141
Здесь, на ЯПе, среди куч политического дерьма и деградантских картинок, иногда наличествуют посты о науке. За последние пару дней я увдел в ленте "Инкубатора" пару постов о
космическом корабле с двигателем на антиматерии.
Поскольку основную аудиторию ЯПа составляют люди, далекие от физики, я решил предоставить сраждущим новых знаний соответствующую информацию.
Итак, есть 3 закона Ньютона (основа современной физики):
1)Если на тело не действуют внешние силы - оно будет находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения. В этом случае говорят, что определена
инерциальная система отсчета, связанная с телом. Все законы природы действуют в этой системе отсчета и любой другой, движущейся по отношению к нашей с постоянной скоростью
и по прямой.
2)Изменение импульса тела равно действующей на тело внешней силе.
3)Сила действия (через столкновение, через грвитационное или электромагнитное поле,...) тела A на тело B равно по модулю и противоположно по направлению действию тела B на тело A.
В теории относительности (специальной и общей) эти три закона также справедливы - за исключением того, что меняется форма импульса (p=mv только у Ньютона, в релятивизме
$p=\partial L/\partial v$, где $L=L(x,v,t)$ - кинетический импульс или, иначе, лагранжиан системы (они бывают очень сложными). Лагранжиан для ОТО, например:
$L = \int \sqrt{g_{ij} (dx/ds)^i (dx/ds)^j}ds+...$, $g_{ij}$ - метрический тезор пространства (в случае пространства Минкоского, где мы живем, g_{11}=g_{22}=g_{33}=-1. g_{44}=+1, остальные компоненты - нули). Кроме того, в релятивизме ограничена скорость распространения сигнала в вакууме $v<c$.
Космический корабль движется с помощью формулы Циолковского: $V_{max} = u * ln(M_0/M_k)=u*ln(1+M_T/M_k)$, где u — скорость истечения продуктов сгорания из сопла ракетного двигателя; M_0 — начальная (стартовая) масса ракеты; M_k — масса ракеты без топлива (в конце работы двигателя на активном участке траектории полёта ракеты); М_T — масса выгоревшего топлива.
Чем привлекательна идея двигателя на антивеществе? Ясно, именно тем, что $u=c$ (скорость истечения топлива равна максимально возможной скорости света).
Проблема с получением антивещества - его можно получать на ускорителях, разбивая тяжелые ядра и индуцируя бета-распад, либо каким-то образом найти или наработать
большое количество нестабильных изотопов обычных элементов, подверженных бета-плюс-распаду, то есть самопроизвольному испусканию из ядра позитронов - например, кислород-13 или
медь-64. Эти изотопы образуются при работе ядерных реакторов - но в мизерных количествах, и с каждым ядром этого изотопа надо специально работать, например, облучая
мощным лазерным излучением, чтобы ускорить процесс бета-плюс-распада. Есть естественные резервуары, содержащие изотопы в больших количествах - это почва (реголит) на Луне
и верхние слои атмосфер планет-гигантов (там изотопы образуются под действием миллиардов лет бомбардировки космическими лучами). На Луне и в атмосфере Юпитера можно добывать изотопы в промышленных масштабах - килограммами и тоннами.
Однако для этого потребуются сотни лет и мощная внеземная индустрия по добыче и переработке этих изотопов. У нас, землян, столько времени, возможно, нет...
Теперь по поводу распространенного заблуждения относительно возрастания массы по мере приближения скрости корабля к скорости света. Представьте такую ситуацию - скорость
корабля относительно Земли 0.9*с, а относительно квазара GFQ-4962 - 0.0*c (сам квазар удаляется от Земли со скоростью 0.9*с). Двигатель корабля отключен. Его масса
увеличилась? Нет! См. 1-й закон Ньютона. Так называемое "релятивистское увеличение массы" - эффект наблюдений с Земли (нам будем казаться, что масса корабля увеличилась,
но для наблюдателя на корабле масса гири в 1 кг останется неизменной (при неработающем двигателе)... так что увеличение массы, как и сокращение линейного размера в
релятивизме - это эффект стороннего наблюдателя). Соответственно, 2 закон Ньютона для реактивной тяги будет работать только с уменьшающейся (за сет расхода) массой корабля.
Кроме того, есть в двигателе на антивеществе колоссальная проблема. Которую решить труднее, чем добычу интивещества. Объясню ситуацию. Принцип работы фотонного
двигателя таков: есть область аннигиляции - например, в фокусе параболического зеркала. Гамма-кванты после аннигиляции распространяются сферически-симметрично, только
половина максимум ударит в зеркало и даст разгонный импульс кораблю, остальные гамма-фотоны уйдут в космос бесполезно. Но ни в настоящее время, ни в реальном будущем
нельзя создать материал зеркала, чтобы он отражал гамма-кванты, а не поглощал, разрушаясь при этом. Это запрет принципиальный - ни один материал из обычных атомов
не проработает в зеркале дольше одной вспышки, на второй - это будет уже не зеркало. Были надежды на мезоатомные материалы - где электроны в атомах заменены мезонами.
Увы, получился дико нестабильный материал... Вторая надежда - нейтрид, вещество, из которого состоят нейтронные звезды. Плотность -10^8 г/cм^3. На Земле не получишь, да
и очень уж тяжелое зеркало получится...
Поэтому сейчас предполагаются межзвездные экспедиции оснащать либо взрывным ядерным двигателем (чистый 3-й закон Ньютона): вместо зеркала использовать толстую железную плиту-демпфер (мини-ядерные взрывы будут эту плиту повреждать - но далеко не сразу ее прожгут), просто кусок астероида отпилить, либо разгон корабля осуществлять мощным лазером на Луне, подсвечивающим огромное зеркало на корабле. Я видел публикации: 100-тонный корабль с парусом в 10 кв. км долетит до Проксимы Центавра за 20 лет. Проблема - в торможении, лазер у принимающей стороны не предусмотрен... Но можно разгонять корабль с ядерным двигателем, который будет работать только при торможении. Замечу, что проекты "Дедал" и "Икар"
для путешествий на расстоянии до 20 световых лет на этих принципах были просчитаны, и на 2050 год был даже назначен старт к звезде Барнарда... но только эти проекты проекты были
почему-то свернуты.
Относительно WARP-перемещений или "пузырей Алькубиерре". Об этом я могу тоже написать, если читателям будет интересно. Но там будут формулы, увы, без них не получится...
yaplakal.com