соединяющей ее с черной дырой (и сжатию по перпендикулярной оси). В отличие от земных океанов, деформируемых лунными и солнечными приливными силами, но приподнимающимися на считаные метры, океанская масса планеты Миллер вздымается на добрый километр! Эта гигантская деформация не может не порождать одиночную волну, именуемую физиками солитоном. Ее впервые описал в 1834 году шотландский инженер Джон Скотт Рассел (1808–1882): он проследил на протяжении нескольких километров одиночную волну в канале, вызванную резким причаливанием судна. Его удивило, что, в отличие от обычных волн, солитоны обладают нетипичными параметрами пространственной локализации, а также постоянной скоростью и сохранением энергии: они перемещаются без рассредоточения в пространстве и без рассеивания во времени. Такие явления с разными причинами, как приливная волна «маскарет», цунами и «волна-предатель» – это солитоны, и «волна» на планете Миллер на них подозрительно похожа. При ее впечатляющих размерах остается удивляться, почему этот прилив не сопровождается катастрофическим оттоком вод там, где плавают исследователи. Заметим также, что раз происходит океанический прилив, значит должен происходить и континентальный: при высоком океаническом приливе происходит деформация земной коры на глубину 30 см. Силы земного прилива деформируют лунную поверхность на несколько метров вглубь, а приливные силы, порождаемые Юпитером, деформируют его спутник Ио метров на сто. Рассеивание энергии от вызванного этим трения приводит к сильной вулканической активности, из-за чего Ио – единственное (кроме Земли) место с действующими вулканами. При бушующих на планете Миллер приливных силах над ее водами должны были бы вздыматься огромные вулканы…

Есть и другие следствия приливных сил. Подобно Луне и Ио, планета Миллер должна вращаться вокруг своей оси примерно в том же ритме, в каком движется по орбите. Иными словами, она всегда должна быть обращена к черной дыре одной и той же стороной. Такая синхронизация обращения и вращения проистекает из явления замедления приливных сил. Когда Луна вращалась быстрее, чем сейчас, вызываемая земным приливом деформация двигалась в ритме этого вращения, приводя к трению внутри грунта спутника, и вызванное этим рассеивание энергии замедляло вращение Луны. Это торможение продолжалось до тех пор, пока не исчезла причина трения, то есть пока Луна не стала вращаться так медленно, чтобы все время оставаться одной стороной к нам. То же самое происходит на Земле, где трение водной массы об океанское дно приводит к торможению ее периода вращения на 2 миллисекунды за столетие. Это же должно происходить на планете Миллер, но с одной оговоркой: если бы ее вращение и обращение были полностью синхронизированы, то океанический вал должен был бы зафиксироваться по отношению к планете, так как обращался бы в ритме обращения планеты вокруг черной дыры, а этот ритм аналогичен вращению планеты вокруг своей оси. Однако, как видят действующие лица, приливная волна вздымается примерно раз в час. Это значит, что обращение и вращение планеты еще не вполне синхронны и что она колеблется вокруг среднего положения с периодом примерно в час, отделяющий один прилив от другого.

Вывод: планета Миллер находится на этой орбите не так давно, ведь с учетом приливных сил Гаргантюа синхронизация вращения и обращения должна быть быстрой.

Разница во времени

Интрига в фильме «Интерстеллар» опирается на странную ситуацию: один час на планете Миллер соответствует семи годам на большом удалении от нее^[22]. Это огромное расхождение – одно из следствий общей относительности: часы в поле сильного тяготения отстают от таких же часов в поле более слабого тяготения. Точнее, если синхронизировать двое одинаковых часов, поместить одни в более сильное гравитационное поле, а потом поставить их рядом с другими, то выяснится, что первые отстанут от вторых, причем тем больше, чем сильнее то самое гравитационное поле и чем дольше они в нем находились.

Экспериментальное подтверждение этого предсказания общей теории относительности было сделано в 1960 году американскими физиками Робертом Паундом и Гленом Ребкой, сравнившими частоты излучения ядер идентичных атомов, помещенных у подножия и на вершине 20-метровой башни Гарвардского университета^[23]. Сегодня необходимо учитывать это явление для правильной работы системы спутникового обнаружения, так как временная разница между земной поверхностью и спутниками GPS (системы глобального позиционирования) на орбите высотой 20 тыс. км составляет 46 миллионных долей секунды в час. Если не принимать это обстоятельство во внимание, то погрешность позиционирования может достигнуть 13 км в день!

