Спросите Итана: как беспроблемно путешествовать в космосе?

https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2017/02/18/ask-ethan-how-can-i-travel-through-space-without-getting-into-trouble/
  • Перевод

Иллюстрация искривляющего пространство варп-поля из «Звёздного пути», укорачивающего пространство перед кораблём и удлиняющего его сзади.

Неважно, кто вдохновил вас на космические путешествия – НАСА, Звёздный путь или Эйнштейн, они содержат в себе удивительные возможности. Многие из нас мечтали о том, чтобы на ракете или путём телепортирующего луча попасть в космос и летать между планетами или звёздами, но нам всё же приходится иметь дело с законами физики… а также с нашими семьями по возвращению домой. Именно это беспокоит нашего читателя, рассказывающего следующую историю:
Иногда, обычно по пятницам после работы, мой друг Скотти при помощи луча телепортации перемещает меня на Энтерпрайз на прогулку вокруг Солнца по орбите Земли. Прогулка занимает порядка 2 часов, поэтому наша скорость должна быть довольно близкой к скорости света, но не превышать её. Во время прогулки я выпиваю пару бутылочек пива, так что к тому времени, как Скотти перемещает меня обратно на порог дома, жена не верит мне, когда я говорю ей, что я не был в местном пабе.

Довольно убедительная история. Давайте проверим, удовлетворяет ли путешествие читателя законам физики.


Путь, повторяющий орбиту Земли вокруг Солнца, имеет в длину 940 млн км

Чтобы облететь вокруг Солнца по орбите Земли, вам нужно пройти 940 млн км. Чтобы проделать его за пару часов, вам нужно путешествовать со средней скоростью в 44% от скорости света – это позволяет теория относительности Эйнштейна. Вам не нужны червоточины, варп-двигатель, ничего кроме обычных ракет. И огромного количества энергии.


Звёздный корабль Энтерпрайз из сериала Star Trek: The Next Generation (3-й сезон, 11-й эпизод)

В сериале Звёздный путь перемещение с досветовыми скоростями обеспечивали при помощи импульсных двигателей. Варп-двигатель хорошо подходит для перемещения на огромные расстояния, но для точных манёвров он не приспособлен; вам совершенно не захочется, выйдя из варп-режима, оказаться внутри планеты или звезды. Импульсные двигатели не искривляют ткань пространства-времени, они просто работают по принципу третьего закона Ньютона: выбрасываете атомы, плазму или свет в направлении, противоположном движению, и ускоряетесь в нужном вам направлении. Именно так работали абсолютно все ракеты, изобретённые человечеством.


Плазменный двигатель, двигатель на антиматерии, ядерный или обыкновенный заставляет любую ракету двигаться по одному и тому же принципу тяги. Даже импульсный двигатель из Звёздного пути.

Предположим, что телепортационные переносчики сработали, и Энтерпрайз не замедлял хода, когда подбирал вас, тогда дополнительное ускорение потребуется только для вашей, сравнительно незначительной, массы, в районе 80 кг. Чтобы разогнать вас до 44% от скорости света, потребуется порядка 100 ПДж энергии – столько, сколько было испущено при самом мощном взрыве, когда-либо произведённом на территории США: взрыве бомбы B41.


Подводная ядерная бомба из операции «Перекрёстки» обладала только тысячной долей энергии, необходимой для разгона человека до 44% скорости света.

Оказавшись на борту Энтерпрайза, вы столкнётесь с ещё большей проблемой: поддержанием вашей скорости на орбите Земли. «Погодите-ка, – скажете мне вы, – ведь пока я поддерживаю одну и ту же скорость, разве первый закон Ньютона, насчёт движущегося объекта, который остаётся в движении, не позволит мне этого сделать?» Да, пока вас устраивает одно направление движения – по касательной к орбите Земли. Добро пожаловать в межпланетное пространство, а вскоре и в межзвёздное. У вас уйдёт всего несколько часов на то, на что у Вояджеров заняло десятилетия: на выход из Солнечной системы.


