А. Березин. Фримен Дайсон: физик, еретик, предсказатель будущего

Фримен Дайсон в Москве в 2009 году, на своей лекции «Еретические мысли о науке и обществе» / ©elementy.ru

28 февраля 2020 года умер физик Фримен Дайсон, которого большинство из нас знает по «сфере Дайсона» — концепции огромной сферы, полностью использующей энергию звезды и дающей место для жизни сразу квинтиллионам людей. Впрочем, на деле это не совсем его идея, но вклад Дайсона в другие отрасли науки и техники был куда важнее. Настолько, что все западные СМИ, пытавшиеся написать о его смерти, столкнулись с серьезной проблемой: скончался крупный ученый, но из-за «еретических» взглядов даже в некрологе Дайсона пришлось сильно критиковать. Расскажем обо всем по порядку.

Родившийся в Британии в 1923 году, Фримен Дайсон вырос в семье социалистических взглядов и в то же время относительно религиозной. В результате он пронес через всю жизнь довольно необычное сочетание сравнительно левых политических и одновременно христианских взглядов. Другая необычная черта его деятельности — постоянное переключение интересов между самыми разными сферами: от стратегических бомбардировщиков и тактического ядерного оружия, до астрофизики и квантовой механики.

Бомбы, обычные и ядерные

В 1942 году, во время учебы в Кембридже, его «выдернули» из вуза и привлекли к работе в Отделе исследования операций бомбардировочного командования Королевских ВВС (КВВС) Великобритании. Казалось бы, что может сделать недоучившийся студент в таком месте?

Однако Дайсон рано проявил умение творчески применять численные методы к анализу самых разных практических проблем и, как ни странно, уже в этом возрасте смог заметно повлиять на ход Второй мировой.

Он рассчитывал оптимальную плотность строя бомбардировщиков КВВС, бомбивших немецкие города ночью. Попасть во что-то конкретное им не удавалось даже с радарным прицелом, поэтому молодой исследователь предложил такую плотность ударных групп, которой хватало бы для массового поражения городской застройки. КВВС, исходя из таких рецептов, сбросили миллион тонн бомб на немецкие города, убив приблизительно 0,3 миллиона человек и обеспечив, в 1944 году, снижение немецкого промпроизводства на 1/12.

Немецкий город Везель, март 1945 года, после ночных ударов британской авиации. Хорошо видно, что бомбежки были неприцельны, поэтому британцы были вынуждены вести их с такой плотностью, чтобы, даже несмотря на промахи, накрыть все имеющиеся постройки / ©Wikimedia Commons

С современной точки зрения такие удары были, бесспорно, террористическими. Глава бомбардировочного командования Бомбер Харрис, даже в 1944 году обещал, исходя из эффекта устрашения немцев бомбежками городов, что те сдадутся и высаживать десант в Нормандии будет не нужно. Но в то же время понятно, что само решение о террористических ударах принимал не студент Кембриджа Дайсон. Его делом было лишь обеспечить им несколько большую практическую отдачу.

Вторая попытка помочь КВВС, однако, не принесла молодому человеку удачи. По его расчетам, с английских ночных бомбардировщиков надо было снять по две оборонительные турели, потому что толк от стрельбы из них ночью не был особенно большим, а вот скорость бомбардировщиков при этом выросла бы на 80 км/ч. Его предложение не было принято военными, опасавшимися столь радикальных шагов.

Надо сказать, глава бомбардировочного командования вообще спокойно относился к потерям среди своих летчиков, за что его прозвали Мясник Харрис. В итоге КВВС потеряли в войне вдвое больше летного состава, чем ВВС Красной Армии, — достижение, которого действительно непросто добиться.

На этом работы в военной области для Дайсона не закончились. После Второй мировой он переехал в США, где консультировал военных. В 1967 году выпустил специальную научную работу об эффективности применения тактического ядерного оружия во Вьетнаме.

