[Перевод] Спросите Итана: как беспроблемно путешествовать в космосе?
Иллюстрация искривляющего пространство варп-поля из «Звёздного пути», укорачивающего пространство перед кораблём и удлиняющего его сзади.
Неважно, кто вдохновил вас на космические путешествия — НАСА, Звёздный путь или Эйнштейн, они содержат в себе удивительные возможности. Многие из нас мечтали о том, чтобы на ракете или путём телепортирующего луча попасть в космос и летать между планетами или звёздами, но нам всё же приходится иметь дело с законами физики…, а также с нашими семьями по возвращению домой. Именно это беспокоит нашего читателя, рассказывающего следующую историю:
Иногда, обычно по пятницам после работы, мой друг Скотти при помощи луча телепортации перемещает меня на Энтерпрайз на прогулку вокруг Солнца по орбите Земли. Прогулка занимает порядка 2 часов, поэтому наша скорость должна быть довольно близкой к скорости света, но не превышать её. Во время прогулки я выпиваю пару бутылочек пива, так что к тому времени, как Скотти перемещает меня обратно на порог дома, жена не верит мне, когда я говорю ей, что я не был в местном пабе.
Довольно убедительная история. Давайте проверим, удовлетворяет ли путешествие читателя законам физики.
Путь, повторяющий орбиту Земли вокруг Солнца, имеет в длину 940 млн км
Чтобы облететь вокруг Солнца по орбите Земли, вам нужно пройти 940 млн км. Чтобы проделать его за пару часов, вам нужно путешествовать со средней скоростью в 44% от скорости света — это позволяет теория относительности Эйнштейна. Вам не нужны червоточины, варп-двигатель, ничего кроме обычных ракет. И огромного количества энергии.
Звёздный корабль Энтерпрайз из сериала Star Trek: The Next Generation (3-й сезон, 11-й эпизод)
В сериале Звёздный путь перемещение с досветовыми скоростями обеспечивали при помощи импульсных двигателей. Варп-двигатель хорошо подходит для перемещения на огромные расстояния, но для точных манёвров он не приспособлен; вам совершенно не захочется, выйдя из варп-режима, оказаться внутри планеты или звезды. Импульсные двигатели не искривляют ткань пространства-времени, они просто работают по принципу третьего закона Ньютона: выбрасываете атомы, плазму или свет в направлении, противоположном движению, и ускоряетесь в нужном вам направлении. Именно так работали абсолютно все ракеты, изобретённые человечеством.
Плазменный двигатель, двигатель на антиматерии, ядерный или обыкновенный заставляет любую ракету двигаться по одному и тому же принципу тяги. Даже импульсный двигатель из Звёздного пути.
Предположим, что телепортационные переносчики сработали, и Энтерпрайз не замедлял хода, когда подбирал вас, тогда дополнительное ускорение потребуется только для вашей, сравнительно незначительной, массы, в районе 80 кг. Чтобы разогнать вас до 44% от скорости света, потребуется порядка 100 ПДж энергии — столько, сколько было испущено при самом мощном взрыве, когда-либо произведённом на территории США: взрыве бомбы B41.
Подводная ядерная бомба из операции «Перекрёстки» обладала только тысячной долей энергии, необходимой для разгона человека до 44% скорости света.
Оказавшись на борту Энтерпрайза, вы столкнётесь с ещё большей проблемой: поддержанием вашей скорости на орбите Земли. «Погодите-ка, — скажете мне вы, — ведь пока я поддерживаю одну и ту же скорость, разве первый закон Ньютона, насчёт движущегося объекта, который остаётся в движении, не позволит мне этого сделать?» Да, пока вас устраивает одно направление движения — по касательной к орбите Земли. Добро пожаловать в межпланетное пространство, а вскоре и в межзвёздное. У вас уйдёт всего несколько часов на то, на что у Вояджеров заняло десятилетия: на выход из Солнечной системы.
