В большом адронном коллайдере фотоны разгоняются до скорости 299 792 455 м/с. Это всего на три метра в секунду меньше скорости света. Всего три метра в секунду, неужели, нельзя чуть поднажать и разогнать фотоны выше скорости света?
Ответ: нельзя. Даже теоретически ни один объект не может двигаться быстрее. И этому есть объяснение. Если коротко, во вселенной абсолютно все двигается с этой скоростью и не может ее превысить.
Для начала стоит отметить, что согласно теории относительности, при увеличении скорости растет и масса. На малых скоростях это не заметно, но при приближении к скорости света она начинает стремительно расти. Разгоняться будет сложнее и сложнее, и энергии всей вселенной не хватит, чтобы увеличивать скорость дальше.
Вот только увеличение массы объясняет не все. Например, почему фотоны - безмассовые частицы - также не могут развить скорость света? Дело в самом устройстве пространства и времени, которое мы часто представляем неправильно. Отталкиваться стоит от того, что мы живем в четырехмерном мире. Кроме трех пространственных измерений, у нас есть еще время.
Для начала возьмем двухмерный мир, где ось х – это пространственная координата, а t - временная. Допустим, какой-то объект перемещается вдоль оси х. Мы можем обозначать его положение в каждый момент времени. Все эти точки образуют так называемую мировую линию.
Если что-то покоится, его мировая линия – это вертикальная прямая, если объект движется, то наклонная. Чем больше скорость, тем больше наклон, потому что за меньшее количество времени преодолевается большее расстояние. Можно даже обозначить наклон, соответствующий скорости света.
Получается, что в нашей реальности не существует неподвижных объектов . И статичные и динамичные объекты передвигаются по оси времени.
Теперь начинается самое интересное, мы переходим к четырехмерному миру и к ответу на вопрос, почему нельзя превысить скорость света. Если пространство четырехмерное, то и скорость тоже должна быть четырехмерной. Ее называют 4-скорость.
На нашем графике – это будет касательная к мировой линии.
Но лучше сделать другой график, где будет видно ее составляющие.
Если вы сидите и ничего не делаете, то перемещаетесь только во времени. Со скоростью одна секунда в секунду. Если начать движение, то появится другая составляющая (скорость в пространстве) и вектор 4-скорости будет наклонен. И оказывается, что размер 4-скорости всегда один и тот же – она равняется скорости света. То есть мы все абсолютно всегда несемся в пространстве и времени с одной и той же 4-скоростью. И ни увеличить, ни уменьшить, мы ее не можем. Единственная возможность – менять ее направление. Если начать двигаться, мы ничего не добавляем к 4-скорости, мы просто изменяем ее наклон.
Чем быстрее мы движемся, тем больше наклон.
Отметим, что чем больше скорость движения в пространстве, тем меньше скорость движения во времени – это и есть тот эффект замедления времени, которым знаменита теория относительности.
Когда 4-скорость достигнет горизонтали на графике, она станет равна скорости света. И как не поворачивай 4-скорость, больше ей уже не стать. Вот он предел. Он следует напрямую из свойств нашего мира.
Солнечная система уже давно не представляет особого интереса для фантастов. Но, что удивительно, и у некоторых ученых наши «родные» планеты не вызывают особого вдохновения, хотя они еще практически не исследованы.
Едва прорубив окно в космос, человечество рвется в неведомые дали, причем уже не только в мечтах, как раньше.
Еще Сергей Королев обещал в скором времени полеты в космос «по профсоюзной путевке», но этой фразе уже полвека, а космическая одиссея по-прежнему удел избранных - слишком дорогое удовольствие. Однако же два года назад HACA запустило грандиозный проект 100 Year Starship,
который предполагает поэтапное и многолетнее создание научного и технического фундамента для космических полетов.
Эта беспрецедентная программа должна привлечь ученых, инженеров и энтузиастов со всего мира. Если все увенчается успехом, уже через 100 лет человечество будет способно построить межзвездный корабль, а по Солнечной системе мы будем перемещаться, как на трамваях.
