28 февраля 2020 года скончался физик Фримен Дайсон, наиболее известный благодаря концепции «сферы Дайсона» – гипотетической структуры, способной улавливать энергию звезды и предоставлять среду обитания для квинтиллионов людей. Однако это не была его первоначальная идея, но его вклад в другие области науки и техники оказался значительно более существенным. Западные СМИ столкнулись с неожиданной проблемой, пытаясь осветить его смерть: даже в некрологе пришлось подвергнуть критике Дайсона из-за его «еретических» взглядов. Обо всем расскажем последовательно.
Фримен Дайсон, родившийся в Великобритании в 1923 году, воспитывался в семье, придерживавшейся социалистических убеждений, но также отличавшейся религиозностью. Это сочетание относительно левых политических взглядов и христианских убеждений оказало влияние на всю его жизнь. Ещё одной отличительной чертой его деятельности стало постоянное переключение между разнообразными областями знаний: от стратегических бомбардировщиков и тактического ядерного оружия до астрофизики и квантовой механики.
Бомбы, обычные и ядерные
В 1942 году, пока он учился в Кембридже, его забрали из университета и направили на работу в Отдел исследования операций бомбардировочного командования Королевских ВВС Великобритании. Что мог делать студент, не закончивший обучение, в таком месте?
Дайсон с ранних лет демонстрировал способность творчески использовать числовые методы для решения разнообразных практических задач, и, что примечательно, уже в то время он оказал существенное влияние на развитие событий во время Второй мировой войны.
Для определения наилучшей концентрации бомбардировщиков, действовавших в ночное время на немецкие города, был выполнен расчет. Поскольку даже при использовании радарной системы наведения бомбардировщикам не удавалось поражать конкретные цели, молодой исследователь предложил сформировать ударные группы с достаточной плотностью для нанесения массированного удара по городской инфраструктуре. В соответствии с этими рекомендациями, КВВС сбросили на немецкие города миллион тонн бомб, что привело к гибели около 0,3 миллиона человек и, в 1944 году, к сокращению немецкого промышленного производства на 1/12.
По современным представлениям эти действия, несомненно, являлись актами терроризма. Руководитель бомбардировочного командования Бомбер Харрис, даже в 1944 году обещал, считалось, что массированные бомбардировки немецких городов заставят их капитулировать, и, соответственно, высадка десанта в Нормандии станет ненужной. Однако очевидно, что решение о проведении террористических атак не принимал студент Кембриджа Дайсон. Его задача заключалась в том, чтобы повысить их практическую эффективность.
Второй раз молодой человек пытался предложить помощь КВВС, но это не принесло ему успеха. Он полагал, что с английских ночных бомбардировщиков следует убрать по две оборонительные турели, поскольку их эффективность ночью была низкой, а скорость самолетов при этом увеличилась бы на 80 км/ч. Военные отказались рассмотреть его предложение, опасаясь таких значительных изменений.
Необходимо отметить, что руководитель бомбардировочного командования демонстрировал снисходительное отношение к потерям среди летчиков, за что прозвали Мясник Харрис. В конечном счёте, КВВС потерпели поражение в войне вдвое больше летного состава, чем ВВС Красной Армии, — достижение, которого действительно непросто добиться.
На этом его деятельность в военной сфере не была завершена. После окончания Второй мировой войны Дайсон перебрался в США, где оказывал консультационные услуги военным. В 1967 году выпустил
специальную научную работу об эффективности
применения тактического ядерного оружия
во Вьетнаме.
В ней он анализирует итоги штабных учений, продемонстрировавших значительный потенциал тактического ядерного оружия в борьбе с Вьетконгом. В ходе этих учений имитация подрывов ядерных бомб на маршрутах снабжения вьетнамских партизан привела к нарушению поставок боеприпасов, разрушению мостов в их логистической сети и существенным потерям в живой силе противника. Отсутствие у Вьетконга ядерного арсенала позволило американским военным посчитать применение оружия в данном случае обоснованным, несмотря на политические последствия односторонних действий, которые вызвали сомнения даже у самых принципиальных генералов.
Действительно, Дейсон и его коллеги проанализировали соотношение затрат и эффективности и пришли к выводу, что тактическое ядерное оружие в целом не соответствует ожиданиям. В частности, они отметили, что на штабных учениях время проведения операций было ограничено. Поэтому тактическая ядерная бомба, способная перекрыть путь в джунглях на месяц (до естественного зарастания воронки грунтом и прочее), формально представлялась эффективным способом прервать снабжение партизан.