У зондов Вояджер ушло порядка 40 лет на то, чтобы покинуть Солнечную систему. Двигаясь с 44% от скорости света, космический корабль сможет сделать это быстрее, чем за 24 часа

Вместо этого вы хотите продолжать двигаться по орбите Земли, а значит, вам нужно будет организовать огромную центростремительную силу для того, чтобы оставаться на орбите. На таких гигантских скоростях вам потребуется постоянная тяга в 140 тераньютонов только для того, чтобы удержать Энтерпрайз, весящий порядка миллиона тонн, на стабильной орбите для нужной вам скорости. Даже если бы ваш импульсный двигатель работал на аннигиляции материи и антиматерии, вам потребовалось бы сжечь порядка 100 000 тонн массы, превратив её в чистую энергию согласно формуле E = mc2, чтобы сделать один оборот вокруг Солнца на скорости в 44% от скорости света.


Совершить оборот вокруг Солнца, находясь на таком же расстоянии, как и Земля, будет бесплатно с точки зрения энергии – только если двигаться с такой же скоростью, как Земля

Допустим, вы это сделали. Допустим, ваш друг Скотти решил, что вы достойны такого огромного расхода энергии, и вы обернулись вокруг Солнца за два часа. Но это тут, на Земле прошло два часа, а вы обнаружите, что с вашей точки зрения полёт прошёл немного быстрее. Из-за того, что вы двигаетесь близко к световой скорости, ваши часы – как биологические, так и наручные, часы в смартфоне и любые другие механические устройства – будут идти медленнее.


Световые часы будут идти по-разному для наблюдателей, движущихся с разными скоростями – из-за постоянства скорости света. Специальная теория относительности Эйнштейна определяет, каким образом осуществляется трансформация времени и расстояний

Этот эффект означает, что для вас это путешествие займёт 108 минут, то есть на 12 минут меньше, чем измерит оставшаяся дома ваша семья. Если бы вы двигались в два раза быстрее, на 88% от скорости света, то всё путешествие заняло бы у вас всего 56 минут. Чем быстрее вы двигаетесь, тем медленнее идёт ваше время.

Но как это возможно? Разве вы в обоих случаях не прошли одинаковое расстояние?


Передвижение со скоростью, близкой к световой, приводит к преобразованию времён и расстояний. Длины, включая длину корабля, становятся короче в направлении движения.

Только с точки зрения Земли. С вашей точки зрения не только растягивается время, но и сокращаются длин. Чем быстрее вы двигаетесь (чем ближе к скорости света), тем больше пространство сжимается в направлении вашего движения. Эти преобразования должны происходить для того, чтобы сохранять постоянство скорости света – она одна во всех системах отсчёта. Если время идёт по-другому, то размерности пространства тоже должны меняться, чтобы всё совпадало. Это ключ к СТО, и на досветовых скоростях это работает вне зависимости от того, куда вы направитесь.


В космосе или на земле, движение с относительными скоростями приводит к появлению релятивистских эффектов

Так что насчёт того, поверит вам ваша супруга или нет? Вот некоторые советы:

• Не пытайтесь убедить её, что вас не было меньше двух часов. Уважайте её систему отсчёта – она была не в вашей.
• Наслаждайтесь пивом, но не пытайтесь доказать ей, что не были в пабе только из-за того, что вы не были в местном пабе.
• Ваша технология XXI века должна работать в любой системе отсчёта – так что сделайте уже пару фотографий!


Оказавшись в космическом корабле, сделайте пару фотографий!

Вернувшись домой, вы поймёте, что получили ни с чем не сравнимый опыт, и что вы на 12 минут моложе, чем были бы, если бы не совершали этого путешествия. Расположившись на диване, вы снова окажетесь в том же месте пространства и времени, но приведшие туда вас пути будут очень разными. Вы отправились в космос, проделали путь в 940 млн км через пространство, и для компенсации этого путь отнял у вас меньше времени. У вас двоих будут одни и те же начальная и конечная точки, но пути будут очень разные: её путешествие будет больше по времени, ваше – по расстоянию. А постоянной для вас обоих будет лишь скорость света, и она будет такой в любое мгновение вашего путешествия.