«Дэйви Крокетт», безоткатное орудие для стрельбы ядерным боеприпасом M388. Таких боеприпасов было произведено более двух тысяч, они должны были использоваться на расстояниях одного-четырех километров от своих войск / ©Wikimedia Commons

В ней он разбирает результаты штабных учений, показавшие большие возможности тактического ядерного оружия в противостоянии Вьетконгу. На этих учениях подрывы ядерных бомб на тропах снабжения вьетнамских партизан парализовали доставку боеприпасов, уничтожали мосты в их сети снабжения, а равно и большое количество живой силы. Поскольку у Вьетконга атомного оружия не было, американские военные считали его использование здесь оправданным, хотя политические осложнения после его одностороннего применения вызывали вопросы даже у самых «боевитых» генералов.

Дайсон и его соавторы разобрали вопрос с точки зрения баланса затрат и результатов и обнаружили, что тактическое ядерное оружие здесь во всех смыслах переоценено. Во-первых, указали они, на штабных учениях длительность операций была малой. Поэтому тактическая ядерная бомба, перекрывавшая дорогу в джунглях на месяц (до засыпания воронки грунтом и так далее), формально была отличным решением, обрывая снабжение партизан.

Однако в реальной жизни война длилась больше месяца. При первом применении бомба валила все деревья в джунглях на километр вокруг, и обойти крупную воронку на дороге было бы сложно. Однако, если вьетконговцы расчистили бы обходную тропу, далее новые удары ядерным оружием по тому же маршруту были бы неэффективны. «Дерево можно повалить только один раз», — здраво отмечает работа.

Полноразмерный учебный макет W48, 155-мм гаубичного снаряда с ядерной боевой часть, мощность 0,072 килотонны. США произвели около тысячи таких и рассматривали возможность их широкого применения в войне в Индокитае / ©Wikimedia Commons

В целом ядерные удары не могли подорвать Вьетконг и численно. Его люди были рассредоточены в джунглях, понимания того, где именно они там находятся, не было. Удар ядерной бомбы поражает всего десятки квадратных километров за раз, а площадь джунглей в Южном Вьетнаме — многие десятки тысяч квадратных километров. Использование тысяч боеголовок сравнительно дорого, кроме того, обеспечивает некоторое радиационное заражение, создающее угрозу как мирным жителям, так — в меньшей степени — военнослужащим США. Хотя этот уровень не достигал летального в большинстве случаев, определенные сложности он создал бы все равно.

А главное, Дайсон и соавторы подчеркивают: если СССР решится поставить Вьетконгу тактическое ядерное оружие, для Штатов их решение начать его использование станет началом поражения. Почти все их наземные силы 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.

Сомнительно, что Пентагон, несмотря на свои военные игры, пошел бы на ковровое ядерное бомбометание во Вьетнаме и без работы Дайсона. Тем не менее она все же была полезна и остается таковой и сегодня. Подобные трезвые количественные оценки лишали военных иллюзии о некоем «всемогуществе» ядерного оружия, заметно снижая желание использовать его и в других конфликтах — скажем, с СССР. Исследование показывало, что военные преимущества от использования тактического ядерного оружия настолько малы, что никак не могут оправдать опасных политических последствий.

Работа Дайсона была блестяще проиллюстрирована дальнейшей историей Вьетнамской войны. Штаты сбросили там 7,8 мегатонны бомб и ракет (тротиловый эквивалент сотни Хиросим) с общей площадью сплошного поражения в миллионы квадратных километров, но войну проиграли: даже очень большая сила бесполезна, когда вы не видите, где именно ее надо применять.

Квантовая механика: популяризатор или первооткрыватель?

В 1948-1949 годах в квантовой электродинамике — описывающей электромагнитное поле на основании идеи о том, что его носители являются частицами, квантами (фотоны) — сложилась непростая ситуация. Японец Синъитиро Томонага и американец Джулиан Швингер создали два разных подхода для описания поведения частиц в квантовой электродинамике, и физики всего мира пытались понять, какой из них лучше.

В ту пору Дайсон, переехавший в США, работал с физиком Ричардом Фейнманом, создавшим диаграммы Фейнмана — вычислительный инструмент, пользу которого в ту пору никто, кроме самого создателя, понять не мог. Дайсон, не имея даже собственной диссертации (он так никогда ее и не защитил), смог вникнуть в 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.