В действительности боевые действия продолжались более месяца. При первом использовании бомба уничтожала всю растительность на протяжении километра, и объезд большого кратера на дороге представлял бы значительные трудности. Однако, если бы вьетконговцы проложили альтернативный путь, дальнейшие ядерные удары по тому же маршруту не принесли бы желаемого результата. «Дерево можно повалить лишь однажды», – справедливо подмечается в работе.
Ядерные удары не смогли бы ослабить силы Вьетконга и в количественном отношении. Его бойцы были разбросаны по джунглям, и точное местоположение этих сил оставалось неизвестным. Взрыв ядерной бомбы охватывает лишь несколько десятков квадратных километров, в то время как площадь джунглей в Южном Вьетнаме составляет многие десятки тысяч квадратных километров. Применение тысяч боеголовок было бы экономически затратным, а также повлекло бы за собой радиационное заражение, представляющее опасность как для гражданского населения, так и, в меньшей степени, для военнослужащих США. Несмотря на то, что этот уровень заражения редко был смертельным, он все равно создал бы определенные трудности.
Действительно, Дайсон и его коллеги акцентируют внимание на том, что если Советский Союз примет решение предоставить Вьетконгу тактическое ядерное оружие, то для Соединенных Штатов применение этого оружия станет сигналом о начале поражения. Подавляющее большинство американских наземных сил, действовавших во Вьетнаме, было сосредоточено на 14 базах, расположенных без лесной защиты. Нанесение ударов по этим базам привело бы к значительным потерям американского личного состава и стало бы поворотным моментом в войне, благоприятным для Вьетконга.
Вызывает сомнения,
что Пентагон, даже проводя военные
учения, решился бы на массированное
ядерное бомбометание во Вьетнаме без
работ Дайсона. Однако ее вклад оказался
ценным и сохраняет свою актуальность
и в настоящее время. Такие реалистичные
численные расчеты позволяли военным
избавиться от иллюзий о якобы
неограниченных возможностях ядерного
оружия, что значительно уменьшало
желание применять его и в
других ситуациях, например, с СССР.
Работа продемонстрировала, что военные
преимущества от применения тактического
ядерного оружия настолько незначительны,
что не могут быть оправданы рискованными
политическими последствиями.
Работа
Джеффри Дайсона получила яркое подтверждение
в ходе развития событий во Вьетнамской войне.
США сбросили на территорию Вьетнама 7,8 мегатонн бомб и
ракет (что эквивалентно сотне
Хиросим по мощности), нанеся ущерб общей площадью в миллионы квадратных
километров, однако войну проиграли: даже
огромная мощь оказывается бессильной, если
неправильно определена цель ее применения.
Квантовая
механика: популяризатор или первооткрыватель?
В период с 1948 по 1949 год квантовая электродинамика, теория, описывающая электромагнитное поле как совокупность квантов (фотонов), столкнулась с трудностями. Японский ученый Синъитиро Томонага и американец Джулиан Швингер предложили альтернативные методы для моделирования поведения частиц в квантовой электродинамике, что вызвало ожесточенные дебаты среди специалистов по всему миру, стремящихся определить, какой из подходов является более точным.
В то время Дайсон, уже проживавший в США, сотрудничал с физиком Ричардом Фейнманом, который был создателем
диаграммы
Фейнмана — это был вычислительный инструмент, функциональность которого в то время не мог понять никто, кроме его создателя. Несмотря на отсутствие диссертации (которую он так и не защитил), Дайсон глубоко погрузился в сложную область, которая в те годы считалась передовой физикой, и продемонстрировал, что с математической точки зрения подходы Швингера и Томонаги эквивалентны, а диаграммы Фейнмана эффективно описывают взаимодействие частиц в квантовой электродинамике.
Интересно, что Нобелевскую премию за это открытие получили Фейнман, Томонага и Швингер, а Дайсон – нет. Вероятно, причина в том, что премию не выдавали больше чем трем ученым. Возможно, также, что Дайсон скорее объединил и популяризировал результаты работы, чем сделал первооткрытие, поскольку до него научное сообщество в целом не понимало диаграмм Фейнмана.
Сфера Дайсона
В конце 1950-х годов интерес ученого был привлечен проблемой парадокса Ферми, который заключается в отсутствии наблюдаемых внеземных цивилизаций, несмотря на огромное количество звезд и планет во Вселенной, предполагающее их широкое распространение.
