Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - [63]

Часть 2 Вселенские прогулки

Прогулка 5 Абсолютное, относительное и безразличное

Маршрут:Не все скорости складываются. – Относительны все, кроме одной. – Энергия из массы. – Темпы времени. – Относительность и пространство-время. – Замедление времени как необходимость. – Сверхколлайдер: догнать свет. – Движение, энергия и масса. – Будущее, прошлое и безразличное. – Космический старт: обмануть систему? – Сверхпривилегия от рождения. – Заманчивые путешествия. – Циолковский с нами.

Главный герой:абсолютная скорость

Не все скорости складываются. Ночной рейс British Airways из Нью-Йорка в Лондон с 8 на 9 февраля 2020 г. оказался рекордным: пассажирский «Боинг-747» приземлился в Хитроу в 04:43 утра, почти на два часа опередив расписание, потому что летел в ту ночь необычайно быстро: максимальная скорость в полете достигла 1327 км/ч. При этом скорость звука в воздухе – 1235 км/ч, и ни один современный пассажирский авиалайнер преодолеть ее не в состоянии. Виноват оказался ураган «Кьяра»: относительно окружавшего его воздуха самолет двигался со своей обычной крейсерской скоростью, но сам воздух быстро перемещался в том же направлении (в общем, с запада на восток), из-за чего относительно наблюдателя на земле (где-нибудь, скажем, в Гренландии или Исландии) лайнер двигался быстрее звука.

Загадка «невозможной сверхзвуковой скорости» для дозвукового самолета разрешилась простым сложением скоростей. Но проделаем еще один эксперимент – на этот раз на вычитание. Он приведен в фантастической формулировке, чтобы сделать его более наглядным, но в существенно менее ярких вариантах он ставился многократно. Я улетаю от Земли (по прямой!) на ракете со скоростью, довольно заметно превосходящей скорость «Аполлона-8», но в общем достаточно скромной: 15 км/с. Вы же стартуете несколько позднее и желаете догнать и перегнать меня на ракете будущего со скоростью в десять тысяч раз большей – 150 000 км/с (пожалуй, вам лучше будет отправить вместо себя робота, но дела это не меняет). Провожающие светят нам вслед лазером, как это показано на рис. 5.1. Скорость света в пустоте – 299 792,458 км/с; с такой скоростью и распространяется свет лазера относительно своего источника на Земле. Какую скорость света в этом лазерном луче каждый из нас измерит со своего транспортного средства?

Рис. 5.1. Быстрая ракета догоняет медленную. Обе летят по прямой линии от Земли, и вдоль этой же линии с Земли светит лазер. Измеряя скорость света в этом лазерном луче, экипаж каждой из ракет получит одно и то же значение

С борта своей примитивной ракеты я определю скорость этого света как 299 792,458 км/с. Вы же на борту продвинутого звездолета, летящего со скоростью, равной практически половине скорости света, обнаружите, что посланный с Земли лазерный луч пролетает мимо вас со скоростью 299 792,458 км/с. Здесь нет опечаток. В точности те же двести девяносто девять тысяч семьсот девяносто два с копейками. Для того же самого луча света, посланного с Земли. Скорости вовсе не вычитаются (а потому на самом деле и не складываются).

*****

Относительны все, кроме одной. Скорость – это главное, что характеризует движение. Существенное добавление состоит в том, что, например, скорость автомобиля, зафиксированная дорожной камерой, – это скорость автомобиля относительно камеры. Телеметрия взлетающей ракеты сообщает ее скорость относительно космодрома или какой-то другой точки, связанной с Землей; тот факт, что Земля при этом несется вокруг Солнца со скоростью около 30 км/с, совершенно не важен, пока ракета находится вблизи Земли (хотя при полетах «Аполлонов» к Луне положение и скорость космического корабля начинали в некоторый момент исчислять уже не относительно Земли, а относительно Луны). При полетах, скажем, к Марсу скорость после старта с околоземной орбиты надо измерять, например, с точки зрения воображаемого наблюдателя, сидящего в центре Солнца. Но и тогда скорость, с которой Солнце летит вокруг центра галактики Млечный Путь, нас совершенно не интересует. Вот если бы мы отправлялись к другим, а особенно далеким, звездам в Галактике…

А как вообще узнать, двигаюсь ли я? Если я сижу в поезде, который вот-вот отправится, то можно выяснить, произошло ли это уже, взглянув на поезд на соседнем пути. Большинство из нас хоть раз, хоть на секунду обманывалось таким образом: вполне может оказаться, что тронулся соседний поезд, а не наш. Чтобы выяснить, «как же обстоит дело на самом деле», мы привычно ищем глазами перрон. Из-за того, что Земля большая по сравнению с человеком и поездом, мы привыкли думать, что если уж поезд движется относительно Земли, то он движется «на самом деле». Но что, если размер Земли больше длины поезда не в сто тысяч раз, а всего лишь в сто? А в десять? А в два? Кто из них движется «на самом деле»? Здравый смысл, основанный на всем предшествующем опыте жизни на «большой Земле», тогда уже ничего не подсказывает, и это вполне отвечает положению вещей: скорость какого-либо тела – это всегда скорость его движения относительно какого-то другого тела. Нет никакого «движения на самом деле» – смысл имеет только относительная скорость. Бессмысленно высказывание «Земля несется сквозь пространство со скоростью …». В пустом пространстве нет никаких «отметок», «зарубок» или «верстовых столбов» – ничего такого, относительно чего можно было бы измерять скорость; для этого нужны тела, но каждое из них движется относительно каждого, поэтому нет способа подставить вместо многоточия в приведенной фразе какое-то число. Зато полностью осмысленно высказывание «Две ракеты сближаются со скоростью 10 км/с» (скажем, одна ракета догоняет другую). Всегда нужно говорить, относительно чего вы измеряете скорость.