Так какие же проблемы нужно решить, чтобы звездные полеты стали реальностью?
ВРЕМЯ И СКОРОСТЬ ОТНОСИТЕЛЬНЫ
Звездоплавание автоматических аппаратов кажется некоторым ученым почти решенной задачей, как это ни странно. И это при том, что совершенно нет никакого смысла запускать автоматы к звездам с нынешними черепашьими скоростями (примерно 17 км/с) и прочим примитивным (для таких неведомых дорог) оснащением.
Сейчас за пределы Солнечной системы ушли американские космические аппараты «Пионер-10» и «Вояджер-1», связи с ними уже нет. «Пионер-10» движется в сторону звезды Альдебаран. Если с ним ничего не случится, он достигнет окрестностей этой звезды... через 2 миллиона лет. Точно так же ползут по просторам Вселенной и другие аппараты.
Итак, независимо от того, обитаем корабль или нет, для полета к звездам ему нужна высокая скорость, близкая к скорости света. Впрочем, это поможет решить проблему полета только к самым близким звездам.
«Даже если бы мы умудрились построить звездный корабль, который сможет летать со скоростью, близкой к скорости света, - писал К. Феоктистов, - время путешествий только по нашей Галактике будет исчисляться тысячелетиями и десятками тысячелетий, так как диаметр ее составляет около 100 000 световых лет. Но на Земле-то за это время пройдет намного больше».
Согласно теории относительности, ход времени в двух движущихся одна относительно другой системах различен. Так как на больших расстояниях корабль успеет развить скорость очень близкую к скорости света, разница во времени на Земле и на корабле будет особенно велика.
Предполагается, что первой целью межзвездных полетов станет альфа Центавра (система из трех звезд) - наиболее близкая к нам. Со скоростью света туда можно долететь за 4,5 года, на Земле за это время пройдет лет десять. Но чем больше расстояние, тем сильней разница во времени.
Помните знаменитую «Туманность Андромеды» Ивана Ефремова? Там полет измеряется годами, причем земными. Красивая сказка, ничего не скажешь. Однако эта вожделенная туманность (точнее, галактика Андромеды) находится от нас на расстоянии 2,5 миллиона световых лет.
По некоторым расчетам, путешествие займет у космонавтов более 60 лет (по звездолетным часам), но на Земле-то пройдет целая эра. Как встретят космических «неадертальцев» их далекие потомки? Да и будет ли жива Земля вообще? То есть возвращение в принципе бессмысленно. Впрочем, как и сам полет: надо помнить, что мы видим галактику туманность Андромеды такой, какой она была 2,5 млн лет назад - столько идет до нас ее свет. Какой смысл лететь к неизвестной цели, которой, может, уже давно и не существует, во всяком случае, в прежнем виде и на старом месте?
Значит, даже полеты со скоростью света обоснованны только до относительно близких звезд. Однако аппараты, летящие со скоростью света, живут пока лишь в теории, которая напоминает фантастику, правда, научную.
КОРАБЛЬ РАЗМЕРОМ С ПЛАНЕТУ
Естественно, в первую очередь ученым пришла мысль использовать в двигателе корабля наиболее эффективную термоядерную реакцию - как уже частично освоенную (в военных целях). Однако для путешествия в оба конца со скоростью, близкой к световой, даже при идеальной конструкции системы, требуется отношение начальной массы к конечной не менее чем 10 в тридцатой степени. То есть звездолет будет походить на огромный состав с топливом величиной с маленькую планету. Запустить такую махину в космос с Земли невозможно. Да и собрать на орбите - тоже, недаром ученые не обсуждают этот вариант.
Весьма популярна идея фотонного двигателя, использующего принцип аннигиляции материи.
