Будущее человечества. Колонизация Марса, путешествия к звездам и обретение бессмертия

Митио Каку, 2018

Рано или поздно людям придется искать и осваивать пригодные для жизни миры за пределами Земли. Новая книга Митио Каку – одна из первых попыток составить «дорожную карту» грядущего величайшего переселения в истории человечества. Автор – известный популяризатор науки – рассматривает историю вопроса, технические аспекты и варианты будущей колонизации космоса, пишет о задачах, пока еще не имеющих решения, – от колонизации Марса и строительства заправочных станций на кометах облака Оорта до сверхсветовых перелетов по Галактике, встречи с инопланетным разумом и обретения бессмертия как условия освоения Вселенной. Эти идеи будоражат общество, ими увлечены Илон Маск, Джефф Безос, Сергей Брин и другие капитаны новых технологий, инвестирующие в решение проблем близкого и отдаленного будущего. И несомненно, их можно рассматривать как неотъемлемую часть современного мировоззрения, в формирование которого Митио Каку вносит ценный вклад.

Часть I

Покидая землю

Всякий, кто сидит на верхушке крупнейшей в мире системы с кислородно-водородным топливом, зная, что ее собираются поджечь снизу, и не испытывает хотя бы легкого беспокойства, не до конца понимает сложившуюся ситуацию.

Астронавт Джон Янг

1. Подготовка к старту

19 октября 1899 г. семнадцатилетний юноша залез на вишню — и пережил озарение. Он только что прочел «Войну миров» Герберта Уэллса, и мысль о том, что ракеты помогут нам в исследовании Вселенной, показалась ему ужасно интересной и вызвала прилив энтузиазма. Юноша думал, как чудесно было бы сделать какое-нибудь устройство, которое хотя бы в принципе могло добраться до Марса, и вдруг осознал, что исследовать Красную планету — наша судьба. К тому моменту, когда юноша спустился с дерева на землю, его жизнь уже изменилась навсегда. Он посвятил свою жизнь мечте — созданию ракеты, которая могла бы воплотить в жизнь его видение. До конца своих дней он неизменно отмечал этот переломный день — 19 октября.

Звали этого молодого человека Роберт Годдард. Именно он построил первую жидкостную многоступенчатую ракету и тем самым запустил цепочку событий, которым суждено было изменить ход истории человечества.

Циолковский — одинокий мечтатель

Годдард принадлежал к небольшой горстке первопроходцев, которые, несмотря на изоляцию, бедность и насмешки окружающих, упорно продвигались вперед наперекор всему — и в итоге заложили фундамент для космических путешествий. Одним из первых в ряду этих мечтателей был великий русский ученый-ракетчик Константин Циолковский, который продумал теоретические основы космических путешествий и проложил дорогу Годдарду. Циолковский был затворником, жил в бедности и с трудом сводил концы с концами, зарабатывая на жизнь учительством. В юности он проводил большую часть времени в библиотеке — проглатывал научные журналы, изучал Ньютоновы законы движения и пытался применить их к космическим путешествиям^[3]. Его мечтой было путешествие на Луну и Марс. Самостоятельно, без помощи ученого сообщества, он разобрался в математике, физике и механике ракетной техники и рассчитал для Земли скорость убегания (она же вторая космическая), то есть скорость, необходимую для выхода из поля тяготения нашей планеты. Эта скорость оказалась равна 11,2 км/c, намного больше тех 7 м/c, до которых можно было разогнаться на лошадях в его время.

В 1903 г. Циолковский опубликовал знаменитое ракетное уравнение, позволяющее определить максимальную скорость ракеты исходя из ее массы и запаса топлива. Из этого уравнения явствовало, что зависимость между скоростью и массой топлива носит экспоненциальный характер. Было бы логично предположить, что для удвоения скорости ракеты достаточно удвоить количество топлива. На самом же деле при увеличении скорости расход возрастает экспоненциально и для дополнительной прибавки скорости требуется громадное количество топлива.

Cледовательно, ракете нужно очень много горючего, чтобы покинуть Землю. С помощью этой формулы Циолковский оценил, сколько топлива необходимо для полета к Луне, задолго до того, как его мечта воплотилась в реальность.

