Главная » Статьи » Наука » Исследования

Путешествия в пространстве и времени



Никто не живет дольше, чем мертвое дитя... Небеса и Земля так же стары, как и я, и десять тысяч вещей суть одна.

Чжуан-цзы. Китай. Ок. 300 г. до н. э.


Мы слишком нежно любили звезды, чтобы бояться ночи.

Эпитафия на могиле двух любителей астрономии

Звезды царапают в наших зрачках свои

холодные саги, Искрящиеся песни непобедимого космоса.

Харт Крейн. Мост


Морской прибой... Полоса его то приближается, то отступает, отчасти из-за влияния приливов и отливов. Луна и Солнце далеки, но их притяжение здесь, на Земле, не только реально, но и зримо. Берег моря напоминает нам о Космосе. Песчинки, примерно одинаковые по размеру, возникли из камней, которые на протяжении веков терлись и соударялись, шлифуя и разрушая друг друга под действием морских волн и ветра, приводимых в движение далекими Луной и Солнцем. А еще берег напоминает нам о времени. Мир намного старше человеческого рода.

В пригоршне песка около 10 000 песчинок, больше, чем звезд, видимых в ясную ночь невооруженным глазом. Но звезды, которые мы можем увидеть, это лишь ничтожная доля тех, что существуют. По ночам нашему взгляду открывается горстка ближайших светил

Между тем Космос безмерно богат. Светил во Вселенной больше, чем песчинок на всех берегах планеты Земля. Вопреки всем стараниям древних астрономов и астрологов разглядеть на небе фигуры, созвездия не более чем произвольно выделенные группы светил, состоящие из относительно тусклых звезд, которые кажутся нам яркими, поскольку расположены не слишком далеко, и весьма ярких, но расположенных дальше. Расстояние до любой звезды настолько велико, что с высокой степенью точности его можно считать одинаковым для всех мест на поверхности Земли. Именно поэтому рисунок созвездий не меняется, когда мы перемещаемся, скажем, из советской Средней Азии на американский Средний Запад. В астрономическом масштабе СССР и США — одно и то же место. Светила любого созвездия настолько далеки, что, оставаясь на Земле, мы не можем увидеть их расположение в трех измерениях. Средняя дистанция между звездами составляет несколько световых лет, а световой год, если помните, это примерно десять триллионов километров. Чтобы рисунок созвездий заметно изменился, надо преодолеть путь, сравнимый по протяженности с расстоянием между звездами, переместиться на несколько световых лет. Тогда некоторые близкие к нам звезды словно бы покинут свои созвездия, а вместо них появятся другие, и вид звездного неба станет совершенно иным.

Наши технологии пока даже близко не подошли к тому, чтобы позволить совершить такую межзвездную прогулку, по крайней мере за разумное время. Но можно заложить в компьютер информацию о положении в трехмерном пространстве всех близких к нам звезд и дать ему задание отправиться в небольшое виртуальное путешествие — например, облететь вокруг группы ярких звезд, составляющих ковш Большой Медведицы, — и посмотреть, как при этом будут меняться созвездия. Яркие звезды созвездий обычно соединяют на картах пунктирными линиями. Изменив перспективу, мы заметим, как образованные этими линиями фигуры будут все больше и больше искажаться. Обитатели планет у далеких звезд видят на ночном небе совершенно иные созвездия — другой тест Роршаха* для другого разума. Возможно, когда-нибудь, через несколько столетий, земной космический корабль, развив невероятную скорость, сможет совершить такое путешествие, и тогда перед ним предстанут новые созвездия, которые прежде людям доводилось видеть только на экранах компьютеров.

Очертания созвездий меняются не только в пространстве, но и во времени, не только при смене точки наблюдения, но и при достаточно долгом ожидании. Некоторые звезды движутся вместе, образуя группы, или скопления. Бывает и такое, что одиночная звезда очень быстро перемещается по отношению к своим соседям. Рано или поздно подобные светила покидают свое прежнее созвездие и переходят в другое. Порой одна из звезд двойной системы взрывается, разрушая гравитационные узы, которые удерживали ее компаньона, и тот выбрасывается в космос с той скоростью, с какой двигался по орбите. Получается что-то вроде звездной пращи. А еще звезды рождаются, живут и умирают. Если мы подождем достаточно долго, на небе появятся новые светила, а старые исчезнут. Медленно и постепенно рисунок звездного неба меняется.

