Безумное в безумном

Казалось бы, мы достигли предела возможного. Ионный двигатель космического корабля позволяет, во всяком случае принципиально, получить любую скорость (повторяем — меньше скорости света) истечения рабочего вещества, к тому же обеспечивает еще и добавочное условие: все частицы рабочего вещества с самого начала двигаются в одном направлении. Чего еще желать? Но аппетит приходит во время еды. Поэтому давайте рассуждать дальше. Говоря о требованиях к рабочему веществу, мы ограничились одним-единственным: наибольшая скорость истечения.

Является ли это требование действительно единственным? Чтобы ответить на такой вопрос, вернемся к бобовой модели. Вот он, наш цветочный горшок, летящий к Луне, и стебель, стремительно растущий в противоположном направлении. Центр масс, как всегда, неподвижен и находится в точке А. До сих пор нам хотелось одного: чтобы стебель рос как можно быстрее. Предположим, что мы достигли предела своих желаний, иными словами, достигли некоторой предельной для нас скорости роста стебля. Не будем пока говорить, какова эта скорость. Подумаем, не стоит ли нам пожелать чего-нибудь еще.

Посмотрим на бобовую модель в некоторый фиксированный момент времени. Горшок движется с постоянной скоростью и имеет в этот момент времени заданную массу. Стебель также движется с постоянной скоростью (равной установленному пределу желаний). Масса стебля во столько же раз меньше массы горшка (в данный момент времени), во сколько раз скорость роста стебля больше скорости движения горшка. Масса меньше, но все же чему-то равна. Другими словами, определив скорость, мы тем самым определили и массу стебля, то есть выброшенного из сопла двигателя на данный момент времени рабочего вещества. Чем больше эта масса (при данных скоростях), тем дальше улетел горшок — вспомним основное правило определения центра масс.

Так чего мы хотим? Мы хотим, чтобы горшок улетел дальше, а значит, чтобы масса стебля была больше. Но стебель вырастает из горшка, а горшок мы хотим сделать легче — тогда он будет двигаться быстрее и улетит дальше. Мы хотим, чтобы рабочее вещество имело как можно меньшую массу, пока оно еще находится в баках корабля, и как можно большую массу, когда оно окажется по ту сторону центра масс. Иначе говоря, мы хотим, чтобы одно и то же количество вещества имело различную массу.

Безумное желание? Конечно, безумное. На наш взгляд, сама по себе ракета вещь настолько безумная  — она и движется и остается неподвижной, — что продолжать искать безумное в безумном — это уж слишком. Но, может быть, стоит рискнуть?

Предъявляем к рабочему веществу следующее требование: пусть оно имеет меньшую массу, пока находится в баках корабля, и большую массу, когда оно отлетит от сопла двигателя и переберется на ту сторону центра масс. Или иначе: используем в качестве рабочего вещества вещество, обладающее меняющейся массой.

Задачу-то поставили, но есть ли у нее решение? Конечно, есть. И нашел его не кто иной, как Сирано де Бержерак. Помните двадцатигранный хрустальный корабль, который толкает вперед сила сгустившегося света? Мы не настаиваем на том, чтобы корабль был именно двадцатигранным. Пусть это будет обычный космический корабль, а его баки мы заполним сгущенным светом. Не станем пока задумываться о том, как это сделать, а вместо этого посмотрим, что получится.

Свет состоит из фотонов — частиц, движущихся с наибольшей возможной в природе скоростью. Что же, скорость нас устраивает вполне. Если отражать свет от параболического зеркала-рефлектора, все фотоны будут двигаться в одном направлении — в направлении светового луча. Это нас также вполне устраивает. Движущиеся фотоны обладают массой.

Это обстоятельство было впервые экспериментально продемонстрировано русским физиком П. Н. Лебедевым. Он не только показал, что луч света, падающий на легкую металлическую пластинку, оказывает на нее давление, но измерил это давление. И, наконец, последнее. Фотон в отличие от других частиц, таких, как, например, электрон, не обладает массой покоя. Иначе говоря, если удастся остановить фотон, он полностью потеряет свою массу.

Вот оно — идеальное рабочее вещество! Сгущенный свет Сирано де Бержерака — это не что иное, как остановленные, находящиеся в покое фотоны. Но стоит выпустить их на свободу, они сразу приобретут все необходимые нам свойства: и скорость, больше которой не бывает, и массу, и нужное направление движения. Плохо только одно. До сих пор никому в мире не удалось остановить фотон — остановленный фотон просто исчезает.

Но если нельзя взять фотоны с собой, придется получать их прямо на месте, на борту космического корабля. Приходим к проекту номер три: на борту корабля установлен все тот же атомный реактор, вырабатываемая реактором энергия превращается в электрическую, электрическая энергия питает лампочку, расположенную в фокусе параболического зеркала-отражателя, укрепленного на корме корабля (смотрите рисунок), лампочка порождает фотоны, которые, отражаясь от зеркала, устремляются назад, а корабль, как ему и положено, движется вперед. Все хорошо в этом проекте, кроме одного — никакая лампочка не даст нам нужного количества фотонов. Надо получать фотоны каким-нибудь другим способом.

Каким? Например, из ничего.

И вот настал момент, когда лопнуло терпение у самого хладнокровного читателя. Как это так — из ничего? Но почему же, в таком случае, спросим мы читателя, ты не возмущался, услышав, что остановленный фотон исчезает? А если нечто может исчезнуть, то есть превратиться в ничто, почему бы ему снова не появиться из ничего? На самом деле все, конечно, не так просто. Окончательно решить безумную задачу нам помогут дополнительные сведения, почерпнутые из мира элементарных частиц.

Современная физика точно установила, что у многих давно известных элементарных частиц, таких, как электроны и протоны, имеются противоположные им по свойствам античастицы. Например, для электрона античастицей является позитрон. Позитрон имеет те же размеры и массу, что и электрон, но в отличие от электрона он заряжен положительно. Самое интересное происходит тогда, когда частица сталкивается со своей античастицей. Если электрон столкнется с позитроном, обе частицы исчезнут или, как говорят физики, аннигилируют. Исчезнут в полном смысле этого слова — перестанут существовать или превратятся в ничто. Но из этого «ничто» немедленно рождается фотон, причем фотон с очень высокой энергией. Масса электрона и протона полностью превращается в энергию в соответствии со знаменитым уравнением Эйнштейна.

Теперь наш проект номер три завершен, а заодно лишился каких бы то ни было фантастических подробностей. На корабле два бака: один заполнен электронами, а второй — позитронами. Электроны и позитроны тоненькими струйками выпускаются из баков по трубкам. Эти струйки встречаются в фокусе зеркала-отражателя. Происходит аннигиляция, образующиеся в ее результате фотоны отражаются от зеркала, а дальше все, как уже было описано.

Пока мы не знаем, откуда брать позитроны и как хранить их в баке. Но ясно одно: позитроны существуют, они неисчислимое количество раз наблюдались в самых различных экспериментах. Кроме того, позитроны, а заодно и некоторые другие античастицы можно получать искусственным путем. Это не раз проделывали советские и зарубежные ученые, проводя опыты с ускорителями элементарных частиц. Остановка пока что лишь за техническими подробностями. Но не будем забывать, что весь рассказ мы ведем от лица потомков.