Політ до зірок: його особливості та перспективи

Уявімо таке: дан старт першому зорельоту, що направляється за межі сонячної системи – до планетної системі зірки Проксіма Центавра. Повільно набираючи швидкість, зореліт переходить з навколосонячної орбіти на гіперболічну траєкторію. Проходить два тижні, і він залишає межі сонячної системи. Швидкість зорельота все росте, вона вже досягла 250 тисяч кілометрів на секунду (5/6 швидкості світла). Мотори вимкнені. Космічний корабель летить по інерції.

Перед астронавтами виникають зовсім незвичайні картини: всі зірки як би збіглися в одну сторону – туди, куди рухається зореліт. Химерно змінився їх колір, а багато і зовсім перестали бути видні. Ось навели надпотужний телескоп на одну з найближчих зірок. І що ж! Вона видається не кулястою, а сплюсненою в напрямку польоту! Так виглядають і інші зірки.

І ось досягнута система Проксими Центаври, проведені найцінніші наукові дослідження, зореліт летить назад. Наближається Сонце, стає помітною простим оком рідна планета.
Нарешті мандрівники на Землі! Їх зустрічають рідні, друзі, знайомі.
– Як довго ми не бачили Землі! – Вигукує командир корабля. – Минуло більше дев’яти років!
– А ми вас не бачили на чотири з гаком роки більше, ніж ви не бачили нас, – кажуть зустрічаючі.

І ніхто не дивується цим словам. Всі знають, в чому справа. А чи знаєте це ви, читачу?

У космос – на променях світла

Якби люди захотіли відправитися на Проксиму Центавру на «звичайній» міжпланетній ракеті, для цього потрібні були б сотні тисяч років. Щоб вчинити міжзоряний переліт туди і назад навіть за кілька десятків років, потрібна швидкість, близька до швидкості світла. Чи можна надати літальному апарату таку швидкість? Так, це можливо за допомогою так званої фотонної ракети.

У ній замість газу реактивне прискорення створює потік фотонів – частинок світла, які володіють певною масою. Вони утворюються в результаті перетворення різних елементарних частинок матерії. Крім протонів і електронів, сучасна фізика відкрила ще й інші частинки, що рідко зустрічаються в природі: позитрон, що має масу протона, але заряджений позитивно, і антипротон, що має масу протона, але заряджений негативно. Їх називають античастинками. При з’єднанні часток з такими ж античастинками і утворюються фотони.

Технічні проблеми, пов’язані із створенням фотонних ракет, ще не вирішені. Але припустимо, що фотонний двигун побудований і може надати ракеті швидкість, близьку до швидкості світла. Чому ж космонавти, повернувшись з багаторічної подорожі до Проксіми Центаври, в рахунку часу розійдуться з жителями Землі на кілька років? Причину цього явища розкриває нам теорія відносності.

Чи можна летіти швидше світла

Відомо, що механічний рух відносний. Люди, наприклад, ніяк не відчувають прямолінійного і рівномірного руху пароплава, перебуваючи в його каюті. Більше того, ніякими механічними дослідами не можна виявити цей рух. Такі тіла, що рухаються прямолінійно і рівномірно, прийнято називати інерційними системами.

Але здавалося, що справа йде інакше, коли ми від механіки переходимо до електродинаміки. І теоретично і експериментально було доведено, що світло, яке являє собою електромагнітні хвилі, поширюється в порожнечі зі швидкістю 300 000 кілометрів на секунду (км / сек.). Здавалося що якщо спостерігач буде рухатися назустріч світловим променям із швидкістю 30 км / сек., то швидкість світла відносно нього буде 300 030 км / сек., а якщо він рухається у зворотному напрямку, – то 299 970 км / сек.

Але самі ретельні досліди не підтвердили цього. Встановлено, що швидкість світла абсолютно не залежить від прямолінійного і рівномірного руху спостерігачів. По відношенню до кожного з них вона буде дорівнює 300 000 км / сек. Отже, ні вимірюванням швидкості світла, ні будь-яким іншим шляхом не можна виявити прямолінійного і рівномірного переміщення тіла в просторі. Можна говорити тільки про відносний рух тіл.