* Тест Роршаха — психологический тест, применяемый для исследования личности. Испытуемому предлагается дать интерпретацию стандартному набору чернильных пятен различной формы и назвать возможные ассоциации. Считается, что особенности личности испытуемого определяют то, что он видит в кляксе. Тест разработан швейцарским психиатром Германом Роршахом (Rorschach; 1884-1922). - Ред.

Вид созвездий заметно преобразился даже за те несколько миллионов лет, в течение которых человек существует как биологический вид. Посмотрим, например, как трансформировался знакомый всем ковш Большой Медведицы. Наш компьютер позволяет перемещаться не только в пространстве, но и во времени. Отправившись в прошлое, мы увидим, как звезды ковша приходят в движение. Миллион лет назад они образовывали на небе совершенно иной рисунок, который больше напоминал копье. Так что, случись вашей машине времени неожиданно сломаться где-нибудь в отдаленном прошлом, по расположению звезд вы хотя бы примерно определите, в какую эпоху попали: если вместо ковша на небе красуется копье — вы в среднем плейстоцене*.

Мы можем также попросить компьютер перенести знакомые нам созвездия в будущее. Возьмем, к примеру, зодиакального Льва. Зодиак — пояс из двенадцати созвездий, расположенных вдоль видимого пути Солнца по небу. Название это имеет общий корень со словами «зоопарк» и «зоология», поскольку в рисунке большинства зодиакальных созвездий, как и в случае со Львом, человеческая фантазия усмотрела очертания животных. Через миллион лет Лев уже не будет напоминать царя зверей. Возможно, наши далекие потомки назовут его Радиотелескопом, хотя, я полагаю, через миллион лет радиотелескоп превратится в такую же архаику, какой нам сегодня кажется копье с каменным наконечником.

* Последний из периодов геологической истории Земли делят на плейстоцен, начавшийся 1,6-2 млн. лет назад, и голоцен, начавшийся после окончания последнего оледенения, около 10-11 тысяч лет назад. Различают нижний (до 700 тыс. лет назад), средний (700 тыс. — 125 тыс. лет назад) и верхний плейстоцен. Таким образом, Саган допустил небольшую неточность: ковш Большой Медведицы будет напоминать копье не в среднем плейстоцене, а в конце нижнего. — Пер.

Контур незодиакального созвездия Ориона, небесного охотника*, образуют четыре яркие звезды. Почти пополам его делит диагональная линия из трех звезд, называемая поясом Ориона. Три менее яркие звезды, как бы свисающие с пояса, принято считать мечом легендарного охотника. На самом деле средняя звезда меча и не звезда вовсе, а огромное газовое облако, где прямо сейчас рождаются светила. Оно называется туманностью Ориона. Многие звезды в созвездии Ориона горячие и молодые, они очень быстро эволюционируют и завершают свою жизнь колоссальными космическими взрывами — вспышками сверхновых. Они рождаются и умирают за время порядка нескольких десятков миллионов лет. Если с помощью компьютера мы резко ускорим течение времени в Орионе, нам откроется потрясающее зрелище: многие из его звезд будут рождаться и умирать на наших глазах, мерцая и вспыхивая, подобно огням ночного салюта.

Ближайшим космическим соседом Солнца является Альфа Центавра. Это тройная звездная система: две звезды обращаются вокруг друг друга, а третья, Проксима Центавра, на почтительном расстоянии движется по орбите вокруг этой пары. Орбита проходит таким образом, что сейчас Проксима является самой близкой к Солнцу из известных звезд, отсюда и название (лат. proxima — ближайшая. — Пер.). Большинство звезд входит в состав двойных и множественных звездных систем. Наше одинокое Солнце в некотором роде аномалия.

Бета Андромеды — вторая по яркости звезда в созвездии Андромеды — находится от нас на расстоянии семидесяти пяти световых лет. Прежде чем достигнуть Земли, свет ее три четверти века пересекает мрак межзвездного пространства. Если в прошлый вторник случилось невероятное событие и эта звезда взорвалась, мы не узнаем об этом еще семьдесят пять лет. Именно столько времени понадобится, чтобы это поразительное известие, распространяющееся со скоростью света, преодолело чудовищное межзвездное расстояние. Когда наблюдаемый нами сегодня свет Беты Андромеды отправился в путь, здесь, на Земле, молодой Альберт Эйнштейн, работавший чиновником швейцарского патентного бюро, только что опубликовал свою знаменитую специальную теорию относительности.

