Космос

Саган Карл

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. Давайте, вслед за Георгием Гамовым [149] , 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 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.

149

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.

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, оставшиеся 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 людей 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 пока не построены, но ожидается, что они появятся в ближайшие несколько десятков лет [150] . «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.

150

И в наши дни прогнозы создания термоядерного реактора звучат примерно так же. С инженерной точки зрения эта задача оказалась гораздо сложнее, чем представлялось первоначально. – Пер.

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 они возможны. Р. У. Бассард предложил своего рода прямоточный звездолет, который собирает межзвездную диффузную материю, состоящую в основном из атомов водорода, ускоряет ее в термоядерном реакторе и выбрасывает назад. Водород используется в нем и в качестве топлива, и в качестве рабочего тела. Однако в открытом космосе на десять кубических сантиметров – размер крупной виноградины – приходится всего один атом водорода. Чтобы прямоточный двигатель заработал, его топливозаборник должен иметь в поперечнике сотни километров. Когда корабль достигнет околосветовой скорости, атомы водорода будут с такой же скоростью двигаться навстречу ему. Если не принять адекватных мер предосторожности, эти индуцированные космические лучи сожгут корабль и его пассажиров. Одно из предлагаемых решений состоит в том, чтобы с помощью лазера, на расстоянии выбивать электроны из межзвездных атомов, делая их тем самым электрически заряженными, а затем при помощи сверхсйльного магнитного поля направлять ионы в топливозаборник в обход других частей космического корабля. Это пока совершенно беспрецедентный для Земли инженерный проект. Двигатель, о котором идет речь, сравним по размерам с небольшой планетой.

И все же давайте еще немного поразмыслим о таком звездолете. Земное тяготение действует на нас с определенной силой. Когда мы падаем, эта сила придает нам ускорение. Сорвавшись с дерева, как нередко случалось с нашими человекообразными предками, мы падаем все быстрее и быстрее: каждую секунду скорость падения увеличивается на десять метров в секунду. Это ускорение, которым проявляет себя сила гравитации, удерживающая нас на поверхности Земли, обозначается lg (по первой букве слова gravity – тяготение). Мы комфортно чувствуем себя при ускорении силы тяжести lg; мы выросли при ускорении lg. На борту звездолета, развивающего ускорение lg, мы будем чувствовать себя совершенно естественно. На самом деле эквивалентность между силой гравитации и силой, действующей на нас в ускоряющемся космическом корабле, – один из основополагающих принципов общей теории относительности, созданной Эйнштейном вслед за специальной. При постоянном ускорении 1g за год полета мы должны приблизиться к скорости света [(0,01 км/с²•(3•10⁷с) = = 3•10⁵ км/с].

Допустим, что такой корабль будет идти с ускорением lg , все более и более приближаясь к скорости света, пока не достигнет середины своего пути; затем он развернется и начнет тормозить с тем же ускорением 1g, пока не достигнет точки назначения. Почти на всем протяжении полета скорость будет очень близка к скорости света, и время станет замедляться чрезвычайно сильно. Одна из ближайших целей такого полета – звезда Барнарда, у которой, возможно, есть планеты [151] , – находится на расстоянии шести световых лет. На полет к ней по корабельным часам потребуется около восьми лет; до центра Млечного Пути 21 год полета; до М31, туманности Андромеды – 28 лет. Конечно, для людей, остающихся на Земле, все будет выглядеть совершенно иначе. Полет к центру Галактики вместо 21 года займет по их часам 30 000 лет. Вряд ли кто-то из оставленных на Земле друзей выйдет нас поприветствовать, когда мы вернемся назад. В принципе, подобный полет со скоростью, постоянно приближающейся к скорости света, позволяет даже совершить кругосветное путешествие – облететь всю известную нам Вселенную – примерно за 56 лет по корабельному времени. К моменту нашего возвращения пройдут десятки миллиардов лет, и мы найдем Землю обращенной в пепел, а Солнце мертвым. Релятивистские полеты делают Вселенную доступной для высокоразвитых цивилизаций, но только для тех, кто отправляется в путь. По всей видимости, не существует способа передать информацию тем, кто остался позади, быстрее, чем со скоростью света.

151

Звезда Барнарда находится в созвездии Змееносца. Она имеет звездную величину 9^m,6, т. е. не видна невооруженным глазом. Внимание астрономов она привлекла самым большим среди известных звезд собственным движением (перемещением на небе относительно далеких звезд). За год она смещается на 10,29 угловой секунды, а за 350 лет – на целый градус. Звезда Барнарда является красным карликом, ее светимость в 2500 раз меньше солнечной. – Пер.

Конструкции «Ориона», «Дедала» и прямоточного звездолета Бассарда, вероятно, находятся еще дальше от тех настоящих звездолетов, которые когда-нибудь будут построены, чем модели Леонардо – от современных сверхзвуковых самолетов. Но я уверен, что если мы не уничтожим сами себя, то однажды отправимся в путешествие к звездам. Когда вся Солнечная система будет исследована, нас обязательно поманят планеты у других звезд.

Путешествия в пространстве и времени взаимосвязаны. Мы можем быстро перемещаться в пространстве, только быстро двигаясь в будущее. А что насчет прошлого? Под силу ли нам вернуться в минувшее и изменить его? Способны ли мы дать событиям иной ход, отличный от того, что записан в книгах по истории? Мы неторопливо движемся в будущее – каждый день на один день. Релятивистский полет позволяет быстрее переноситься в будущее. Но многие физики считают, что путешествие в прошлое невозможно. Даже имей вы устройство, способное перемещать назад во времени, говорят они, вы не смогли бы произвести никаких изменений. Если бы вы отправились в прошлое и воспрепятствовали встрече своих родителей, то никогда бы не появились на свет, что до некоторой степени противоречит очевидному факту вашего существования. Так же как при доказательстве иррациональности 2 или при обсуждении одновременности в специальной теории относительности, посылка отвергается на том основании, что следующий из нее вывод выглядит абсурдным.