Отметим также, что разница во времени между планетой Миллер и дальним космосом должна сопровождаться огромным отклонением в сторону низких частот у радиоволн, испускаемых сброшенным на планету аварийным зондом, при их приеме на Земле. Эту разницу, похожую на уже упомянутый релятивистский эффект Доплера, можно уподобить потере энергии света, выходящего из «гравитационного колодца», обусловленного черной дырой^[24]. Сомнительно, чтобы ученые в фильме могли этого не знать, и с этой точки зрения в их удивление попаданием зонда в сильное гравитационное поле трудно поверить. Наблюдаемое расхождение волн должно было бы указать им на силу гравитационного поля, в котором находится планета.

Эффект временного расхождения между планетой Миллер и кораблем «Эндюранс», находящимся на удаленной орбите, реален. Можно ли вывести из него расстояние между планетой и черной дырой? Ответ: можно! Но есть проблема: если Гаргантюа – это черная дыра Шварцшильда, то планета Миллер должна находиться очень близко к его горизонту, всего в одной миллиардной его радиуса, что, учитывая массу Гаргантюа, равно сотне метров. В фильме это явно не так. Для объяснения резкого расхождения во времени с планетой Миллер необходимо, чтобы Гаргантюа вращалась, причем быстро…

Космическая воронка

Для описания черной дыры достаточно трех параметров: ее массы, кинетического момента – количества ее вращательного движения – и электрического заряда (его мы здесь не учитываем). Простота решения Шварцшильда объясняется тем, что в нем подразумевается черная дыра без вращения и без электрического заряда. Но, подобно звезде или галактике, черная дыра может вращаться вокруг собственной оси; соответствующее этому состоянию решение уравнений Эйнштейна предложено новозеландским математиком Роем Керром. Не приходится удивляться тому, что вращающаяся черная дыра ведет себя вовсе не как волчок, ведь она вовлекает в свое вращение пространство-время!^[25] Соседнее с ней пространство-время неумолимо втягивается во вращение, и получается подобие воронки, образующейся при спуске воды из ванны. Вода движется по спирали, разлагающейся на два движения: круговое, вокруг стока, и радиальное, к стоку.

Представим себе моторную лодку, оказавшуюся вблизи такого водоворота; предположим, ее мотор позволяет развивать в воде скорость не более 20 км/ч. Вдали от водоворота, в относительно спокойной воде, лодочник может маневрировать, как хочет, потому что мотор легко преодолевает медленное движение к водовороту. Поэтому лодочник способен стабилизировать лодку мотором, не бросая якорь, немного приближаться к водовороту, отплывать от него, даже идти против течения. Приближаясь к центру водоворота, он в конце концов попадет в область, где круговая скорость потока будет равна максимальной скорости лодки. Преодолев это критическое расстояние, лодка уже не сможет сохранять неподвижность, преодолевая движение воды, даже с работающим на всю катушку мотором: ее неудержимо закрутит в направлении вращения воронки. Возможности маневрирования сократятся, направления движения будут задаваться направлением воронки внутри периметра, тем более узкого, чем выше скорость водоворота. Обычно лодочник справляется с этой сложной ситуацией, направляя лодку по выходной спирали, то есть удаляясь от центра. Если лодка окажется еще ближе к центру воронки, то настанет момент, когда радиальная скорость потока тоже достигнет 20 км/ч – максимальной скорости самой лодки. Вот тут начнутся серьезные неприятности: возможность плыть настолько сократится, что лодке останется одно – угодить в пасть водоворота и там развалиться.