Книга Итана Сигеля «Трекнология: наука Звёздного пути»

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
Поделиться публикацией
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама
Комментарии 60
  • 0
    // Ни как
    • 0
      // слитно
    • +3
      Мне кажется большинство, если не все статьи Итана можно уместить в одно предложение. А некоторые — даже в одно слово.
      • 0
        Я бы даже сказал, что все статьи Итана можно рассказать в одной картинке, но конкретно в этой её почему-то нет. Что очень печалит.
    • 0
      А на вопрос сабжа Итан, как обычно, так и не ответил. А ведь мы вместе с нашей планетой, звездой и галактикой и так беспроблемно путешествуем в космосе. И даже физических законов не нарушаем
      • 0
        Неважно, кто вдохновил вас на космические путешествия – НАСА, Звёздный путь или Эйнштейн

        Многих из нас вдохновил Дарт Вейдер.
        • +3
          А Эйнштейн их обломал :(
        • 0
          Меня как-то заинтересовал такой вопрос. Вот предположим, есть корабль, лазер на нем и Луна. Корабль неподвижен относительно Луны. Дал импульс лазером и сфотографировал пятно, скажем, 100км в диаметре. Те же действующие лица и ровно на том же расстоянии корабль посветил лазером, но при этом уже двигаясь со значительной скоростью. За счет эффекта Доплера изменится длина волны луча, он разойдется разойдется меньше и на Луне получится пятно всего в 50км. С точки зрения наблюдателя на Луне все понятно — другая длина волны, меньше диаметр. Но как это будет с точки зрения наблюдателя на корабле? Он-то видит все тот же зеленый луч, а пятно почему-то стало меньше в два раза относительно Луны.
          • 0
            Очевидно же. Во втором случае Луна ближе. Вот и пятно меньше.
            • 0
              Представьте, что у нас корабль с бесконечной энергией для двигателей. Мы остановились в 300000 км от луны и выстрелили лазером. Пятно 100 км. Потом отъехали назад, разогнались до бешеной скорости, дали импульс лазером и резко остановились в 300000 км от луны. Какое пятно мы увидим через 2 секунды?
              • 0

                50км, ультрафиолетовое


                Тут как с парадоксом близнецов — при торможении окружающий мир меняется. В данном случае — Луна резко удаляется, а уже выпущенные фотоны меняют свою частоту.

            • 0
              Вот только длинна волны луча не изменится, а изменится наблюдаемая частота на поверхности луны.
              • 0

                λν=с


                Изменение частоты означает изменение длины волны.

                • 0
                  Я лишь процитировал эффект Доплера. А он утверждал что это меняется на приемнике, а сама волна остается прежней. Это все равно что бежать на встречу ветру и утверждать что ветер усилился, на самом деле усиливаются только наши ощущения. А формулы пишут для вычислений.
                  • 0
                    Я так понимаю, что вы видите не саму волну (которая в момент пуска для вас будет корректной), а ее отражение, то есть вы будете как раз уже приемником отражения.
                    • 0

                      То, что писал Доплер, справедливо для волн в классической физике в среде при неподвижном источнике и подвижном приемнике.


                      Уже при подвижном источнике и неподвижном приемнике получается строго наоборот: меняется именно волна а не просто ощущения.


                      Появление релятивистких эффектов все еще сильнее усложняет: теперь параметры волны могут меняться просто из-за изменения системы отсчета, при неизменных ощущениях.


                      Ну а электромагнитные волны — и вовсе совершенно особенные: они распространяются без среды.


                      А формулы пишут для вычислений.

                      Формула однозначно связывает три параметра волны — длину волны, частоту и скорость. Нельзя говорить что изменилась одна из них при нетронутых двух других — это попросту невозможно.

                      • 0
                        То, что писал Доплер, справедливо для волн в классической физике в среде при неподвижном источнике и подвижном приемнике.

                        Уже при подвижном источнике и неподвижном приемнике получается строго наоборот: меняется именно волна а не просто ощущения.


                        Вообще-то нет. То, что писал Доплер справедливо в любом случае, кроме случая когда одновременно движется источник, приемник и среда.

                        Ну а электромагнитные волны — и вовсе совершенно особенные: они распространяются без среды.


                        Я не знаю чем волны отличаются от волн, но речь была именно о световой волне.

                        Формула однозначно связывает три параметра волны — длину волны, частоту и скорость. Нельзя говорить что изменилась одна из них при нетронутых двух других — это попросту невозможно.


