Гравитация и атигравитация

Вопросы научной фантастики: гравитационные технологии

Практически постоянным шаблоном в космической фантастике (и особенно — в космоопере) являются «гравитационные технологии». Как правило, они постулируются как неотъемлемая составляющая космической цивилизации человечества далекого будущего — ну, или достаточно развитых инопланетян ближнего настоящего. Обычно их используют, чтобы делать левитирующие кресла, крутые летающие автомобили, и космические корабли с гравитационными приводами, способные делать «вжух!» — а не уныло тащиться месяцами по баллистической траектории.
https://ic.pics.livejournal.com/fonz...4_original.png
Обычно логика тут такова: раз гравитация держит на орбитах звезды и планеты, то это, стало быть, чертовски могучая штука! И если этой силой овладеть, то можно сделать такое, что просто ух! Двигать горы, летать куда угодно на чем угодно, сдать, наконец, в музеи все эти старомодные колеса, крылья, и ракетные двигатели. Так ведь?
Не совсем.
Проблема в том, что гравитация — на самом деле, очень-очень слабое взаимодействие. Самое слабое из четырех фундаментальных. Примерно в 10 в 38 степени раз слабее электромагнитного, если быть точным. Чтобы убедиться в этом, проведите простой эксперимент. Возьмите магнит — можно с холодильника — и поднимите им со стола канцелярскую скрепку (магнитным взаимодействием). Получилось? А теперь попробуйте поднять тем же магнитом кусочек бумажки (гравитационным взаимодействием). Сильно сомневаюсь, что у вас что-нибудь получится...
https://ic.pics.livejournal.com/fonz...0_original.png
Да, гравитация удерживает на орбитах планеты — а также предметы и людей на поверхности, в частности, Земли. Но только и исключительно потому, что планеты и звезды очень-очень большие. Если же речь идет не об объектах с массой в миллиарды триллионов тонн, то гравитация сразу перестает казаться впечатляющей. Например, два шара весом в тонну каждый, разнесенные на дистанцию в 1 метр, притягиваются друг к другу с силой порядка 0,00007 ньютона. Согласитесь, что это не слишком-то впечатляет?
Любой «гравитационный» привод космического корабля будет априори значительно менее эффективен, чем фотонный двигатель равной мощности. Учитывая же что идеальный фотонный двигатель тратит 300 мегаватт мощности на создание одного-единственного ньютона тяги — ситуация с гравитационными двигателями становится уж и вовсе неловкой. Так ли уж на самом деле будет делать «вжух!» двигатель, который производит меньше тяги, чем излучение фотонов с радиатора, этот самый двигатель охлаждающего?...
Но этим проблемы гравитационных технологий не ограничиваются. Обычно, фантасты постулируют, что гравитация (или антигравитация) «производится» там, где это необходимо, с помощью не слишком большой и резонно энергоемкой машины. Которая на входе получает электрическую энергию — как правило, от банального термоядерного реактора — а на выходе выдает гравитационное/антигравитационное поле необходимой мощности.
Проблема в том, что судя по всему — так не получится. Мы, конечно, не знаем еще всех тайн Вселенной, но существующее положение дел в науке довольно определенно указывает: между гравитацией и электромагнетизмом нет прямой связи. Да, их проявления во многом сходны (существует даже понятие «гравитомагнетизм», то есть использование уравнений Максвелла для описания некоторых эффектов гравитационного поля), но природа их совершенно различна, и судя по всему, «не пересекается». То есть машина, «производящая гравитацию» напрямую из электричества — невозможна.
Единственный способ «производить гравитацию», это создавать массу. Что в принципе абсолютно реально: масса и энергия, в конце концов, эквивалентны. И создав достаточно высокую плотность энергии, можно получить эквивалент массы, вполне себе способный искривлять пространство (напомню, что в рассмотрении общей теории относительности, гравитация — это не отдельная действующая сила, а эффект искривления пространства массой тела).
Однако стоит ли игра свеч? Ведь чтобы создать эквивалент килограмма массы, придется потратить не меньше энергии, чем можно получить при полной аннигиляции этого самого килограмма. Экономическая целесообразность такого способа создания гравитационных полей по меньшей мере сомнительна. Ситуация несколько меняется, если идея в том, чтобы создавать антигравитационные поля — т.е. эквивалент негативной массы — но хотя физика и вполне допускает существование негативной массы, мы пока что и близко не понимаем, как ее можно добыть.