Аналогичная ситуация имеет место во вращающейся черной дыре. Приближающийся к ней космический корабль тоже испытывает притяжение пространства-времени, вызванное вращением черной дыры: он приобретает скорость вращения, его траектория начинает закручиваться в направлении вращения черной дыры. Это движение становится неодолимым внутри области под названием «статический предел», имеющей форму вращающегося эллипсоида, малая ось которого направлена туда же, куда и ось вращения черной дыры. В этой области космический корабль уже не сможет оставаться неподвижным относительно далеких звезд, даже если его скорость достигает скорости света! Еще ближе к черной дыре достигается горизонт событий, настоящая граница черной дыры, за которой ничто уже не может покинуть дыру. Это сферический горизонт, расположенный полностью внутри статического предела^[26]. Отметим, наконец, что у скорости вращения черной дыры есть ограничение – предел, за которым эта скорость остается равной скорости света. Это момент, когда, говоря ньютоновским языком, на поверхности «максимальной» черной дыры сила центробежного отталкивания поглощает гравитационное притяжение.

Как вы догадываетесь, орбиты вокруг черной дыры Керра сложные: обычно они приобретают форму объемных кривых, заключенных в конечном объеме. Можно показать, что плоские кольцевые орбиты обязательно находятся в экваториальной плоскости черной дыры и что при определенном радиусе возможны только две орбиты. Первая вращается в направлении вращения черной дыры, тогда как вторая – в противоположную сторону и с периодом короче, чем у первой. Где может располагаться планета Миллер? Чтобы иметь самые крупные значения растяжения времени из возможных, она должна обращаться как можно ближе к черной дыре, то есть на последней стабильной кольцевой орбите, внутри которой материя неизбежно обрушится на черную дыру. Положение этой орбиты зависит от массы и от кинетического момента черной дыры, а также от энергии и от кинетического момента самой планеты^[27]. Это следует из теории, в фильме же ясно показано, что планета Миллер расположена немного выше аккреционного диска (то есть вне экваториальной плоскости), за его внешним краем. На самом деле она должна была бы находиться совсем рядом с внутренним краем диска, поскольку его радиус должен быть равен радиусу последней стабильной орбиты, потому что там материя падает на черную дыру. Можно предположить, что эти погрешности продиктованы эстетическими соображениями. Чтобы поместить планету Миллер именно на последней стабильной орбите, для получения желаемых временных соотношений (1 час = 7 годам) пришлось задать Гаргантюа максимально возможную скорость вращения с точностью до 10^-14. Иными словами, это очень быстрое вращение.

«Погружение в тессеракт»

В фильме профессор Бранд, срисованный, без сомнения, с научного консультанта фильма Кипа Торна, пытается выстроить новую физическую теорию, в которой соотносились бы все фундаментальные взаимодействия, гравитация и микроскопические связи. Профессор объясняет, что такая «теория всего» могла бы изменить судьбу человечества, позволяя ему отправлять в космос огромные корабли и тем самым давая надежду на спасение. Даже если не учитывать наивность таких претензий, любопытно проверить, имеют ли какой-то физический смысл уравнения, мелькнувшие на огромных досках в профессорском кабинете.

Рисунок на первой доске – это наша Вселенная в виде поверхности («наш мозг 0»), заключенной между двумя другими («ограничительная брана 1», «ограничительная брана 2»), расположенными в измерении, «перпендикулярном» нашим двум. Из этого ясно следует, что профессор Бранд строит свою теорию в супервселенной (bulk), имеющей больше измерений, чем наша. Но в 1999 году американские физики Лиза Рэндалл и Раман Сандрум предложили модель, в которой наша Вселенная – всего лишь подразделение структуры со множеством измерений. Эта структура описана ими как антиситтеровская вселенная с пятью измерениями (AdS₅ на доске). Рэндалл и Сандрум хотели объяснить слабость гравитации относительно других взаимодействий: на микроскопическом уровне гравитационное притяжение между протоном и электроном атома водорода в 10³⁹ раз слабее, чем связывающая их электрическая сила. Теперь представим, что наша объемная вселенная погружена во вселенную с дополнительным пространством, но все взаимодействия, кроме гравитации, остаются в знакомых нам трех измерениях. Гравитация, способная проявляться во всех измерениях, представляется нам, наблюдателям из трех измерений, жертвой «утечек», выражающихся в ее видимой слабости, когда мы испытываем ее в трех обыкновенных измерениях.

