28 февраля 2020 года умер физик Фримен Дайсон, которого многие знают по концепции «сферы Дайсона» — огромной сфере, полностью использующей энергию звезды и дающей место для жизни квинтиллионам людей. Однако на деле это не совсем его идея. Вклад Дайсона в другие области науки и техники был куда важнее. Столь значительным, что все западные СМИ, пытавшиеся написать о смерти физика, столкнулись с проблемой: умер крупный ученый, но из-за «еретических» взглядов даже в некрологе пришлось его критиковать.
Фримен Дайсон, родившийся в Британии в 1923 году, вырос в семье с социалистическими взглядами и одновременно с религиозными традициями. Всю жизнь он хранил необычное сочетание левых политических и христианских убеждений. Его деятельность также характеризовалась постоянным переключением интересов: от стратегических бомбардировщиков и ядерного оружия до астрофизики и квантовой механики.
Бомбы, обычные и ядерные
В 1942 году во время учёбы в Кембридже его перевели из университета и назначили на работу в Отдел исследования операций бомбардировочного командования Королевских ВВС Великобритании. Что может сделать недоучившийся студент в такой организации?
Дайсон с юных лет умело применял числовые методы для решения разнообразных практических задач и удивительным образом оказал влияние на ход Второй мировой войны.
Он определял оптимальную плотность строя бомбардировщиков КВВС, наносящих удары по немецким городам ночью. С радарным прицелом попадать в конкретные цели не удавалось, поэтому молодой исследователь предложил такую плотность ударных групп, которая обеспечивала бы массовое поражение городской застройки. КВВС, следуя таким расчетам, сбросили миллион тонн бомб на немецкие города, убив примерно 0,3 миллиона человек и снизив в 1944 году немецкое промышленное производство на одну двенадцатую часть.
С точки зрения современности эти атаки были, безусловно, террористическими. Бомбер Харрис, даже в 1944 году обещалБомбардировки городов предназначались для того, чтобы напугать немцев и заставить их сдаться, избавив тем самым от необходимости высадки десанта в Нормандии. Вместе с тем очевидно, что решение о террористических атаках принимал не студент Кембриджа Дайсон. Ему было поручено лишь повысить эффективность этих действий.
Вторая попытка помочь КВВС оказалась неудачной. По расчётам молодого человека, с английских ночных бомбардировщиков следовало снять по две оборонительные турели.
По его мнению, эффективность стрельбы из них ночью была невелика, а вот скорость бомбардировщиков при этом увеличивалась на 80 км/ч. Предложение не было принято военными, которые опасались таких радикальных шагов.
Генерал командующий авиацией не волновался о потере пилотов. прозвалиИтог боевых действий: потеря для КВВС. вдвоебольшеСоотношение личного состава у авиации превосходило соотношение в ВВС Красной Армии — это результат значительного труда.
Продолжая работу в военной сфере, после войны Дайсон переехал в Соединенные Штаты и оказывал военным консультации. В 1967 году… выпустилНаучная работа о применении тактического ядерного оружия во Вьетнаме.
В докладе анализируются итоги штабных учений, показавшие значительный потенциал тактического ядерного оружия против Вьетконга. На этих учениях подрывы ядерных бомб на тропах снабжения вьетнамских партизан нарушали доставку боеприпасов, уничтожали мосты в их сети снабжения и выводили из строя большое количество живой силы.
Из-за отсутствия у Вьетконга атомного оружия американские военные считали его применение обоснованным, хотя односторонний развёртывание вызывало сомнения даже у самых радикальных генералов.
Дайсон с соавторами исследовал вопрос с точки зрения соотношения затрат и результативности и обнаружил, что тактическое ядерное оружие здесь в любом случае переоценено. В первую очередь, на штабных учениях продолжительность операций была небольшой. Поэтому тактическая ядерная бомба, блокировавшая дорогу в джунглях на месяц (до засыпания воронки грунтом и тому подобного), формально являлась отличным решением, прерывая снабжение партизан.