Искусственные гравитационные поля, впрочем, по крайней мере теоретически реальны. Доктор Роберт Л. Форвард (1932-2002), один из создателей детектора гравитационных волн, автор замечательной книги «Неотличимо от магии» и ряда научно-фантастических произведений («Rocheworld»), высказывал мнение, что можно создавать мощные гравитационные поля, подобно электромагнитным — двигая сильные гравитационные заряды с большой скоростью (так называемое «протационное поле»). Он даже предположил, как в принципе могла бы быть устроена машина, создающая такое направленное гравитационное поле:
https://ic.pics.livejournal.com/fonz...8_original.png Генератор протационного поля представляет собой спиральную трубку, замкнутую в тор, по которой с достаточно высокой скоростью прогоняется достаточно массивная жидкость..
В чем же загвоздка? В том, что «достаточно массивная жидкость» должна иметь плотность порядка 1 x 10 в 9-ой степени кг/м3 — 4 x 10 в 17-ой степени кг/м3. Иначе говоря, между «материей белого карлика» и «чистым нейтронием». А «достаточно высокая скорость», это порядка скорости света. Ну, и радиус действия искусственного гравитационного поля будет равен радиусу кольца.
Как видно, «не слишком большой и резонно энергоемкой» гравитационная машина не получается. Скорее, она начинает напоминать циклопического монстра с массой планетарного порядка, и энергопотреблением цивилизации 2-го уровня шкалы Кардашева (минимум). Безусловно, и такая гравитационная машина может быть вполне полезной. Например, она может практически мгновенно и без каких-либо перегрузок разгонять космические корабли до околосветовых скоростей — корабль, проходящий через машину, де-факто оказывается в очень быстром свободном падении, гравитация действует на все его части одновременно и в равной степени, так что скачок от 0 и до 99,9 скорости света даже не потребует от пассажиров пристегнуть ремни. Но она явно не влезет в автомобиль...
Кстати об автомобилях — точнее, о применении гравитационных технологий. Так ли уж необходим для летающего автомобиля именно антигравитационный подъемник? Не лучше ли будет поставить банальные роторы, подъемные реактивные двигатели, или сверхпроводящие катушки для левитации в магнитном поле планеты (эффективнее в 10 в 38 степени раз, как-никак)?
И тут мы переходим к вопросу о практической применимости антигравитационных технологий.
Чаще всего под гравитационными технологиями в фантастике подразумевают пресловутую «антигравитацию», позволяющую легко и непринужденно поднимать тяжелые корабли с планеты в Космос. В наиболее набившей оскомину форме, это некое «экранирование» или «отключение от» гравитационного поля планеты. Физика на подобные упражнения очень-очень громко ворчит еще со времен Г. Уэллса с его «кейворитом», и не без оснований. Если очень вкратце, то изолирование космического корабля от гравитационного действия Земли эквивалентно его удалению от Земли на бесконечно большое расстояние — что уже переводит наш антигравитационный подъемник в категорию гипердвигателей...
https://ic.pics.livejournal.com/fonz...0_original.png
Несколько более адекватной версией антигравитации является гравитационное отталкивание. Идея в том, что некая установка создает отрицательное гравитационное поле, которое, отталкиваясь от положительного гравитационного поля планеты, поднимает себя (и прицепленный к ней космический корабль) в Космос. В принципе, законам физики это не противоречит. Но для космического перелета недостаточно ведь просто удалиться от планеты, нужно еще и скорость набрать — и тут старушка-Земля ничего не может предложить лучше чем 9,8 м/с2 у поверхности и еще меньше по мере удаления. Гравитационное взаимодействие ведь пропорционально квадрату расстояния. Чем дальше от планеты, тем слабее от нее отталкивается антигравитатор.
https://ic.pics.livejournal.com/fonz...0_original.png
Собственно, если я правильно понимаю ситуацию (в данном случае я могу ошибаться) антигравитационный подъем вообще будет безынерционным, то есть скорость удаления от планеты будет непрерывно падать, а не набираться. И на определенном расстоянии упадет до пренебрежимо малой. Единственный выигрыш в этом случае- мы «бесплатно» покинули плотные слои атмосферы.