Аннигиляция - это превращение частицы и античастицы при их столкновении в какие-либо иные частицы, отличные от исходных. Наиболее изучена аннигиляция электрона и позитрона, порождающая фотоны, энергия которых и будет двигать звездолет. Расчеты американских физиков Ронана Кина и Вей-мин Чжана показывают, что на основе современных технологий возможно создание аннигиляционного двигателя, способного разогнать космический корабль до 70% от скорости света.
Однако дальше начинаются сплошные проблемы. К сожалению, применить антивещество в качестве ракетного топлива очень непросто. Во время аннигиляции происходят вспышки мощнейшего гамма-излучения, губительного для космонавтов. Кроме того, контакт позитронного топлива с кораблем чреват фатальным взрывом. Наконец, пока еще нет технологий для получения достаточного количества антивещества и его длительного хранения: например, атом антиводорода «живет» сейчас менее 20 минут, а производство миллиграмма позитронов обходится в 25 миллионов долларов.
Но, предположим, со временем эти проблемы удастся разрешить. Однако топлива все равно понадобится очень-очень много, и стартовая масса фотонного звездолета будет сравнима с массой Луны (по оценке Константина Феоктистова).
ПОРВАЛИ ПАРУС!
Наиболее популярным и реалистичным звездолетом на сегодняшний день считается солнечный парусник, идея которого принадлежит советскому ученому Фридриху Цандеру.
Солнечный (световой, фотонный) парус - это приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата.
В 1985 году американским физиком Робертом Форвардом была предложена конструкция межзвездного зонда, разгоняемого энергией микроволнового излучения. Проектом предусматривалось, что зонд достигнет ближайших звезд за 21 год.
На XXXVI Международном астрономическом конгрессе был предложен проект лазерного звездолета, движение которого обеспечивается энергией лазеров оптического диапазона, расположенных на орбите вокруг Меркурия. По расчетам, путь звездолета этой конструкции до звезды эпсилон Эридана (10,8 световых лет) и обратно занял бы 51 год.
«Маловероятно, что по данным, полученным в путешествиях по нашей Солнечной системе, мы сможем существенно продвинуться вперед в понимании мира, в котором мы живем. Естественно, мысль обращается к звездам. Ведь раньше подразумевалось, что полеты около Земли, полеты к другим планетам нашей Солнечной системы не являются конечной целью. Проложить дорогу к звездам представлялось главной задачей».Эти слова принадлежат не фантасту, а конструктору космических кораблей и космонавту Константину Феоктистову. По мнению ученого, ничего особо нового в Солнечной системе уже не обнаружится. И это при том, что человек пока долетел только до Луны...
Однако за пределами Солнечной системы давление солнечного света приблизится к нулю. Поэтому существует проект разгона солнечного парусника лазерными установками с какого-нибудь астероида.
Все это пока теория, однако первые шаги уже делаются.
В 1993 году на российском корабле «Прогресс М-15» в рамках роекта «Знамя-2» был впервые развернут солнечный парус 20-метровой ширины. При стыковке «Прогресса» со станцией «Мир» ее экипаж установил на борту «Прогресса» агрегат развертывания отражателя. В итоге отражатель создал яркое пятно 5 км в ширину, которое прошло через Европу в Россию со скоростью 8 км/с. Пятно света имело светимость, примерно эквивалентную полной Луне.
Итак, преимущество солнечного парусника - отсутствие топлива на борту, недостатки - уязвимость конструкции паруса: по сути, это тонкая фольга, натянутая на каркас. Где гарантия, что по дороге парус не получит пробоин от космических частиц?
Парусный вариант может подойти для запуска автоматических зондов, станций и грузовых кораблей, но непригоден для пилотируемых полетов с возвратом. Существуют и другие проекты звездолетов, однако они, так или иначе, напоминают вышеперечисленные (с такими же масштабными проблемами).
