Двойка по физике Мильнеру с Хокингом

Юрий Мильнер, российский мультимиллионер и меценат, в прошлом аспирант ФИАН, и Стивен Хокинг объявили (именно такая формулировка циркулирует в СМИ) о том, что выделяют 100 млн долл. на финансирование исследований по технологии перемещений в космосе при помощи лазерного паруса. Знаменем программы стал проект запуска наноробота к Альфе Центавра — перелет длиной четыре с лишним световых года за двадцать лет! Новость вызвала интерес и энтузиазм у широких масс во всем мире. Конечно, специалисты морщились и крутили пальцем у виска, но от комментариев, как правило, воздерживались.

Я решил ознакомиться с первоисточником, чтобы крутить пальцем у виска имея на то твердые основания. Первоисточник https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1604/1604.01356.pdf — электронный препринт Филипа Любина (Philip Lubin) из Университета Санта-Барбары. Взявшись за чтение, я обнаружил там не просто ужас, а ужас-ужас. Там довольно много формул. Все они простые и правильные, но не имеют никакого отношения к реальности.

Автор е-принта участвовал во вполне реалистичных разработках лазерных фазированных решеток, например, для испарения поверхности астероида с расстояния 10 км (чтобы снять спектр и посмотреть химсостав). Мощность — 10 кВт, расходимость — 0,1 с, всё нормально. Некоторые работы, по-видимому, связаны с оборонной программой DARPA, где используются подобные штуки. Филип Любин решил не мелочиться и предложил сделать решетку мощностью не 10 кВт, а 50–70 гигаватт (ГВт) (10–15 Саяно-Шушенских ГЭС). Эта решетка по замыслу должна ускорить зонд весом 1 г с тоненьким световым парусом до четверти скорости света за 10 минут. Ускорение — 20 000 g (g — ускорение свободного падения). Энергия посчитана примерно правильно, если предположить, что порядка половины от 50 ГВт падают на тоненький парус площадью 1 м2 и весом 1 г.

Автор е-принта пишет простые формулы, а я буду задавать простые вопросы.

Вопрос к читателям: что будет с парусом микронной толщины, когда на него упадет 50 ГВт лазерного излучения на квадратный метр площади?

Нет, возражает автор, мы возьмем пленку с отражающей способностью 99,999% — такие в принципе возможны, всё отразится. Хорошо, скинем пять порядков. Останется 500 кВт. Достаточно, чтобы от паруса остался пшик?

Теперь более серьезный вопрос к физикам: не наступают ли при такой плотности излучения (соответствует температуре 30 000 К, при том что длина волны — 1 мкм) всякие нелинейные эффекты, сводящие на нет все эти пять девяток отражения? В частности, как там насчет абляции? (Есть такой процесс: вырывание атомов с поверхности вещества интенсивным излучением.) Сдается, от нее не спасет никакой высокий коэффициент отражения. Тем более что меньшая интенсивность излучения, типа 1–10 ГВт/м2, — рабочий режим для технологической абляции. Ирония еще и в том, что в другом разделе того же препринта абляция рассматривается как один из вариантов разгона зондов.

Теперь еще одна задачка. Как сфокусировать всю мощность на метровый парус? По сценарию зонд ускоряется лазерным пучком 10 минут, за которые он улетает на тридцать с чем-то миллионов километров. Требуемая точность фокусировки лучей — 0,3 10-10 радиана (формально требуемый размер решетки — 30 км). Встает вопрос: где находится излучатель? В препринте четких заявлений по этому поводу нет, хотя более мелкие предполагается размещать в космосе. Если в космосе, то его вес должен быть порядка миллиона тонн — оценки веса на киловатт излученной мощности приводятся в препринте. Если на Земле, то астрономы хорошо знают, что в атмосфере луч дрожит на 10-5 радиана, и лишь с помощью дорогущей адаптивной оптики удается унять эту дрожь в лучшем случае до 0,3 10-6 радиана. Это на телескопе стоимостью сотни миллионов. Остались пустяки — четыре порядка.

Проигнорировав вопросы прочности и устойчивости зонда, разгоняемого с ускорением 20 000 g лазерным пучком, едем дальше. По дороге электроника зонда хватает примерно 1018 штук 30-МэВных протонов на квадратный сантиметр (это просто атомы межзвездной среды). Вопрос к радиационным материаловедам: что при этом произойдет с электроникой зонда? Можно, конечно, добавить пассивную защиту, но это уже будет не один грамм.

Наконец, допустим, что, победив законы физики, зонд прилетел и сфотографировал гипотетические миры своей миниатюрной камерой. Как передать это на Землю? Допустим, что граммовый нанозонд имеет механизм ориентации с точностью 10-5 и 10-сантиметровое параболическое зеркало, выверенное с точностью до долей микрона и весом менее грамма (оптики, ау!). И маленький светодиод отправит точно в направлении Земли одноваттный сигнал. На приемную решетку от светодиода придет один фотон на каждые 20 гектаров в секунду. Но у нас этих гектаров 10 тыс. (так в препринте). И огромный приемник — та же сфазированная решетка примет этот сигнал с эффективностью один фотон — один бит (так в препринте!). И темп передачи 500 бит в секунду у нас в кармане!

(Специалисты по космической связи, ау!) Правда, рядом в одной или нескольких секундах дуги от светодиода — несфокусированный источник 1026 Вт. Но это уже мелочи. Кстати, у нас уже есть такая чудо-решетка с угловым разрешением 10-10, а значит, нет никакого смысла посылать зонд — она сама прекрасно увидит миры у Альфы Центавра, снимет спектры и даже сможет разрешить их.

Конечно, я далек от мысли, что Мильнер и тем более Хокинг ничего не понимают в физике (Филипа Любина трогать не будем — он не публичная фигура). Вполне возможно, что они осознают, что проект зонда к Альфе Центавра — бред, а вышеупомянутый препринт, скорее всего, никто из них внимательно не читал. Возможно, данное знамя было поднято исключительно в рекламных целях, а на самом деле деньги будут использованы на вполне реалистичные и более скромные проекты. Но такое знамя как прилипнет, так и останется пятном на репутации вплоть до некролога и далее. И никакие прошлые заслуги не сотрут эту двойку по физике, полученную в весьма зрелом возрасте. Возможно, Хокинг здесь ни при чем — он действительно выдающийся физик, но ему очень трудно контролировать всё, что происходит вокруг его имени. У меня есть подозрение, что его не в первый раз используют как реликвию для освящения завиральных идей и плохих сериалов. Что касается Мильнера, то его репутации жаль, ведь в принципе человек делает очень хорошее дело, и я сам в свое время хвалил Мильнера за его премии.

Может быть, подобные бредовые сенсации полезны тем, что привлекают внимание людей к науке? Вот и я написал злобную статью, из которой читатели узнают что-то новое, позитивное. Да, это можно рассматривать как полезную провокацию. Но беда в том, что подобные провокации лишают людей ориентиров, где правда, где чушь, и в конечном счете низвергают науку на один уровень с дешевой пропагандой — этакое торжество постмодернизма. Вред от этого гораздо больше пользы.

Кстати, а реально ли вообще послать зонд к Альфе Центавра и в другие интересные места? Вполне реально, но при одном условии: авторы проекта отказываются от возможности увидеть результат и работают для потомков. Когда-то люди были способны на подобные проекты. Пример — собор Святого Петра, который строили больше 200 лет. Вот как раз за такое время нормальный зонд с ядерным топливом и может долететь (если не тормозить) и всё прекрасно передать через нормальную антенну по радио.