* Орион — в греческой мифологии охотник-великан, превращенный Зевсом в созвездие. — Ред.

Пространство и время тесно переплетены. Мы не можем заглянуть в космос, не оглядываясь в прошлое. Свет движется очень быстро. Но космическое пространство пустынно, а звезды крайне далеки друг от друга. Семьдесят пять или менее того световых лет — совсем небольшая дистанция в сравнении с другими астрономическими расстояниями. До центра нашей Галактики, Млечного Пути, свет Солнца идет 30 000 лет. А между нашей и ближайшей к ней спиральной галактикой М31 в созвездии Андромеды пролегает 2 000 000 световых лет. Когда М31 испускала наблюдаемый сегодня свет, на Земле еще не было людей, хотя наши предки быстро приближались к нашему нынешнему виду. От Земли до самых далеких квазаров восемь-десять миллиардов световых лет. Мы видим их такими, какими они были задолго до того, как сконденсировалась Земля, и даже раньше, чем образовался Млечный Путь.

Связь пространства и времени не ограничивается областью астрономических объектов, но лишь они одни настолько удалены от нас, что конечность скорости света становится существенной. Когда вы смотрите на приятеля, находящегося в трех метрах от вас, в другом конце комнаты, вы видите его не таким, какой он есть «сейчас», а лишь таким, каким он был одну стомиллионную долю секунды назад. [(3 м)/(3•108 м/с) = (1/108 с) = 10-8 с или одна сотая микросекунды. В этом расчете мы просто разделили расстояние на скорость, чтобы получить время движения.] Конечно, разница между тем, как ваш приятель выглядит «сейчас» и как он выглядел одну стомиллионную долю секунды тому назад, слишком ничтожна, чтобы ее можно было заметить. Зато, когда мы наблюдаем квазар в восьми миллиардах световых лет от нас, тот факт, что нам он виден, каким был восемь миллиардов лет назад, может оказаться очень существенным. (Например, некоторые астрономы считают, что квазары — это взрывы, чаще случающиеся на ранних этапах эволюции галактик. В таком случае более далекие, а значит, наблюдаемые в более раннем возрасте галактики должны чаще выглядеть как квазары. И действительно, на расстояниях свыше пяти миллиардов световых лет число видимых квазаров растет.)

Два межзвездных космических аппарата «Вояджер», самые быстрые из устройств, когда-либо запускавшихся с Земли, сейчас двигаются со скоростью около одной десятитысячной скорости света. Чтобы достичь ближайшей звезды, им потребуется 40 000 лет. Смеем ли мы надеяться когда-нибудь покинуть Землю и за разумное время преодолеть громадное расстояние до ближайшей к нам Проксимы Центавра? Можно ли приблизиться к скорости света? И вообще, что за магическое число — эта самая скорость света? Сможем ли мы когда-нибудь двигаться быстрее, чем свет?

Если бы в 1890 году вы отправились прогуляться по прекрасным пригородам Тосканы, то, возможно, встретили бы на дороге, идущей в Павию, длинноволосого подростка, недавно отчисленного из школы. В Германии учителя заявили, что он ни к чему не годен, что его вопросы нарушают порядок в классе и что ему лучше покинуть школу. Так он и поступил, отправившись бродить по Северной Италии и, наслаждаясь свободой, размышлять о вещах, весьма далеких от того, что ему пытались вдолбить в очень дисциплинированной прусской школе. Его имя было Альберт Эйнштейн, и его размышления изменили наш мир.