Циолковский следовал принципу: «Земля — колыбель человечества, но нельзя вечно жить в колыбели». Он придерживался философии так называемого космизма, связывающей будущее человечества с исследованием открытого космоса. В 1911 г. он писал: «Стать ногой на почву астероидов, поднять камень с Луны, устроить движущиеся станции в эфирном пространстве, образовать живые кольца вокруг Земли, Луны, Солнца, наблюдать Марс на расстоянии нескольких десятков верст, спуститься на его спутники или даже на самую его поверхность — что, по-видимому, может быть сумасброднее!»^[4]

Хотя сам Циолковский был слишком беден, чтобы превратить свои математические выкладки в действующие модели, за продолжателями дело не стало: следующий шаг сделал Роберт Годдард. Он своими руками построил прототипы, которым впоследствии суждено было стать основой космических путешествий.

Роберт Годдард — отец ракетной техники

Роберт Годдард заинтересовался наукой в детстве, когда на его глазах проводили электричество в его родной город. Уже тогда он твердо уверился, что наука революционно изменит нашу жизнь во всех ее аспектах. Отец, поощряя интерес мальчика, купил ему телескоп, микроскоп и подписку на журнал Scientific American. Первые эксперименты Годдарда были связаны с воздушными змеями и шарами. Однажды в библиотеке он случайно наткнулся на знаменитые «Математические начала» Исаака Ньютона и познакомился с законами движения. Вскоре после этого его интересы определились: Годдард сосредоточился на том, чтобы применить законы Ньютона в ракетной технике.

Годдард не просто удовлетворял свое любопытство, он предложил три важных новшества. Во-первых, экспериментируя с различными видами топлива, он пришел к выводу, что порошковое топливо для ракеты неэффективно. Китайцы изобрели порох много столетий назад и давно использовали его в ракетах, но порох сгорает неравномерно, так что ракеты китайцев в основном были не более чем игрушками. Первым блестящим нововведением Годдарда стала замена порошкового топлива жидким, расход которого можно контролировать, добиваясь ровного и чистого горения. Он построил ракету с двумя баками: в одном было топливо (к примеру, спирт), в другом — окислитель (к примеру, жидкий кислород). Жидкости через систему трубок и клапанов подавались в камеру сгорания, где происходил тщательно контролируемый взрыв, способный толкать ракету.

Годдард понимал, что по мере подъема ракеты в небо ее топливные баки будут постепенно опустошаться. Его следующим важным новшеством стали многоступенчатые ракеты, которые отделяли использованные топливные баки и таким образом избавлялись от бесполезной нагрузки. Это резко повышало дальность и эффективность полета.

Наконец, Годдард использовал гироскопы. После того как гироскоп раскручен, его ось сохраняет ориентацию в пространстве, всегда указывая одно и то же направление, даже если вы повернете гироскоп. К примеру, если ось гироскопа указывает на Полярную звезду, она будет указывать в этом направлении даже после того, как вы перевернете гироскоп вверх ногами. Значит, космический корабль, даже отклоняясь от своей траектории, может изменить работу своих двигателей так, чтобы компенсировать это отклонение и вернуться на первоначальный курс. Годдард понял, что для нацеливания ракет и удержания их на курсе нужно использовать гироскопы.

В 1926 г. он вошел в историю, произведя первый успешный запуск ракеты на жидком топливе. Она взлетела вверх на 12,5 м, продержалась в воздухе 2,5 с и приземлилась на капустную грядку в 56 м от точки старта. Место, где это произошло, сегодня свято для любого ученого-ракетчика и объявлено в США Национальным памятником истории.

В своей лаборатории в Колледже Кларка Годдард разработал базовую архитектуру для ракет на химическом топливе. Те грохочущие чудища, которые мы сегодня видим отрывающимися от стартовых площадок, — прямые потомки построенных им моделей.