Пугающая формула на второй доске подтверждает эту интерпретацию. Она объясняет «действенность» теории профессора Бранда. В физике работа – скалярная физическая величина, произведение энергии и времени. Эта величина проистекает из общего принципа наименьшего действия: траектория объекта между двумя заданными точками – та, которая приводит к экстремуму работы (этот принцип играет роль в «Прибытии», см. главу об этом фильме). Поэтому в механике траекторию понимают не как результат ускорений от приложения сил, а как кривую, оптимизирующую работу. Этот принцип наименьшего действия оказался простым, мощным и общим не только для классической механики, где он строго эквивалентен законам Ньютона, но и для электромагнетизма, и для квантовой, или релятивистской, механики, где он оказался так плодотворен, что на нем строится вся современная теоретическая физика. В уравнении Бранда g₅ и dx указывают на то, что его теория относится к вселенной с пятью измерениями: одним временным и четырьмя пространственными. Проблема в том, что выяснена нестабильность «AdS₅-бутерброда», вызванная сдавливанием двух бран, заключающих нашу.

В своем уравнении Бранд пытается описать эффективную работу, способную решить эту проблему: оно содержит условия, связанные с каждой браной (помеченные цифрами 0, 1 и 2), и условие, связанное с супервселенной, предназначенное для стабилизации всей системы. Задача, которую ставит перед собой профессор, – объединение общей теории относительности и квантовой механики – до сих пор не решена. Пробуются разные подходы: петлевая квантовая гравитация, теория струн, некоммуникативная геометрия…

В «Интерстелларе» вопрос дополнительных пространственных измерений решается иначе – визуально. Ближе к финалу герой, Купер, проникает в черную дыру Гаргантюа и попадает в странное пространство-время под названием «тессеракт». В геометрии тессеракт – куб в четырехмерном пространстве. Подобно тому как у куба поверхность составлена шестью квадратами, суперповерхность тессеракта составлена восемью кубическими ячейками. В фильме эта геометрическая структура представляет собой проход, позволяющий Куперу перейти из центральной сингулярности черной дыры в супервселенную из пяти измерений. Так он оказывается вне нашей браны и приобретает способность воспринимать время как физическое измерение. Поэтому Купер видит в тессеракте комнатку своей дочери Мерф и будущее профессора Бранда, бесконечно множащееся, но с разной временной принадлежностью. Купер может общаться с дочерью сквозь время при помощи гравитационных сигналов и подсказывает ей данные для решения уравнения профессора Бранда.

Ввиду своих завораживающих свойств тессеракт фигурирует во многих фильмах и книгах. Так, в фильме Анджея Секулы «Куб-2. Гиперкуб» (2002) в него, как в ловушку, попадают восемь человек. Их тессеракт – это сеть из соединяющихся кубов, некоторые из которых искажают время. Роберт Э. Хайнлайн еще в рассказе 1941 года «Странный дом» описал дом, построенный по трехмерному шаблону тессеракта. Этот же шаблон Сальвадор Дали использовал для картины 1954 года «Распятие (Corpus Hypercubus)»: подобно тому как Бог пребывает в непостижимом нам измерении, тессеракт существует в неподвластном человеческому уму четырехмерном пространстве.

Для понимания большинства описанных в «Интерстелларе» явлений требуется понимание относительности, квантовой механики и даже теории струн. Нечасто снимают фильмы, так тесно связанные с современной физикой и так сильно переплетающие захватывающий сюжет и научную достоверность. В конечном итоге «Интерстеллар» получился удачным с точки зрения видеоряда и не разочаровывает как научно-фантастическое произведение, где есть простор и свободе творчества, и научной экстраполяции. Несмотря на некоторую затянутость и на недостоверность кое-каких эпизодов, «Интерстеллар» представляет интерес, поскольку наводит зрителя на вопросы о времени, его восприятии и относительности. Он обладает очевидной познавательной ценностью и полностью отвечает предложенному Морисом Ренаром в 1909 году определению научного чуда как «приключения науки, вознесшейся на уровень чуда, или чуда, возможного благодаря науке».

Что почитать и посмотреть

• Путешествие вокруг и внутри черной дыры, Ален Риазуэло: https://www.youtube.com/watch?v=uSrIlRaljKg.