У зондов Вояджер ушло порядка 40 лет на то, чтобы покинуть Солнечную систему. Двигаясь с 44% от скорости света, космический корабль сможет сделать это быстрее, чем за 24 часа
Вместо этого вы хотите продолжать двигаться по орбите Земли, а значит, вам нужно будет организовать огромную центростремительную силу для того, чтобы оставаться на орбите. На таких гигантских скоростях вам потребуется постоянная тяга в 140 тераньютонов только для того, чтобы удержать Энтерпрайз, весящий порядка миллиона тонн, на стабильной орбите для нужной вам скорости. Даже если бы ваш импульсный двигатель работал на аннигиляции материи и антиматерии, вам потребовалось бы сжечь порядка 100 000 тонн массы, превратив её в чистую энергию согласно формуле E = mc2, чтобы сделать один оборот вокруг Солнца на скорости в 44% от скорости света.
Совершить оборот вокруг Солнца, находясь на таком же расстоянии, как и Земля, будет бесплатно с точки зрения энергии — только если двигаться с такой же скоростью, как Земля
Допустим, вы это сделали. Допустим, ваш друг Скотти решил, что вы достойны такого огромного расхода энергии, и вы обернулись вокруг Солнца за два часа. Но это тут, на Земле прошло два часа, а вы обнаружите, что с вашей точки зрения полёт прошёл немного быстрее. Из-за того, что вы двигаетесь близко к световой скорости, ваши часы — как биологические, так и наручные, часы в смартфоне и любые другие механические устройства — будут идти медленнее.
Световые часы будут идти по-разному для наблюдателей, движущихся с разными скоростями — из-за постоянства скорости света. Специальная теория относительности Эйнштейна определяет, каким образом осуществляется трансформация времени и расстояний
Этот эффект означает, что для вас это путешествие займёт 108 минут, то есть на 12 минут меньше, чем измерит оставшаяся дома ваша семья. Если бы вы двигались в два раза быстрее, на 88% от скорости света, то всё путешествие заняло бы у вас всего 56 минут. Чем быстрее вы двигаетесь, тем медленнее идёт ваше время.
Но как это возможно? Разве вы в обоих случаях не прошли одинаковое расстояние?
Передвижение со скоростью, близкой к световой, приводит к преобразованию времён и расстояний. Длины, включая длину корабля, становятся короче в направлении движения.
Только с точки зрения Земли. С вашей точки зрения не только растягивается время, но и сокращаются длин. Чем быстрее вы двигаетесь (чем ближе к скорости света), тем больше пространство сжимается в направлении вашего движения. Эти преобразования должны происходить для того, чтобы сохранять постоянство скорости света — она одна во всех системах отсчёта. Если время идёт по-другому, то размерности пространства тоже должны меняться, чтобы всё совпадало. Это ключ к СТО, и на досветовых скоростях это работает вне зависимости от того, куда вы направитесь.
В космосе или на земле, движение с относительными скоростями приводит к появлению релятивистских эффектов
Так что насчёт того, поверит вам ваша супруга или нет? Вот некоторые советы:
• Не пытайтесь убедить её, что вас не было меньше двух часов. Уважайте её систему отсчёта — она была не в вашей.
• Наслаждайтесь пивом, но не пытайтесь доказать ей, что не были в пабе только из-за того, что вы не были в местном пабе.
• Ваша технология XXI века должна работать в любой системе отсчёта — так что сделайте уже пару фотографий!
Оказавшись в космическом корабле, сделайте пару фотографий!
Вернувшись домой, вы поймёте, что получили ни с чем не сравнимый опыт, и что вы на 12 минут моложе, чем были бы, если бы не совершали этого путешествия. Расположившись на диване, вы снова окажетесь в том же месте пространства и времени, но приведшие туда вас пути будут очень разными. Вы отправились в космос, проделали путь в 940 млн км через пространство, и для компенсации этого путь отнял у вас меньше времени. У вас двоих будут одни и те же начальная и конечная точки, но пути будут очень разные: её путешествие будет больше по времени, ваше — по расстоянию. А постоянной для вас обоих будет лишь скорость света, и она будет такой в любое мгновение вашего путешествия.
Книга Итана Сигеля «Трекнология: наука Звёздного пути»
Итан Сигель — астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