Под градом насмешек

Несмотря на успехи, Годдард стал идеальным козлом отпущения для средств массовой информации. Когда в 1920 г. в прессу просочилась информация о том, что исследователь всерьез задумывается о космических путешествиях, газета The New York Times откликнулась на новость уничтожающей критикой, которая менее крупного ученого легко могла бы сломать. «С нашей стороны было бы нелепо утверждать, что профессору Годдарду с его “кафедрой” в Колледже Кларка, — насмехалась The New York Times, — неизвестна связь между действием и противодействием и что ему неизвестно, что нужно иметь что-нибудь посущественнее вакуума, от чего можно оттолкнуться. Разумеется, нам только кажется, что у него отсутствуют знания, которыми нас ежедневно снабжают в старших классах школы»^[5]. А в 1929 г., после того как он запустил одну из своих ракет, местная газета вышла с заголовком «Лунная ракета промахнулась по своей цели на 238 799,5 миль». Ясно, что авторы газеты и другие журналисты не понимали Ньютоновых законов движения и ошибочно полагали, что ракеты не могут двигаться в космическом вакууме.

Космическими путешествиями действительно управляет третий закон Ньютона, согласно которому на каждое действие возникает равное по величине и противоположное по направлению противодействие. Этот закон известен любому ребенку, которому хоть раз в жизни случалось надуть воздушный шарик, а затем отпустить его и наблюдать, как он мечется в разных направлениях. Действие здесь — воздух, стремящийся с силой выйти из шарика, а противодействие — поступательное движение самого шарика. Аналогично в случае ракеты действие — это раскаленный газ, выбрасываемый с одного конца, а противодействие — поступательное движение ракеты, причем вырывающийся газ толкает ракету вперед даже в космическом вакууме.

Годдард умер в 1945 г. и не увидел извинения редакции, которое The New York Times напечатала после посадки «Аполлона» на Луну в 1969 г. В нем говорилось: «Сегодня с определенностью установлено, что ракета может функционировать в вакууме так же хорошо, как и в атмосфере. Редакция сожалеет о своей ошибке».

Ракеты для войны и для мира

На первом этапе развития ракетной техники главную роль играли такие мечтатели, как Циолковский, разрабатывавшие физические и математические аспекты космических путешествий. На втором этапе на передний план вышли такие люди, как Годдард, построившие первые прототипы ракет. На третьем этапе ученые-ракетчики привлекли к себе внимание правительств. Вернер фон Браун, использовав наброски, мечты и модели своих предшественников, при поддержке правительства Германии — а позже США — создал гигантские ракеты, которым суждено было успешно доставить нас на Луну^[6].

Самый знаменитый из всех ученых-ракетчиков родился в аристократической семье. Отец барона Вернера фон Брауна был министром сельского хозяйства Германии в период Веймарской республики, а его мать могла проследить свою родословную до королевских домов Франции, Дании, Шотландии и Англии. В детстве Вернер был многообещающим пианистом и сам писал музыку. При других обстоятельствах он мог бы стать известным музыкантом или композитором. Но его судьба определилась раз и навсегда, когда мать купила Вернеру телескоп. Космос его заворожил. Он глотал одну за другой научно-фантастические книги и внимательно следил за рекордами скорости, которые в то время ставили автомобили с ракетными двигателями. Когда ему было 12 лет, Вернер устроил на людной берлинской улице переполох, прикрепив кучу петард к игрушечной тележке. Мальчик был счастлив: тележка рванула прочь как… ну, как ракета. Правда, полиции представление понравилось куда меньше. Фон Брауна отвели в участок, но позже отпустили — сказалось влияние отца. Много лет спустя он с теплотой вспоминал этот случай: «Все получилось даже лучше самых смелых моих мечтаний. Тележка бешено мчалась по улице, оставляя за собой огненный след, как комета. Когда ракеты выгорели, завершив свое искрометное представление великолепным громовым ударом, тележка величественно остановилась».

Фон Браун признавался, что никогда не был силен в математике. Но страстное желание совершенствовать ракетную технику заставило его освоить дифференциальное и интегральное исчисление, Ньютоновы законы движения и механику космических полетов. Однажды он заявил своему профессору: «Я планирую полететь на Луну»^[7].

