Мы не умеем ориентироваться в космосе

Автор оригинала: Caleb Scharf
  • Перевод

Космические приключения напоминают нам, насколько неточно мы способны измерять реальность



Межпланетная станция «Новые горизонты» в представлении художника, готовящаяся собрать данные во время пролёта мимо Плутона

Перевод статьи Калеба Скарфа – астрофизика, директора кафедры астробиологии в Колумбийском университете Нью-Йорка, основателя института yhousenyc.org, изучающего сознание человека и машины.

В начале 1960-х, во время космической гонки, ни американские, ни советские учёные, не знали точно, где находятся Марс или Венера – особенно с точностью и определённостью, жизненно необходимыми для ориентирования космических аппаратов. Это прозвучит смешно. Они знали, конечно, где примерно окажется такая цель, как Венера, когда к ней подлетит космический корабль. Однако «примерно» в данном контексте могло означать погрешность в 10 000 или 100 000 км. Местоположения планет, их эфемериды, зависят от чрезвычайно точной калибровки их орбит. Однако лучше всего делать это непосредственными измерениями – так, как делали бы моряки прошлого, приставая непосредственно к острову или побережью, чтобы точно определить его широту и долготу.

Печально известное событие, иллюстрирующее эту проблему, произошло в начале 1961 года. Планировалось отправить на Венеру зонд. Советские и американские учёные соревновались в попытках точно определить местоположение Венеры, а через это ещё и уточнить астрономическую единицу. Тогда она определялась, как среднее расстояние между центром Земли и центром Солнца. С Земли это можно было сделать, измеряя отражённые от Венеры сигналы радара. Первым удалось запустить зонд СССР – "Венера-1". Через несколько месяцев СССР также объявил об уточнении значения а.е. с использованием Венеры. Но американцы обнаружили, что это значение на 100 000 км отличалось от их измерений, сделанных при помощи радара, и язвительно заметили, что в СССР, видимо, обнаружили какую-то новую планету.

Потом оказалось, что у советского зонда, который в момент анонса проведённых измерений должен был пройти где-то поблизости от Венеры, уже случилось несколько неприятных поломок, в числе которых был отказ температурного контроля и контроля местоположения. Возможно, зонд и пролетел где-то недалеко от Венеры, однако мы уже никогда не узнаем, насколько он промахнулся – к тому моменту связь с ним уже пропала.

Однако ситуация могла бы быть ещё хуже. «Венера-1» могла бы настолько далеко пройти от планеты, что вообще не собрала бы полезной информации, или могла бы врезаться в планету и бесславно погибнуть. Неудивительно, что после таких неприятных уроков учёные изо всех сил старались рассчитывать эфемериды объектов Солнечной системы всё точнее и точнее [уже "Венера-3", всего через четыре года после «Венеры-1», стала первым земным аппаратом, достигшим поверхности другой планеты / прим. пер.]. Но даже после невероятных улучшений фундаментальные проблемы определения точного местоположения как космического аппарата так и его цели – планеты – никуда не исчезли. Они, в некотором смысле, лишь обострились.

Сегодня одним из хранителей эфемерид служит Лаборатория реактивного движения, расположенная в Калифорнии. Она тщательно следит и постоянно обновляет данные о том, где, по нашему мнению, находятся планеты, их спутники, кометы, метеорные потоки и астероиды. Что-то вроде альманаха для исследователей планет. Но чем дальше мы заходим, чем экзотичнее становятся наши цели, тем сложнее эта задача.

Составляются амбициозные планы по отправке в звёздную систему Альфы Центавра крохотных «наноспутников» с солнечными парусами, движущиеся благодаря чрезвычайно мощным лазерам. Она расположена в четырёх световых годах от нас, и лететь к ней придётся не менее 20 лет со скоростью 20% от световой, или 216 млн км/ч. Проблема прибытия в нужный момент в нужное место другой звёздной системы гораздо больше, чем проблема расчёта полёта до какого-нибудь из наших внешних миров, например, Плутона. А до Плутона и так было сложно добраться.

Межпланетная станция НАСА «Новые горизонты», запущенная в 2006 с рекордной скоростью, при помощи гравитационного поля Юпитера стремилась к Плутону в течение девяти лет, пройдя почти 5 млрд км. Используя наземные телескопы и сложные компьютерные модели орбитального движения Плутона, мы можем указать на его положение в небе с погрешностью до 0,00014 градусов. Однако Плутон находится так далеко от нас, что эта неточность выливается в разброс порядка 13 000 км – достаточно для того, чтобы значительно затруднить попытку пролететь вблизи планетоида. Усложняли ситуацию и непредсказуемые отклонения аппарата от расчётной траектории, вызванные едва уловимым и неравномерным воздействием теплового излучения, идущего от его плутониевого реактора.