Интересно, что Фейнман, Томонага и Швингер получили Нобелевскую премию за это открытие, а Дайсон — нет. Почему? Скорее всего, дело в том, что эту премию не было принято вручать более чем трем людям. А может — в том, что Дайсон здесь сыграл роль скорее интегратора и популяризатора, чем первооткрывателя, ведь до него научное сообщество в целом просто не понимало тех же диаграмм Фейнмана.

Сфера Дайсона

В конце 1950-х внимание ученого привлекла проблема парадокса Ферми — того, почему мы не наблюдаем внеземных цивилизаций, хотя с учетом числа звезд и предположительного числа планет Вселенная должна кишеть ими.

Неполный вариант сферы Дайсона / ©Wikimedia Commons

На Западе в ту эпоху не было известно, что впервые «парадокс Ферми» сформулировал Циолковский в 1930-х и он же впервые предложил его удовлетворительное решение. Не зная о нем, Дайсон попытался представить, какими могли бы быть следы внеземных цивилизаций, доступные для наблюдения в телескопы того времени.

В 1960 году он выдвинул гипотезу сферы Дайсона — одной из конструкций внеземных цивилизаций, которую можно было бы заметить из космоса. Сфера должна состоять из множества независимых плоских элементов, со всех сторон окружающих звезду. Изнутри она покрыта солнечными батареями, а также жилыми модулями, где могут обитать разумные существа. Конструкция позволяет использовать основную часть энергии светила, предоставляя цивилизации неограниченные энергетические возможности на протяжении миллиардов лет, а также жизненное пространство для сотен квинтиллионов существ типа людей.

С научной точки зрения ценность гипотезы о такой мегаконструкции в том, что она должна выдавать внеземную цивилизацию с головой. Закрывая видимый свет от звезды, сфера неизбежно будет терять часть энергии как инфракрасное излучение. Во Вселенной не существует 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 свое внимание и смогут выявить потенциальных представителей других цивилизаций.

Конструкция своим размахом и кажущейся практичностью поражает воображение публики и, начиная со «Стартрека», активно циркулирует в поп-культуре. Вероятно, поэтому «сфера Дайсона» — самая известная большинству из нас сторона деятельности ученого. Тем забавнее два момента: он не совсем автор идеи, кроме того, никаких сфер Дайсона нет смысла строить.

Начнем с автора. Сам Фримен Дайсон отмечал, что его «сфера» — развитие идеи английского фантаста Олафа Стэплдона (из книги «Создатель звезд» 1937 года). Там, правда, сплошной сферы не было — только «лента» из уплощенных жилых модулей в экваториальной плоскости звезды. Причины различия в том, что полярные части сферы Дайсона сами по себе имеют неустойчивые орбиты, и для удержания сферы им пришлось бы все время «подруливать», для чего нужно было бы иметь двигатели и тратить часть получаемой энергии. Частично Стэплдона здесь опередил Циолковский в своем фантастическом произведении 1894 года, правда, у него масштаб такой «ленты» еще меньше.

До сих пор ни один объект, похожий на сферу Дайсона, не обнаружен и, рискнем предположить, никогда не будет обнаружен. Причин этому две.

Первая — техническая: для строительства сферы нужно вещество массой примерно с Юпитер, то есть более половины вещества всех планет нашей системы. Однако Юпитер, как и все настолько массивные планеты Вселенной, состоит главным образом из водорода и гелия. Из этих газов солнечные батареи и жилые модули никак не построить. Конечно, 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 строительство 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 в том, что, судя по нашей цивилизации, развитые общества теряют население, а не наращивают его. Достигнув высокого уровня, цивилизация больше не имеет возможности наращивать численность своих носителей до сотен квинтиллионов, которым действительно нужна была бы сфера Дайсона.

Более того, у биологов есть серьезнейшие подозрения, что развитая цивилизация — по крайней мере, в ее сегодняшнем виде — 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 здравой для 1960 года, когда не было до конца ясно, какая масса потребуется для создания сферы и что рост населения, быстрый в ту пору, с развитием цивилизации сменяется вымиранием и так далее. И сегодня ключевое зерно его идеи все еще ценно: развитые внеземные цивилизации должны оставлять техногенные следы, видные астрономам, пусть и не такие гигантские, как сфера Дайсона.