Фон Браун закончил университет и получил ученую степень по физике в 1934 г. Уже тогда он много времени проводил в любительском Берлинском ракетном обществе — организации, где ракеты собирались из всевозможных запчастей и испытывались за городом, на заброшенном участке земли размером около 121 га. В том году Общество успешно испытало ракету, которая поднялась в воздух на 3,2 км.

Фон Браун мог бы стать профессором физики в каком-нибудьнемецком университете и писать ученые статьи по астрономии и астронавтике. Но дух войны витал в воздухе, и все германское общество, включая и университеты, стремительно милитаризировалось. В отличие от Роберта Годдарда, который посылал просьбу о финансировании в военное ведомство США и получил отказ, фон Браун встретил в нацистском правительстве совершенно иной прием. Артиллерийское управление германской армии, постоянно занятое поиском новых вооружений и средств ведения войны, предложило фон Брауну щедрое финансирование. Его работа воспринималась настолько серьезно, что диссертация фон Брауна была засекречена и увидела свет только в 1960 г.

По свидетельствам современников, фон Браун был совершенно аполитичен. Его страстью являлась ракетная техника, и, если власть соглашалась финансировать его исследования, он готов был это принять. Нацисты предложили ему исполнение мечты: руководство крупным проектом по созданию ракеты будущего с почти неограниченным бюджетом и возможностью привлекать к работе цвет немецкой науки. Позже фон Браун утверждал, что членство в нацистской партии и даже в СС было своего рода инициацией для всех государственных служащих, а вовсе не отражением политических взглядов. Но если ты заключаешь договор с дьяволом, то дьявол всегда возьмет свое и потребует большего.

Взлет «Фау-2»

Под руководством фон Брауна записи и наброски Циолковского и модели Годдарда превратились в ракету «Фау-2» («Оружие возмездия 2»), наводившую ужас на Лондон, Антверпен и другие города и разрушавшую целые кварталы. «Фау-2» была невероятно мощной. Ракеты Годдарда казались детскими игрушками по сравнению с ней: имея 14 м в длину и вес 12,5 т, «Фау-2» летела с умопомрачительной скоростью 1700 м/с, достигая максимальной высоты в 90 км. Она наносила удар по цели на скорости, втрое превышавшей скорость звука, и практически ничем не предупреждала о своем приближении. Дальность ее полета превышала 300 км. Противодействовать ей было невозможно, поскольку ни один человек не мог проследить за ней и ни один самолет не был в состоянии перехватить ее.

«Фау-2» поставила множество мировых рекордов и побила все прежние достижения по скорости и дальности полета ракет. Это была первая управляемая баллистическая ракета дальнего действия. Это была первая ракета, преодолевшая звуковой барьер. А самое главное, это была первая ракета в истории, которая покинула пределы атмосферы и вышла в открытый космос.

Британское правительство так растерялось при появлении невиданного нового оружия, что долгое время просто не знало, что сказать людям. Придумали историю о том, что ужасающие взрывы — результат неисправности магистральных газопроводов. Но, поскольку угроза явно исходила от неба, публика саркастически прозвала ракеты «летающими газопроводами». Только после того, как нацисты объявили о применении нового оружия против Британии, Уинстон Черчилль наконец признал, что Англию бомбардируют ракетами.

Ситуация сложилась неожиданная: казалось, что будущее Европы, да и всей западной цивилизации, теперь зависит от работы маленькой замкнутой группы ученых, возглавляемой фон Брауном.

Ужасы войны

Успех новейшего германского оружия обернулся ужасающими человеческими потерями. Запуск более 3000 «Фау-2» привел к гибели 9000 человек в странах-союзниках. Среди военнопленных в концлагерях, строивших эти ракеты, жертв было еще больше — там, по имеющимся оценкам, погибло по меньшей мере 12 000 человек. Дьявол требовал свою долю. Фон Браун слишком поздно понял, во что он влез по уши.

Посетив завод, на котором собирались его ракеты, он пришел в ужас. По словам одного из друзей, фон Браун тогда сказал: «Это ужасно. Моей первой реакцией было поговорить с одним из охранников-эсэсовцев, но меня просто грубо заткнули, сказав, чтобы я занимался своим делом, а не то окажусь в такой же полосатой робе!.. Я понял, что попытки призывать здесь кого-то к гуманности были тщетны». Другой коллега конструктора, когда его спросили, отзывался ли когда-либо фон Браун критически о лагерях смерти, ответил: «Если бы он попробовал, его, думаю, просто застрелили бы на месте».