«Новые горизонты» всё-таки сумел провести встречу в июле 2015 к огромному облегчению учёных, которым пришлось ждать этого значительную часть своей жизни, от момента запуска до момента прибытия. Он пролетел мимо Плутона на расстоянии в 12 500 км, сохраняя тщательно выверенный интервал. В итоге для того, чтобы станция смогла пролететь мимо Плутона и сопровождающих его лун, не слишком отклоняясь от правильного пути, потребовалось тщательно измерять местоположение небесных тел и проводить коррекцию курса при помощи собственных видеокамер зонда и огромного количества терпения.

Сравним Плутон с ближайшей из звёзд тройной системы Центавра, крохотным красным карликом Проксима. Мы знаем, что он движется относительно нашего Солнца со скоростью примерно 32,19 км/с. Однако эта погрешность в 0,01 км/с при длительности миссии в 20 лет выливается в разброс местоположения порядка 6 млн км. И это звезда – яркий объект, который относительно легко изучать. Планеты в этой системе будут в миллиард раз менее яркими, и их будет гораздо труднее отследить. Как и в случае со станцией «Новые горизонты», межзвёздным зондам, вероятно, придётся отслеживать свои цели самостоятельно. Им придётся делать это автономно, потому что на отправку и получение сообщений с Земли будут уходить годы.

Пока ещё непонятно, сможет ли крохотный космический аппарат нести на себе необходимые вычислительные инструменты, датчики и системы для изменения траектории. Сами яркие звёзды могут служить лучшими метками пути, а наше Солнце может стать навигационным маяком. Короткие импульсы миниатюрных лазерных диодов могут обеспечить маневровую тягу, и, вероятно, ключом к успеху будет отправка сотен и даже тысяч наноспутников. Каждый из них будет обладать скромным ИИ и возможностью обучаться у других своих спутников. Достигать своих целей они будут при помощи огромной избыточности и благодаря многочисленным жертвам. Однако если вы пытаетесь поймать летящую пулю – будь то звезда или планета – другой летящей пулей, кое-что может пойти не так.

Несложно понять, что погрешности местоположения, простирающиеся на тысячи и миллионы километров, могут стать проблемой для исследователей. Попытки выйти за пределы известного, очевидно, выдвигают определённые неумолимые требования к нашей способности размечать физическую реальность. Но эти примеры также вскрывают более глубокие слои правды о том, как мы представляем себе мир, схематично изображаем его и взаимодействуем с ним.

Интересно, что фундаментальные свойства физики планет, вращающихся вокруг звёзд, держатся на неопределённостях местоположения гораздо меньшего размера, и буквально могут влиять на выживание всей системы. Это всё происходит от такого явления, как динамический хаос гравитационно связанных объектов – удивительной нестабильности и непредсказуемости движения небесных тел, которую всё же можно описать математически. И хотя наличие хаоса признавалось с 1880-х, только в 1980-х годах исследователи разработали специальные компьютеры, способные точно симулировать гравитационные движения планет нашей Солнечной системы. Эти симуляции позволили нам понять, насколько хаотично пространство, в котором мы живём.

Оказывается, что если отслеживать движение всего, что находится внутри Солнечной системы, на промежутках длительностью в десятки миллионов или миллиарды лет, могут иметь значение даже отклонения на несколько миллиметров в движении таких планет, как Меркурий. В одном случае может получиться относительно банальное будущее, а в другом – дестабилизация всей внутренней Солнечной системы, кидающая планеты на Солнце или выводящее их на траектории, убегающие в межзвёздное пространство, или сталкивающие их друг с другом.

То, что такие крохотные отклонения могут дать настолько разные результаты, не укладывается в голове у людей, надеющихся на предсказуемость окружающей действительности. Нашему виду сложно справиться с этим. Нам приятно считать реальность чем-то неизменным, или хотя бы предсказуемым. Но она редко бывает такой.