СЮРПРИЗЫ В МЕЖЗВЕЗДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Думается, путешественников во Вселенной поджидает множество сюрпризов. К примеру, едва высунувшись за пределы Солнечной системы, американский аппарат «Пионер-10» начал испытывать силу неизвестного происхождения, вызывающую слабое торможение. Высказывалось много предположений, вплоть до о неизвестных пока эффектах инерции или даже времени. Однозначного объяснения этому феномену до сих пор нет, рассматриваются самые различные гипотезы: от простых технических (например, реактивная сила от утечки газа в аппарате) до введения новых физических законов.
Другой аппарат, «Вояд-жер-1», зафиксировал на границе Солнечной системы область с сильным магнитным полем. В нем давление заряженных частиц со стороны межзвездного пространства заставляет поле, создаваемое Солнцем, уплотняться. Также аппарат зарегистрировал:
- рост количества высокоэнергетических электронов (примерно в 100 раз), которые проникают в Солнечную систему из межзвездного пространства;
- резкий рост уровня галактических космических лучей - высокоэнергетических заряженных частиц межзвездного происхождения.
Пространство между звездами не пустое. Везде есть остатки газа, пыли, частицы. При попытке движения со скоростью, близкой к скорости света, каждый столкнувшийся с кораблем атом будет подобен частице космических лучей большой энергии. Уровень жесткой радиации при такой бомбардировке недопустимо повысится даже при полетах к ближайшим звездам.
А механическое воздействие частиц при таких скоростях уподобится разрывным пулям. По некоторым расчетам, каждый сантиметр защитного экрана звездолета будет непрерывно обстреливаться с частотой 12 выстрелов в минуту. Ясно, что никакой экран не выдержит такого воздействия на протяжении нескольких лет полета. Или должен будет иметь неприемлемую толщину (десятки и сотни метров) и массу (сотни тысяч тонн).
Собственно, тогда звездолет будет состоять в основном из этого экрана и топлива, которого потребуется несколько миллионов тонн. В силу этих обстоятельств полеты на таких скоростях невозможны, тем паче, что по дороге можно нарваться не только на пыль, но и на что-то покрупнее, или попасть в ловушку неизвестного гравитационного поля. И тогда гибель опять-таки неминуема. Таким образом, если и удастся разогнать звездолет до субсветовой скорости, то до конечной цели он не долетит - слишком много препятствий встретится ему на пути. Поэтому межзвездные перелеты могут осуществляться лишь с существенно меньшими скоростями. Но тогда фактор времени делает эти полеты бессмысленными.
Получается, что решить проблему транспортировки материальных тел на галактические расстояния со скоростями, близкими к скорости света, нельзя. Бессмысленно ломиться через пространство и время с помощью механической конструкции.
КРОТОВАЯ НОРА
Фантасты, стараясь побороть неумолимое время, сочинили, как «прогрызать дырки» в пространстве (и времени) и «сворачивать» его. Придумали разнообразные гиперпространственные скачки от одной точки пространства до другой, минуя промежуточные области. Теперь к фантастам присоединились ученые.
Физики принялись искать экстремальные состояния материи и экзотические лазейки во Вселенной, где можно передвигаться со сверхсветовой скоростью вопреки теории относительности Эйнштейна.
Так появилась идея кротовой норы. Эта нора осуществляет смычку двух частей Вселенной подобно прорубленному тоннелю, соединяющему два города, разделенные высокой горой. К сожалению, кротовые норы возможны только в абсолютном вакууме. В нашей Вселенной эти норки крайне неустойчивы: они попросту могут сколлапсировать до того, как туда попадет космический корабль.
Однако для создания стабильных кротовых нор можно использовать эффект, открытый голландцем Хендриком Казимиром. Он заключается во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых колебаний в вакууме. Оказывается, вакуум не совсем пуст, в нем происходят колебания гравитационного поля, в котором спонтанно возникают и исчезают частицы и микроскопические кротовые норы.