                        Почему нет? Как насчет движения против ветра, а еще лучше вентилятора? Или предположим между передатчиком и приемником есть полупрозрачный экран?
                        • 0
                          Почему нет? Как насчет движения против ветра, а еще лучше вентилятора? Или предположим между передатчиком и приемником есть полупрозрачный экран?

                          Движение среды (ветер) меняет скорость и длину волны. Два параметра, а не один.


                          Я не знаю чем волны отличаются от волн, но речь была именно о световой волне.

                          У световой волны в вакууме постоянная скорость, которая не зависит от системы отсчета.

                          • –1
                            У световой волны в вакууме постоянная скорость, которая не зависит от системы отсчета.

                            Это согласно Энштейну, поэтому используют термины типа «Красное смещение» и тд. Но доказать это пока не возможно. Вот если бы взять между передатчиком и приемником полупрозрачный экран, так что б расстояние между ним и источником не менялось…
                            • 0

                              А что, есть какие-то общепризнанные теории дающие другой ответ на этот вопрос?

                              • 0
                                Вроде бы нет. Но текущие теории все еще оставляют множество вопросов. Например мне интересно в какой момент волна света сама по себе стала изменяться по всей своей длине при движении источника или приемника, если, например Доплер, говорил только о том что меняется только ее восприятие именно на источнике?
                                • 0

                                  В тот момент когда были открыты преобразования Лоренца.

              • 0
                Я не совсем понял. Зачем мне вращаться вокруг солнца со скоростью 0,44с?
                • 0
                  Что бы попить пивка и сильно не задержаться. А то жена совсем недовольна будет. Ведь мы рассматриваем именно этот вид неприятностей, а не проблему столкновения корабля с межзвездным газом на околосветовой скорости :).
                • 0
                  Прочитав статью, я так и не понял, как беспроблемно путешествовать в космосе.
                  • +7
                    Избегать ромуланской империи и держаться подальше от боргов
                    • +3
                      И иметь при себе на всякий случай полотенце.
                      • –1
                        «Белье брать будете?» приобретает совсем другой оттенок.
                        • 0
                          А можно подробней про полотенце? Как это связано со стартреком?
                          • +1
                            «Автостопом по галактике» же
                            • +1
                              Никак, это с другой вселенной
                              • 0
                                Эта фраза из «Автостопом по Галактике»
                                Упс, не успел))
                        • –1
                          Можно спросить у Итана, что будет со мной, если я подпрыгну в корабле, летящем со скоростью 44% от скорости света? Как быстро я стану пятном на стене?
                          • +1
                            Часто ли вас размазывает по стенке в поездах, например, или самолётах?
                            • 0
                              Только что сообразил, что ни разу в поездах и самолетах не прыгал.
                              Теперь буду бояться это делать :-)
                              • +1
                                Лучше подпрыгните и воздайте хвалу Эйнштейну за то, что СТО работает, как надо :)
                                З.Ы. — в лифте, всё таки, прыгать не стоит. Там своя специальная специальная теория относительности))
                                • 0
                                  Можете просо подбросить мячик, в качестве эксперимента. Таким образом, вы убедитесь, что бояться нечего.
                                  • +1
                                    В детстве мучил вопрос — как летают мухи в двигающемся транспорте. Пробовал прыгать в автобусе, в движении видимого различия не увидел, много думал. Потом решил прыгнуть в момент трогания автобуса с остановки, приземлился сантиметров на 10 ближе к хвосту салона. Эх, детство.
                                  • –1
                                    Ни разу, у этих средств передвижения скорость не ~130 тыс. километров в секунду. :)
                                    Но зато прыжок отодвигает точку начала прыжка от меня на небольшое расстояние.
                                  • –3
                                    В космическом корабле вполне размазывает.
                                  • 0
                                    У вас одна точка отсчета. Или вы думаете, что муха в салоне авто, двигающегося со скоростью 150 кмч, тоже старается не отставать от него и машет крыльями быстрее света?))
                                    Это справедливо при отсутствии ускорения, как положительного, так и отрицательного, конечно же.
                                    • 0
                                      А если машина — кабриолет? ;)
                                      • 0
                                        То факт нахождения мухи в салоне авто становится спорным.
                                    • +1
                                      если этот корабль будет лететь по земной орбите то не нужно даже подпрыгивать — вас размажет по стенке еще при разгоне, т.к. центростремительное ускорение (даже классическое, без учета эффектов сто) будет составлять порядка 12000Ж
                                      • 0
                                        Именно. А ещё в статье не учтено, что надо будет не только на разгон потратиться, но ещё и постоянно создавать немерянную тягу для компенсации оной силы. Незачёт.
                                    • 0