Воображение молодого человека было захвачено «Народной книгой о естественных науках» Бернштейна — научно-популярным изданием, где на первой же странице говорилось о поразительной скорости, с которой электричество распространяется по проводам, а свет — в пространстве. Эйнштейн задался вопросом, как выглядел бы мир, странствуй мы вместе со световой волной. Путешествия со скоростью света! Что за всепоглощающая, волшебная мысль для мальчишки на проселке посреди округи, где все горит и переливается рябью солнечных бликов! Вы можете обнаружить световую волну, если путешествуете вместе с ней. Начав движение на гребне волны, вы на нем и останетесь и потеряете всякое представление о том, что имеете дело с волной. На скорости света происходит что-то странное. Чем больше Эйнштейн думал над такими вопросами, тем больше они его беспокоили. Стоило вообразить движение со скоростью света, как повсюду возникали парадоксы. Некоторые идеи были приняты за истину без достаточно тщательного осмысления. Эйнштейн поставил простые вопросы, которые следовало бы задать несколько сот лет назад. Например, что мы имеем в виду, когда говорим, что два события произошли одновременно?

Представьте себе, что я еду навстречу вам на велосипеде. На перекрестке я чуть не сталкиваюсь, так по крайней мере мне кажется, с конной повозкой. Я уворачиваюсь и едва не попадаю под копыта. Теперь вообразите, что и телега, и велосипед двигаются со скоростью, близкой к скорости света. Если вы стоите поодаль на обочине, повозка движется перпендикулярно линии вашего взгляда. Меня вы видите благодаря отраженному в вашу сторону солнечному свету. Не следует ли из этого, что моя скорость должна быть прибавлена к скорости света и что меня вы увидите существенно раньше, чем повозку? Не выйдет ли так, что вы не увидите, как я увернулся, прежде чем заметите появление на перекрестке повозки? Не случится ли так, что мое появление на перекрестке совпадает по времени с появлением повозки только с моей точки зрения, но не с вашей? Может ли быть так, что я едва не испытал столкновение с повозкой, в то время как вам покажется, что я обогнул пустоту и бодро покатил себе в сторону города Винчи? Это все любопытные и тонкие вопросы. Они бросают вызов очевидному. Вот почему до Эйнштейна никто над ними не задумывался. Начав с таких элементарных вопросов, Эйнштейн фундаментально переосмыслил картину нашего мира и произвел революцию в физике.

Чтобы познать мир, чтобы уберечься от логических парадоксов при движении с высокими скоростями, существуют определенные правила, заповеди Природы, которые должны соблюдаться. В своей специальной теории относительности Эйнштейн систематизировал эти правила. Свет, отраженный или испущенный любым объектом, распространяется всегда с одной и той же скоростью независимо от того, движется объект или покоится: Не добавляй скорость твою к скорости света. Кроме того, ни один материальный объект не может двигаться быстрее света: Не двигайся скорее света, тако же и с равною ему быстротой. Физика не запрещает вам сколь угодно близко подойти к скорости света; значение в 99,9 процента скорости света не вызывает никаких возражений. Но оставшуюся десятую долю процента вам не преодолеть, как бы вы ни старались. Для того чтобы мир был логически согласован, в нем должна существовать абсолютная предельная скорость. В противном случае можно будет достичь любой скорости, отталкиваясь от движущейся платформы.

На рубеже XIX и ХХ веков в Европе многие верили в привилегированные системы отсчета: в преимущество культуры и политической организации Германии, или Франции, или Англии перед культурой и политическим строем других стран; в превосходство европейцев над прочими народами, которые за счастье должны почитать колонизацию. Социальные и политические приложения идей Аристарха и Коперника отвергались или игнорировались. Молодой Эйнштейн выступил против представления о привилегированных системах отсчета в физике, равно и в политике. Во Вселенной, заполненной беспорядочно движущимися звездами, не может быть ничего пребывающего «в состоянии покоя», не может быть системы отсчета, из которой наблюдать Вселенную было бы предпочтительнее. Именно в этом заключается смысл слова относительность. Идея очень проста, несмотря на то что считается загадочной: при наблюдении и описании Вселенной ни одно место не имеет преимущества перед другим. Законы природы должны быть одинаковы независимо от того, кто их описывает. Если это правда — а было бы крайне странно, окажись наше малозначительное местопребывание в космосе чем-то особенным, — никто не может двигаться быстрее света. Мы слышим удар хлыста потому, что его кончик достигает сверхзвуковой скорости и порождает ударную волну, небольшой акустический удар. Раскаты грома имеют ту же природу. Когда-то считалось, что самолеты не могут летать быстрее звука. Сегодня сверхзвуковые полеты — обычное дело. Но световой барьер отличается от звукового. Его преодоление не является инженерной задачей, наподобие той, которую решали создатели сверхзвуковых истребителей. Это фундаментальный закон природы, такой же основополагающий, как гравитация. Мы не наблюдаем явлений, подобных раскатам грома или щелчкам хлыста, которые указывали бы на возможность движения в вакууме со скоростью выше скорости света. Зато существует огромное множество примеров — например, ускорители элементарных частиц или атомные часы, — которые находятся в точном количественном согласии со специальной теорией относительности.

