Текст книги "Тайны Вселенной"

Автор книги: Валерий Демин

ПРОСТОЙ СЕКРЕТ СЛОЖНЫХ ФОРМУЛ

Какую же, в таком случае, реальность описывают знаменитые релятивистские формулы, вытекающие из преобразований Лоренца? Только ту, которая зафиксирована в самих формулах, – и никакую другую, причем не в космических масштабах, а в строго определенных границах, очерченных самими же формулами: есть две системы отсчета – условно неподвижная и условно перемещающаяся (в любое время их можно поменять местами), а параллельно равномерному и прямолинейному перемещению движется луч света (что-то вроде следующего: лодка (в темноте) отплывает от берега, а в корму ей светят фонариком).

Обратимся к двум релятивистским формулам, хорошо известным из школьного курса физики:

Из приведенных формул следует, что в материальной системе отсчета, движущейся равномерно и прямолинейно относительно условно покоящейся системы и связанного с ней наблюдателя, временные промежутки «растягиваются» (течение времени «замедляется», отчего родители-космонавты могут якобы оказаться моложе собственных детей, оставшихся дома), а пространственные длины сокращаются. То есть по формуле: ty>t0; ly< l0 Так ли это? Разумеется, так. Но весь вопрос в том, как понимать фиксируемое «растяжение» и «сокращение». Вытекает ли из формул, что «замедляется» всякое время, связанное с перемещающейся системой отсчета, – и продолжительность жизни, и процессы мышления или рефлексы и биоритмы? И действительно ли укорачивается космический корабль, сплющиваются в нем все предметы, живые организмы и сами космонавты? Если рассуждать последовательно-реалистически, то упомянутые эффекты непосредственно из релятивистских формул не вытекают, а являются следствием их свободного истолкования.

Формула, как это ей и положено, описывает (отображает) строго определенные физические параметры и процессы, которые, собственно, и фиксируются в виде символических обозначений. Физическая формула может описывать только физические (а не химические, биологические, социальные) закономерности. Прямая экстраполяция формул на целостную Вселенную также недопустима. В данном смысле приведенные выше релятивистские формулы раскрывают всего лишь объективное отношение между механическим перемещением тела и синхронно-совместным с ним движением света. Соотнесенность этих двух физических явлений зафиксирована в подкоренном соотношении понятий v2 (скорость равномерного и прямолинейного перемещения инерциальной системы) и с2 (скорость света, движущегося параллельно той же системе). И то, и другое соотносится с третьим элементом реального трехчленного отношения – условно неподвижной системой отсчета.

Для наглядного пояснения действительной сути релятивистских эффектов воспользуемся образом Люмена, созданного Камилом Фламмарионом. Он был не только неутомимым пропагандистом новейших достижений естествознания, но и плодовитым автором, на книгах которого училось не одно поколение ученых во всем мире в конце прошлого – начале нынешнего века. Книги Фламмариона знала вся образованная Россия, не говоря уже о плеяде русских космистов. Несомненно их влияние и на научно-фантастическую прозу Циолковского. Большинство научно-популярных и беллетризированных работ Фламмариона переведены на русский язык. Среди них научно-фантастический роман «Люмен» (в одном из переводов на русский – со значительными дополнениями – он называется «На волнах бесконечности»). Люмен – бестелесное человекоподобное существо, дух, обуреваемый жаждой познания Вселенной и наделенный волшебным качеством – способностью мгновенно, со скоростью мысли перемещаться в любую точку пространства, наблюдать (подобно другому, уже упоминавшемуся фантому – демону Максвелла) любое физическое явление и даже общаться с потусторонним миром. Люмен мгновенно перемещается по бесконечным просторам Космоса, а возвратившись на землю, рассказывает об увиденном своему ученику (в форме их диалогов и написан весь роман).

Помимо воображаемого описания далеких миров, расположенных в различных созвездиях, и их обитателей, Фламмарион устами Люмена описывает поведение света в Космосе. Известно, что любая информация, идущая с помощью электромагнитных волн с Земли и имеющая конечную скорость, приходит к другим далеким мирам с запозданием на сотни и тысячи лет (подобно тому, как с запозданием доходит до Земли свет умерших звезд). Люмен, в частности, развлекается тем, что, перегнав свет, дожидается его в какой-то далекой звездной системе, а затем наблюдает живые картины исторического прошлого Земли (например, подробности событий Великой французской революции). Представляется, что с помощью Люмена нетрудно будет разобраться в физическом смысле релятивистских эффектов, касающихся света и пространственно-временных параметров движущихся объектов.