Узагальнюючи всі ці результати, знаменитий фізик Альберт Ейнштейн прийшов до висновку, що рівномірний і прямолінійний рух матеріальної системи як цілого ніяк не впливає на процеси, які відбуваються всередині неї. Швидкість світла в порожнечі у всякій інерціальній системі постійна і є граничною швидкістю. Ні яке матеріальне тіло не може рухатися швидше за швидкість світла. Побудована Ейнштейном на основі цих законів спеціальна теорія відносності значно поглибила наші знання про природу простору і часу і відкрила їх взаємний зв’язок.

Перш за все, ця теорія показала, що поняття одночасності, яке здавалося настільки простим і очевидним, не має абсолютного характеру, який йому приписувала класична фізика. Уявімо собі ракету, яка рухається відносно Землі прямолінійно і рівномірно.

Астронавт, що знаходиться в середині ракети, буде вважати, що спалахи світла в її хвостовій і носовій частині відбулися в один момент, оскільки він їх побачив одночасно. Спостерігач на Землі, перебуваючи поруч з астронавтом, який проноситься повз, побачить спалахи також одночасно. Але він вважатиме, що в хвостовій частині спалах стався раніше, так як ракета рухається, а під час спалахів хвостова частина була далі від земного спостерігача, ніж носова. Такий же результат отримав би астронавт, якби спалахи робилися не на ракеті, а на Землі.

Більше того, виявляється, що і довжина не абсолютна, вона залежить від відносного руху. Нехай за вимірюваннями нашого астронавта довжина ракети буде дорівнює, скажімо, 100 метрам. Але земний спостерігач, спробувавши одночасно відзначити положення її кінців, отримає меншу величину, наприклад 99 метрів. Адже становище носової частині він визначить, з точки зору астронавта, раніше, а хвостової – пізніше, коли ракета зрушиться на 1 метр. Сам же спостерігач вважає обидві позначки одночасними, тому довжина ракети, що летить для нього виявиться менше.

Такими ж відносними є і інтервали часу. Порівнюючи хід годинника на Землі і ракеті, земний спостерігач виявить, що час на космічному кораблі тече повільніше, ніж на нашій планеті.

Таким чином, довжина тіла, що рухається з великою швидкістю, скорочується в напрямку руху. Це скорочення швидко зростає з наближенням швидкості руху до швидкості світла. У такому ж відношенні зменшуються проміжки часу в рухомій системі.

Подорож у майбутнє

Як ми тільки що переконалися, в ракеті, що летить з надсвітовою швидкістю, плив часу, за законами теорії відносності, повинен сповільнитись. Будь-які годинники (пружинні або кварцові), радіоактивний еталон часу і навіть людське серце покажуть нам, що за час перельоту до Проксіма Центавра і назад в ракеті протекло на 4 роки менше, ніж на Землі.

Таким є одна з найцікавіших наслідків теорії відносності. Але це не тільки чисто теоретичний висновок. Є й практичні підтвердження цієї неймовірної на перший погляд обставини.

Відомо явище розпаду мезонів – елементарних частинок з масою в 300 разів більше електрона. Спостереження показали, що у мезонів, що утворюються в космічних променях і володіють великими швидкостями, тривалість існування зростає саме так, як передбачає теорія відносності.

Чому ж ми не помічаємо уповільнення часу в житті? Тому що при малих швидкостях (порівняно зі швидкістю світла) різниця в часі буде мізерно мала. Навіть на ракеті, яка здійснить політ по сонячній системі протягом року з середньою швидкістю 15 км. / сек., годинники розійдуться з земними лише на 0,015 секунди. Але якщо швидкість збільшити до 299 900 км. / сек., то коли на Землі пройде 38 років, на ракеті мине рік. Мандрівники, повернувшись зі своєї недовгої, як їм здавалося, подорожі, зacтaнyть на Землі своїх дітей літніми людьми, а онуків – дорослими. Самі ж вони постаріють тільки на рік. Правда, чим ближче швидкість руху до швидкості світла, тим важче її досягти. Але в принципі такі швидкості досяжні. Значить, «подорож у майбутнє» дійсно можливо.

Після того, як буде вимкнено двигун фотонної ракети, її пасажири не зможуть відчути тієї величезної швидкості, з якою ракета несе їх у міжзоряному просторі. Найімовірніше, астронавти будуть спостерігати космічний простір на екранах моніторів, що замінюють вікна ракети. На перший погляд, здається, що астронавти відразу помітять по зсуву зірок, як швидко вони мчать в просторі. Адже ракета летить з такою швидкістю, що за десять хвилин покриває відстань, що відділяє Землю від Сонця. Насправді навіть близька зірка, що перебуває на відстані в один світловий рік, за три години польоту зміститься всього на одну кутову хвилину, тобто на величину, ледь помітну людським оком.