В отличие от света, со звуком не возникает проблемы одновременности, поскольку звук распространяется через материальную среду, например воздух. Когда вы беседуете с другом, звуковые волны достигают вас благодаря движению молекул воздуха. Свет же распространяется в вакууме. На движение молекул накладывается ряд ограничений, которые к вакууму неприменимы. Свет Солнца приходит к нам через пустое пространство, но как бы мы ни прислушивались, нам не услышать шума солнечных пятен и грохота солнечных вспышек*. До появления теории относительности считалось, что свет распространяется через особую всепроникающую среду — «светоносный эфир». Однако знаменитый эксперимент Майкельсона—Морли продемонстрировал, что эфира не существует.

* В последнее время, в основном благодаря космической солнечной обсерватории SOHO, стало возможно изучать акустические колебания на Солнце в реальном времени, наблюдая изменения вида солнечной поверхности. Это, конечно, не меняет того факта, что непосредственно до Земли солнечные звуковые колебания не доходят. — Пер.

Иногда приходится слышать разговоры о движении со сверхсветовыми скоростями. В таких случаях нередко говорят о путешествии «со скоростью мысли». Это очень глупое сравнение — особенно если учесть, что скорость передачи нервных импульсов нейронами сравнима со скоростью ослиной повозки. Человеческие существа додумались до теории относительности, и это говорит о том, что мы достаточно умны, однако я не уверен, что нам стоит хвастаться скоростью нашей мысли. А вот электрические импульсы в современных компьютерах действительно распространяются почти со скоростью света.

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*, 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.

* 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*. «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.

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

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*, — 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.

* Звезда Барнарда находится в созвездии Змееносца. Она имеет звездную величину 9m,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.

Однако есть среди физиков и такие, кто предполагает, что параллельно друг другу могут существовать две альтернативные истории, две совершенно равноценные реальности: одна — та, которую вы знаете, а другая — та, в которой вы никогда не рождались. Возможно, само время имеет множество потенциальных измерений, несмотря на то что мы обречены знать только одно из них. Предположим, что мы способны отправиться в прошлое и изменить его — например, убедить королеву Изабеллу не поддерживать Христофора Колумба. В таком случае, говорят эти физики, вы породили бы новую цепь исторических событий, о которых те, кого вы оставили в своем времени, никогда не узнают. Если такого типа путешествия во времени возможны, тогда любую вообразимую альтернативную историю можно в каком-то смысле считать реально существующей.

По большей части история состоит из сложных узлов глубоко переплетенных социальных, культурных и экономических нитей, распутать которые очень непросто. Бесчисленное множество постоянно происходящих малозначительных, непредсказуемых и случайных событий часто не имеет крупномасштабных последствий. Но некоторые из них, те, что случаются в критических, узловых точках, могут изменить рисунок истории. Возможны случаи, когда совсем небольшие поправки способны привести к глубоким изменениям. Чем раньше в прошлом произошло такое событие, тем сильнее будет его воздействие, поскольку длиннее становится рычаг времени.

Вирусы полиомиелита — крошечные микроорганизмы. Каждый день мы встречаем их во множестве. Но, к счастью, лишь изредка один такой вирус заражает кого-то из нас, вызывая страшное заболевание. Франклин Д. Рузвельт, тридцать второй президент Соединенных Штатов, переболел полиомиелитом. Недуг, сделавший его инвалидом, мог развить в Рузвельте сострадание к тем, кто повержен ударами судьбы, или, например, укрепить в нем стремление к успеху. Окажись личность Рузвельта иной, не избери он себе цели стать президентом Соединенных Штатов, Великая депрессия 1930-х, Вторая мировая война и работы по созданию ядерного оружия могли бы пойти совсем другим путем. Будущее нашего мира сложилось бы иначе. Но ведь вирус — это такая малость, всего одна миллионная сантиметра в поперечнике. Это почти ничто.