На атомной бомбе в космос

В 1950-х Дайсона привлекли к проекту «Орион» — гигантского (минимум как «Старшип» SpaceX, не ниже четырех тысяч тонн) космического корабля, летающего на подрывах небольших и сравнительно «чистых» термоядерных и ядерных зарядов мощностью в доли килотонн. Согласно проекту корабль проводился в действие подрывами бомб за кормовой стальной плитой, покрытой тонким обновляемым слоем графита. При подрыве бомба испаряла тонкий диск, выбрасываемый вместе с ней, плазма от испаренного диска била в кормовую плиту, придавая импульс кораблю.

Один из поздних вариантов на тему проекта «Орион». Через отверстие в центре кормовой плиты выбрасывается маломощная бомба, ее взрыв превращает в плазму тонкую пластину вещества, а плазма ударяет в кормовой щит и толкает корабль. Толстая плита надежно защищает экипаж в головной части ракеты от гамма-излучения и нейтронов / ©Wikimedia Commons

При пуске с Земли (с ядерного полигона) за кормой раз в секунду должна была взрываться бомба в 0,1 килотонны, а при полете в космосе, где атомное оружие применять проще, — в 20 килотонн. Кстати, во время подрыва термоядерной бомбы на атолле Эниветок графитовая абляция была проверена экспериментально. Стальные шары в девяти метрах от взрыва мегатонного класса остались неповрежденными: всю энергию унесла с собой испаренная тонкая графитовая оболочка, показав точность расчетов по «Ориону». Были и атмосферные испытания макетов взрыволетов, на обычной взрывчатке:

Дайсон просчитал и более мощные версии «ядерного корабля» — для межзвездных перелетов, массой в десятки миллионов тонн. Оказалось, при плите диаметром в 20 километров и подрывах бомбы за кормой раз в 100 секунд даже не нужен абляционный слой: металлическая плита остынет сама, за счет исходящего от нее при нагревании ИК-излучения.

Устройство миниатюрных бомб, которые должен был выбрасывать импульсный атомолет. Синим показан вольфрам, превращаемый в плазму взрывом, зеленым — легкая засыпка из оксида бора, поглощающая нейтроны и снижающая облучение кормовой плиты. В головной шарообразной части находится ядерный заряд / ©Wikimedia Commons

Такой корабль мог разогнаться до 1000 километров в секунду за сотню лет, еще 1100 лет — лететь до альфы Центавра и еще 100 лет тормозить близ нее. За счет миллиона тонн полезной нагрузки и миллионов тонн веса конструкции (автоматически защищающих от космической радиации) в корабле можно было разместить много колонистов. Во время пути они получали бы еду от гидропоники, а прибыв на место, могли начать его колонизацию. Возможно, было и достижение ближайших звезд на скоростях в 10 тысяч километров в секунду и всего за 130 лет, но уже с куда меньшей нагрузкой (исследовательский, а не колонизационный корабль).

Корабли до ближайших звезд были довольно дороги: исследовательский стоил бы 10% ВВП США 1960-х годов, а колонизационный — 100%. Более скромные варианты для высадки на Марс были намного дешевле, сравнимы с лунной программой. Однако в 1963 году СССР и США запретили ядерные испытания в атмосфере, на чем проект закрыли.

В современных условиях он может иметь смысл, если бомбы подрывать на орбите Земли и далее: в конце концов, на химических ракетах дальше орбиты примерно Юпитера лететь слишком долго, астронавты «поймают» много космической радиации. Тем не менее, несмотря на всю перспективность проекта, сегодня он вне поля зрения существующих игроков. Государства не хотят лететь в дальний космос, а SpaceX не имеет доступа к ядерному оружию, да и колонизация Марса вполне возможна без термоядерных звездолетов.

Все это не убавляет значимости проекта «Орион» и разработок Дайсона в его рамках. И по сей день, 60 лет спустя, именно эта концепция — самый реальный путь достижения ближайших звезд.

Как физик стал «еретиком»

Фримен Дайсон занялся вопросами климатологии в 1970-х, в самом начале научной дискуссии о глобальном потеплении, вызванной известными тезисами советского ученого Михаила Будыко.

