Грегори Гбур - Загадка падающей кошки и фундаментальная физика

Среди привлеченных ученых были, в частности, братья Фриц и Хайнц Хаберы, эмигрировавшие в США в 1946 г. Фриц Хабер, как авиационный инженер, во время войны в Германии работал на компанию Junkers Aircraft и занимался разработкой метода транспортировки ракеты «на спине» самолета; аналогичная система позже будет использоваться для перевозки американского космического челнока на модифицированном боинге-747. Хайнц Хабер, физик по образованию, в военные годы служил в авиационной разведке. После войны оба были направлены в Школу авиационной медицины ВВС США, которая располагалась на авиабазе Рэндольф в Техасе (позже эта школа вошла в состав Департамента космической медицины). Как ни забавно, оба брата оставили свои прежние специальности и сосредоточились на физиологии, пытаясь в первую очередь разобраться в действии невесомости на человеческое тело.

Школа авиационной медицины отсчитывала свое существование, в той или иной форме, с 1918 г., поскольку использование самолетов в Первой мировой войне вызвало настоятельную потребность разобраться в том, какие заболевания и проблемы со здоровьем могут угрожать пилотам. Формально Департамент космической медицины был создан в 1949 г. для исследования медицинских проблем, которые могли бы возникнуть в ходе космического путешествия. Термин «космическая медицина» первым пустил в оборот в 1947 г. Хубертус Штругхольд — еще один немецкий ученый, привезенный в Соединенные Штаты в результате операции «Скрепка». Именно Штругхольд и стал первым директором Департамента космической медицины.

Несмотря на то что сегодня долговременное пребывание в космосе считается нормальным, в конце 1940-х гг. ученые никак не могли предвидеть, какое действие окажет на физиологию человека даже короткая встреча с невесомостью {3} . Сила тяжести всегда присутствует в нашей жизни, она вездесуща, и первые исследователи просто не могли знать, насколько функционирование нашей физиологии зависит от этой постоянной силы. Как с большой тревогой писал Хайнц Хабер в журнальной статье 1951 г.:

В большинстве дискуссий о космических путешествиях последствия для пассажиров от воздействия невесомости воспринимаются очень легко. В самом деле, невесомость порождает приятную картину: возможность свободно плавать в пространстве, не испытывая никаких напряжений, кажется приятной и даже полезной. Но плавание в невесомости не будет таким беззаботным, как кажется. Скорее всего, природа заставит нас заплатить за удовольствие.

На Земле не существует опыта, который сказал бы нам, на что будет похожа невесомость. Правда, первое мгновение свободного падения при прыжке в воду с трамплина приближается к свободному от силы тяжести состоянию, ассоциирующемуся с идеальным свободным падением, но продолжается оно всего лишь мгновение {4} .

Какого рода негативные эффекты мог бы ожидать человек от состояния невесомости? Хайнц Хабер вместе с коллегой Отто Гауэром считали, что дыхательная и сердечно-сосудистая системы будут переносить невесомость относительно спокойно и без последствий. Однако их беспокоило, что те же проприоцептивные импульсы, которые обеспечивают нас важной информацией о состоянии и ориентации частей тела, при длительном воздействии невесомости могут просто отказать. Конфликт между информацией об ориентации, получаемой одновременно от зрительной и вестибулярной систем, теоретически мог привести к крайней дезориентации или к чему-то вроде непрекращающейся морской болезни. Проприоцепторы в мышцах также внушали ученым тревогу. Поскольку человеческое тело, по существу, «калибруется» для правильной работы при постоянной силе тяжести, утрата этой силы могла сбросить калибровочные настройки, сделав каждое движение космического путешественника многократно преувеличенным. Если бы эти гипотезы подтвердились, то наложили бы серьезные ограничения на человеческое будущее в космосе {5} .

Космос, однако, не был единственным поводом для тревоги. С появлением в ходе Второй мировой войны реактивной авиации самолеты стали летать быстрее и выше, чем когда-либо прежде, поднимаясь на высоты, где сопротивление воздуха практически не играло роли в полете. Любой самолет, планирующий в таких условиях без работы двигателя, по существу будет находиться в свободном падении, а летчик — в состоянии невесомости. Так что земные заботы тоже волновали исследователей в области космической медицины.

Самой большой сложностью при изучении подобных эффектов было отсутствие на Земле сколько-нибудь продолжительного состояния невесомости. Как отмечал в свое время Хабер, прыжок с трамплина позволяет испытать истинную невесомость лишь на мгновение. То же можно сказать и о затяжном прыжке с парашютом: даже в прыжке с монгольфьера человек всего несколько секунд испытывает состояние, напоминающее истинную невесомость, прежде чем сопротивление воздуха дает ему новое ощущение «низа».

Еще одной возможностью для создания продолжительного состояния невесомости было использование вышки для вертикальных испытаний. Такая вышка представляет собой лифт, сконструированный так, чтобы свободно падать с высоты и тормозить только перед ударом об землю. Но такие башни ограничены по высоте и могут создать для пассажиров невесомость в лучшем случае на несколько секунд. В 1950 г. братья Хабер предложили наилучшее решение — использование самолета, летящего по параболической траектории {6} .

Эта стратегия иллюстрируется приведенной схемой. Согласно принципам общей теории относительности, любой объект, свободно движущийся в гравитационном поле, находится в состоянии невесомости [2]. Состояние, приближенное к этому, может быть достигнуто для пассажиров самолета, летящего подходящим образом. Этот самолет сначала разгоняется по восходящей траектории — пассажиры во время разгона испытывают перегрузку, то есть увеличенную силу тяжести. Затем самолет снижает тягу двигателей и летит по параболической траектории — по траектории, по которой летел бы бейсбольный мяч, брошенный другу. Пилот при этом должен поддерживать тягу такой, чтобы ее как раз хватало на компенсацию тормозящего действия, которое сопротивление воздуха оказывает на самолет, иначе тот испытывал бы на себе соответствующую силу тяжести. Дойдя до высшей точки траектории, самолет начинает ускоряться вниз, и пилот, естественно, должен вывести его из пике, опять подвергая пассажиров перегрузкам. При желании процесс можно повторить, сделав траекторию самолета похожей на серию взлетов и падений на американских горках {7} .

На реализацию этой схемы потребовалось совсем немного времени, и самые отчаянные летчики-испытатели первыми опробовали на себе сколько-нибудь длительную невесомость. Летом 1951 г. летчик-испытатель Скотт Кроссфилд с авиабазы Эдвардс сумел получить состояние нулевой тяжести как в нормальном, так и в перевернутом полете. Он отметил ощущение «утраты пространственной ориентации» при переходе к невесомости, но обнаружил, что после пятого полета его организм адаптировался к этому ощущению, и это, безусловно, внушало оптимизм. Он отметил также, что в невесомости у него появлялась тенденция прикладывать слишком большое усилие, протягивая руку к переключателям на приборной доске, и в результате промахиваться; это отчасти подтверждало тревогу Гауэра и Хабера по поводу нарушений в работе проприоцепторов {8} . Двумя годами позже Кроссфилд прославился как первый летчик, сумевший достичь двукратной скорости звука.