Полет к звездам: его особенности и перспективы

Представим такое: дан старт первому звездолету, направляющемуся за пределы солнечной системы — к планетной системе звезды Проксим Центавра. Медленно набирая скорость, звездолет переходит с околосолнечной орбиты на гиперболическую траекторию. Проходит две недели, и он покидает пределы солнечной системы. Скорость звездолета все растет, она уже достигла 250 тысяч километров в секунду (5/6 скорости света). Моторы выключены. Космический корабль летит по инерции.

Перед астронавтами возникают совершенно необычные картины: все звезды как бы сбежались в одну сторону — туда, куда движется звездолет. Причудливо изменился их цвет, а многие и вовсе перестали быть видны. Вот навели сверхмощный телескоп на одну из ближайших звезд. И что же! Она кажется не шарообразной, а сплюснутой в направлении полета! Так выглядят и другие звезды.

И вот достигнута система Проксимы Центавра, проведены ценнейшие научные исследования, звездолет летит обратно. Приближается Солнце, становится различимой простым глазом родная планета.
Наконец путешественники на Земле! Их встречают родные, друзья, знакомые.
— Как долго мы не видели Земли! — восклицает командир корабля. — Прошло более девяти лет!
— А мы вас не видели на четыре с лишним года больше, чем вы не видели нас, — говорят встречающие.

И никто не удивляется этим словам. Все знают, в чем дело. А знаете ли это вы, читатель?

В космос – на лучах света

Если бы люди захотели отправиться на Проксиму Центавра на «обычной» межпланетной ракете, для этого потребовались бы сотни тысяч лет. Чтобы совершить межзвездный перелет туда и обратно даже за несколько десятков лет, нужна скорость, близкая к скорости света. Можно ли придать летательному аппарату такую скорость? Да, это возможно с помощью так называемой фотонной ракеты.

В ней вместо газа реактивное ускорение создает поток фотонов — частиц света, которые обладают определенной массой. Они образуются в результате превращения различных элементарных частиц материи. Кроме протонов и электронов, современная физика открыла и другие, редко встречающиеся в природе частицы: позитрон, имеющий массу протона, но заряженный положительно, и антипротон, имеющий массу протона, но заряженный отрицательно. Их называют античастицами. При соединении частиц с такими же античастицами и образуются фотоны.

Технические проблемы, связанные с созданием фотонных ракет, еще не решены. Но предположим, что фотонный двигатель построен и может сообщить ракете скорость, близкую к скорости света. Почему же космонавты, вернувшись из многолетнего путешествия к Проксиме Центавра, в счете времени разойдутся с жителями Земли на несколько лет? Причину этого явления раскрывает нам теория относительности.

Можно ли лететь быстрее света

Известно, что механическое движение относительно. Люди, например, никак не ощущают прямолинейного и равномерного движения парохода, находясь в его каюте. Более того, никакими механическими опытами нельзя обнаружить это движение. Такие тела, движущиеся прямолинейно и равномерно, принято называть инерциальными системами.

Но казалось, что дело обстоит иначе, когда мы от механики переходим к электродинамики. И теоретически и экспериментально было доказано, что свет, который представляет собой электромагнитные волны, распространяется в пустоте со скоростью 300 000 километров в секунду (км/сек,). Казалось что если наблюдатель будет двигаться навстречу световым лучам со скоростью 30 км/сек, то скорость света относительна него будет 300 030 км/сек, а если он движется в обратном направлении, — то 299 970 км/сек.

Но самые тщательные опыты не подтвердили этого. Установлено, что скорость света совершенно не зависит от прямолинейного и равномерного движения наблюдателей. По отношению к каждому из них она будет равна 300 000 км/сек. Следовательно, ни измерением скорости света, ни каким-либо другим путем нельзя обнаружить прямолинейного и равномерного перемещения тела в пространстве. Можно говорить только об относительном движении тел.

Обобщая все эти результаты, знаменитый физик Альберт Эйнштейн пришел к выводу, что равномерное и прямолинейное движение материальной системы как целого никак не влияет на процессы, протекающие внутри нее. Скорость света в пустоте во всякой инерциальной системе постоянная и является предельной скоростью. Ни какое материальное тело не может двигаться быстрее скорости света. Построенная Эйнштейном на основе этих законов специальная теория относительности значительно углубила наши знания о природе пространства и времени и открыла их взаимную связь.