Война продлилась больше месяца. При первом использовании бомба уничтожала все деревья в джунглях на километре, и обойти большую воронку на дороге было бы трудно. Но если вьетконговцы проложили обходной путь, последующие удары ядерным оружием по этому маршруту были бы бесполезны. «Дерево можно свалить только один раз», — справедливо замечает работа.
Ядерные удары не могли существенно ослабить Вьетконг численно. Военные рассредоточились в джунглях, и точное их местоположение было неизвестно. Ядерная бомба поражает лишь несколько десятков квадратных километров за раз, а площадь южновьетнамских джунглей исчисляется многими десятками тысяч квадратных километров.
Использование тысяч боеголовок обходилось дорого, кроме того, оно приводило к радиационному заражению, угрожающему мирному населению и, в меньшей степени, военнослужащим США. Хотя уровень радиации не был летальным в большинстве случаев, всё равно он создавал определённые трудности.
Дайсон и соавторы особо подчеркивают: если СССР решит поставить Вьетконгу тактическое ядерное оружие, то для Штатов его использование станет началом поражения. Почти все наземные силы Америки во Вьетнаме находились на 14 базах, не укрытых джунглями. Удары по ним привели бы к потере почти всего личного состава американцев и перелому в войне в пользу Вьетконга.
Скептично можно относиться к тому, что Пентагон, даже с учетом военных учений, решился бы на ковровое ядерное бомбометание во Вьетнаме без работы Дайсона. Тем не менее работа осталась полезна и сохраняет свою значимость в настоящее время.
Такие трезвые количественные оценки лишали военных иллюзий о «всемогуществе» ядерного оружия, заметно снижая желание его применения в других конфликтах — например, с СССР. Исследование показывало, что военные преимущества от использования тактического ядерного оружия настолько малы, что никак не могут оправдать опасных политических последствий.
Работа Дайсона ярко продемонстрировала историю Вьетнамской войны. Штаты сбросили там 7,8 мегатонны бомб и ракет (тротиловый эквивалент сотни Хиросим) на обширную площадь, но проиграли войну: даже очень большая сила бесполезна, если не знаешь, где ее нужно применять.
Квантовая
механика: популяризатор или первооткрыватель?
В 1948-1949 годах в квантовой электродинамике, моделирующей электромагнитное поле как собирающееся из частиц — фотонов, образовалась дилемма. Синъитиро Томонага из Японии и Джулиан Швингер из Америки предложили два различных подхода к описанию поведения этих частиц. Физикa всего мира пытались определить, какой подход более совершенен.
В то время Дайсон, обосновавшийся в Соединенных Штатах, сотрудничал с физиком Ричардом Фейнманом, автором . диаграммы
Фейнмана— вычислительный инструмент, смысл которого в то время понимал только его создатель. Дайсон, не имевший даже собственной диссертации (защиты так и не осуществил), смог освоить весьма сложную область крайне «новой» на тот момент физики и показать, что с математической точки зрения подходы Швингера и Томонаги идентичны, а диаграммы Фейнмана отлично подходят для описания взаимодействия частиц в квантовой электродинамике.
За это открытие Нобелевской премией были награждены Фейнман, Томонага и Швингер, а Дайсон – нет. Вероятно, причиной тому является то, что премию не присуждали более чем трем лицам. Возможно также, что Дайсон сыграл роль скорее интегратора и популяризатора, чем первооткрывателя. До него научное сообщество в целом не понимало диаграмм Фейнмана.
Сфера Дайсона
В конце 1950-х гг. внимание ученого привлек вопрос парадокса Ферми — почему мы не видим внеземных цивилизаций, если Вселенная должна быть ими полна с учетом количества звезд и предположительного количества планет.