• Документальный фильм Лор Делесаль, Марка Лашьез-Рея и Жана-Пьера Люмине «Бесконечный изгиб»: https://www.youtube.com/watch?v=wOVRXd-4jrQ (часть 1), https://www.youtube.com/watch?v=IIt8ioLPtEY (часть 2).

• Торн К. Интерстеллар. Наука за кадром. – М.: Манн, Иванов и Фербер, 2015.

• Thome К. S. Black Holes and Time Warps: Einstein's Outrageous Legacy («Черные дыры и искривления времени»), W. W. Norton Company, 1995.

• Научная статья Кипа Торна и его группы моделирования изображения: Classical and Quantum Gravity («Классическая и квантовая гравитация»). Доступна бесплатно по адресу: http://iopscience.iop.Org/0264-9381/32/6/065001/article.

• Интервью с Кипом Торном (на английском) в журнале «Сайентифик Америкэн»: http://blogs.scientificamerican.com/observations/2014/11/28/parsing-the-science-of-interstellar-with-physicist-kip-thorne.-

• Формулы с досок профессора Бранда выложены на этом сайте: http://www.its.caltech.edu/~kip/scripts/INTERSTELLAR/BrandBlackBoards.

Часть вторая.

Новые горизонты

Глава 4.

Космические колеса

Если человечеству когда-нибудь вздумается ринуться прочь с Земли, то решений, как это сделать, у него будет наперечет: либо найти подходящую планету и создать на ее поверхности базу, либо построить большие космические станции, значительно превосходящие размерами МКС.

Преимущество новой планеты в том, что она, скорее всего, располагает ресурсами: атмосферой, водой (жидкой или замороженной), сырьем. Кроме того, планета обладает гравитацией. Чтобы надолго поселиться на станции, нужно доставить на нее главные ресурсы жизнеобеспечения и запустить эффективную систему переработки отходов жизнедеятельности, чтобы меньше зависеть от дальнейших затратных поставок. Необходимо также создать искусственную гравитацию, потому что продолжительное пребывание в невесомости вредно для обмена веществ. Она влияет на кровообращение и на токи всех других жидкостей в организме, вредит чувству равновесия и ориентации, приводит к деградации опорно-мышечной системы. Поэтому, во избежание вредного воздействия невесомости на организм, при длительном нахождении на космической станции не обойтись без искусственной гравитации.

В серии комиксов «Посол теней» (1975) о приключениях Валериана и Лорелина (воспроизведенной в 2017 году Люком Бессоном в фильме «Валериан и город тысячи планет») авторы, Пьер Кристен и Жан-Клод Мезьер, изобрели «гравитационный колодец», генерирующий гравитацию на огромной космической станции «Центральный пункт» (в фильме – «Альфа»). В реальности проще будет заставить станцию вращаться вокруг собственной оси симметрии: возникающая от этого центробежная сила создаст в жилом отсеке подобие гравитации. Так происходит во многих фильмах. В «Космической одиссее 2001 года» Стенли Кубрика (1968) показана незабываемая сцена причаливания челнока к вращающейся космической станции V под звуки вальса «На прекрасном голубом Дунае» Иоганна Штрауса. То же самое сделал Льюис Гилберт в «Лунном гонщике» (1979): там злодей Драке замыслил истребить человечество и повторно заселить Землю специально отобранными парами со своей вращающейся орбитальной станции. Большинство станций в прекрасном сериале «Пространство» Марка Фергуса и Хоука Остби (2015), в частности «Тихо», тоже вращаются для создания искусственной силы тяжести. Наконец, в «Элизиуме» (Нил Бломкапм, 2013) богатейшие из землян в XXII веке покидают Землю, задыхающуюся от перенаселенности, загрязнения и насилия, и селятся на огромной вращающейся орбитальной станции.

Итак, поговорим об этих невероятных космических станциях с точки зрения упрощенной физики.

Давняя история

Идею орбитальной станции выдвинул инженер-словенец Герман Поточник (1892–1929), специалист по ракетной технике и пионер космонавтики. В своей книге Das Problem der Befahrung des Weltraums («Проблема космического полета»), изданной в 1928 году, он первым описал орбитальную станцию в форме вращающегося колеса, которую предложил поместить на геостационарной орбите.

