Космос
Шрифт:
В отличие от света, со звуком не возникает проблемы одновременности, поскольку звук распространяется через материальную среду, например воздух. Когда вы беседуете с другом, звуковые волны достигают вас благодаря движению молекул воздуха. Свет же распространяется в вакууме. На движение молекул накладывается ряд ограничений, которые к вакууму неприменимы. Свет Солнца приходит к нам через пустое пространство, но как бы мы ни прислушивались, нам не услышать шума солнечных пятен и грохота солнечных вспышек*. До появления теории относительности считалось, что свет распространяется через особую всепроникающую среду — «светоносный эфир». Однако знаменитый эксперимент Майкельсона—Морли продемонстрировал, что эфира не существует.
* В последнее время, в основном благодаря космической солнечной обсерватории SOHO, стало возможно изучать акустические колебания на Солнце в реальном времени, наблюдая изменения вида солнечной поверхности. Это, конечно, не меняет того факта, что непосредственно до Земли солнечные звуковые колебания не доходят. — Пер.
302
Иногда
Специальная теория относительности, полностью завершенная Эйнштейном, когда ему было около двадцати пяти лет, подтверждается всеми экспериментами, выполненными для ее проверки. Возможно, завтра кто-нибудь изобретет теорию, которая согласуется со всеми нашими знаниями, избегает парадоксов в вопросах одновременности, не нуждается в привилегированной системе отсчета и при этом допускает путешествия со сверхсветовыми скоростями. Но я в этом очень сильно сомневаюсь. Эйнштейновский запрет на движение быстрее света как будто бы противоречит здравому смыслу. Однако почему в этом вопросе мы должны доверять нашему здравому смыслу? Почему наш опыт, полученный при скоростях около 10 километров в час, должен распространяться на законы природы, действующие при скоростях около 300 000 километров в секунду? Теория относительности устанавливает границы того, что может совершить человек. Но Вселенная вовсе не обязана идти на поводу у наших амбиций. Специальная теория относительности лишает нас одного из способов достигнуть звезд — при помощи сверхсветовых космических кораблей. Но она же искушает нас, предлагая иной, совершенно неожиданный способ.
303
Давайте, вслед за Георгием Гамовым*, вообразим себе место, где скорость света вместо действительных 300 000 километров в секунду имеет очень скромную величину, например 40 километров в час, но также является предельно допустимой. (Не существует наказания за нарушение законов природы, ибо не бывает самих преступлений: природа так управляет вещами, что попрать ее законы просто невозможно.) Представьте, что, управляя скутером, вы набираете скорость, близкую к скорости света. (Теория относительности изобилует фразами, которые начинаются словами: «Представьте себе...». Эйнштейн называл такие упражнения Gedanken-experiment, то есть мысленными экспериментами.) По мере приближения к скорости света вам становится видно, что скрывается за углами, мимо которых вы проезжаете. Хотя вы смотрите прямо вперед, предметы, находящиеся позади вас, появляются в переднем поле зрения. Когда вы вплотную приблизитесь к скорости света, мир с вашей точки зрения будет выглядеть очень странно: почти весь он сожмется в маленькое круглое окошко, находящееся прямо перед вами. С точки зрения неподвижного наблюдателя отраженный от вас свет краснеет, когда вы удаляетесь, и смещается в синюю сторону при вашем возвращении. Если вы приближаетесь к наблюдателю на скорости, почти равной скорости света, вас окутывает жуткое цветное сияние: ваше невидимое обычно инфракрасное излучение смещается в сторону более коротких волн видимого спектра. Вы сжимаетесь в направлении
* Гамов, Георгий (1904-1968) — крупный физик-теоретик, член-корреспондент Академии наук СССР, с 1995 г. жил и работал в США. На счету Гамова по крайней мере три крупнейших научных достижения: первая квантово-механическая теория радиоактивного альфа-распада, гипотеза «горячей Вселенной», лежащая в основе современной космологии Большого Взрыва, и предсказание триплетной структуры генетического кода. — Пер.
304
своего движения, ваша масса возрастает, а ход времени для вас замедляется — захватывающее следствие движения с околосветовой скоростью называется растяжением времени. Однако наблюдатель, движущийся вместе с вами, — допустим, у скутера есть второе сиденье — не заметит ни одного из описываемых эффектов.