На Западе в то время не знали, что «парадокс Ферми» впервые был сформулирован Циолковским в 1930-х годах, и он же предложил его решение. Не располагая этой информацией, Дайсон попытался представить, какие признаки внеземных цивилизаций могли быть заметны при наблюдениях через телескопы того времени.
В 1960 году он предложил гипотезу сферы Дайсона — концепцию, описывающую потенциально обнаруживаемую из космоса конструкцию, созданную внеземной цивилизацией. Эта сфера представляла собой совокупность отдельных плоских элементов, окружающих звезду со всех сторон. Её внутренняя поверхность покрыта солнечными батареями и жилыми модулями, предназначенными для обитания разумных существ. Такая конструкция позволяет использовать значительную часть энергии звезды, обеспечивая цивилизации практически безграничные энергетические ресурсы на протяжении миллиардов лет и обширное пространство для жизни сотен квинтиллионов существ, подобных людям.
С научной точки зрения, значимость гипотезы о подобной мегаструктуре заключается в том, что она должна однозначно указывать на существование внеземной цивилизации. Создавая непрозрачный барьер перед звездой, сфера неминуемо будет рассеивать часть энергии в виде инфракрасного излучения. Во Вселенной не встречается природных источников такого мощного инфракрасного излучения, которые бы не сопровождались видимым светом. После выдвижения гипотезы Дайсона, обнаружение подобных объектов немедленно привлечет внимание астрономов и позволит им идентифицировать потенциальных представителей других цивилизаций.
Масштаб и видимая целесообразность этой конструкции впечатляют и, начиная с «Стартрека», широко распространены в поп-культуре. Именно поэтому «сфера Дайсона» является наиболее известным аспектом деятельности ученого для многих людей. При этом забавно, что он не является полным автором этой идеи и, к тому же, нет никаких оснований строить «сферы Дайсона.
С автором. Фримен Дайсон сам отмечал, что его концепция «сферы» является развитием идеи, предложенной английским фантастом Олафом Стэплдоном в книге «Создатель звезд» (1937 год). Однако, в оригинальной идее Стэплдона речь шла не о сплошной сфере, а о «ленте» из уплощенных жилых модулей, расположенных в экваториальной плоскости звезды. Различие обусловлено тем, что полярные области сферы Дайсона характеризуются неустойчивыми орбитами, и для поддержания ее целостности потребовалось бы постоянное корректирование траектории с использованием двигателей, что привело бы к расходу части получаемой энергии. Частично Стэплдона опередил
Циолковский в своем фантастическом
произведении 1894 года, хотя у него масштаб этой «ленты» был еще меньше.
На сегодняшний день ни один объект, напоминающий сферу Дайсона, не был обнаружен, и, вероятно, никогда не будет найден. Это объясняется двумя причинами.
Первая — техническая: для возведения структуры подобного рода
требуется вещество огромной массы, сопоставимой с Юпитером,
то есть более половины вещества всех
планет нашей системы. Однако Юпитер,
как и все настолько массивные планеты
Вселенной, преимущественно состоит из
водорода и гелия. Из этих газов не получится построить
солнечные батареи и жилые модули.
Разумеется, можно импортировать материю
из соседних планетных систем, но куда
более целесообразно не перевозить квинтиллионы тонн
от десятков звезд, а доставить необходимое
количество собственного населения.
Любая мыслимая колонизация других
планет технически куда более осуществима, чем
строительство подобной структуры. Кстати,
водород, содержащийся в Юпитере, способен генерировать
энергию, аналогичную той, что производит сфера Дайсона вокруг
Солнца, в течение 300 миллионов лет (если
использовать его в термоядерных
реакторах).
Второй причиной, по которой сферам могут быть не нужны внеземным цивилизациям, является тот факт, что, как показывает пример нашей цивилизации, развитые общества, как правило, сокращают, а не увеличивают свою численность. Достигнув определенного уровня развития, цивилизация перестает иметь потенциал для увеличения количества своих представителей до сотен квинтиллионов, что было бы необходимо для использования Сферы Дайсона.
Более того, биологи высказывают серьезные подозрения, что развитая цивилизация — по крайней мере, в ее нынешней форме
— ведет
к деградации умственных способностей
ее носителей. Возможно, до уровня
олигофрении, с последующим коллапсом
техногенной цивилизации в принципе.
Земная цивилизация рискует вступить в
эту стадию через тысячу лет. Какая уж
тут сфера Дайсона: хорошо бы не разучиться
читать и писать.
