Владимир Львов - Альберт Эйнштейн

Что сулит звездоплаванию относительность величин пространства и времени, заложенная в механике больших скоростей?

К этому вопросу подталкивали все новые и новые факты, входившие в повседневный обиход физиков в годы после окончания второй мировой войны.

Вот, например, мю-мезоны — новые атомные частицы, замеченные впервые в потоке космических лучей. Измеренный тогда же срок жизни этих неустойчивых частиц — они возникают в атмосфере и составляют вторичную, «жесткую» компоненту лучей из космоса — выражается двумя миллионными долями секунды. Но если мю-мезон «живет» в среднем две миллионные секунды, то какую длину пути может он пройти за это время в воздухе? Если допустить — в пределе, — что полет происходит без торможения и со скоростью, почти не отличающейся от быстроты света, то ответ дается простым перемножением: 300 000 (километров в секунду) X 0,000002 (секунды) = 0,6 (километра). Однако практически, как показали наблюдения, мезоны в потоке космических лучей проходят до момента своего распада толщину атмосферы, исчисляемую многими километрами и даже десятками километров. Как понять эту неувязку? Разгадка оказалась простой: две миллионные секунды — это срок жизни мю-мезона, который показывают «стрелки часов», связанные с самим мезоном (или с любой материальной «площадкой», покоящейся относительно мезона). Рассматривая же поведение частицы относительно поверхности Земли, придется сделать вывод, что ход течения времени для движущегося мезона замедляется. Это был тот самый эффект «растяжения времени», который десятилетием раньше был воспроизведен в лаборатории Айвсом и Стилуэллом. Теперь его демонстрировала физикам сама природа. Срок жизни мезонов, согласно эйнштейновской механике, оказывается увеличенным не менее чем в 15–20 раз, и это дает им возможность пролететь (по отношению к поверхности Земли) в 15–20 раз больший отрезок траектории.

Необычайный эффект «замедленного старения» мезона, пополнив список экспериментальных подтверждений теории относительности, заставил вспомнить об одном парадоксальном рассуждении, рассматривавшемся еще в первые годы эйнштейновской теории.

Если ход часов на движущихся материальных «площадках» замедляется, то пассажиры межпланетной ракеты, умчавшейся с большой скоростью прочь от нашей планеты, будут стареть гораздо медленнее, чем их сверстники, оставшиеся на Земле. Ведь замедление течения времени должно сказаться, бесспорно, не только на периоде качания маятника и на беге часовой стрелки, но и на ритме всех процессов в организме. Темп биений сердца, скорость обмена веществ в клетках, ритм замыканий и размыканий в нервных путях — все должно быть иным в ракете, движущейся по отношению к Земле, если вести счет времени по циферблату часов Земли. Подсчет показывает, что пассажир ракеты, двигавшейся в два раза медленнее, чем свет, вернувшись домой после трех лет странствий (исчисленных «по часам ракеты»), увидит Землю и всех людей на ней постаревшими на пять лет. Звездоплаватель же, летевший со скоростью в 99 процентов от быстроты света, после трех лет отлучки обнаружит, что на Земле прошло пятьдесят лет!

Успехи ракетной техники и общий интерес к звездоплаванию заставили заговорить о «парадоксе Эйнштейна» как о чем-то находящемся, во всяком случае, на полпути от научной фантастики к реальному будущему.

Беседуя как-то раз за чашкой чая с одним из энтузиастов межпланетного дела (это было в 1951 или 1952 году), Эйнштейн услышал из его уст целую развернутую программу дальних вояжей в космосе, программу, основанную целиком на законах его, эйнштейновской, механики и раздвигающую горизонты дальше, чем мог подозревать он сам!

Собеседник сослался на расчеты и соображения западногерманского физика Эугена Зенгера, только что опубликованные тогда в одном из научных журналов.

— Барьер скорости света, — сказал собеседник, — не может отныне считаться преградой, заслоняющей путь человеку в самые дальние глубины вселенной. Это остается верным, даже если принять во внимание механику Эйнштейна и закон предельности скорости света.

Предположим, что ракета совершает путь между Землей и ближайшей звездой Проксимой в созвездии Центавра, отстоящей от нас на четыре с третью световых года. (Световой год — отрезок пути, проходимый светом за год.) Значит ли это, что пассажиры ракеты при всех условиях не смогут достигнуть этой звезды раньше, чем за четыре с третью года? Речь идет тут о годах человеческой жизни, пределы которой хорошо известны. На первый взгляд как будто приходится ответить «да». И если так, тогда из пределов досягаемости для человека заведомо оказалось бы исключенным все пространство космоса, простирающееся дальше, чем на какую-нибудь сотню световых лет!

Разберемся в этом. Пусть ракета, совершающая перелет между Землей и звездой Проксимой, движется так, что в первую половину пути скорость наращивается постепенно на 10 метров в секунду каждую секунду, а во вторую половину — убывает тем же темпом [77] [77] Ускоренный характер перемещения не идет в данном случае вразрез с частной теорией относительности. Дело в том, что в окончательных расчетах фигурирует здесь средняя скорость равномерного и прямолинейного движения на взятом отрезке пути. И эта средняя скорость не превосходит быстроты света, поскольку для больших скоростей вступает в силу эйнштейновский закон сложения, отличающийся от простой арифметической прогрессии. Согласно этому закону, сколько бы ни прибавлялось слагаемых к скорости, сумма будет лишь бесконечно приближаться к пределу — тремстам тысячам километров в секунду. . Необходимую энергетическую базу для ускоренного движения на столь чудовищно огромных расстояниях, заметим, смог бы дать в будущем процесс полного преобразования («аннигиляции») вещества. Речь идет о превращении и исчезновении атомных ядер нацело, с выделением наружу всей их массы и энергии! Формула E = mc 2 , формула Эйнштейна, дает для этого теоретического процесса выход энергии, в 100 раз превосходящий то, что могут дать термоядерные реакции, и в 1000 раз — расщепление ядер урана. Струя реактивного выхлопа в ракете, работающей на таком источнике, состояла бы из частиц — фотонов и мезонов, — движущихся со скоростью, равной или почти равной скорости света. Расчет, проведенный на основе эйнштейновской механики, показывает, что в этих условиях весь маршрут «Земля — звезда Проксима» займет по часам ракеты 3,6 года, а перелет в оба конца (без остановок) — 7,2 года. Между тем свет потребовал бы для такого же путешествия около девяти лет. Означает ли это, что ракета полетит быстрее света? Вовсе нет. Дело лишь в том, что все отрезки пути (если судить о них с помощью «путемера», находящегося на ракете) сокращаются по сравнению с расстояниями по масштабам Земли. Двигаясь со скоростью, близкой к скорости света, ракета, следуя эйнштейновской механике, будет как бы стирать расстояния. (Другой стороной той же медали явится эффект «растяжения» времени…)