Второе по распространенности в фантастике применение гравитационных технологий — это создание искусственной гравитации и компенсация перегрузок на космических кораблях. Чаще всего «искуссственная гравитация» используется, чтобы «обосновать» (заведомо неудачно) совершенно абсурдную идею космического корабля, устроенного как океанский лайнер — с палубами параллельно направлению ускорения.
https://ic.pics.livejournal.com/fonz...1_original.png Неправильный космический корабль. Палубы параллельны направлению ускорения.
Не нужно углубляться в теорию гравитации чтобы понять, что такой космический корабль никто не будет строить в принципе. Даже если это и станет возможно. Нет никакого практического смысла или выгоды делать абсурдно усложненную конструкцию, вынужденную выдерживать нагрузки сразу в трех разных направлениях (ускорение от двигателей, перпендикулярное ему поле искусственной гравитации, и компенсационное поле, не позволяющее равнодействующей первых двух загнать пассажиров под плинтус). Неважно сколь развитой станет технология, но космический корабль всегда будет башней, в которой «верх» — это всегда где нос, а «низ» — это где корма и двигатели.
https://ic.pics.livejournal.com/fonz...8_original.png Правильный космический корабль. Палубы перпендикулярны направлению ускорения.
Использование искусственной гравитации для компенсации перегрузок выглядит более заманчиво. Человеческие тела комфортабельно себя чувствуют при силе тяжести в 1g. Адекватно переносят 2-3g, и в принципе кратковременно выдерживают около 10g. По космическим меркам, ускорение это довольно неторопливое. Набирать «интересную» скорость при посильной перегрузке придется долго. И поэтому идея компенсировать перегрузку противодействующей гравитацией выглядит заманчиво.
Представим ситуацию: двигатели корабля толкают пол отсека навстречу космонавту с ускорением в 100g (то есть каждый килограмм веса становится сотней). Чтобы космонавта не раздавило, размещенный на потолке генератор искусственной гравитации тянет его к потолку с силой 99g. Две противонаправленные силы нейтрализуют друг друга, и в итоге космонавт испытывает силу тяжести в 1g направленную к полу. Вполне комфортные, земные условия.
Однако с инженерной точки зрения такой корабль будет жуткой головной болью. Ведь гравитационное взаимодействие пропорционально квадрату расстояния. По мере удаления от генератора, его контрдействие будет ослабевать, а по мере приближения — усиливаться. С точки зрения распределения нагрузок в конструкции корабля (ведь генератор тянет не только самого космонавта!) мы получаем довольно узкую зону, в которой будет наблюдаться интересующий нас эффект — и много головной боли за ее пределами. И это еще подразумевая, что генератор и двигатели не могут отключиться несинхронно.
(интересно отметить, что ученым и фантастом Чарльзом Шеффилдом была предложена идея такой системы компенсации ускорения — «сбалансированный привод» — основанной не на гипотетической искусственной гравитации, а на сверхплотной материи, сопоставимой с нейтронием. Диск из такой материи, массой примерно с Эверест, разгоняется абсурдно мощными ракетами с желаемым ускорением — а кабина экипажа тащится за диском, удерживая специальной опорой строго на таком расстоянии, чтобы ускорение от двигателей и сила притяжения диска уравнивались бы. Де-факто кабина экипажа постоянно падает на диск, а диск, ускоряемый двигателями, от нее убегает)
https://ic.pics.livejournal.com/fonz...6_original.png
Подводя итог этому небольшому размышлению — гравитационные технологии сами по себе не являются ни необходимым, ни даже достаточным атрибутом для космической цивилизации. Они вовсе не гарантируют быстрый и дешевый доступ в Космос. Более того, как раз для этой специфической задачи они, скорее всего, не особенно применимы. Работа с ними потребует задействования таких объемов энергии, что (исключая специфические случаи) в большинстве ситуаций, того же эффекта можно добиться проще и дешевле.
Из этого, однако, вовсе не следует, что гравитационные технологии бесполезны. Что я хотел сказать, так это что они не являются волшебной индульгенцией для автора-фантаста. Гравитация — это не магия, это достаточно хорошо изученная вещь, имеющая свои ограничения. И необходимо понимать, что в абсолютном большинстве случаев (например, для летающих автомобилей) применение технологии управления гравитацией будет примерно столь же оправдано, как идея использовать атомную бомбу вместо звонка в будильнике.
P.S. И реально, хватит уже рисовать космические корабли с палубами как у океанских лайнеров. Это просто нелепо.