В западной культуре не было осведомленности о том, что «парадокс Ферми» впервые сформулировал Циолковский в 1930-х годах и предложил ему удовлетворительное решение. Не зная об этом, Дайсон пытался представить, какими могли бы быть следы внеземных цивилизаций, доступные для наблюдения в телескопах того времени.
В 1960 году учёный выдвинул гипотезу сферы Дайсона — конструкции внеземных цивилизаций, которую можно было бы заметить из космоса. Сфера должна состоять из множества независимых плоских элементов, окружающих звезду со всех сторон. Изнутри её покрыли солнечными батареями и жилыми модулями для разумных существ. Конструкция позволяет использовать основную часть энергии звезды, предоставляя цивилизации неограниченные энергетические возможности на протяжении миллиардов лет, а также жизненное пространство для сотен квинтиллионов существ типа людей.
С научной точки зрения гипотеза о такой мегаконструкции важна тем, что она должна выдавать внеземную цивилизацию с высокой вероятностью. Закрывая видимый свет от звезды, сфера неизбежно будет терять часть энергии в виде инфракрасного излучения. В Вселенной нет настолько мощных источников ИК-излучения естественного происхождения, но при этом не дающих видимого света. После гипотезы Дайсона, увидев такие объекты, астрономы быстро сосредоточат на них внимание и смогут выявить потенциальных представителей других цивилизаций.
Масштаб и кажущаяся практичность конструкции впечатляют публику, начиная со «Стартрека», активно присутствуя в поп-культуре. Возможно, из этого причина, почему большинство людей воспринимают «сферу Дайсона» как самую известную сторону деятельности ученого. Два момента забавно подчёркивают это: он не является полным автором идеи, кроме того, строить сферы Дайсона бессмысленно.
Фримен Дайсон сам упоминал, что его «сфера» развивает идею английского фантаста Олафа Стэплдона из книги «Создатель звезд» 1937 года. В книге Стэплдона не было сплошной сферы — только «лента» уплощенных жилых модулей в экваториальной плоскости звезды. Причины различия заключаются в том, что полярные части сферы Дайсона сами по себе имеют неустойчивые орбиты, и для их удержания постоянно нужно было бы «подруливать», для чего требовались двигатели и трата части получаемой энергии. опередилВ своем произведении 1894 года Циолковский представил концепцию «ленты», хотя масштабы его идеи были скромнее.
До настоящего времени не выявлено ни одного объекта, напоминающего сферу Дайсона, и вполне вероятно, что в будущем таковые не будут обнаружены.
Первая — техническая: для постройки сферы нужно вещество массой примерно как у Юпитера, то есть более половины вещества всех планет нашей системы. Однако Юпитер, как и все такие массивные планеты Вселенной, состоит главным образом из водорода и гелия. Из этих газов солнечные батареи и жилые модули никак не построить. Можно импортировать материю из соседних планетных систем, но куда проще не тащить квинтиллионы тонн от десятков звезд, а перевезти к ним нужное количество собственного населения. Любая мыслимая колонизация других планет технически куда реальнее, чем постройка такой сферы. Кстати, водород из состава Юпитера может давать ту же энергию, что и сфера Дайсона вокруг Солнца, 300 миллионов лет подряд (если использовать его в термоядерных реакторах).
Вторая причина ненужности сфер для внеземных цивилизаций заключается в том, что развитые общества, судя по нашей, теряют население, а не увеличивают его. Достигнув высокого уровня развития, цивилизация больше не может наращивать численность своих носителей до сотен квинтиллионов, которым действительно была бы нужна сфера Дайсона.
Кроме того, у биологов существуют серьёзные подозрения относительно того, что развитая цивилизация — как минимум, в её нынешнем виде — ведетДеградация интеллектуальных возможностей носителей может привести к олигофрении, а вслед за ней – краху техногенной цивилизации. Через тысячу лет земная цивилизация может оказаться на этой ступени развития. В этом случае строительство сферы Дайсона представляется маловероятным делом; возможно, даже утрата навыков чтения и письма станет проблемой.