І все ж у астронавтів буде можливість переконатися в своєму стрімкому польоті, не просиджуючи довгих годин за спостереженнями і не роблячи кропітких вимірювань, а відразу – по виду навколишнього зоряного неба.

Добре відомо, що краплі дощу, які падають вертикально, при русі поїзда будуть залишати на вікнах вагонів косі сліди. Це відбувається тому, що швидкість падіння крапель і швидкість руху поїзда складаються. Нахил слідів від крапель буде в бік руху поїзда.

Точно так само промені світла від зірки, що падають на рухому Землю, відчувають деякий нахил, і ми бачимо зірку зміщену у бік руху нашої планети. Це явище називається аберацією світла. Швидкість Землі (30 км / сек.) невелика в порівнянні зі швидкістю світла, тому і абераційні зміщення зірок незначні: вони досягають щонайбільше 20 секунд дуги.

Якщо ракета рухається зі швидкістю близької до швидкості світла, то астронавти побачать незвичайну картину. Зірки, які здаються нам більш-менш рівномірно розсипаними по всьому небосхилу, «збіжаться» в ту частину неба, куди рухається ракета, і в цьому напрямку небо буде вкрите ними значно густіше, ніж у протилежному. Але ще більше вплине на вигляд зоряного неба інше явище – ефект Доплера. При русі назустріч світловим хвилям частота їх стає більше, тобто світло робиться більш фіолетовим, а при русі в протилежну сторону світло червоніє.

Якщо промені падають не вздовж напрямку руху, а під деяким кутом, то зміна частоти світлових хвиль буде тим менше, чим ближче цей кут до прямого. Ефект Допплера добре вивчений астрономами, які з його допомогою визначають швидкість видалення або наближення далеких небесних тіл.

Якщо швидкість близька до швидкості світла, на цей ефект накладається ще наступне явище. Щодо ракети всі зірки рухаються практично з швидкістю 250 000 км. / сек., І, значить, для наших мандрівників час на цих зірках тече повільніше. Повільніше коливаються електрони в атомах, а значить, з меншою частотою випромінюються світлові хвилі. Звідси випливає, що навіть світло зірок, розташованих в перпендикулярному напрямку по відношенню до траси ракети, виявиться почервонілим.

Загальна картина незвичайного зоряного неба, яка відкриється перед космічними мандрівниками, буде наступна. Спочатку вони побачать густо засіяну фіолетовими зірками область навколо точки, в напрямку якої летить ракета. Потім, у міру віддалення від цієї точки, зірки зустрічаються на небі більш рідко. Колір їх змінюється від синього до червоного, потім їх яскравість різко зменшується, і майже на половині неба позаду ракети зовсім не видно зірок, за винятком, може бути, найяскравіших, які будуть видні у вигляді слабких червоних іскорок.

Але ще більш дивні картини відкриються перед астронавтами, якщо вони зможуть спостерігати в надпотужні телескопи процеси, що відбуваються на віддалених небесних тілах.

Оскільки зірки рухаються щодо ракети із швидкістю 250 000 км. / сек., вони скоротяться в напрямку руху ракети в 1,8 рази і будуть виглядатиме не кулями, а еліпсоїдами. Якщо вісь обертання зірки не збігається з напрямком руху ракети, то, повертаючись навколо осі, зірка буде змінювати свою форму, як би «підставляючи» під сплющування різні точки своїй поверхні. Якщо ракета пролягатиме над площиною якоїсь планетної системи, то кругові шляхи планет для астронавта будуть сплюсненими, еліптичними. Планети теж перетворяться на еліпсоїди, обертаючись так само дивно, як зірки. Всі процеси на небесних тілах, сповільняться в 1,8 рази.

Як ми вже знаємо, події, одночасні для спостерігача на Землі, можуть виявитись неодночасними для астронавта, що летить на ракеті. Можливі навіть такі випадки, як перестановка порядку подій у часі. Припустимо, що на протилежних один одному точках поверхні Сонця відбуваються два виверження протуберанців, причому земні астрономи бачать одне з них на дві секунди раніше, ніж інше. Але спостерігач на ракеті вважатиме, навпаки, що друге виверження відбулось раніше першого на дві секунди, а вся картина явища для нього буде відбуватись в 1,8 рази повільніше, ніж для спостерігача на Землі. Згадавши при цьому, що змінюється також яскравість і колір цих утворень, легко зрозуміти, наскільки незвичайні картини зможуть побачити майбутні астронавти.