С другой стороны, допустим, наш путешественник во времени убедил королеву Изабеллу, что Колумбова география ошибочна и что согласно оценкам окружности Земли, выполненным Эратосфеном, Колумб никогда не достигнет Азии. Почти наверняка в течение нескольких десятилетий нашелся бы другой европеец, который отправился бы на запад и достиг берегов Нового Света. Усовершенствования в навигации, притягательность торговли пряностями и конкуренция между европейскими государствами сделали открытие Америки около 1500 года более или менее неизбежным. Конечно, тогда в Западном полушарии не было бы государства Колумбия, округа Колумбия, города Колумбус в штате Огайо и Колумбийского университета. Но общий ход истории мог бы остаться без значительных изменений. Для того чтобы преобразить ткань истории и существенно воздействовать на будущее, путешественник во времени, вероятно, должен был вмешаться в ряд тщательно отобранных событий*.

* Подобное вмешательство лежит в основе сюжета многих фантастических произведений. Наиболее показательное среди них, пожалуй, «Конец вечности» Айзека Азимова. — Пер.


Приятно помечтать об исследовании никогда не существовавших миров. Посетив их, мы, безусловно, смогли бы понять, как работает история; она стала бы экспериментальной наукой. Если бы никогда не существовало какой-нибудь из ключевых исторических фигур — Платона, например, или святого Павла, или Петра Великого, — насколько иным оказался бы наш мир? Что, если бы сформировавшаяся в Древней Греции ионийская научная традиция сохранилась бы и процветала? Это потребовало бы существенно иного расклада социальных сил в то время, включая господствовавшее убеждение в том, что рабство естественно и справедливо. Но что, если бы заря, забрезжившая на востоке Средиземноморья 2500 лет назад, не угасла бы? Что, если бы наука и экспериментальный метод, уважение к ручному труду и ремесленникам постоянно укреплялись бы на протяжении 2000 лет до промышленной революции? Что, если бы сила этого нового способа мышления была оценена по достоинству? Иногда я думаю, что в таком случае мы могли бы сэкономить десять или двадцать столетий. Возможно, многие идеи Леонардо появились бы уже тысячу лет назад, а открытия Альберта Эйнштейна — пять веков назад. На такой альтернативной Земле Леонардо и Эйнштейн, конечно, никогда бы не появились. Слишком много нашлось бы различий. При каждой эякуляции из сотен миллионов сперматозоидов только один может оплодотворить яйцеклетку и породить человека следующего поколения. Но какой именно сперматозоид преуспеет в оплодотворении яйцеклетки, зависит от множества незначительных факторов, как внутренних, так и внешних. Случись 2500 лет назад даже очень небольшое изменение, никого из нас могло бы сегодня не быть. На нашем месте были бы миллиарды других людей.

Если бы ионийский дух победил, я думаю, что мы — другие «мы», конечно, — могли бы сейчас путешествовать к звездам. Наши первые разведывательные корабли, отправленные к Альфе Центавра и звезде Барнарда, к Сириусу и Тау Кита, уже давно вернулись бы назад. На околоземной орбите строились бы огромные эскадры межзвездных кораблей: беспилотные разведчики, лайнеры для переселенцев, громадные торговые суда. На всех этих кораблях были бы начертаны символы и надписи. При ближайшем рассмотрении стало бы очевидно, что надписи выполнены на греческом языке. И возможно, на борту одного из первых межзвездных судов красовались бы додекаэдр и надпись «Звездолет „Феодор"* с планеты Земля».

В хронологии нашего мира события происходят несколько медленнее. Мы пока еще не готовы для звезд. Но не исключено, что через столетие или два, когда вся Солнечная система будет исследована и мы наведем порядок на своей планете, у нас появятся воля, ресурсы и технические знания для полета к звездам. Наблюдая с большого расстояния, мы исследуем всё многообразие других планетных систем — и тех, что очень похожи на нашу собственную, и совершенно иных. Мы будем знать, какие звезды стоит посетить. Наши машины и наши потомки, последователи Фалеса и Аристарха, Леонардо и Эйнштейна, преодолеют световые годы.