Предложение Дайсона было вполне разумным для 1960 года, когда оставалось неясно, какая масса потребуется для постройки сферы и как быстрый рост населения в то время будет взаимодействовать с развитием и последующим угасанием цивилизаций. И сегодня главное его предположение продолжает быть ценным: продвинутые внеземные цивилизации должны оставлять следы техногенного воздействия, заметные астрономам, пусть и не такими внушительными, как сфера Дайсона.
На атомной бомбе в космос
В 1950-х Дайсона включили в проект «Орион» — гигантский космический корабль (минимум как «Старшип» SpaceX, не менее четырех тысяч тонн), летающий на подрывах небольших и относительно «чистых» термоядерных и ядерных зарядов мощностью в доли килотонн. Корабль запускался подрывами бомб за кормовой стальной плитой, покрытой тонким обновляемым слоем графита. При взрыве бомба испаряла тонкий диск, выбрасываемый вместе с ней. Плазма от испаренного диска била в кормовую плиту, придавая импульс кораблю.
Запуск с ядерного полигона предусматривал подрывы бомб в 0,1 килотонны раз в секунду. В космосе же, где применение атомного оружия проще, мощность подрыва возрастала до 20 килотонн. Экспериментально графитовая абляция была проверена во время термоядерного взрыва на атолле Эниветок. Стальные шары в девяти метрах от мегатонного взрыва остались неповрежденными: всю энергию унесла испаренная тонкая графитовая оболочка, подтвердив точность расчетов по «Ориону». Проводились также атмосферные испытания макетов взрыволетов с обычной взрывчаткой.
Дайсон рассчитал более мощные варианты «ядерных кораблей» для межзвездных путешествий, масса которых достигала десятков миллионов тонн. По его вычислениям, при диаметре плиты в 20 километров и подрывах бомбы за кормой раз в 100 секунд абляционный слой не обязателен: металлическая плита самостоятельно остынет из-за испускаемого ею инфракрасного излучения при нагревании.
Такой корабль мог разогнаться до тысячи километров в секунду за сто лет, ещё тысячу одинсот лет лететь до альфы Центавра и ещё сто лет тормозить близ нее. За счёт миллиона тонн полезной нагрузки и миллионов тонн веса конструкции (автоматически защищающих от космической радиации) в корабле можно было разместить много колонистов. Во время пути им получали бы еду от гидропоники, а прибыв на место, могли начать его колонизацию. Возможно, было и достижение ближайших звезд на скоростях в десять тысяч километров в секунду и всего за сто тридцать лет, но уже с куда меньшей нагрузкой (исследовательский, а не колонизационный корабль).
Путешествие к ближайшим звёздам было дорогостоящим: исследовательский корабль стоил бы 10% ВВП США 1960-х годов, а колонизационный — 100%. Более скромные варианты для высадки на Марс были значительно дешевле, сравнимы с лунной программой. В 1963 году СССР и США запретили ядерные испытания в атмосфере, после чего проект был закрыт.
В сегодняшних реалиях смысл его может иметь только при подрыве бомб на орбите Земли и далее: в конечном итоге, химические ракеты не могут летать дальше орбиты Юпитера из-за длительности полета, а астронавты получат много космической радиации. Однако, несмотря на все перспективы проекта, он сейчас вне поля зрения действующих участников. Страны не желают лететь в дальний космос, а SpaceX не имеет доступа к ядерному оружию, и колонизация Марса вполне осуществима без термоядерных звездолетов.
Это никак не умаляет значения проекта «Орион» и работ Дайсона, реализуемых в рамках проекта. И по прошествии шестидесяти лет эта концепция остается самым доступным способом достижения ближайших звёзд.
Как физик стал «еретиком»
Фриман Дайсон начал заниматься проблемами климата в 1970-х годах, в период становления научного обсуждения о глобальном потеплении. известными
тезисами советского ученого
Михаила Будыко.