Прежде всего, эта теория показала, что понятие одновременности, которое казалось столь простым и очевидным, не имеет абсолютного характера, который ему приписывала классическая физика. Представим себе ракету, которая движется относительно Земли прямолинейно и равномерно.

Астронавт, находящийся в середине ракеты, будет считать, что вспышки света в ее хвостовой и носовой частях произошли в один момент, поскольку он их увидел одновременно. Наблюдатель на Земле, находясь рядом с проносящимся мимо астронавтом, увидит вспышки также одновременно. Но он сочтет, что в хвостовой части вспышка произошла раньше, так как ракета движется, а во время вспышек хвостовая часть была дальше от земного наблюдателя, чем носовая. Такой же результат получил бы астронавт, если бы вспышки делались не на ракете, а на Земле.

Более того, оказывается, что и длина не абсолютна; она зависит от относительного движения. Пусть по измерениям нашего астронавта длина ракеты будет равна, скажем, 100 метрам. Но земной наблюдатель, попытавшись одновременно отметить положение ее концов, получит меньшую величину, например 99 метров. Ведь положение носовой части он определит, с точки зрения астронавта, раньше, а хвостовой — позже, когда ракета сдвинется на 1 метр. Сам же наблюдатель считает обе отметки одновременными, поэтому длина летящей ракеты для него окажется меньше.

Такими же относительными являются и интервалы времени. Сравнивая ход часов на Земле и летящей ракете, земной наблюдатель обнаружит, что время на космическом корабле течет медленнее, чем на нашей планете.

Таким образом, длина тела, движущегося с большой скоростью, сокращается в направлении движения. Это сокращение быстро растет с приближением скорости движения к скорости света. В таком же отношении уменьшаются промежутки времени в движущейся системе.

Путешествие в будущее

Как мы только что убедились, в ракете, летящей с субсветовой скоростью, течение времени, по законам теории относительности, должно замедлиться. Любые часы (пружинные или кварцевые), радиоактивный эталон времени и даже человеческое сердце покажут нам, что за время перелета к Проксиме Центавра и обратно в ракете протекло на 4 года меньше, чем на Земле.

Таково одно из интереснейших следствий теории относительности. Но это не только чисто теоретический вывод. Имеются и практические подтверждения этого невероятного на первый взгляд обстоятельства.

Известно явление распада мезонов — элементарных частиц с массой в 300 раз больше электрона. Наблюдения показали, что у мезонов, образующихся в космических лучах и обладающих большими скоростями, продолжительность существования возрастает именно так, как предсказывает теория относительности.

Почему же мы не замечаем замедления времени в жизни? Потому что при малых скоростях (сравнительно со скоростью света) разница во времени будет ничтожно мала. Даже на ракете, которая совершит полет по солнечной системе в течение года со средней скоростью 15 км/сек., часы разойдутся с земными лишь на 0,015 секунды. Но если скорость увеличить до 299 900 км/сек., то когда на Земле пройдет 38 лет, на ракете пройдет год.

Путешественники, вернувшись из своего недолгого, как им казалось, путешествия, зacтaнyт на Земле своих детей пожилыми людьми, а внуков — взрослыми. Сами же они состарятся только на год. Правда, чем ближе скорость движения к скорости света, тем труднее ее достигнуть. Но в принципе такие скорости достижимы. Значит, «путешествие в будущее» действительно возможно.

После того, как будет выключен двигатель фотонной ракеты, ее пассажиры не смогут ощутить той огромной скорости, с которой ракета несет их в межзвездном пространстве. Вероятнее всего, астронавты будут наблюдать космическое пространство на экранах мониторов, заменяющих окна ракеты. На первый взгляд, кажется, что астронавты сразу заметят по смещению звезд, как быстро они мчатся в пространстве. Ведь ракета летит с такой скоростью, что за десять минут покрывает расстояние, отделяющее Землю от Солнца. На самом деле даже близкая звезда, находящаяся на расстоянии в один световой год, за три часа полета сместится всего на одну угловую минуту, то есть на величину, едва различимую человеческим глазом.