Эти странные и поначалу озадачивающие предсказания специальной теории относительности являются истинными в самом глубоком смысле, насколько вообще что-либо в науке может быть истинным. Происходящие изменения определяются относительным движением объектов. И это реальные изменения, а не оптический обман. Их можно продемонстрировать, опираясь на несложную математику, в основном на алгебру, изучаемую на первом курсе университета, и поэтому они доступны пониманию любого образованного человека. Они также находятся в согласии с многочисленными экспериментами. Очень точные часы, перевозимые на самолете, немного замедляют свой ход по сравнению с неподвижными. Ускорители элементарных частиц конструируются с учетом увеличения массы с ростом скорости; если бы в их конструкции данный эффект не учитывался, разогнанные частицы врезались бы в стены ускорителя и экспериментальная ядерная физика не многого
достигла бы. Скорость есть расстояние, деленное на время. Поскольку при околосветовой скорости нельзя складывать скорости тем простым способом, какой используется в повседневной жизни, от привычных нам представлений об абсолютном пространстве и абсолютном времени, не зависящих от вашего относительного движения, придется отказаться. Вот почему вы сжимаетесь. В этом причина замедления хода времени.Путешествуя с околосветовой скоростью, вы почти не постареете, но ваши друзья и родственники, остав-
305
шиеся дома, будут стареть в обычном темпе. Представьте себе, какая разница обнаружится между вами, чей возраст за время релятивистского путешествия почти не увеличился, и вашими друзьями, которые прожили, возможно, десятки лет! Полет с околосветовой скоростью — своего рода эликсир долголетия. Благодаря тому что время замедляется с приближением к скорости света, теория относительности дает нам шанс достигнуть звезд. Но возможно ли с инженерной точки зрения развить околосветовую скорость? Можно ли построить звездолет?
Тоскана не только место, где юный Эйнштейн обдумывал некоторые свои идеи; она была домом другому великому гению, жившему на 400 лет раньше, — Леонардо да Винчи, который любил взбираться на холмы и обозревать землю с большой высоты, как если бы он птицей парил в воздухе. Он первым стал рисовать перспективы ландшафтов, городов и крепостей, видимые с воздуха. Среди множества интересов и увлечений Леонардо — живописи, скульптуры, анатомии, геологии, естественной истории, военной и гражданской инженерии — числится одна великая страсть — изобретение и изготовление машины, способной летать. Он набрасывал эскизы, конструировал модели, строил полноразмерные прототипы, но ни один из них не работал. Тогда просто не существовало достаточно мощного и легкого двигателя. И тем не менее его конструкции были замечательны и воодушевляли инженеров будущего. Сам Леонардо тяжело переживал свои неудачи. Но вряд ли их следует ставить ему в вину. Он был пленником XV века.
Нечто подобное приключилось в 1939 году, когда группа инженеров, называвшая себя Британским межпланетным обществом, строила корабль для полета лю-
306
дей на Луну, опираясь на технологии 1939 года. Его конструкция не имела ничего общего с устройством космического корабля «Аполлон», совершившего этот полет три десятилетия спустя, но она внушала мысль, что полет на Луну рано или поздно станет инженерной реальностью.
Сегодня уже существуют эскизы космических кораблей для полета человека к звездам. Ни один из них не предполагает запуск непосредственно с Земли. Они должны собираться на околоземной орбите и уже оттуда отправляться в долгие межзвездные путешествия. Один из таких проектов получил название «Орион» в честь созвездия, что напоминает: его главная цель — звезды. В проекте «Орион» предлагается использовать взрывы ядерного оружия, водородных бомб, производимые рядом с массивной плитой, которая от каждого взрыва будет получать толчок — этакая огромная космическая моторная лодка на ядерном ходу. С инженерной точки зрения «Орион» выглядит вполне реализуемым. По самой своей природе он породил бы огромное количество радиоактивных выбросов, но в программе полета предусматривалось, что взрывы будут производиться только в пустоте межпланетного или межзвездного пространства. Разработка «Ориона» активно велась в Соединенных Штатах до подписания международного договора, запрещающего ядерные взрывы в космосе. Меня это очень огорчает. Звездолет «Орион» — лучшее применение, которое я могу найти, ядерному оружию.
Недавно Британским межпланетным обществом был предложен проект «Дедал». В нем предусматривается использование термоядерного реактора, намного более безопасного и эффективного, чем существующие сейчас реакторы атомных электростанций, работающие на энергии ядерного распада. Термоядерные реакторы
307
пока не построены, но ожидается, что они появятся в ближайшие несколько десятков лет*. «Орион» и «Дедал» могут достичь 10 процентов скорости света. Путешествие к Альфе Центавра, удаленной на 4,3 светового года, таким образом займет 43 года — меньше времени человеческой жизни. Такие корабли не могут развить околосветовую скорость, при которой становится существенным релятивистское замедление времени. Даже при самом оптимистичном сценарии технологического развития вряд ли «Орион», «Дедал» или подобные им корабли удастся создать раньше середины XXI столетия, хотя, будь на то наше желание, мы могли бы построить «Орион» уже сегодня.
Чтобы выйти за пределы ближайших звезд, нужно создать что-то иное. Например, «Орион» и «Дедал» можно использовать в качестве «звездолетов поколений»: прибывшие к планетам другой звезды будут далекими потомками тех, кто сотни лет назад отправился в путь. Или, возможно, отыщется безопасный способ гибернации человеческого организма, так что космических путешественников удастся заморозить, а потом разбудить столетия спустя. Создание таких нерелятивистских звездолетов потребовало бы колоссальных расходов, но их конструирование, строительство и эксплуатация представляются делом относительно простым в сравнении с постройкой кораблей, которые смогут достигнуть околосветовых скоростей. Другие звездные системы достижимы для человечества, но лишь ценой огромных усилий. Быстрые межзвездные полеты — на скорости, близкой к скорости света, — это задача не на столетие, а на тысячу, если не на десять тысяч лет. Но принципиально