Дайсон первым в истории высказал важный тезис: климатические последствия антропогенных выбросов СО2 в атмосферу меньше неклиматических. Физик проявил научное чутье в смежных отраслях, отметив важность углекислого газа для развития растений и его роль в стимуляции этого развития, которая, по его мнению, важнее, чем изменение климата, вызванное этим же газом. Более того, Дайсон считал опасения относительно потепления преувеличенными.
Дайсон первым обратил внимание: во время климатического оптимума Сахара была саванной, а не пустыней (при повышении температуры вода активнее испаряется из океанов, что приводит к большему количеству осадков на суше). По его словам, в подобных последствиях потепления, таких как зарастание пустынь, нет ничего плохого.
Через 40 лет идеи Дайсона полностью подтвердились в связи с тем что антропогенные выбросы СО2 привели к глобальному озеленению. Это явление колоссальных масштабов, в рамках которого только начиная с 80-х площадь листьев на планете увеличилась на размер амазонских джунглей и продолжает расти. Как суммировал это исследователь: «Измерения из космоса показывают, что вся Земля становится зелёнее из-за выбросов СО2, и он же увеличивает урожаи сельхозкультур, способствует расширению лесов и ускорению роста всего биологического мира. Это важнее и более определенно, чем влияние этого газа на климат».
В 1970-х взгляды ученого оставались неузнанными, поэтому идеи отвергли. Сегодня его концепции обрели признание: современное научное сообщество анализирует факт глобального озеленения, который Дайсон предсказал ранее. Из-за этого западные СМИ, отмечая его вклад в науку, продолжают писать «но в дискуссии о глобальном потеплении он занял неверную позицию».
Дайсон несколько лет назад попытался ответить на вопрос о причинах того, почему ложное мнение о «гибельности» глобального потепления и антропогенного СО2, единожды утвердившись, до сих пор удерживает свои позиции – вопреки фактам, таким как глобальное озеленение. Он полагает, что дело в «племенном» мышлении: люди сотни тысяч лет жили в условиях первобытных племен, где подчинение авторитетам было важнее критического мышления. Поэтому однажды утвердившиеся мнения застревают так долго в головах даже у ученых, ведь они тоже люди и часто склонны к «племенному мышлению».
Мы считаем данное описание не совсем точным. Подчинение авторитетам, описанное Дайсоном, свойственно племенам людей только с неолита. У охотников-собирателей слепое подчинение вождю или старейшинам слишком легко заканчивается гибелью на охоте, где требуется самостоятельность. Жизнь земледельца более предсказуема, а значение авторитетов выше — в конце концов, именно в их руках скапливаются избытки продовольствия, которые позволяют пережить голодный год (у охотников в руках авторитетов племени крупных запасов еды быть не может).
Несмотря на это, исследователь прав: непонимание его «еретических» взглядов на климат может быть вызвано особенностями архаичного мышления. В истории люди всегда проявляли предубеждение к новому и неизвестному. Тенденция приписывать зловещую природу всему непонятному довольно разумна: в каменном веке, увидев незнакомое животное, лучше было перестраховаться, чем упустить возможность защиты. Избыток осторожности отнимал только время, а недостаток — жизнь. Вот почему мы так легко подвергаемся стрессу даже из-за мелочей.
В настоящее время быстрое развитие науки и техники порождает множество неизвестного, а привычка опасаться зловещих последствий от всего малопонятного мешает, в отличие от каменного века, когда это было полезно. В Англии суд запретил расширение аэропорта Хитроу из-за опасений усиления глобального потепления, в мире вводят углеродный налог и предпринимают множество других шагов, вызванных страхом.
Идеи Дайсона не только сохраняются, но и приобретают актуальность. Глядя на жизнь исследователя с современной точки зрения, можно констатировать, что ему удалось благополучно реализовать отведенные 96 лет. Вполне вероятно, в ближайшем будущем ещё немало подтверждений его идей станет очевидным.