Идея Дайсона была вполне обоснованной для 1960 года, когда окончательный объем необходимой массы для создания сферы оставался неясным, а прогнозы быстрого роста населения не учитывали последующее вымирание, сопутствующее развитию цивилизации. И сегодня основная суть его концепции сохраняет свою значимость: развитые внеземные цивилизации неизбежно должны создавать техногенные следы, которые могут быть обнаружены астрономами, даже если они не столь масштабны, как сфера Дайсона.
На атомной бомбе в космос
В 1950-х годах Дайсона заинтересовали в проекте «Орион» — концепции гигантского космического корабля (массой не менее четырех тысяч тонн, как «Старшип» SpaceX) с двигателем, использующим подрывы небольших и относительно «чистых» термоядерных и ядерных зарядов мощностью в доли килотонн. Проект предусматривал приведение корабля в движение посредством взрывов бомб, расположенных за стальной кормовой плитой, покрытой тонким, регулярно восполняемым слоем графита. В процессе подрыва бомба испаряла тонкий диск, который выбрасывался вместе с ней, а плазма, образовавшаяся при испарении диска, воздействовала на кормовую плиту, создавая импульс для корабля.
При запуске с поверхности Земли (с ядерного полигона) за кормой ежесекундно должна была детонировать бомба мощностью 0,1 килотонны, а в космосе, где использование атомного оружия представляется более простым, — бомба мощностью 20 килотонн. К слову, во время подрыва термоядерной бомбы на атолле Эниветок экспериментально проверили эффективность графитовой абляции. Стальные шары, расположенные на расстоянии девяти метров от эпицентра взрыва мегатонного класса, не получили повреждений: всю энергию поглотила испарившаяся тонкая графитовая оболочка, подтвердив точность расчетов, выполненных для проекта «Орион». Также проводились атмосферные испытания макетов взрыволетов, использующих обычную взрывчатку:
Джонатан Дайсон разработал расчеты для более мощных вариантов «ядерного корабля», предназначенных для межзвездных перелетов и обладающих массой в десятки миллионов тонн. Согласно его расчетам, при использовании плиты диаметром 20 километров и детонации бомбы за кормой каждые 100 секунд, абляционный слой не требуется: металлическая плита будет остывать самостоятельно благодаря инфракрасному излучению, возникающему при нагревании.
Корабль такой конструкции потенциально мог достичь скорости в 1000 километров в секунду и разогнаться до этого значения за 100 лет, провести 1100 лет полета до альфы Центавра и потратить еще 100 лет на торможение вблизи этой звезды. Благодаря миллиону тонн полезной нагрузки и миллиону тонн веса конструкции, обеспечивающих автоматическую защиту от космической радиации, на корабле можно было разместить значительное количество колонистов. В процессе путешествия они обеспечивались бы продовольствием с помощью гидропоники, а по прибытии – приступили к колонизации новой планеты. Также рассматривалась возможность достижения ближайших звезд на скоростях до 10 тысяч километров в секунду и за 130 лет, однако для этого потребовалось бы существенно уменьшить полезную нагрузку (для исследовательского, а не колонизационного корабля).
Полеты к ближайшим звездам были сопряжены со значительными затратами:
исследовательский корабль обошелся бы в 10% ВВП США
1960-х годов, а колонизационный — в 100%. Более
экономичные варианты для высадки на Марс
оказались бы намного дешевле, сопоставимы с лунной
программой. Однако в 1963 году СССР и США
запретили ядерные испытания в атмосфере,
на чем проект закрыли.
В современных условиях это может быть оправдано, если взрывы будут осуществляться на орбите Земли и за ее пределами. В конце концов, на химических ракетах преодоление расстояния до орбиты Юпитера займет слишком много времени, и астронавты подвергнутся воздействию значительного количества космической радиации. Однако, несмотря на всю потенциальную выгоду проекта, в настоящее время он не представляет интереса для действующих участников. Государства не стремятся к полетам в дальний космос, а SpaceX не располагает доступом к ядерному оружию, к тому же колонизация Марса вполне осуществима и без термоядерных звездолетов.
Это не уменьшает важности проекта «Орион» и связанных с ним разработок Дайсона. Даже спустя 60 лет, эта концепция остается наиболее перспективным способом достижения ближайших звезд.
Как физик стал «еретиком»
Действительно, Фримен Дайсон начал изучать вопросы, связанные с климатом, в 1970-х годах, когда только начинались научные дебаты о глобальном потеплении, вызванной
известными
тезисами советского ученого
Михаила Будыко.