Отправляя свои машины к другим мирам, а тем более к звёздам, мы можем лишь полностью признать свои неточности и погрешности, смириться с жестокой правдой об ограниченности нашего понимания. Даже законы природы – это выводы, основанные на совершенно неточных измерениях, будь то орбиты планет и гравитация, или свойства логики и символьные операции в алгебре. Последние «измеряют» человеческий разум и машины, которые этот разум создаёт. Удивительно, насколько хорошо эти законы позволяют нам моделировать и предсказывать аспекты нашего физического мира. Эта возможность убеждает нас в наших способностях и помогает уже тысячи лет. Мы перевернули эту задачу с ног на голову, и уже можем предсказывать хаос, происходящий в природе – от меняющихся погодных условий и нестабильных рынков акций до, естественно, планет.

Именно поэтому честное признание наших ограничений – вещь чудесная. Она позволяет нам находить способы выхода за границы пространства, времени и понимания. Инженеры-ракетчики 1960-х, с трудом определявшие местоположение Венеры и других миров, были пионерами в таких вещах, которые они, возможно, даже не осознавали. Они не просто пытались пересечь пустоту, пытаясь нащупать невероятно увёртливые предметы. Они открывали нам фундаментальную природу того, что мы называем реальностью.
Реклама
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее

Комментарии 19

    +4
    Именно поэтому честное признание наших ограничений – вещь чудесная. Она позволяет нам находить способы выхода за границы пространства, времени и понимания.

    Кто-нибудь может объяснить смысл этой фразы?
    Он вообще есть?
      +6

      "Представьте, лежит длинная леска под асфальтом. Волна самоорганизуется и самоуплотняется вокруг заданного объекта. Стоячая волна. Не пытайтесь ничего понять! Понять — не реально! И как только вы будете привлекать знания, будет осечка, … не будет ничего получаться!"

        +2
        Отличная фраза, прекрасная иллюстрация самой себя.
          0
          по колхозному:
          представьте, вы окружены забором (честное признание наших ограничений).
          чтобы выйти надо найти дверь (способы выхода за границы).
          если вы забора не видите (нечестное), то вы будете стукаться в него
            +9
            Анекдот вспомнился про ограничения мышления.
            Математика попросили сделать забор такой формы чтобы он огораживал максимальную площадь.
            Он огородил всего один квадратный метр, заказчики его не поняли.
            Тогда он залез внутрь, и говорит «допустим, я снаружи...»
              +14
              Слышал другой вариант:
              Физик, математик и инженер участвуют в конкурсе. Каждому из них выдали одинаковое количество досок для забора и предложили огородить ими максимально возможное число овец. Инженер построил небольшой, но крепкий загончик в форме квадрата. Физик соорудил загон в форме окружности, утверждая при этом, что именно такая форма обеспечит бОльшую вместимость овец. Математик тоже построил заборчик по кругу, после чего уселся в центр и заявил жюри: — Принимаем, что я нахожусь снаружи.
                +2
                dragonnur pewpew
                Есть обобщение: задача о поимке льва.

                Пример
                Простоты ради мы ограничимся рассмотрением только охоты на львов, живущих в пустыне Сахара, в которой львов нет с 40-х годов. Перечисленные ниже методы с легкостью можно модифицировать и применять к другим плотоядным, обитающим в разных частях света.

                Математические методы

                Метод инверсивной геометрии. Помещаем в заданную точку пустыни клетку, имеющую форму окружности, входим в нее и запираем изнутри. Производим инверсию пространства по отношению к клетке. Теперь лев внутри клетки, а мы — снаружи.

                Метод проективной геометрии № 1. Без ограничения общности мы можем рассматривать пустыню Сахара как плоскость. Проецируем плоскость на линию, а линию в точку. Точку кладём в клетку.

                Метод проективной геометрии № 2. Рассмотрим пустыню как проективную плоскость. Хорошо известно, что существует единственное проективное преобразование, переводящее данные четыре точки в данные четыре точки. Будем использовать в качестве клетки некоторый треугольник. Оставим его вершины на месте, а точку, в которой находится лев, переведём в произвольную точку внутри клетки.

                Метод Больцано—Вейерштрасса. Рассекаем пустыню линией, проходящей с севера на юг. Лев находится либо в восточной части пустыни, либо в западной. Предположим для определенности, что он находится в западной части. Рассекаем ее линией, идущей с запада на восток. Лев находится либо в северной части, либо в южной. Предположим для определенности, что он находится в южной части, рассекаем ее линией, идущей с севера на юг. Продолжаем этот процесс до бесконечности, воздвигая после каждого шага крепкую решетку вдоль разграничительной линии. Площадь последовательно получаемых областей стремится к нулю, так что лев в конце концов оказывается окруженным решеткой произвольно малого периметра. Метод работает только на ограниченных пустынях (то есть таких, которые можно покрыть шаром конечного радиуса).