Фон Браун стал пешкой в руках чудовища, в создании которого сам же активно участвовал. В 1944 г., когда положение Германии на фронтах стало трудным, он однажды, напившись на вечеринке, заявил, что дела у военных идут плохо. А он хочет работать над ракетной техникой и сожалеет, что приходится создавать оружие, а не космические корабли. К несчастью, на вечеринке присутствовал шпион и, когда высказывания фон Брауна дошли до властей, конструктора арестовало гестапо. Две недели он просидел в камере где-то в Польше, не зная, не закончится ли для него эта история расстрелом. Пока Гитлер решал его судьбу, к первоначальным обвинениям прибавились и другие, включая слухи о том, что он симпатизирует коммунистам. Кое-кто из руководства опасался, что он может бежать в Англию и сорвать все усилия по доработке и производству «Фау-2».

В конце концов жизнь фон Брауну спасло прямое обращение Альберта Шпеера к Гитлеру — в проекте «Фау-2» его по-прежнему считали незаменимым.

Ракета «Фау-2» обогнала свое время на несколько десятков лет, однако до ее реального боевого применения дело дошло только к концу 1944 г. — слишком поздно, чтобы предотвратить крах нацистской империи. Красная Армия и войска союзников уже подошли к Берлину.

В 1945 г. фон Браун и около сотни его сотрудников сдались союзникам. Их всех, вместе с тремя сотнями железнодорожных вагонов с ракетами «Фау-2» и частями к ним, тайно доставили в США. Это была часть операции спецслужб под кодовым названием «Скрепка»; цель всей операции состояла в вербовке бывших нацистских ученых и получении от них максимума информации.

Армия США тщательно исследовала «Фау-2», и со временем на ее основе была разработана ракета «Редстоун» (Redstone). Нацистское прошлое фон Брауна и его сотрудников «стерли», однако в высшей степени неоднозначную деятельность конструктора при нацистах ему припоминали еще долго. Комик Морт Заль охарактеризовал жизнь и карьеру фон Брауна фразой: «Моя цель — звезды, но иногда я попадаю по Лондону»^[8]. Автор песен Том Лерер написал: «Если ракеты взлетели, кого волнует, где они упадут? Меня это не касается».

Ракеты и соперничество сверхдержав

В 1920–1930-х гг. правительство Соединенных Штатов упустило стратегическую возможность — не оценило работу, которую проводил у него под носом Годдард. После войны, уже после появления в Америке фон Брауна, оно упустило и вторую стратегическую возможность. В 1950-х гг. фон Браун и его сотрудники пребывали в забвении, ни им самим, ни их работе практически не уделяли внимания. К тому же началось межведомственное соперничество: армия США делала ракету «Редстоун» под руководством фон Брауна, военно-морской флот строил ракету «Авангард» (Vanguard), а военно-воздушные силы — ракету «Атлас».

Фон Браун, не имея непосредственных обязательств перед армией, начал проявлять интерес к научному образованию. Совместно со студией Walt Disney он создал серию мультфильмов, призванных захватить воображение будущих ракетчиков. В мультиках изображалась работа ученых над созданием ракеты, которая сможет сесть на Луне, а также строительство флотилии кораблей для полета к Марсу.

Если ракетная программа США развивалась ни шатко ни валко, то русские не зевали, их программа стремительно продвигалась вперед^[9]. Сталин и Хрущев быстро осознали стратегическую важность космической программы и присвоили ей высший приоритет. Руководил советской программой Сергей Королев, все сведения о котором были засекречены. На протяжении долгих лет в открытых советских источниках его загадочно именовали «Главным конструктором». Русские также сумели захватить несколько германских инженеров, работавших над «Фау-2», и доставили их в Советский Союз. С их помощью Советы быстро построили серию ракет на основе проекта «Фау-2». По сути, весь ракетный арсенал США и СССР основывался на усовершенствовании или объединении конструктивных идей разных моделей «Фау-2», которые, в свою очередь, основывались на опередивших свое время моделях Годдарда.

