Дилогия фильмов Дени Вильнёва — эпическая научно-фантастическая сага, снятая по первому роману из тетралогии Фрэнка Герберта. Она повествует о феодальном будущем человечества, где власть принадлежит императору, а политические элиты владеют целыми планетами. Фильмы, как и книги, наполнены размышлениями о политическом устройстве и социальных проблемах общества, научно-техническом прогрессе и связи человечества с природой, об избранности и предназначении. Но одно из главных достоинств «Дюны» — детальность, с которой Герберт, а вслед за ним и Вильнёв, описал технологии своего мира.

Роман Герберта считается одним из главных произведений в истории научной фантастики. «Звездные Войны», «Матрица», «Warhammer» — эти лишь несколько примеров фантастических вселенных, которые позаимствовали идеи у Герберта. Но насколько научна фантастика в самой «Дюне»? И есть ли связь между реальной физикой и тем, что разворачивается на экранах? Разбирается команда проекта «Физика для всех». 

Как ползёт Делатель 

Песчаные черви — представители кремнийорганической мегафауны, обитающие только на Арракисе. Крупнейшие особи достигают 400 метров в длину, 40 метров в диаметре и занимают наивысшее положение в пищевой цепи на планете. Они свободно бороздят экваториальные пустыни Арракиса, в буквальном смысле делая планету пригодной для жизни — именно черви, согласно Герберту, поставляют кислород в атмосферу этого пустынного мира. Но еще более важный для людей продукт жизнедеятельности червей для вселенной «Дюны» — пряность, без которой невозможны межзвездная навигация и  уникальные способности членов женского ордена Бене Гессерит.

Но как именно Шаи-Хулуды перемещаются в песке? Судя по тому, что мы увидели в первом фильме, во время передвижения червь вибрирует и выпускает из-под чешуек, которыми покрыто его тело, чувствительные потоки воздуха. Из-за этого между песчинками образуется воздушная прослойка, сам песок вокруг тела начинает вибрировать и постепенно приобретать физические свойства жидкости — это явление называется «кипящим слоем». Получается, что червь не роет себе тоннели, а меняет физические свойства пустыни, чтобы не ползти по ней, а плыть сквозь неё. 

Посмотрите на один из трейлеров ко второму фильму, где Пол Атреидес впервые объезжает червя. Когда он оттопыривает одну из чешуек червя, на под ней хорошо видны «дыхальца», при помощи которых червь насыщает песок воздухом. Там же мы рассмотреть, как ведет себя земля: дюна, в том месте, где в нее врезается Шаи-Хулуд, начинает «плыть» и опадать, подобно жидкости. 

Включаем тишину

Несмотря на то, что действие картины происходят в далеком будущем, среди ее технологий есть и такие, что имеют аналоги уже сейчас. 

К примеру, в сцене, где Хелен Мохиам из ордена Бене Гессерит обсуждает с Владимиром Харконненом нападение на Арракис, Преподобная мать активирует конус тишины — поле, подавляющее звуки в нем для кого-либо за пределами конуса.

Активное шумоподавление известно нам уже довольно долгое время. Нечто, подобное конусу тишины, используется в кабинах пилотов самолетов ещё с середины прошлого столетия.

«Активное шумоподавление делится на два типа: адаптивное и гибридное. Адаптивное шумоподавление динамически изменяет свои параметры в реальном времени для оптимального подавления окружающих звуков, анализируя и регулируя амплитуду и фазу звуковых волн. Гибридное шумоподавление использует как внешние, так и внутренние микрофоны для более точного улавливания и подавления шума, обеспечивая глубокое и равномерное шумоподавление в широком диапазоне частот», — объясняет заместитель директора Центра развития физико-математического образования МФТИ Анатолий Подыман.

Можно предположить конус тишины работает с помощью специальных микрофонов, расположенных за его пределами. Они определяют уровень шума, в нашем случае — звуковых волн от разговора внутри конуса, и воспроизводят в динамиках волны той же амплитуды и модуляции, но в противофазе. 

Может ли взлететь орнитоптер

Вместо привычных нам самолетов и вертолетов над Арракисом курсируют энтомоптеры, летательные аппараты, копирующие принцип полёта стрекоз. В фильмах у них по четыре пары жестких длинных крыльев, которые совершают 50-70 маховых и поворотных движений в секунду. Это реально?

С точки зрения электронного оборудования, в этом нет ничего невозможного — мы без особых трудностей можем создать конструктивно подходящие под такой цикл шарниры, установить и настроить нужные датчики и программное обеспечение. 

Сложности возникают, когда дело доходит до механики. Главная проблема тут с прочностью материалов. Крылья насекомых обладают уникальной структурой, обеспечивающей баланс между гибкостью и прочностью. Воссоздать подобные характеристики в искусственных материалах крайне сложно. Нынешние технологии не позволяют создать материалы, которые могли бы выдерживать высокие нагрузки и многократные циклы изгиба и поворота, необходимые для работы арракинского махолёта. Да и, честно говоря, аппарат подобной конструкции не имеет никаких, даже теоретических преимуществ над вертолетами и самолетами.

С другой стороны, инженеры и учёные активно исследуют принципы бионики. В частности, мини-энтомоптеры уже разрабатываются в ведущих исследовательских центрах мира. К примеру, инженеры из Гарвардского университета создали RoboBee — это миниатюрный робот, способный летать, махая крыльями, как настоящая пчела. Он совершил серию успешных полётов. Несмотря на отдельные аспекты, требующие доработки со стороны инженеров — например, вопрос автономного питания робота, сейчас он летает на поводке из тонкого корда, — RoboBee демонстрирует значительный прогресс в области создания махолётов.