Именно тогда Дайсон впервые выдвинул значимый аргумент: климатические последствия антропогенных выбросов углекислого газа в атмосферу существенно ниже, чем неклиматические. Физик продемонстрировал глубокое понимание взаимосвязанных областей, указав на то, что углекислый газ играет ключевую роль в росте растений и, благодаря стимуляции этого роста, его влияние будет более значительным, чем изменение климата, спровоцированное этим же газом. К тому же, он полагал, что опасения по поводу глобального потепления являются необоснованными.
Джеральд Дайсон одним из первых указал на то, что в эпоху голоценового климатического оптимума, несколько тысяч лет назад, Сахара представляла собой саванну, а не пустыню (поскольку потепление приводит к более интенсивному испарению воды из океанов, что увеличивает количество осадков на суше). Он подчеркивал, что зарастание пустынь в результате потепления не является негативным явлением.
Через
40 лет идеи Дайсона полностью подтвердились.
В 2016 году было установлено, что антропогенные
выбросы СО2 спровоцировали глобальное
озеленение. Это масштабное явление, согласно которому площадь листвы на планете
с начала 80-х годов увеличилась на величину, сопоставимую с размерами амазонских джунглей,
и продолжает расти. Один из исследователей так это охарактеризовал: «Снимки Земли, полученные из космоса, свидетельствуют о том, что она становится зеленее благодаря [выбросам] СО2, который также повышает урожайность сельскохозяйственных культур, способствует расширению лесных массивов и ускоряет рост всего живого. Это имеет большее значение и является более определенным, чем влияние этого газа на климат».
В 1970-х годах мало кто мог представить себе столь отдаленное будущее, поэтому идеи ученого тогда не поддержали. Сегодня ему оказана полная справедливость: современное научное сообщество продолжает осмысливать факт глобального озеленения, предсказанный Дайсоном много лет назад. В связи с этим западные СМИ, отмечая его вклад в науку, до сих пор пишут, что «в дискуссии о глобальном потеплении он высказался неверно».
Джеймс Дайсон несколько лет назад предпринял попытку объяснить, почему ошибочное представление о «неизбежности» глобального потепления и антропогенного влияния углекислого газа продолжает сохранять свою актуальность, несмотря на наличие опровергающих фактов, таких как глобальное озеленение. Он полагает, что причина кроется в «племенной» модели мышления: люди на протяжении сотен тысяч лет существовали в условиях первобытных общин, где уважение к авторитетам имело приоритет над критическим анализом. Поэтому утвердившиеся убеждения закрепляются в сознании на длительный срок, даже среди ученых, поскольку они, как и все люди, подвержены «племенному» мышлению».
Мы не считаем это вполне точным. Подчинение авторитетам, описанное Дайсоном, характерно для племен людей, начиная с неолита: у охотников-собирателей слепое повиновение вождю или старейшинам чревато гибелью на охоте, поскольку требуется самостоятельное мышление. Жизнь земледельца более стабильна, и авторитеты играют более значимую роль — в конечном счете, именно они распоряжаются излишками продовольствия, которые позволяют пережить голодный год (у охотников племенные авторитеты не могут иметь крупных запасов еды).
Несмотря на это, правоту исследователя можно понять, поскольку его «еретические» взгляды на климат могут быть связаны с особенностями архаичного мышления. В прошлом люди часто проявляли осторожность по отношению ко всему новому и непонятному. Склонность приписывать непонятному явлениям зловещее значение вполне рациональна: в эпоху палеолита, увидев неизвестное животное, лучше было проявить излишнюю осторожность, чем недооценить опасность. Избыточная осторожность лишь отнимала время, тогда как недостаток осторожности мог стоить жизни. Именно поэтому мы так легко поддаемся стрессу даже из-за, казалось бы, незначительных факторов.
Современное развитие науки и техники привело к тому, что нас постоянно окружает неизведанное. Привычный инстинкт опасаться всего непонятного, который был полезен в эпоху каменного века, сегодня не только не помогает, но и создает серьезные препятствия. Так, в Англии суд недавно принял решение о запрете расширения аэропорта Хитроу, мотивируя это опасениями по поводу усиления глобального потепления. По всему миру вводятся углеродные налоги и принимаются другие необоснованные меры, спровоцированные исключительно страхом.
Это указывает на то, что идеи Дайсона не просто остаются значимыми, но и приобретают все большую актуальность. Оценивая его жизнь с современной точки зрения, можно заключить, что как ученый он провел свои 96 лет весьма продуктивно. Вероятно, в ближайшие десятилетия нас ждет множество новых подтверждений его концепций.