Тогда же Дайсон первым в истории высказал крайне важный тезис: климатические последствия антропогенных выбросов СО2 в атмосферу намного меньше, чем неклиматические. Физик проявил отличное научное чутье в смежных отраслях, отметив, что углекислый газ имеет важнейшее значение для развития растений и за счет стимуляции этого развития сыграет роль большую, чем изменение климата, вызванное все тем же газом. Более того, по его мнению, опасения относительно потепления вообще преувеличены.

Дайсон был одним из первых, кто обратил внимание на факт: в период голоценового климатического оптимума несколько тысяч лет назад Сахара была саванной, а не пустыней (при потеплении вода активнее испаряется из океанов, отчего на суше идет больше осадков). Он отмечал, что в таких последствиях потепления, как зарастание пустынь, явно нет ничего плохого.

Изменение площади листьев в 1982-2015 годах (глобальное озеленение) в основном случилось из-за антропогенных выбросов СО2 / ©NASA

Через 40 лет идеи Дайсона полностью подтвердились. В 2016 году выяснилось, что антропогенные выбросы СО2 привели к глобальному озеленению. Это явление колоссальных масштабов, в рамках которого только с начала 80-х площадь листьев на планете выросла на размер амазонских джунглей и продолжает расти. Как суммировал это исследователь: «Измерения из космоса показывают, что вся Земля становится зеленее 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».

Разумеется, в 1970-х так далеко в будущее никто не смотрел, поэтому тогда идеи ученого были отвергнуты. В наши дни он полностью отомщен: современное научное сообщество все еще осмысливает факт глобального озеленения, который Дайсон предвосхитил так давно. Из-за этого западные СМИ, отмечая его вклад в науку, до сих пор пишут «но в дискуссии о глобальном потеплении он встал не на ту сторону».

Дайсон несколько лет назад попытался дать ответ на вопрос о том, почему ложная точка зрения о «гибельности» глобального потепления и антропогенного СО2, единожды утвердившись, до сих пор не желает сдавать свои позиции — вопреки фактам типа того же глобального озеленения. Он считает, что дело в «племенном» мышлении: мол, люди сотни тысяч лет жили в условиях первобытных племен, где подчинение авторитетам было важнее критического мышления. Поэтому однажды утвердившиеся мнения застревают так надолго в головах даже у ученых: в конце концов, они тоже люди и часто склонны к «племенному мышлению».

Нам это представляется не вполне точным. Описанное Дайсоном подчинение авторитетам свойственно племенам людей только с неолита: у охотников-собирателей слепое подчинение авторитету вождя или старейшин слишком легко заканчивается гибелью на охоте, где надо думать самому. Жизнь земледельца более предсказуема, а значение авторитетов выше — в конце концов, именно в их руках скапливаются избытки продовольствия, на которых можно протянуть в голодный год (у охотников в руках авторитетов племени крупных запасов еды быть не может).

Тем не менее исследователь прав в том смысле, что нечувствительность к его «еретическим» взглядам на климат действительно может быть обусловлена особенностями архаичного мышления. Исторически люди настороженно относились ко всему новому и непонятному. Склонность приписывать непонятному зловещую природу относительно рациональна: в палеолите, увидев незнакомого зверя, лучше было «перебдеть», чем «недобдеть». Лишняя осторожность отнимала только время, а вот нехватка осторожности — жизнь. Именно поэтому мы так легко впадаем в стресс даже от вроде бы незначительных причин.

В наше время из-за быстрого развития науки и техники незнакомого вокруг всегда много, а привычка ожидать зловещих последствий от всего малопонятного уже не помогает, как в каменном веке, а серьезно мешает. В Англии суд на днях запретил расширять аэропорт Хитроу из-за опасений, что это усилит глобальное потепление, по всему миру вводят углеродный налог и предпринимают массу других иррациональных шагов, вызванных ни чем иным, как страхом.

Все это значит, что идеи Дайсона не просто сохраняют, но и набирают актуальность. Глядя на его жизнь из сегодняшнего дня, можно сказать, что как исследователь он прожил отведенные ему 96 лет на редкость удачно. Скорее всего, в ближайшие десятки лет мы увидим еще немало подтверждений его идей.

Источник

Публикация на Тelegra.ph

Подпишитесь на наш телеграм-канал https://t.me/history_eco.

• Ключевые слова: А. Березин,Фримен Дайсон физик,еретик предсказатель будущего