Итак, перенесемся мысленно вместе с Люменом на просторы Вселенной. Представим условно покоящийся прожектор, расположенный на уединенном космическом объекте, мимо которого с околосветовой скоростью, равномерно и прямолинейно проносится космический корабль (рис. 122). Прожектор включается и посылает световое излучение вслед ракете в момент, когда ее хвост оказывается в точке, возможно близкой от прожектора. Такая ситуация «соприкосновения» особенно удобна, поскольку позволяет, так сказать, непосредственно добиться одновременности событий и снять те вопросы, которые обычно возникают в теории относительности по поводу синхронизации часов. Для наибольшей наглядности поместим Люмена на кончике светового луча (точнее – фронта световой волны, поскольку сам свет в космическом пространстве невидим).

Допустим, что в покоящейся системе отсчета по ходу движения ракеты размещены ориентиры, позволяющие измерить пройденное расстояние. Предположим также, что Люмен запасся хронометром и намерен произвести некоторые расчеты. Сидя верхом на световом луче, он смог бы без труда констатировать уже известный нам факт: в различных системах отсчета свет за одно и то же время (по хронометру Люмена) проходит разный путь, а одинаковое расстояние преодолевает за различные промежутки времени. Так, за время, пока луч света преодолевает в покоящейся системе отсчета расстояние MN, равное длине ракеты, относительно удаляющейся ракеты он продвинется только до точки

В. Другими словами, в движущейся системе световой луч пройдет расстояние, меньшее, «сокращенное» по сравнению с неподвижной системой координат (и тем меньшее, чем выше скорость ракеты). Аналогичным образом свету, излучаемому неподвижным прожектором, потребуется для преодоления длины летящей ракеты большее время, чем для прохождения того же самого расстояния в покоящейся системе (налицо все то же пресловутое «растяжение» временных событий).

Мысленный эксперимент можно повторить и в земных условиях, совершив воображаемое путешествие на поезде в точном соответствии с условиями, заданными в преобразованиях Лоренца. Рассмотрим движение светового луча, параллельного перемещению поезда и железнодорожному полотну. Для упрощения понимания даваемых разъяснений лучше всего представить, что поезд идет не по открытой местности, а вошел в туннель. Это позволит представить одновременное отображение распространения светового луча или фронта световой волны на стенках вагонов поезда и на стене туннеля. А для того, чтобы результаты измерений сделать зримыми и легко сопоставимыми, уместно допустить, что внешние стенки вагонов в стене туннеля покрыты фотоэмульсией.

Представим (рис. 123), что у входа в туннель неподвижно закреплен источник света – О, посылающий сигнал – ОР в направлении движения поезда MN. Источник включается в тот самый момент, когда с ним поравняется конец последнего вагона. Луч света движется вдогонку уходящему поезду. По мере того, как свет достигает головы состава, происходит засветка фотоэмульсии на стене туннеля и на внешних стенках (или крышах) вагонов по всей длине поезда.

Если допустить, что длина туннеля и железнодорожного состава достаточно велика, а поезд движется с околосветовой скоростью, то получим следующие результаты мысленного эксперимента. Чем выше равномерная скорость поезда, тем большее время потребуется свету, чтобы достичь головного вагона (это происходит потому, что начальная точка состава непрерывно убегает; по мере продвижения поезда вперед свет займет положение МyNy. Если свет, догоняющий поезд, погаснет, как только достигнет головной точки (или отразится зеркалом в обратном направлении), то картина засветки фотоэмульсии на внешних стенках вагонов будет отличаться от картины, получившейся на стене туннеля.

Что же именно произойдет? Чтобы воочию уяснить это, поезд по окончании эксперимента придется остановить и вернуть назад к въезду в туннель. Если поместить конец последнего вагона вровень с источником света (то есть совместить точки А, М, O, откуда начиналось движение светового луча), то тень засветки на стене туннеля АВy=ОР окажется по длине больше, чем длина самого поезда – MN, и, соответственно, больше тени засветки на внешних стенках вагонов от их исходной до конечной точки. МN=MyNy, но MN^{1}

К ЗВЕЗДАМ БЫСТРЕЕ СВЕТА!