Для управления крыльями используются сложные алгоритмы, которые регулируют амплитуду и частоту махов, обеспечивая стабильность и маневренность аппарата. Кроме того, подобные разработки часто используют лёгкие и прочные материалы, такие как углепластик и графен, чтобы снизить вес конструкции и повысить её надёжность.

Совсем фантастика

Тем не менее, Герберт не смог обойтись без фантастической физики. К примеру, для защиты в «Дюне» используют персональные генераторы силового щита. После активации щита пользователь становится неуязвим для быстродвижущихся объектов: пули, стрелы и другие объекты на достаточной скорости не нанесут никакого урона. Такие же щиты используются для защиты зданий, кораблей и городов.

«В ближайшее время создание щитов, которые смогли бы отражать быстродвижущиеся тела, не представляется возможным, потому что они бы потребляли очень много энергии для поддержания поля вокруг человека, а до такого источника ещё далеко; пока нет материалов, способных формировать поле; если такое устройство создадут, то оно будет очень неэффективным из-за размера, веса и, соответственно, мобильности. Чтобы создать такие щиты, учёным предстоит решить целый набор задач», — говорит Максим Аркушин, ведущий специалист Центра развития физико-математического образования при МФТИ.

Основана такая технология, как и большая часть всех технологических приспособлений в «Дюне», на эффекте Хольцмана — вымышленному закону физики, который позволяет использовать субатомные энергетические поля для создания антигравитационных полей путём деформации пространства.

Парящие в воздухе устройства у Герберта используют суспензоры, которые аннулируют гравитацию в определенных пределах, пользуясь второй фазой генератора поля Хольцмана. Суспензоры используются в стульях, столах и в конструкциях, которые слишком тяжелы, чтобы перемещать их обычными способами.

В книгах Владимир Харконнен использует ремни с суспензорами, чтобы поддерживать свое тело при ходьбе. Их же используют в космических кораблях, чтобы создавать на борту искусственную гравитацию. Все тот же эффект используется и для межпространственных перемещений: он отвечает за локальное сворачивание пространства, формируя персональные кротовые норы. 

В фильмах же используется более привычная зрителю концепция варп-прыжков — ее суть в «растягивании» пространства-времени: пространство перед движущимся телом сокращается, а пространство позади него — расширяется. В результате возникает своего рода варп-пузырь, внутри которого размещается космический корабль. Так он получает возможность пролететь через подобный колодец, оказавшись в точке своего назначения быстрее, чем если бы он двигался к ней по прямой со скоростью света. Можно рассмотреть этот пузырь в рамках общей теории относительности: его внутренняя часть представляет собой инерциальную систему отсчёта для всего, что находится внутри него. Аналогичным образом, такие пузыри могут возникать в ранее плоской области пространства-времени и позволять объектам внутри них передвигаться быстрее света.

Далеко ли до Арракиса

Важно помнить, что большая часть технологий, представленных в «Дюне», не имеет никакой связи с реальной физикой. Выдуманные законы, такие как эффект Хольцмана, являются не более чем художественными приёмами, создающими уникальный и фантастический мир. Тем не менее, их реализация в реальности представляет собой интересную задачу для учёных и инженеров, вдохновлённых идеями Герберта.

Для создания технологий, подобных тем, что показаны в «Дюне», потребуются значительные научные и технические достижения. Рассмотрим несколько ключевых направлений:

• Энергетические щиты: Создание персональных силовых щитов потребует разработки новых материалов и источников энергии. Возможно, прорывы в области сверхпроводников и высокоэнергетических аккумуляторов помогут приблизиться к реализации таких устройств. Также потребуется глубокое понимание и контроль над электромагнитными полями на субатомном уровне.
  На данный момент мы можем создавать устройства, использующие электромагнитные поля для защиты от определённых видов излучения и частиц, такие как магнитные ловушки в физике плазмы и радиационные щиты для космических аппаратов. Однако персональные щиты, способные отражать физические объекты, всё ещё остаются за гранью современных технологий.
• Антигравитационные устройства: Реализация суспензоров потребует открытия новых физических явлений или материалов, способных аннулировать гравитацию. Исследования в области квантовой физики и теории струн могут дать ответы на некоторые из этих вопросов. Кроме того, потребуется разработка технологий для создания и управления мощными магнитными и гравитационными полями.
• Межпространственные путешествия: Для создания «варп-прыжков» или кротовых нор, описанных в «Дюне», потребуется фундаментальное переосмысление нашей концепции пространства и времени. Это включает в себя исследования в области общей теории относительности, квантовой гравитации и других теоретических моделей. Развитие технологий для манипуляции пространственно-временным континуумом также потребует новых источников энергии и материалов.

Хотя технологии из «Дюны» на сегодняшний день остаются в области фантастики, они стимулируют научные исследования и инновации. Идеи, представленные Гербертом, вдохновляют новое поколение учёных и инженеров на поиски решений, которые могут приблизить нас к созданию этих удивительных устройств. Таким образом, фантастический мир «Дюны» продолжает оказывать влияние на реальную науку, расширяя горизонты наших знаний и возможностей.

—

Материал подготовлен командой образовательно-просветительского проекта «Физика для всех». Мы помогаем школьникам в подготовке к сдаче экзаменов и олимпиад, создаем бесплатные онлайн-курсы, способствуем развитию профессионального сообщества учителей и преподавателей, проводим интересные мероприятия для широкого круга лиц, делимся интересными фактами и новостями, рассказываем о жизни через научную призму и влюбляем в физику — вне зависимости от возраста, занятий и профессии! 

Узнайте о нас больше: Наш сайт, наше Сообщество ВК, наш Телеграм-канал