В 1950-е Вернер фон Браун (1912–1977) и Вилли Лей (1906–1969) вернулись к этой идее в статье, опубликованной в журнале «Кольер»^[28], где говорилось о полете на Марс^[29]. Они придумали колесо диаметром 76 м, вращающееся вокруг своей оси со скоростью 3 оборота в минуту для создания на внешнем периметре искусственной гравитации, равной трети земной и эквивалентной той, что существует на поверхности Марса^[30]. Вернер фон Браун, проявляя дальновидность, уточняет: «Космическая станция будет также отелем, астронавты смогут жить там месяц-два подряд. Они станут курсировать между Землей и станцией для проведения специальных работ». Следуя этому предложению, комитет НАСА пришел в 1959 году к мнению, что логическим продолжением программы «Меркурий», запущенной вскоре после создания американского космического агентства, станет такая космическая станция. Тем не менее конкретного воплощения эта идея не получила.

В 1975 году небольшой коллектив ученых и студентов под руководством Джерарда О'Нила (1927–1992) из Стэнфордского университета разработал более продвинутую версию концепции фон Брауна. Их станция представляла собой колесо диаметром 1,8 км, вращение которого со скоростью 1 оборот в минуту создавало бы центробежное ускорение, эквивалентное земному тяготению. Такая станция могла бы вмещать до 10 000 постоянных обитателей! Она, без сомнения, послужила прототипом станции «Элизиум» и для объекта в видеоиграх Halo. В дальнейшем О'Нил развил эту концепцию во впечатляющий проект Island Three («Остров Три»), орбитальную колонию из двух вращающихся цилиндров диаметром 3 км и длиной 30 км каждый. Для динамической стабильности всего комплекса цилиндры должны вращаться в противоположные стороны. Стабильность вращения объекта достигается его обращением вокруг свой главной оси инерции, той, у которой самый высокий инерционный момент^[31]. В случае цилиндра требуется также, чтобы соотношение между его длиной и радиусом было меньше 1,66. Цилиндр, стабильно вращающийся вокруг своей оси симметрии, имеет форму огромной банки с арахисом, внутренней площади которой недостаточно для размещения значительного населения. С точки зрения увязывания динамической стабильности вращения и большой внутренней площади два цилиндрических модуля, вращающиеся в разные стороны, – это удачное решение.

Принцип цилиндрической станции неоднократно использовался в научной фантастике. В частности, в романе Артура Кларка «Свидание с Рамой» описано обследование землянами огромного пустого межзвездного корабля (цилиндра длиной 50 км с радиусом 10 км), пересекающего Солнечную систему. В кино станция «Купер» из фильма Кристофера Нолана «Интерстеллар» (2014), вращающаяся вокруг Сатурна, – тоже цилиндр вроде о'ниловского. Идея строительства огромной орбитальной станции не умерла: французские инженеры Оливье Буазар и Пьер Маркс предложили в 2009 году проект космического города на 10 тыс. жителей «Апогейос» (в переводе с греческого «далеко от Земли»).

НАСА никогда не пыталось строить ни такую крупную космическую станцию, ни станцию меньших размеров как по техническим причинам (ограниченная возможность запуска, трудности сборки, стоимость), так и из научных соображений, потому что считает, что невесомость позволяет заниматься интересными экспериментами, невозможными на Земле. Тем не менее в 2011 году НАСА опубликовало проект космического корабля «Наутилус X» с вращающимся жилым отсеком, где экипаж будущей экспедиции, к примеру, на Марс имел бы лучшие условия жизни. Прототип этой «центрифуги» можно было бы разместить на МКС для натурных испытаний и для обеспечения космонавтам сна при уменьшенной, но все же не нулевой гравитации. Великолепный космический корабль «Авалон» из фильма «Пассажиры» (Мортен Тилдум, 2016) тоже имеет три вращающихся отсека, три «крыла», образующих «тройной пропеллер» и создающих искусственную гравитацию, полезную для 5000 пассажиров, пребывающих в состоянии заморозки.