Автору уже доводилось совершать мысленный сверхсветовой полет. И неоднократно. Его спутником и вожатым в этом увлекательном путешествии был опять-таки профессор В. П. Селезнев. Мы даже две книги на эту тему совместно написали. Одна так и называется «К звездам быстрее света: Русский космизм вчера, сегодня, завтра» (М., 1993). Уместно воспроизвести здесь основные вехи сверхсветового полета в космические дали, где между соавторами развернулся такой диалог.

Автор. Выявление закономерности движения материальных тел, света и полей гравитации показало, что никаких ограничений в скорости относительного перемещения не существует. Почему бы нам не представить, как будет происходить космический полет со сверхсветовой скоростью? Поскольку существует такая возможность, мы можем ею воспользоваться как первопроходцы для дерзновенного научно-технического подвига – совершить, хотя бы мысленно и в мечтах, полет быстрее света к далеким звездам.

Существуют ли практические возможности, естественно, в будущем, реализовать подобную идею?

Профессор. Вопрос затрагивает чрезвычайно сложную проблему, которую можно решить, если основываться не на фантазиях, а на научной базе, учитывающей будущие достижения технического прогресса чрезвычайно высокого уровня. Конечно, в настоящее время подобная задача кажется несбыточной мечтой. Но впечатляющие успехи в области космонавтики вселяют оптимистическую надежду. Рассмотрим принципиальные возможности полета со сверхсветовой скоростью. Как известно, тяга ракетных двигателей не зависит от скорости движения ракеты, а только от скорости вытекания газов из сопел двигателей и запасов топлива. О том, какие скорости полета могут быть достигнуты, можно судить по следующему примеру. Пусть у звездолета имеются фотонные ракетные двигатели, то есть фотоны вылетают конечная масса ракеты будет составлять 1 процент от начальной массы (такие соотношения бывают и у современных космических ракет), то ракета может достичь 4,6 скорости света. При перегрузке в одну единицу (космонавты будут воспринимать силу, равную силе веса на Земле) разгон ракеты до такой скорости будет продолжаться около четырех с половиной лет (здесь не учитывается сопротивление космической среды, которое при таких скоростях может оказаться значительным и опасным). Во всяком случае, полеты к далеким звездам в обозримый отрезок времени превращаются из фантастических гипотез в реально осуществимые проекты.

Автор. Кстати, здесь мы вовсе не будем первопроходцами в таком путешествии. Первыми были Данте и Беатриче, совершившие воспарение в «Рае» при помощи светового потока и со скоростью света. Данте так передает свои ощущения от этого полета:

 
Я видел – солнцем загорелись дали
Так мощно, что ни ливень, ни поток
Таких озер вовек не расстилали.
Звук был так нов, и свет был так широк,
Что я горел постигнуть их начало;
Столь острый пыл вовек меня не жег…
 

А спустя пятьсот лет в путешествие навстречу несметным мирам с быстротой солнечных лучей Байрон отправил героев своей мистерии – Каина и Люцифера. «Лети со мной, как равный, – говорит дьявол Люцифер, двойник гетевского Мефистофеля, воплощение сомнений и дерзаний, – над бездною пространства – я открою тебе живую летопись миров прошедших, настоящих и грядущих». И Каин отвечает ему:

 
…О дивный,
Невыразимо дивный мир! И вы,
Несметные, растущие без меры
Громады звезд! Скажите, что такое
И сами вы, и эта голубая
Безбрежная воздушная пустыня,
Где кружитесь вы в бешеном веселье…
 

Но если бы мы вдруг оказались на чудо-корабле, оснащенном современной техникой и способном, преодолев световой барьер, легко превысить скорость света, – какие бы картины мироздания открылись бы перед нами?

Профессор. Попробуем представить, исходя из моей концепции световой теории и тороидальной модели фотона (см. выше). Сейчас усиленно разрабатываются и иные теории (в торсионной, в частности, допускаются любые сверхсветовые скорости). Но каким представится мир авторам новейших подходов, пусть они лучше расскажут сами. Итак, познакомимся с устройством разработанного мною (пусть пока воображаемого!) космического корабля. Его помещения оборудованы всеми средствами жизнеобеспечения, необходимыми для длительного космического перелета. Каждый агрегат, устройство, приспособление доведены здесь до совершенства. Запасы питания, которых хватит на многие годы, хранятся в герметичных холодильниках.

Автор. Прекрасно, но ведь не хлебом единым живет космонавт. Что ему придется делать в условиях длительного межзвездного полета?