И все же у астронавтов будет возможность убедиться в своем стремительном полете, не просиживая долгих часов за наблюдениями и не делая кропотливых измерений, а сразу — по виду окружающего ракету звездного неба.

Хорошо известно, что капли дождя, падающие вертикально, при движении поезда будут оставлять на окнах вагонов косые следы. Это происходит потому, что скорость падения капель и скорость движения поезда складываются. Наклон следов от капель будет в сторону движения поезда.

Точно так же лучи света от звезды, падающие на движущуюся Землю, испытывают некоторый наклон, и мы видим звезду смешенной в сторону движения нашей планеты. Это явление называется аберрацией света. Скорость Земли (30 км/сек.) невелика по сравнению со скоростью света, поэтому и аберрационное смещение звезд незначительно: оно достигает самое большее 20 секунд дуги.

Если ракета движется со скоростью близкой к скорости света, то астронавты увидят необычную картину. Звезды, которые кажутся нам более или менее равномерно рассыпанными по всему небосводу, «сбегутся» в ту часть неба, куда движется ракета, и в этом направлении небо будет усеяно ими значительно гуще, чем в противоположном. Но еще больше повлияет на вид звездного неба другое явление — эффект Допплера. При движении навстречу световым волнам частота их становится больше, то есть свет делается более фиолетовым, а при движении в противоположную сторону свет краснеет.

Если лучи падают не вдоль направления движения, а под некоторым углом, то изменение частоты световых волн будет тем меньше, чем ближе этот угол к прямому. Эффект Допплера хорошо изучен астрономами, которые с его помощью определяют скорость удаления или приближения далеких небесных тел.

Если скорость близка к скорости света, на этот эффект накладывается еще следующее явление. Относительно ракеты все звезды движутся практически со скоростью 250 000 км/сек., и, значит, для наших путешественников время на этих звездах течет медленнее. Медленнее колеблются электроны в атомах, а значит, с меньшей частотой излучаются световые волны. Отсюда следует, что даже свет звезд, расположенных в перпендикулярном направлении по отношению к трассе ракеты, окажется покрасневшим.

Общая картина необычного звездного неба, которая откроется перед космическими путешественниками, будет следующая. Сначала они увидят густо усеянную фиолетовыми звездами область вокруг точки, в направлении которой летит ракета. Затем, по мере удаления от этой точки, звезды встречаются на небе более редко. Цвет их меняется от синего до красного, затем их яркость резко уменьшается, и почти на половине неба позади ракеты совсем не видно звезд, за исключением, может быть, самых ярких, которые будут видны в виде слабых красных искорок.

Но еще более удивительные картины откроются перед астронавтами, если они смогут наблюдать в сверхмощные телескопы процессы, происходящие на отдаленных небесных телах.

Поскольку звезды движутся относительно ракеты со скоростью 250 000 км/сек., они сократятся в направлении движения ракеты в 1,8 раза и будут выглядеть не шарами, а эллипсоидами. Если ось вращения звезды не совпадает с направлением движения ракеты, то, поворачиваясь вокруг оси, звезда будет менять свою форму, как бы «подставляя» под сплющивание разные точки своей поверхности. Если ракета будет пролегать над плоскостью какой-либо планетной системы, то круговые пути планет для астронавта будут сплюснутыми, эллиптическими. Планеты тоже превратятся в эллипсоиды, вращаясь так же странно, как звезды. Все процессы, текущие на небесных телах, замедлятся в 1,8 раза.

Как мы уже знаем, события, одновременные для наблюдателя на Земле, могут оказаться неодновременными для астронавта, летящего на ракете. Возможны даже такие случаи, как перестановка порядка событий во времени. Допустим, что на противоположных друг другу точках поверхности Солнца происходят два извержения протуберанцев, причем земные астрономы видят одно из них на две секунды раньше, чем другое. Но наблюдатель на ракете сочтет, наоборот, что второе извержение произошло раньше первого на две секунды, а вся картина явления для него будет происходить в 1,8 раза медленнее, чем для наблюдателя на Земле. Вспомнив при этом, что изменяется также яркость и цвет этих образований, легко понять, насколько необычные картины смогут увидеть будущие астронавты.