Якщо астронавт вивчатиме події, що відбуваються на покинутій їм Землі, то він переконається, що і там всі процеси, в тому числі і життя людей, течуть в 1,8 рази повільніше. Як же так? Здавалося б, що для спостерігача на ракеті процеси на Землі повинні текти швидше по відношенню до процесів на ракеті. Але цього не відбувається. Якщо ракета летить рівномірно і прямолінійно відносно Землі, тоді відносно ракети Земля буде рухатись з тією ж швидкістю в протилежну сторону. Отже, спостерігачі на Землі і на ракеті повністю рівноправні, І хоча для земного спостерігача час на ракеті тече повільніше, для астронавта повільніше буде текти земний час.

Може здатися, що тоді не можна уникнути протиріччя. Коли ракета повернеться на Землю, хто виявиться, що прожив менше часу: космічний мандрівник або житель Землі?

Насправді ніякого протиріччя немає. Просто в наших міркуваннях упущено одну важливу обставину. Щоб повернутись на Землю, астронавти неодмінно повинні включити двигуни ракети, розгорнути її і направити до Землі. Під час дії двигунів ракета рухається прискорено і не є інерціальною системою. Закони спеціальної теорії відносності в цей час для неї незастосовні. Земний спостерігач не відчував ніяких прискорень, його система інерціальна весь час, і закони спеціальної теорії відносності в ній справедливі, тому його висновок про те, що після повернення міжзоряні мандрівники виявляться молодше своїх однолітків на Землі, правильний.

На ракеті ж, коли вона рухається прискорено, будуть діяти закони загальної теорії відносності, яка дозволяє розглядати не тільки прямолінійний і рівномірний рух, а й прискорений.

Виявляється, на плин часу впливає не тільки рух тіл, а й близькість тяготіючих мас. У сильному полі тяжіння, тобто там, де потенціал тяжіння великий (наприклад на Сонці), час тече повільніше, ніж на Землі.

Летимо до Проксіма Центавра

Розглянемо конкретний приклад польоту фотонної ракети до Проксіма Центавра, з якого ми почали нашу розповідь. Припустимо, що на ракеті є точні годинники і потужний передавач, який посилає сигнали часу на Землю. Спостерігачі на Землі, врахувавши час поширення радіосигналів від ракети до Землі, можуть стежити за перебігом часу на ракеті.

Нехай ракета набирає швидкість і гальмується так, що прискорення, яке буде діяти на всі предмети всередині ракети, буде дорівнювати прискоренню сили тяжіння на поверхні Землі. Це найбільш доцільно з точки зору зручності екіпажу. Спробуємо простежити разом із спостерігачами на Землі за ходом годин на ракеті. Поки ракета набере швидкість, годинник на ній буде йти все повільніше і до моменту виключення двигунів на ракеті відрахують на 0,3 року менше, ніж на земному годиннику. Далі ракета летить за інерцією; годинник на ній йде для земного спостерігача в 1,8 рази повільніше, ніж його власний. На ділянці гальмування ракети хід її годин для земного спостерігача буде поступово прискорюватися. Астронавти висаджуються на планеті системи Проксіми Центавра. Поки вони досліджують цю систему, їх годинник йде синхронно із земними годинами. Потім астронавти відправляються в зворотний шлях, і картина зміни ходу годинника на ракеті повторюється у зворотному порядку. Після повернення космічних мандрівників по годинах на Землі пройде 13,5 року, а щогодини ракети – 9,3 року, тобто астронавти відрахують на 4 з гаком роки менше.

Вирушимо тепер разом з астронавтами в космічну подорож, і радіосигналами з Землі стежитимемо з ракети за ходом земних годин. Коли ракета рухається прискорено, в її системі буде діяти сила, викликана прискоренням і еквівалентна силі тяжіння. Але там, де потенціал тяжіння більше, годинник йде повільніше. Різниця потенціалів залежить від величини сили і відстані між точками, причому потенціал збільшується в ту сторону, куди спрямована сила. Сила, що діє на предмети в ракеті, протилежна напрямку її прискорення (згадайте, що при відправленні поїзда ця сила штовхає нас назад). При розгоні ракети під час вильоту ця сила спрямована від ракети до Землі. Отже, потенціал цієї сили більше в точці розташування земних годин, і годинник уповільнює свій хід порівняно з годинником на ракеті.