Профессор. О, чего-чего, а работы и забот ему хватит. Один перечень так называемых штатных операций, которые придется выполнять ежедневно (если время измерять дневными сутками), занял бы объем целой поэмы. Правда, большинство этих операций будет выполняться с помощью автоматов и роботов, что существенно облегчит работу и исключит неритмичность ее выполнения. Не следует забывать, что у автоматических помощников электронная память и они не забывают о своих обязанностях.

Автор. Какие же обязанности будут важнейшими и наиболее сложными?

Профессор. Кроме жизнеобеспечения, к числу важнейших можно отнести работы по навигации космического корабля и управлению его полетом. Задачи навигации чрезвычайно ответственны. От их решения зависит не только точное и своевременное достижение намеченной цели, но и обеспечение безопасности полета: в космическом пространстве движутся многочисленные метеориты и другие тела, а также облака пыли, встреча с которыми может закончиться аварией или даже катастрофой. При околосветовых и сверхсветовых скоростях полета навигация будет осуществляться в основном в автоматическом режиме. Многочисленные органы чувств корабля – датчики навигационной информации – способны воспринимать излучения от небесных тел в широком диапазоне частот. Обработка сигналов этих датчиков, выполняемая бортовыми вычислительными машинами, позволяет определить координаты местонахождения корабля и скорость движения относительно звездных ориентиров. Основным ядром навигационного комплекса космического корабля явится автоматическая система для счисления пути относительно инерциального межзвездного пространства.

Автор. Управление движением звездолета, летящего быстрее скорости света, по-видимому, потребует решения новых технических проблем.

Профессор. Конечно, основная научно-техническая проблема связана с созданием ракетного фотонного двигателя, у которого реактивная сила тяги возникает при выбросе летящего потока вещества – светового потока. Мощные излучатели света, которыми располагает двигатель, создают давление света. Это давление, действуя на корабль, вызывает согласно закону Ньютона ускоренное его движение. В частности, если двигатель будет создавать ускорение, например, равное ускорению силы тяжести на Земле (9,8 м/сек2) в течение 9 месяцев, то корабль будет увеличивать скорость полета и достигнет скорости света. Работа фотонного двигателя обеспечивается мощным источником энергии, в качестве которого могут быть использованы ядерные установки. Управление фотонным двигателем и его ядерной установкой осуществляется системой автоматики, которая регулирует силу тяги двигателя, режимы работы ядерной установки, а также обеспечивает безопасность и надежность функционирования всего энергетического комплекса.

Автор. Но что же увидят космонавты? Ведь самое главное – это выполнение целевой задачи: изучение окружающего звездного мира и раскрытие тайны Вселенной. Конечно, на звездолете имеется много разнообразной научной аппаратуры, которая изучает физические характеристики космической среды, звезд и галактик.

Однако самый лучший способ познания Природы, свойственный человеку, все увидеть своими глазами. Итак, к окнам звездолета!

Профессор. При разгоне корабля с перегрузкой в одну единицу они будут чувствовать себя как на земной поверхности. Но вот скорость полета приближается к скорости света. Посмотрим, что произойдет со звездным миром. Удивительная картина! Звезды в передней полусфере, наблюдаемые в переднее окно кабины управления корабля, станут намного ярче, а цвет их – более синим и даже фиолетовым. Кроме того, они сгрудятся по направлению полета, образуя узорчатый звездный ковер. Мир видится как будто через линзу, которая фокусирует его в сжатое изображение (рис. 124). Другими словами, воочию видятся все те эффекты, которые происходят с потоками света в относительном движении. Наш корабль движется навстречу звездам, которые мы видим в передней полусфере, и скорость V его полета складывается со скоростью С1, излучаемого звездами. Вследствие этого за счет доплеровского эффекта происходит «голубое смещение» спектров излучения звезд: красный спектр переходит в оранжевый и желтый, голубой – в синий и фиолетовый и т. д.

Смещение звезд по направлению полета – не оптическое искажение окна нашего корабля, а проявления эффекта аберрации света. Наши глаза воспринимают изображения звезд в том направлении, по которому распространяется свет, то есть по направлению вектора результирующей скорости C1, составленного из суммы векторов скорости света относительно излучателя (звезды) и скорости полета корабля (на рис. 124 обозначены: 1, 2, 3 – видимые звезды; 11, 21, 31 – истинные положения звезд).

Автор. Обратим внимание на боковые области звездного неба относительно корабля: звезды стали реже в этом пространстве, а их спектры почти не изменились. Но особенно впечатляющая картина сзади корабля: звезды не только разошлись относительно друг друга, но значительно покраснели и стали менее яркими. Многие из них, которые привычно наблюдались в небе, вообще исчезли и стали невидимыми.