Остается только обнаружить одну из нор и растянуть ее, поместив между двумя сверхпроводящими шарами. Одно устье кротовой норы останется на Земле, другое космический корабль с околосветовой скоростью переместит к звезде - конечному объекту. То есть звездолет будет как бы пробивать тоннель. По достижении звездолетом пункта назначения кротовая нора откроется для реальных молниеносных межзвездных путешествий, продолжительность которых будет исчисляться минутами.
ПУЗЫРЬ ИСКРИВЛЕНИЯ
Сродни теории кротовых нор пузырь искривления. В 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре выполнил расчеты согласно уравнениям Эйнштейна и нашел теоретическую возможность волновой деформации пространственного континуума. При этом пространство будет сжиматься перед космическим кораблем и одновременно расширяться позади него. Звездолет как бы помещается в пузырь искривления, способный передвигаться с неограниченной скоростью. Гениальность идеи состоит в том, что космический корабль покоится в пузыре искривления, и законы теории относительности не нарушаются. Движется при этом сам пузырь искривления, локально искажающий пространство-время.
Несмотря на невозможность перемещаться быстрее света, ничто не препятствует перемещению пространства или распространению деформации пространства-времени быстрее света, что, как полагают, и происходило сразу после Большого взрыва при образовании Вселенной.
Все эти идей пока не укладываются в рамки современной науки, однако в 2012 году представители НАСА заявили о подготовке экспериментальной проверки теории доктора Алькубьерре. Как знать, может, и теория относительности Эйнштейна когда-нибудь станет частью новой глобальной теории. Ведь процесс познания бесконечен. А значит, однажды мы сможем прорваться чрез тернии к звездам.
Ирина ГРОМОВА
1) Освещает ли свет фар другие объекты и отражается обратно в глаза?
Нет. Как известно, нельзя превысить скорость света. Это означает, что в одном из направлений свет вообще не может светить, потому что не способен превысить скорость автомобиля, так что никогда не выйдет из фар. Однако, мы живём в многомерном мире и не весь свет светит в одном направлении.
Представим двухмерный автомобиль без массы (то есть двигающийся со скоростью света), который излучил два фотона, один вверх, а другой вниз. Два луча отделяются от автомобиля и остаются позади него. Они двигаются с такой же скоростью света, но не могут двигаться вперёд настолько же быстро, поскольку один из векторов скорости направлен вверх/вниз, поэтому мы обгоняем их. Эти фотоны затем встречают на своём пути какое-то препятствие, например, дорожный указатель или дерево, и отражаются обратно. Проблема в том, что они уже не могут догнать вас. Другие люди, идущие по тротуару, способны видеть отражённый свет, но вы уже уехали и никогда его не увидите.
Вот пожалуйста, всё можно объяснить на одном только факте, что весь свет двигается с одинаковой скоростью, неважно куда. Это едва ли имеет отношение к теории относительности.
Однако, существует и более хардкорная версия.
2) Могут ли вещи, двигающиеся со скоростью света, иметь фары? Могут ли они вообще иметь зрение?
Вот где сумасшедшая истина теории относительности по-настоящему вступает в игру, так что не нужно стыдиться, если чего-то не поймёте, но ответ опять выходит отрицательным.
Возможно, вам знакома концепция релятивистского замедления времени. Предположим, я с другом садимся в разные поезда и едем навстречу. Проезжая мимо, если мы посмотрим через окно на настенные часы в купе друг у друга, то оба заметим, что они идут медленнее обычного. Это не потому что часы тормозят, а потому что вступает в дело свет между нами: чем быстрее мы двигаемся, тем медленнее стареем относительно менее подвижных объектов. Это потому что время не является абсолютным для всех объектов во Вселенной, оно своё у каждого объекта и зависит от его скорости. Наше время зависит только от нашей скорости во Вселенной. Вы можете представить это как движение в разных направлениях на шкале пространства-времени. Здесь есть определённая проблема, потому что наш мозг не приспособлен для понимания геометрии пространства-времени, а склонен представлять время как некий абсолют. Тем не менее, почитав немного литературы на эту тему, вы нормально сможете воспринимать как естественный факт: те, кто двигаются быстро относительно вас, стареют медленнее.