Одной из главных целей США и СССР был запуск первого искусственного спутника Земли. Концепцию спутника первым предложил сам Исаак Ньютон. На знаменитой ныне схеме Ньютон отметил, что, если выстрелить из пушки с вершины горы, ядро упадет у ее подножия. Однако из уравнения движения следует, что чем быстрее будет двигаться ядро, тем дальше оно улетит. Если придать ядру достаточно большую скорость, оно обогнет Землю целиком и станет ее спутником. Это был исторический прорыв: если заменить ядро Луной, то выведенные Ньютоном уравнения движения смогут точно предсказать природу лунной орбиты.

В мысленном эксперименте с ядром Ньютон поставил ключевой вопрос: если яблоко падает на землю, то, может быть, и Луна тоже падает? Если пушечное ядро, огибая Землю, находится в свободном падении, то и Луна тоже, должно быть, находится в свободном падении. Эта догадка дала толчок одной из величайших научных революций в истории. Теперь Ньютон мог рассчитывать движение пушечных ядер, лун, планет — практически всего на свете. В частности, его законы движения показывают: чтобы пушечное ядро обогнуло Землю, оно должно лететь со скоростью около 30 000 км/ч.

Конец ознакомительного фрагмента.

Примечания

3

Напомним три закона движения Ньютона:

«Движущийся объект продолжает двигаться, если на него не действует внешняя сила». (Значит, наши космические зонды смогут достигать отдаленных планет с минимальными затратами топлива, поскольку в основном они движутся по инерции, ведь в космосе нет трения.)

«Сила равна произведению массы на ускорение». Этот фундаментальный закон лежит в основе Ньютоновой механики, которая позволяет нам строить небоскребы, мосты и заводы.

«Каждое действие вызывает равное и противоположное противодействие». Именно по этой причине ракеты могут двигаться в открытом космосе.

Эти законы идеально работают при полетах зондов по всей Солнечной системе. Однако они неизбежно нарушаются в некоторых важных случаях: а) при чрезвычайно высоких скоростях, приближающихся к скорости света, б) в чрезвычайно мощных гравитационных полях, например вблизи черной дыры, в) на чрезвычайно малых расстояниях, к примеру внутри атома. Для объяснения этих явлений необходима не Ньютонова механика, а теория относительности Эйнштейна и квантовая теория.

4

Циолковский К. Э. Избранные труды. — М.: Издательство Академии наук СССР, 1962. С. 205.

5

Сhris Impey, Beyond (New York: W. W. Norton, 2015), p. 30.

6

Историки все еще спорят, насколько значительным было взаимовлияние между пионерами ракетного дела Циолковским, Годдардом и фон Брауном. Одни утверждают, что каждый из них работал почти в полной изоляции и заново открывал то, что уже было сделано другими. Другие говорят, что имело место активное взаимодействие, поскольку основные их работы были опубликованы. Известно, что нацисты искали подходы к Годдарду и спрашивали его совета. Поэтому можно смело сказать, что фон Браун, имевший доступ к правительству Германии, был полностью в курсе достижений своих предшественников.

7

Hans Fricke, Der Fisch, der aus der Urzweit kam (Munich: Deutscher Taschenbuch-Verlag, 2010), pp. 23–24.

8

Lance Morrow. “The Moon and the Clones,” Time, August 3, 1998. О политических воззрениях фон Брауна см. книгу Майкла Нейфелда (M. J. Neufeld, Wernher von Braun: Dreamer of Space, Engineer of War (New York: Vintage, 2008).). Частично я основываюсь на интервью, взятом мною у Нейфелда в сентябре 2007 г. О выдающем ученом-ракетчике писали много и приходили к разным выводам. Он открыл эру полетов в космос, но начинал свою деятельность, получая финансовую поддержку нацистского режима.

9

См.: R. Hal and D. J. Sayler, The Rocket Men: Vostok and Voskhod, the First Soviet Manned Spaceflights (New York: Springer Verlag, 2001).