                Комбинированный метод. Заметим, что пустыня представляет собой сепарабельное пространство. Оно содержит всюду плотное не более чем счетное множество точек, из которого мы выбираем последовательность точек, имеющих пределом местоположение льва. Затем по этим точкам, захватив с собой необходимое снаряжение, крадучись, подбираемся ко льву.

                Топологический метод. Заметим, что связность тела льва, во всяком случае, не меньше, чем связность тора. Переводим пустыню в четырехмерное пространство. Согласно работе [1], в этом пространстве можно непрерывным образом выполнить такую деформацию, что по возвращении в трехмерное пространство лев окажется завязанным в узел. В таком состоянии он беспомощен.

                Метод Коши, или функционально-теоретический. Рассмотрим льва как аналитическую функцию координат f(x) и напишем интеграл, где С — контур, ограничивающий пустыню, а у — точка, в которой находится клетка. После вычисления интеграла получается f(у), то есть лев в клетке.

                Методы теоретической физики

                Метод Дирака. Отмечаем, что дикие львы в пустыне Сахара являются величинами ненаблюдаемыми. Следовательно, все наблюдаемые львы в пустыне Сахара — ручные. Поимку ручного льва предоставляем читателю в качестве самостоятельного упражнения.

                Метод Шредингера. Построить клетку в произвольном месте пустыни. Существует отличная от нуля вероятность, что лев сам окажется в клетке. Сидите и ждите. Увеличение количества клеток соответственно увеличивает вероятность поимки льва.

                Метод ядерной физики. Поместите ручного льва в клетку и примените к нему и дикому льву обменный оператор Майораны. Или предположим, что мы хотели поймать льва, а поймали львицу. Поместим тогда последнюю в клетку и применим к ней обменный оператор Гейзенберга, который обменивает спины.

                Методы экспериментальной физики

                Термодинамический метод. Через пустыню натянем полупроницаемую мембрану, которая пропускает через себя все, кроме льва.
                Метод активации. Облучим пустыню медленными нейтронами. Внутри льва будет наведена радиоактивность, и он начнет распадаться. Если подождать достаточно долго, лев не сможет оказать никакого сопротивления.

                Метод астрофизиков. Делаем со спутников снимки пустыни в очень высоком разрешении, выкладываем в интернет, просим Брайана Мэя рассказать всем, как важен этот лев для развития науки. Тысячи волонтёров сутки напролёт просиживают перед мониторами и находят, наконец, льва.

                Технические методы

                Метод гиперпространственного левососа. Для отлова льва внутри открытой клетки с помощью обыкновенного искривления пространства необходимо создать гиперпространственные врата размером немного меньше, чем задница предполагаемого к поимке льва. Врата с одной стороны должны находиться в клетке, а с другой стороны — в любой другой точке космического пространства где есть вакуум. Сразу после открытия таких врат, между входом и выходом из них возникнет перепад давления dP равный 1 кгс/см² (или одной атмосфере). Благодаря этому перепаду все, что находится внутри пустыни (воздух, ненужный песок, мелкие животные) атмосферным давлением начнет затягивать во врата. Воздух, ненужный песок, и мелкие животные вылетят сквозь отверстие в вакуум, а лев, благодаря своей крупной заднице и узости врат застрянет. Сразу после этого клетку и гиперпространственные врата нужно закрыть.

                Метод сита. А ещё можно где-нибудь надыбать гигантское сито или что-либо подобое, и процедить всю пустыню. Тогда получится, что пустыня на месте, а лев — в сите, термодинамический же!

                Метод стеклодельный. Разогреваем пустыню до температуры плавления песка, получаем стекло. Лев тяжёлый и стекло расколется, лев проваливается в яму. Остаётся найти яму, достать льва и пересадить его в клетку.
                +2
                Не просто математик, а тополог :-)
              +1

              Он есть, хотя и ускользает. Для понимания нужно перечитать последнее предложение предыдущего абзаца (лучше в ороигинале, а еще лучше — читать в оригинале всю статью).


              Мы перевернули эту задачу с ног на голову, и уже можем предсказывать хаос, происходящий в природе – от меняющихся погодных условий и нестабильных рынков акций до, естественно, планет.

