Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - [87]
Рисунок 5.13 взят из https://theconversation.com/is-alpha-centauri-the-right-place-to-search-for-life-elsewhere-57716. Плакат на рис. 5.14 взят с сайта https://apod.nasa.gov/apod/ap160220.html, а изображение Малого Магелланова Облака на рис. 5.15 – с сайта http://dslr-astrophotography.com/small-magellanic-cloud-tuc-47/.
У слова «вселенские», использованного в заглавии части 2, несколько значений; я, конечно, имел в виду «прогулки по Вселенной».
Движение на прогулке 5
Свойства движения глубоко связаны с существованием пространства и времени в виде пространства-времени. Из-за их «сговора» оказывается возможным существование абсолютной скорости – скорости света, воспринимаемой одинаково вне всякой зависимости от движения наблюдателей относительно источника света. Но, наблюдая друг за другом, разные наблюдатели обнаружат различия в темпе времени и в длинах вдоль направления движения. Логическая непротиворечивость такого устройства поддерживается тем, что переход к относительному движению имеет геометрическое описание как гиперболический поворот в пространстве-времени, перемешивающий временное и пространственное направления. Все наблюдатели, движущиеся равномерно относительно друг друга, при этом равноправны в отношении всех физических законов, и каждый такой наблюдатель может считать себя неподвижным. Сложение скоростей относительного движения происходит не как арифметическое сложение, и тем самым обеспечивается недостижимость скорости света.
Из свойства движения в пространстве-времени, где есть абсолютная скорость, логически следует, что масса и энергия суть одно и то же. Связь между массой и энергией в случае движущихся тел показывает, что энергия движения возрастает неограниченно при попытке разогнаться до скорости света, что делает скорость света недостижимой для любого тела, которое в принципе может находиться в покое относительно какого-либо наблюдателя. Для гипотетических сверхвысокотехнологичных космических путешествий с постоянно включенными двигателями замедление времени позволяет в принципе достичь объектов в пределах Галактики за относительно небольшое время для экипажа, но необходимая для этого энергия оказывается столь велика, что масса топлива должна в колоссальное число раз превосходить массу полезной нагрузки.
Абсолютная скорость является максимальной скоростью передачи сигналов, что полагает границы прошлому, которое способно повлиять на «здесь и сейчас», и будущему, на которое в принципе можно повлиять из «здесь и сейчас». Для событий, лежащих вне прошлой и будущей зон влияния, даже порядок их следования во времени зависит от движения наблюдателя. Предположение о возможности распространения сигналов быстрее скорости света приводит к логическим сложностям в виде петель во времени.
Прогулка 6
Всеобщее свободное падение
Маршрут:Свободное падение: одно для всех. – Невесомость. – Склейка простого в сложное. – Самые прямые в искривленном. – Геодезические на смену Кеплеру и Ньютону. – Равенство без исключений. – Падения света. – Отрезанный ломоть пространства-времени. – Правила черной дыры для навигации. – Часть времени не помещается. – Кривизна: расхождение геодезических. – Нельзя не вращаться.
Главный герой:геодезические
Свободное падение: одно для всех. Один аспект движения вокруг нас, который трудно не замечать, состоит в том, что тела падают (когда вы последний раз роняли чашку?). Смысл анекдота про Ньютона, сидящего под яблоней и разглядывающего Луну, в том, что и Луна тоже падает, причем по тем же законам, что и яблоко в его саду, только с другими начальными условиями[99]. В действительности Ньютону потребовалось некоторое время, чтобы сформулировать рассуждение, выраженное рисунком с пушкой на горе в его «Началах» (рис. 6.1). Идея здесь именно в том, что движение по околоземной орбите – это свободное падение. По мере увеличения скорости выстрела сначала снаряд приземляется все дальше от пушки, а затем скорость оказывается достаточной, чтобы, продолжая падать, снаряд так и не достиг земной поверхности: он постоянно поворачивает к центру Земли, но из-за большой скорости постоянно промахивается. Выражаясь современным языком, это и означает выход на орбиту. Сейчас изображенное на рисунке не изумляет ничем, кроме изящности самого рассуждения; но стоит помнить, в какой высокой степени это был именно мысленный эксперимент. Ньютон, кстати, смело пририсовал еще две – круговую и эллиптическую – орбиты, не уточняя, как туда попасть.
Свободное падение – вид движения, совершаемый всеми телами одинаково. Галилей первым понял, что движение падающего тела не зависит от его массы. Видимые же на Земле различия в падении пушинки и монеты определяются не притяжением Земли, а как раз наличием других воздействий – сопротивлением воздуха. Поэтому если быть педантом, то запускать тела из суперпушки надо на Луне. Кстати, на астероидах, если только они достаточно сферичны, вполне можно поупражняться таким образом практически вручную. На карликовой планете Церера, уже встречавшейся нам на прогулке 1, для запуска маленьких искусственных спутников понадобится ружьецо в космическом исполнении: скорость выхода на орбиту там около 360 м/с. На спутнике Сатурна Мимасе – 112 м/с: это близко к скорости, которую профессионалы сообщают бадминтонному волану сразу после удара; в общем, тренируйтесь и выходите с ракеткой, волан сделает оборот и вернется.
