Книга: Сейчас. Физика времени

Принцип эквивалентности Эйнштейна

Принцип эквивалентности Эйнштейна

Некоторых людей раздражают научно-фантастические фильмы, где астронавты разгуливают по своим космическим кораблям так, словно на них есть гравитация. В некоторых фильмах (таких как «2001 год: космическая одиссея» и «Интерстеллар») декорации кораблей дополнены вращающимися секциями, которые создают искусственное притяжение. (Следует отметить, что в этих фильмах правильно изображена скорость вращения кабин космических кораблей, при которой возможно возникновение практически земной гравитации.) Однако звездолет Enterprise в фантастической саге «Звездный путь» имеет внутреннюю силу тяжести безо всякого вращения. Это кое-кому не нравится, но не мне. Судя по всему, капитан звездолета Кирк располагает огромными запасами энергии в топливе из антивещества. Именно поэтому, как я полагаю, даже в глубинах Галактики ему ничего не стоит поддерживать ускорение корабля 1g, то есть такое же, как на Земле. Это позволяет капитану обеспечить на звездолете искусственную гравитацию. Ускорение может действовать на человека по направлению движения корабля или перпендикулярно ему, в зависимости от того, из какого иллюминатора он хочет окинуть взглядом межгалактическое пространство.

А вот одна любопытная вещь. Придавая себе ускорение 1g в течение года, вы в итоге превысите скорость света, если, конечно, законы классической физики верны. Вы можете достичь гигантской скорости! Выходит, в научно-фантастических фильмах о космических путешествиях есть здравый смысл.

На самом деле год, проведенный с ускорением 1g, не придаст вам скорости света из-за релятивистского эффекта. Мы же допустили постоянное ускорение 1g в земной системе отсчета. Чтобы получить сравнимую с земной силу притяжения, мы должны создать ускорение 1g в системе отсчета, совпадающей с собственной СО космического корабля. Если используем формулы теории относительности, окажется, что для достижения ускорения а в нашей системе отсчета ускорение по отношению к СО Земли составит а, деленное на куб гамма-фактора: a/??.

Эта формула достаточно проста, чтобы рассчитать условия космического путешествия с помощью таблицы. Создайте колонки для времени, местоположения и собственного ускорения 1g (а = 9,8 [м/с?] = 35,28 [км/час] каждую секунду); колонки для гаммы, интервала собственного времени (временного интервала, поделенного на гамму) и так далее. Разделите время на короткие интервалы и сложите небольшое количество собственного времени, чтобы получить полное собственное время. Вы придете к интересным результатам. За один год (собственного времени) космический корабль, движущийся с ускорением 1g, достигнет световой скорости 0,76; через два года – 0,97; через три – 0,995. Конечно, скорости света достичь не сможет.

Предположим, капитан Кирк принимает решение отправиться на одну из ближайших к нам звезд – Сириус. Он не использует никаких специальных эффектов, а выбирает равномерное собственное ускорение 1g. Путь на Сириус займет 9,6 лет, но за это время капитан состарится только на 2,9 года. (Я рассчитал этот и другие нижеприведенные результаты по таблице.) Когда он достигнет звезды, в его системе отсчета Сириус будет приближаться к нему со скоростью 99,5 % от скорости света. Земля останется далеко позади, но из-за сжатия пространства будет отстоять не на 8,6 световых лет, а всего на 0,9 светового года. Это соответствует тому, что по своим ощущениям Кирк находился в путешествии всего 2,9 лет. Если бы он захотел остановиться на Сириусе, ему следовало первую половину пути обеспечивать ускорение 1g, а вторую – торможение 1g.

Капитан Кирк постарел на 2,9 года, однако расстояние до Сириуса изменилось на 7,7 световых лет. Таким образом, скорость сокращения расстояния составила 7,7/2,9 = 2,6 световых года за год, или в 2,6 раза выше скорости света. Этот феномен я называю уловкой скорости света. Расстояния, измеряемые в ускоряющихся системах отсчета, могут изменяться с произвольной скоростью. Причина в том, что при ускорении вашей собственной СО расстояние до отдаленного объекта может меняться с произвольной быстротой. «Переключите» вашу СО с одной скорости на другую, и расстояние неожиданно окажется меньшим в ? раз.