Мы пока не знаем, сколько существует планетных систем, но, похоже, что они широко распространены**. В непосредственной близости от нас имеется даже не одна, а целых три системы: Юпитер, Сатурн и Уран* обладают системами спутников, которые по относительным размерам и разделяющим их расстояниям довольно похожи на планеты, обращающиеся вокруг Солнца. Экстраполяция статистики двойных звезд, которые сильно различаются массой, также указывает на то, что почти все одиночные звезды, подобно нашему Солнцу, должны обладать планетами.

* Феодор Киренский (465-398 гг. до н. э.) — древнегреческий математик, доказавший, что числа √3, √5 ...√l7 являются иррациональными (иррациональность √2 была, по всей видимости, доказана раньше). Существование лишь пяти правильных многогранников (грани которых являются правильными многоугольниками) установил его ученик Теэтет. Не совсем понятно, почему Саган связывает имя Феодора с додекаэдром. — Пер.

** В последние годы благодаря развитию техники наблюдений планеты были обнаружены у многих звезд. На начало декабря 2002 г. у других звезд открыто 87 планетных систем и 101 планета. Таким образом, ожидания Сагана вполне оправдались. Правда, пока удается отыскивать только планеты, масса которых сравнима с массой Юпитера или больше. В 2006 г. НАСА планирует запустить космический аппарат «Кеплер», который будет способен выявлять у других звезд планеты земного типа. — Пер.


Мы не можем пока разглядеть планеты у других звезд — крошечные светлые точки, тонущие в сиянии своих солнц. Но мы уже близки к тому, чтобы обнаруживать гравитационное воздействие невидимых планет на наблюдаемые звезды. Представьте такую звезду с большим «собственным движением», которая десятилетиями перемещается на фоне более далеких созвездий и обладает крупной планетой, масса которой сравнима, скажем, с массой Юпитера, а плоскость орбиты перпендикулярна лучу зрения. Когда темная планета находится (с нашей точки зрения) справа от звезды, звезда будет отклоняться немного влево, и вправо, когда планета оказывается слева. Следовательно, траектория звезды будет испытывать возмущения и из прямой линии превратится в волнообразную. Ближайший объект, к которому можно применить метод гравитационных возмущений, — это звезда Барнарда, самое близкое к нам одиночное светило. Сложное взаимодействие трех звезд в системе Альфы Центавра затрудняет поиск в ней маломассивных компонентов. Даже в случае звезды Барнар.

1 Сегодня этот список можно дополнить Нептуном, у которого после пролета «Вояджера» известно 8 спутников и система колец. — Пер. да исследование потребует кропотливого поиска микроскопических смещений на фотопластинках, экспонированных на одном телескопе в течение десятков лет. Две такие попытки обнаружения планет вокруг звезды Барнарда уже предпринимались, и обе по некоторым критериям оказались успешными, указывая на присутствие двух или более планет с массой Юпитера, орбиты которых (рассчитанные по третьему закону Кеплера) проходят несколько ближе к звезде, чем орбиты Юпитера и Сатурна — к Солнцу. К сожалению, две серии наблюдений дают противоречивые результаты. Планетную систему вокруг звезды Барнарда можно считать обнаруженной, но для того, чтобы добиться однозначности, потребуются дальнейшие исследования*.

Разрабатываются и другие методы обнаружения планет вблизи звезд. Один из них сводится к тому, что слепящий свет звезды заслоняют искусственным диском, располагаемым перед космическим телескопом (в качестве такого диска можно использовать темный край

* Последняя попытка применить астрометрический метод для обнаружения планет у Проксимы Центавра и звезды Барнарда дала отрицательный результат. По сообщению Фрица Бенедикта, который вместе с коллегами в течение ряда лет вел наблюдения с использованием космического телескопа Хаббла и в 1999 г. опубликовал их результаты, у Проксимы Центавра нет спутников массой более 0,8 массы Юпитера и периодом более 60 суток, а у звезды Барнарда нет планет с массой более массы Юпитера и периодом более 150 суток. Ранее выполненные наблюдения, свидетельствовавшие о наличии планет у звезды Барнарда, сейчас принято считать ошибочными. Тем не менее астрометрический метод, по-видимому, позволил все же обнаружить планеты вне Солнечной системы. В 1996 г. опубликована работа, согласно которой у звезды Лаланд 21185 найдено два планетообразных спутника: один с массой 1,6 массы Юпитера и периодом обращения 30 лет, а второй — с массой 0,9 массы Юпитера и периодом 6 лет. Однако пока эта планетная система не числится в списке надежно подтвержденных. — Пер. Луны), и тогда отраженный планетой свет уже не теряется в ярком сиянии звезды. В течение нескольких следующих десятилетий мы наверняка узнаем, у каких из сотен ближайших звезд есть планетные системы.