Але цей ефект незначний, так як відстань між відлітаючою ракетою і Землею ще невелика. Незначні тому і різниця потенціалів і уповільнення ходу годинника. При польоті з вимкненими двигунами годинник на Землі для астронавтів йде повільніше ракетного і до кінця цієї ділянки відстануть від них на 1,25 року. Нарешті, при гальмуванні у Проксіма Центавра сила, викликана прискоренням, має напрямок від Землі до ракети. Потенціал тепер більше в точці, займаної ракетними годинами, і земний годинник йде швидше ракетного. При цьому, хоча сила, викликана прискоренням, залишилася колишньою, але відстань між годинами величезна, а значить, величезна і різниця потенціалів і, отже, різниця ходу годин. Для астронавтів годинник на Землі починає так поспішати, що дуже швидко ліквідує своє відставання за час попередніх етапів польоту і йде вперед. Для астронавтів земний годинник в цей час йде майже в 4 рази швидше ракетного.

На зворотному шляху картина ходу годинника повторюється у зворотному порядку.
Підсумок виходить той же. Коли ракета повернеться на Землю, за земним годинником пройде 13,5 року, по ракетному – 9,3 року. Як бачимо, картина плину часу для астронавтів була зовсім іншою, ніж для жителів Землі, але, тим не менш, жодних протиріч не виходить.

До туманності Андромеда

І все-таки, незважаючи на всю захопливість такої подорожі, може здатись, що далі найближчих сусідів Сонця людина все одно полетіти не може: на політ, наприклад, до зірки Бетельгейзе і назад, навіть зі швидкістю 250 000 км. / сек., не вистачить, людського життя.

Чи означає звідси, що наші нащадки не зможуть здійснити мрію героїв роману І. Єфремова «Туманність Андромеди» і дістатись до інших галактик? Німецький фізик Е. Зенгер дає на це питання позитивну відповідь. До туманності Андромеди, що знаходиться в 1,5 мільйони світлових років від нас, можна, виявляється, долетіти за 27 власних років.

Для цього потрібно, щоб ракета півдороги летіла з прискоренням, а півдороги – з гальмуванням. Найбільша швидкість буде тоді досягнута, звичайно, на середині шляху. І чим більше відстань до мети подорожі, тим ближче буде швидкість ракети до швидкості світла, а значить, тим більше буде уповільнення часу на ракеті. Власний час польоту буде залежати в цьому випадку тільки від відстані. І от виявляється, що політ до центру нашої Галактики займе при такому режимі 19,8 власних роки, що відповідає 30 000 земних років, а політ до туманності Андромеди – 27,2 власних роки, або 1,5 мільйона земних років. Стільки ж буде потрібно і на зворотний шлях.

Звичайно, герої Єфремова не відмовилися б за 27 власних або «залежних» років дістатися до туманності Андромеди. Але ми не врахували витрати «пального» – запасів елементарних частинок. Ставлення початкової та кінцевої маси ракети складе в цьому випадку 2,5 трильйона! З 2,5 мільйона тонн початкової маси до туманності Андромеди долетить … 1 грам. А якщо передбачити і зворотне повернення, то це число (2,5 трильйона) треба ще звести в квадрат. До того ж на Землі за цей час пройде 3 мільйони років …

Чи є сенс вирушати в такий політ? На це відповість майбутнє …

Коли ж це буде

Повернімося з наших уявних подорожей на реальну, сьогоднішню Землю і спробуємо відповісти на найважче питання: коли людина зможе полетіти до зірок?

Відповісти на це питання нелегко. Адже труднощі належить подолати чималі. Фотонна ракета – це поки тільки принцип двигуна. Крім того, не треба забувати про міжзоряний газ, який при русі ракети з надсвітовою швидкістю перетвориться на потік часток високих енергій, подібний найжорсткішим космічним променям. Доведеться рахуватися і з опором міжзоряного газу.

Звичайно, навряд чи можна очікувати, що вже в поточному столітті люди полетять до інших зірок: нам вистачить роботи і в сонячній системі, та й на нашій рідній планеті є ще немало важливих справ чи не так?

Автори: В. А. Бронштєн, І. Д. Новіков.