Если астронавт будет изучать события, происходящие на покинутой им Земле, то он убедится, что и там все процессы, в том числе и жизнь людей, текут в 1,8 раза медленнее. Как же так? Казалось бы, что для наблюдателя на ракете процессы на Земле должны течь быстрее по отношению к процессам, текущим на ракете. Но этого не происходит. Если ракета летит равномерно и прямолинейно относительно Земли, тогда относительно ракеты Земля будет двигаться с той же скоростью в противоположную сторону. Следовательно, наблюдатели на Земле и на ракете полностью равноправны, И хотя для земного наблюдателя время на ракете течет медленнее, для астронавта медленнее будет течь земное время.

Может показаться, что тогда нельзя избежать противоречия. Когда ракета вернется на Землю, кто окажется прожившим меньше времени: космический путешественник или житель Земли?

На самом деле никакого противоречия нет. Просто в наших рассуждениях упущено одно важное обстоятельство. Чтобы вернуться на Землю, астронавты непременно должны включить двигатели ракеты, развернуть ее и направить к Земле. Во время действия двигателей ракета движется ускоренно и не является инерциальной системой. Законы специальной теории относительности в это время для нее неприменимы. Земной наблюдатель не испытывал никаких ускорений, его система инерциальна все время, и законы специальной теории относительности в ней справедливы, поэтому его вывод о том, что по возвращении межзвездные путешественники окажутся моложе своих сверстников на Земле, правилен.

На ракете же, когда она движется ускоренно, будут действовать законы общей теории относительности, которая позволяет рассматривать не только прямолинейное и равномерное движение, но и ускоренное.

Оказывается, на течение времени влияет не только движение тел, но и близость тяготеющих масс. В сильном поле тяготения, то есть там, где потенциал тяготения велик (например на Солнце), время течет медленнее, чем на Земле.

Летим к Проксиме Центавра

Рассмотрим конкретный пример полета фотонной ракеты к Проксимё Центавра, с которого мы начали наш рассказ. Предположим, что на ракете есть точные часы и мощный передатчик, посылающий сигналы времени на Землю. Наблюдатели на Земле, учтя время распространения радиосигналов от ракеты до Земли, могут следить за течением времени на ракете.

Пусть ракета набирает скорость и тормозится так, что ускорение, которое будет действовать на все предметы внутри ракеты, будет равно ускорению силы тяжести на поверхности Земли. Это наиболее целесообразно с точки зрения удобства экипажа. Попробуем проследить вместе с наблюдателями на Земле за ходом часов на ракете. Пока ракета наберет скорость, часы на ней будут идти все медленнее и к моменту выключения двигателей на ракете отсчитают на 0,3 года меньше, чем земные часы. Дальше ракета летит по инерции; часы на ней идут для земного наблюдателя в 1,8 раза медленнее, чем его собственные. На участке торможения ракеты ход ее часов для земного наблюдателя будет постепенно ускоряться.

Астронавты высаживаются на планете системы Проксимы Центавра. Пока они исследуют эту систему, их часы идут синхронно с земными часами. Затем астронавты отправляются в обратный путь, и картина изменения хода часов на ракете повторяется в обратном порядке. После возвращения космических путешественников по часам на Земле пройдет 13,5 года, а по часам ракеты — 9,3 года, то есть астронавты отсчитают на 4 с лишним года меньше.

Отправимся теперь вместе с астронавтами в космическое путешествие, и радиосигналами с Земли будем следить из ракеты за ходом земных часов. Когда ракета движется ускоренно, в ее системе будет действовать сила, вызванная ускорением и эквивалентная силе тяготения. Но там, где потенциал тяготения больше, часы идут медленнее. Разность потенциалов зависит от величины силы и расстояния между точками, причем потенциал увеличивается в ту сторону, куда направлена сила. Сила, действующая на предметы в ракете, противоположна направлению ее ускорения (вспомните, что при отправлении поезда эта сила толкает нас назад). При разгоне ракеты во время вылета эта сила направлена от ракеты к Земле. Следовательно, потенциал этой силы больше в точке расположения земных часов, и часы замедляют свой ход по сравнению с часами на ракете.