В последние годы наблюдения в инфракрасном диапазоне вскрыли присутствие вокруг некоторых близких к нам звезд протопланетных газопылевых дисков. Между тем некоторые оригинальные теоретические исследования указывают, что планетные системы широко распространены в Галактике. В ряде компьютерных моделей изучалась эволюция плоского конденсирующегося диска из газа и пыли, подобного тем, в которых, как принято думать, образуются звезды и планеты. В случайные моменты времени в облако вбрасывались небольшие куски вещества, моделирующие первичные конденсации в диске. По мере движения на них оседали частицы пыли. Вырастая, они начинали гравитационно притягивать газ облака — преимущественно водород. В программу было заложено, что при столкновении такие куски вещества слипаются. Процесс продолжался, пока не исчерпывались запасы газа и пыли. Результаты зависели от начальных условий, особенно от того, как менялась плотность газа и пыли с удалением от центра облака. Но в определенном диапазоне правдоподобных начальных условий формировались планетные системы, похожие на нашу: около десяти планет, вблизи звезды — планеты земного типа, снаружи — типа Юпитера. В других обстоятельствах планет не было — образовывалось лишь небольшое количество астероидов; или планеты типа Юпитера оказывались вблизи звезды; или крупные планеты собирали слишком много газа и пыли и становились звездами, порождая двойные звездные системы. Пока еще рано говорить об этом с уверенностью, но похоже, что в Галактике можно найти самые разнообразные планетные системы, и встречаться они должны очень часто — ведь все звезды, как мы полагаем, образуются из таких облаков газа и пыли. В Галактике может быть сто миллиардов планетных систем, ждущих своих исследователей.

Ни один из этих миров не будет точно таким же, как Земля. Редкие из них покажут себя гостеприимными, большинство — враждебными. Многие поразят красотой. В некоторых мирах на дневном небе будут светить несколько солнц, а ночью — множество лун. Где-то обнаружатся величественные системы колец, протянувшиеся от горизонта до горизонта. Некоторые спутники будут столь близки к своей планете, что, нависая над ними, она закроет полнеба. А с некоторых планет будет открываться вид на обширные газовые туманности, оставшиеся на месте некогда существовавшей обычной звезды. И на всех этих небесах, полных далекими и экзотическими созвездиями, найдется маленькая желтая звездочка, возможно едва различимая невооруженным глазом, может быть видимая только в телескоп, — родное светило флота межзвездных кораблей, исследующих этот крошечный участок великого Млечного Пути.

Темы пространства и времени, как мы увидели, тесно переплетены. Планеты и звезды, подобно людям, рождаются, живут и умирают. Жизнь человека измеряется десятилетиями; жизнь Солнца в сто миллионов раз длиннее. В сравнении со звездами мы подобны мушкам-подёнкам, эфемерным созданиям, чья жизнь целиком укладывается в один день. С точки зрения подёнки человеческие существа вялые, скучные, почти совершенно неподвижные, не проявляющие признаков какой-либо деятельности. С точки зрения звезды человек — крошечная вспышка, одна из миллиардов скоротечных жизней, мерцающих на поверхности удивительно холодного, аномально твердого и экзотически далекого шара из кремния и железа.

Во всех затерянных в космосе мирах протекают процессы и случаются события, определяющие их будущее. А наша маленькая планета в данный момент своей истории находится в критически важной точке, столь же важной, как противостояние ионийских ученых и мистиков две с половиной тысячи лет назад. То, что мы сделаем сейчас с нашим миром, оставит свой след в веках и определит судьбу наших потомков и их жизнь среди звезд, если она состоится.

Отрывок из книги Карла Сагана "Космос"
Категория: Исследования
Добавлено: 08.12.2013
Просмотров: 3418
Рейтинг: 3.5/2
Темы: орион, Путешествия в пространстве и времен, вирусы, делал, межзвёздный корабль, млечный путь, наука, Космология, Карл Саган, вселенная
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]