              "Понимая [и признавая] свои ограничения, мы можем (а) искать и использовать альтернативные решения проблем, а также (б) в процессе поиска этих решений решать и другие задачи, обращая слабость в силу". Т.е. в контексте позиционирования — точно не знаем, где что находится, ибо все очень сложно и несколько хаотично, но зато, зная это, научились более-менее позиционироваться, что само по себе неплохо, плюс, научились лучше моделировать всякую хаотическую фигню.


              В переводе теряются нюансы, и если в английском тексте есть некая направленность, которая и ведет к данному заключению, в [этом] русском переводе она теряется, что затруднеяет понимание. Кроме того фраза "it enables us to find ways to cross boundaries of space, time, and understanding" на английском гораздо более осмысленна, чем на русском "Она позволяет нам находить способы выхода за границы пространства, времени и понимания".


              shadovv76 довольно понятно описал.


              представьте, вы окружены забором (честное признание наших ограничений).
              чтобы выйти надо найти дверь (способы выхода за границы).
              если вы забора не видите (нечестное), то вы будете стукаться в него

              Можно еще научиться делать подкоп, или построить бульдозер, и снести секцию забора.
              А умение делать подкопы, находить\создавать двери, строить бульдозеры может пригодится и в других задачах. Вот об этом и написано в этом неудобоваримом — на русском — предложении.

                0
                а еще лучше — читать в оригинале всю статью


                Вот именно.

                Какой смысл выкладывать г…переводы вполне приличных статей? Ради рейтинга? Так он и так зашибись, к чему портить своими же руками?
                +1
                «я знаю, что ничего не знаю, а другие не знаю даже этого»
                0
                Но американцы обнаружили, что это значение на 100 000 км отличалось от их измерений, сделанных при помощи радара, и язвительно заметили, что в СССР, видимо, обнаружили какую-то новую планету.

                Как-то Shubinpavel в комментариях утверждал что это была спешка
                  +1
                  Как человек который за это время успел и ознакомиться и с фрагментами внутренней переписки тех лет, подтверждаю свою раннюю оценку. Конечно, это была спешка
                    0
                    Потребовалось тщательно измерять местоположение небесных тел и проводить коррекцию курса при помощи собственных видеокамер зонда и огромного количества терпения.

                    Коррекция курса с помощью видеокамер и терпения — это как MIB, которые одолели Рой одной лишь смекалкой и деатомайзером? =)
                      +1
                      В начале 1960-х, во время космической гонки, ни американские, ни советские учёные, не знали точно, где находятся Марс или Венера – особенно с точностью и определённостью, жизненно необходимыми для ориентирования космических аппаратов

                      Побуду чуть-чуть Станиславским: Не верю!
                      Нептун открыт в 19-м веке благодаря анализу возмущений орбиты Урана.
                      Потом, уже в 20-м, Плутон, благодаря возмущениям орбиты уже Нептуна (которые были обнаружены ещё в 19-м веке). С учётом того, что и Уран и Нептун движутся с гораздо меньшей угловой скоростью (но достаточно близкой линейной, которая больше лишь примерно в два раза), чем Марс или Венера, такое утверждение мне кажется слегка неправдоподобным (разве что, учёные хотели знать положения планет поточнее «на всякий случай»)
                        0
                        Типичная англоязычная статья. Раскрыть суть в первых двух абзацах и затем еще 10 страниц мусолить тоже самое другими словами.
                          +1
                          Не встречал ещё нормальных статей от SLY_G — вода водой, так, периодически открываю его статьи помыться… То ли выборка такая, то ли что автор.
                          0
                          Честно говоря, ничего не понял. Почему не умеем ориентироваться, если сажаем аппараты на астероиды?
                            +1
                            Нужно активнее искать способ передвижения в пространстве без расхода рабочего тела, иначе запуски космических аппаратов напоминают гиперусложнённые опыты древнего предка, впервые бросившего камень в небо.

                            У Чертока упоминается случай потери связи с лунным аппаратом. Был шанс найти его и восстановить управление, но поиск имевшимся оборудованием, сканирующим небольшой сектор небосвода, затянулся бы, а время поджимало — аппарат подлетал к Луне.
                            Тогда поступило предложение ввести в качестве начальных данных для поиска направление на Луну. В итоге аппарат был успешно найден, связь восстановлена, миссия выполнена.

                            Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                            Самое читаемое