Но этот эффект незначителен, так как расстояние между отлетающей ракетой и Землей еще невелико. Незначительны поэтому и разность потенциалов и замедление хода часов. При полете с выключенными двигателями часы на Земле для астронавтов идут медленнее ракетных и к концу этого участка отстанут от них на 1,25 года. Наконец, при торможении у Проксимы Центавра сила, вызванная ускорением, имеет направление от Земли к ракете. Потенциал теперь больше в точке, занимаемой ракетными часами, и земные часы идут быстрее ракетных. При этом, хотя сила, вызванная ускорением, осталась прежней, но расстояние между часами огромно, а значит, огромна и разность потенциалов и, следовательно, разность хода часов. Для астронавтов часы на Земле начинают так спешить, что очень быстро ликвидируют свое отставание за время предыдущих этапов полета и уходят вперед. Для астронавтов земные часы в это время идут почти в 4 раза быстрее ракетных.

На обратном пути картина хода часов повторяется в обратном порядке.
Итог получается тот же. Когда ракета вернется на Землю, по земным часам пройдет 13,5 года, по ракетным — 9,3 года. Как видим, картина течения времени для астронавтов была совсем иной, чем для жителей Земли, но, тем не менее, никаких противоречий не получается.

К туманности Андромеды

И все-таки, несмотря на всю увлекательность такого путешествия, может показаться, что дальше ближайших соседей Солнца человек все равно полететь не может: на полет, например, к звезде Бетельгейзе и обратно, даже со скоростью 250 000 км/сек., не хватит, человеческой жизни.

Значит ли отсюда, что наши потомки не смогут осуществить мечту героев романа И. Ефремова «Туманность Андромеды» и добраться до других галактик? Немецкий физик Э. Зенгер дает на этот вопрос положительный ответ. До туманности Андромеды, находящейся в 1,5 миллиона световых лет от нас, можно, оказывается, долететь за 27 собственных лет.

Для этого нужно, чтобы ракета полпути летела с ускорением, а полпути — с торможением. Наибольшая скорость будет тогда достигнута, конечно, на середине пути. И чем больше расстояние до цели путешествия, тем ближе будет скорость ракеты к скорости света, а значит, тем больше будет замедление времени на ракете. Собственное время полета будет зависеть в этом случае только от расстояния. И вот оказывается, что полет до центра нашей Галактики займет при таком режиме 19,8 собственных года, что соответствует 30 000 земных лет, а полет до туманности Андромеды — 27,2 собственных года, или 1,5 миллиона земных лет. Столько же потребуется и на обратный путь.

Конечно, герои Ефремова не отказались бы за 27 собственных или «зависимых» лет добраться до туманности Андромеды. Но мы не учли расхода «горючего» — запасов элементарных частиц. Отношение начальной и конечной массы ракеты составит в этом случае 2,5 триллиона! Из 2,5 миллиона тонн начальной массы до туманности Андромеды долетит… 1 грамм. А если предусмотреть и обратное возвращение, то это число (2,5 триллиона) надо еще возвести в квадрат. К тому же на Земле за это время пройдет 3 миллиона лет…

Есть ли смысл отправляться в такой полет? На это ответит будущее…

Когда же это будет

Вернемся из наших воображаемых путешествий на реальную, сегодняшнюю Землю и попытаемся ответить на самый трудный вопрос: когда человек сможет полететь к звездам?

Ответить на этот вопрос нелегко. Ведь трудности предстоит преодолеть немалые. Фотонная ракета — это пока только принцип двигателя. Кроме того, не надо забывать о межзвездном газе, который при движении ракеты с субсветовой скоростью превратится в поток частиц высоких энергий, подобный самым жестким космическим лучам. Придется считаться и с сопротивлением межзвездного газа.

Конечно, вряд ли можно ожидать, что уже в текущем столетии люди полетят к другим звездам: нам хватит работы и в солнечной системе, да и на нашей родной планете еще немало важных дел, не так ли?

Авторы: В. А. Бронштэн, И. Д. Новиков.