Hиколай Непомнящий - Время - Назад XX век: Хроника необъяснимого

Что касается путешествия в прошлое, то оно в принципе невозможно, так как приводит к логическому противоречию. Популярная формулировка этого противоречия состоит в том, что, совершив путешествие в прошлое, к моменту до своего рождения, можно убить своего отца и тем самым никогда не родиться.

Мы рассмотрим сейчас вопрос об относительной «реальности» путешествия в будущее на космическом корабле.

Для того чтобы получить заметный выигрыш во времени, необходимо путешествовать со скоростью, близкой к скорости света. Для этого необходимо ускорение, обеспеченное работой двигателя ракеты, длящееся достаточно долгое время. Насколько долгое? Может быть, нужны миллионы лет, чтобы достигнуть скорости, близкой к скорости света?

Конечно, все зависит от ускорения. Мы условимся, что для того, чтобы путешественники чувствовали себя комфортабельно, их ускорение не должно существенно превосходить ускорение земного тяготения, то есть величины, когда скорость прирастает на 9,8 м/с за одну секунду. Если ускорение точно равно ускорению земного тяготения, путешественники как бы будут находиться в состоянии искусственной гравитации, такой же, как на Земле. Если ускорение в ракете превосходит это ускорение, они будут чувствовать перегрузки. Сегодня космонавты, выводимые на орбиту искусственного спутника, могут испытывать, скажем, десятикратные перегрузки, но не существенно больше. Так как мы обсуждаем длительное космическое путешествие, ограничимся (для удобства путешествующих) ускорением, равным ускорению земного тяготения.

За какое время можно тогда достичь скорости, близкой к скорости света? Скорость света равна 3х108 метров в секунду (Обозначение 108 представляет собой единицу с восемью нулями, то есть сто миллионов. Такого рода обозначения очень удобны, когда приходится иметь дело с большими числами. Мы будем использовать их и дальше).

При постоянном ускорении скорость равна произведению ускорения на время, так что время равно скорости, деленной на ускорение. Чтобы достичь скорости, равной, скажем, одной трети скорости света, требуется время, равное 108 м/с: = 9,8х х10 м/с2 = 107 секунд = 4 месяца. Не столь уж большое время!

К сожалению, при скорости, равной всего лишь одной трети скорости света, разница в ходе времени для путешественников по сравнению с земным временем будет всего лишь 5 процентов.

Чтобы получить заметно больший выигрыш во времени, надо двигаться со скоростью, действительно близкой к скорости света. При этом уже время ускорения нельзя рассчитать как отношение скорости к ускорению, работают другие законы, законы специальной теории относительности.

Пользуясь теорией относительности, можно показать, что если ускоряться в ракете с ускорением земного тяготения 3,5 года, то по часам, прошедшим на Земле, пройдет 15 лет. При скоростях, еще более близких к скорости света, разница становится гораздо более впечатляющей. Так, например, если время ускорения для пассажиров ракеты равно 10 годам, то на Земле пройдет 11 500 лет!

Итак, с точки зрения нормальной продолжительности человеческой жизни путешествие со скоростью, близкой к скорости света, представляется хотя и длительным, но возможным. Хватит ли, однако, энергозапаса ракеты, чтобы поддерживать постоянным ускорение в течение нескольких лет?

Любое, самое эффективное, топливо при сжигании массы М не может дать больший выход энергии, чем величина Е = Мс2, где с — скорость света Этот теоретический предел вытекает из принципа эквивалентности массы и энергии, следующего из теории относительности. Для обычных видов топлива эффективность ("калорийность") топлива гораздо ниже — при сжигании массы М выделяется энергия, гораздо меньшая Мс2. Легко убедиться, что для того, чтобы ускориться до скорости, близкой к скорости света, никакие виды «обычного» топлива (включая ядерное или термоядерное) не годятся. Единственный вид топлива, имеющий, так сказать, "коэффициент полезного действия", близкий к единице, — это антивещество. При аннигиляции вещества и антивещества происходит, в некотором смысле, полное превращение массы в энергию, точнее, превращение массивных частиц в электромагнитное излучение. При сжигании массы М топлива из антивещества выделенная энергия будет равна Мс2.

Оказывается, что для длительного ускорения ракеты необходимо запастись горючим из антивещества, во много раз превышающим по массе «полезную» массу ракеты. Можно показать, что при ускорении, равном ускорению земного тяготения, для путешествия, длящегося по часам в ракете 3,5 года, когда на Земле проходит 15 лет, отношение массы топлива к массе ракеты должно быть примерно 15. Если же путешествие длится по часам ракеты 10 лет, а по земным часам 11 500 лет, масса топлива должна превосходить полезную массу более чем в 10 000 раз!

Наверное, из всех чудовищных трудностей создания подобного устройства получение многих тонн антивещества является самой сложной задачей. В настоящее время удается получить лишь считанные атомы антивещества. Поэтому практически можно гарантировать, что «релятивистские» путешествия со скоростью, близкой к скорости света, если и будут когда-нибудь осуществлены, то весьма не скоро. Надо признать, однако, что принципиальных возражении против такого рода путешествий современная наука не имеет.

В этом очерке мы попытаемся объяснить (к сожалению, крайне схематично), каким образом физики приходят к удивительному заключению, что время в неподвижной и движущейся системах отсчета, например на Земле и в ракете, улетающей от Земли, течет неодинаково. Пока же без объяснений примем этот фундаментальный вывод специальной теории относительности и покажем, что, хотя "здравый смысл" решительно восстает против этого утверждения, оно все же не содержит логических противоречий.

Итак, основное заключение теории относительности, относящееся к различному ходу времени в движущихся друг относительно друга системах отсчета: время в движущейся системе отсчета течет медленнее, чем время в неподвижной системе отсчета. Пример: радиоактивное ядро, летящее с большой скоростью относительно неподвижных приборов, установленных в лаборатории, живет дольше другого такого же ядра, неподвижного в лабораторной системе отсчета. Этот факт подтверждается ежедневно в сотнях экспериментов, проводимых во всем мире.

Повторим еще раз: "здравый смысл" очень хочет предположить, что что-то случилось не с самим временем, а с часами, в данном случае с радиоактивным ядром. В предыдущем очерке мы уже объяснили, что если замедляются любые часы: любое время распада различных частиц, любые колебания световой волны, связанной с испусканием света различными атомами и т. д., - то остается сказать, что замедляется само время. Заметим между прочим, что замедляются и биологические процессы, ведь в конечном счете они связаны с различными химическими реакциями, которые замедляются точно так же, как радиоактивные распады или частота колебаний световой волны (Период колебания световой волны, связанной с испусканием света различными атомами).