Профессор. Здесь наблюдаются те же световые эффекты – доплеровский эффект и аберрация света, но они проявляются как бы с обратными знаками. Действительно, раз корабль удаляется от звезд, расположенных сзади, то доплеровский эффект вызывает красное смещение спектров излучений. Те звезды, у которых спектр излучений был близок к красному или оранжевому, за счет доплеровского эффекта становятся просто невидимыми для человеческого глаза. Если же посмотреть в окно через прибор, обеспечивающий инфракрасное зрение, то многие из этих звезд-невидимок можно вновь обнаружить.

Автор. Но вот наступает знаменательное, можно даже сказать, критическое событие полета: звездолет достигает скорости света и переходит на режим сверхсветового полета. Интересно, что же увидят космонавты, наблюдая картины звездного мира при сверхсветовом полете?

Профессор. Посмотрите вначале (рис. 125) вперед по курсу, а затем в боковой и задней полусферах. В звездном мире случилось что-то невероятное: звезды сгрудились в одно ослепительное облако, по бокам относительно корабля они очень редки, а сзади – абсолютная темнота.

Автор. Подобные чудеса, пожалуй, нетрудно объяснить. Полет происходит быстрее света, поэтому сам свет, излучаемый звездами сзади, просто не догонит космический корабль. Вследствие этого в задней полусфере и образуется абсолютная чернота космического пространства.

Профессор. Продолжу мысль: свет, излученный ранее, еще до начала полета, находится впереди звездолета, и следовательно, он просто догоняет фотоны и натыкается на них. Вследствие этого чувствительные элементы (или глаза) позволяют увидеть эти звезды не сзади, а впереди корабля. Вот почему в переднем звездном облаке такая неразбериха: ведь мы видим одновременно всю массу звезд, находящихся как в передней (более яркие), так и в задней полусфере (значительно слабее по яркости). Такая накладка изображений значительно усложняет звездную навигацию корабля.

Автор. Но, кроме звезд, впереди корабля обнаруживается еще какое-то странное свечение неба. Что это такое?

Профессор. Космическое пространство заполнено весьма разреженной материей – атомами, ионами, электронами, фотонами и другими частицами. При полете со скоростью менее скорости света такие частицы сталкиваются с кораблем, вызывая при этом постепенное разрушение его поверхностной оболочки, наружного оборудования и смотровых стекол кабин корабля. Подобные столкновения регистрируются приборами в виде отдельных вспышек.

Но при скорости полета быстрее света частота встреч становится столь значительной, что для наблюдателя они сливаются в некоторый фон звездного неба.

Автор. Путешествуя вместе с нами в мире звезд, читатель, может быть, задает вопрос: почему же он не видит картин прошлого.

Профессор. Картины земной жизни, проходившей в прошедшие времена, в виде потоков света, излученных материальными объектами, давно уже рассеялись и поглотились окружающей средой. Земная атмосфера поглощает значительную долю световой энергии, особенно в голубом и ультрафиолетовом спектрах. Кроме того, излучения предметов распространяются во все стороны веерообразно, и по мере удаления их видимый облик расплывается и слабеет. Таким образом, в межзвездном полете хотя и может встретиться какой-либо фотон – участник древних событий, но составить картину по нему не представляется возможным.

Автор. В такой странной и искаженной картине звездного мира путешественников подстерегают опасности: корабль летит с огромной скоростью, а небесные тела на самом деле никуда не исчезают и остаются на своих местах. Ведь, кроме видимых объектов, могут быть встречи и с «черными дырами», которые своим мощным гравитационным полем только «сосут Вселенную», притягивая к себе все материальное и не отдавая назад ничего, даже свет.

Профессор. Конечно, опасность сверхсветового полета чрезвычайно велика. Правда, известные еще до полета места нахождения небесных тел могут быть заложены в память бортовых ЭВМ. Однако встреча с таким «хищником», как черная дыра, вполне возможна. Обнаружить приближение такого объекта можно с помощью системы гравиметров (рис. 126), размещенных на корабле, и специальных зондов-разведчиков, выпускаемых во время полета для изучения окружающего пространства. Поскольку «черная дыра» обладает мощным гравитационным полем, то силу его притяжения можно обнаружить, измеряя градиент этого поля с помощью системы гравиметров. Конечно, даже минуя такого «хищника», следует учитывать, что его гравитационное поле может изменить траекторию и скорость полета.