Предположим, что ваш друг сидит в гипотетической машине и мчится со скоростью света. Итак, подставим его скорость в нашу формулу и посмотрим, каков будет ответ.
Ой-ёй! Похоже, у него вообще не прошло никакого времени! Наверное, что-то неправильно с нашими вычислениями?! Выясняется, что нет. Времени. Не. Существует. Для. Объектов. На. Скорости. Света.
Его просто нет.
Это значит, что вещи на скорости света не могут воспринимать «происходящие» события таким же образом, как воспринимаем мы. События не могут происходить для них. Они могут совершать действия, но не могут получать опыт. Сам Эйнштейн однажды сказал: «Время существует, чтобы всё не происходило одновременно» («Time exists so that everything doesn"t happen at once»). Это координата, спроектированная для построения событий в осмысленную последовательность, так что мы можем понять, что происходит. Но для объекта, который двигается на скорости света, этот принцип не работает, потому что всё происходит одновременно. Путешественник на скорости света никогда не увидит, не подумает и не почувствует чего-то, что мы считаем осмысленным.
Вот такой неожиданный вывод.
Даже если бы мы смогли сконструировать прототипы кораблей, выдуманных учеными из NASA и способных двигаться с релятивистской скоростью, а также нашли бы неприлично большой источник энергии, необходимой для того, чтобы запустить их в небеса, наше путешествие оказалось бы вовсе не таким приятным, как может показаться с борта «Тысячелетнего сокола». От возможности летать к соседним звездам нас отделяют отнюдь не технологии - это лишь вопрос нескольких веков. Проблема заключается в том, насколько опасен космос, если он превращается в среду обитания, и насколько хрупким на самом деле может оказаться человеческое тело.
Если бы мы стали перемещаться со скоростью света (300 000 км/с) в межзвездном пространстве, то погибли бы через пару секунд. Несмотря на то что плотность вещества в космосе очень низкая, на такой скорости даже несколько атомов водорода на кубический сантиметр врежутся в носовую часть корабля с ускорением, которое на Земле достижимо лишь на Большом адронном коллайдере. Из-за этого мы получим дозу излучения, равную десяти тысячам зивертов в секунду. Учитывая, что смертельная доза для человека составляет шесть зивертов, такой радиоактивный луч повредит корабль и уничтожит все живое на борту.
«Если бы мы стали перемещаться со скоростью света в космосе, то погибли бы через пару секунд»
Согласно исследованиям ученых из Университета Джонса Хопкинса, никакая броня не может уберечь нас от этой ионизирующей радиации. Переборка из алюминия толщиной десять сантиметров в таком случае поглотит меньше 1% энергии - а ведь размеры переборок невозможно увеличивать бесконечно, не рискуя возможностью взлететь. Однако помимо радиоактивного водорода нашему космолету на скорости света будет угрожать эрозия, возникающая из-за воздействия межзвездной пыли. В лучшем случае нам придется согласиться на 10% от скорости света, что позволит с большим трудом достичь лишь самой близкой звезды - Проксимы Центавра. С учетом расстояния в 4,22 светового года такой полет займет 40 лет - то есть одну неполную человеческую жизнь.
Космическая радиация пока остается для нас непреодолимым препятствием, однако, если в далеком будущем мы сможем его преодолеть, путешествие со скоростью света окажется самым невероятным переживанием, которое только доступно человеку. На такой скорости время замедлится, и старение станет намного более протяженным процессом (ведь даже космонавты на МКС за шесть месяцев успевают состариться на 0,007 секунды меньше, чем люди на Земле). Наше зрительное поле во время такого полета искривится, превратившись в туннель. Мы будем лететь по этому туннелю вперед, к сияющей белоснежной вспышке, не видя следов от звезд и оставляя за спиной самую кромешную, самую абсолютную темноту, какую только можно себе представить.