                                      Самое интересное не посчитано, а именно, какая сила будет придавливать путешественника к полу (потолку) Энтерпрайза при путешествии по орбите Земли на такой скорости. Думаю там пивко не в радость будет совсем :)

                                      • 0

                                        Никакая, если движение равномерное. В Звёздном Пути телепортаторы работабют по принципу расщепления тебя здесь и создания тебя там, так что логично, что при телепортации таким образом перегрузок ты не ощутишь при попадании на корабль, так как создание уже происходит в системе корабля.

                                        • 0

                                          Тьфу ты, да, забыл про центробежную и центростремительную. Ну вот, я умер в космосе, надо брать load.

                                      • 0
                                        Интересно какая разница во времени на бороду Вояджеров и нашим?
                                        • 0
                                          Таким образом, если я сделаю пару кружков вокруг солнца со скоростью, во много раз превышающей скорость света, то я вообще могу в прошлое вернуться? Или же для меня пройдут доли секунды, а для землян — годы?
                                          • 0

                                            С точки зрения СТО это теоретически не возможно.


                                            Меня забавляют статьи Итана.
                                            Как сжечь кучу материи/антиматерии -это проблема, а развить скорость 0,44 световой — банальная вещь

                                            • +1
                                              В «Звездном пути» именно так и делали, но к реальной физике это отношения не имеет.
                                              • 0
                                                «Таким образом, если я сделаю пару кружков вокруг солнца со скоростью, во много раз превышающей скорость света, то я вообще могу в прошлое вернуться?»
                                                — Корабль тогда въедет сам себе в зад.
                                              • 0
                                                Мне как-то на протяжении все статьи не давали покоя два вопроса: а телепортировавшись на этот корабль, который двигается с такой скоростью, вы не испытаете огромной перегрузки которая размажет вас тонким слоем по капсуле телепортации? И допустим нет, тогда при движении вокруг солнца, опять таки, на такой скорости вас в стену корабля противоположную от солнца не впечатает?
                                                • 0
                                                  Картинка после этой вот фразы —
                                                  Из-за того, что вы двигаетесь близко к световой скорости, ваши часы – как биологические, так и наручные, часы в смартфоне и любые другие механические устройства – будут идти медленнее.
                                                  в корне неверная. События одновременны в том смысле, что происходят на одном срезе «абсолютного времени», но для объектов имеют разную длительность, в зависимости от относительной скорости перемещения
                                                  • –1

                                                    Обратите внимание на первую картинку — там изображено, что делает с пространством варп-двигатель. Впереди себя с помощью гравитации (обычной материи) он сжимает пространство, а сзади растягивает его с помощью антигравитации (экзотической материи). И это сжатие-растяжение пространства вдоль вектора тяги и движения корабля иллюстрируется соответствующим искривлением метрики.


                                                    Теперь переведём понятие пространства с переменной метрикой (согласно ОТО) в понятие энергетически плотной среды с переменной плотностью (согласно КТП). И как тогда вы объясните сжатие пространства гравитацией и его растяжение антигравитацией? Единственно разумное объяснение, это снижение плотности среды обычной материей и увеличение плотности среды экзотической материей. Про снижение плотности среды материей, что служит причиной гравитации — притока к материи внешней более плотной среды, я говорю здесь регулярно. Как Катон на каждом собрании римского Сената говорил о необходимости разрушения Карфагена.


                                                    Товарищи ортодоксы могут возразить, что варп-двигатель — вещь гипотетическая. Но ведь она основана на ОТО, как и, например, существование гипотетической тёмной материи. Кроме того, передняя часть этого двигателя, где пространство сжимается под воздействием обычной материи, полностью соответствует ОТО. Да и задняя его часть, где пространство расширяется, тоже соответствует модифицированной ОТО — с добавлением ненулевой космологической постоянной, отвечающей за космологическое расширение пространства. Просто в варпе расширение локальное и имеет искусственное происхождение.


                                                    Ну, а тем товарищам, у которых "Карфаген" старой физики в их сознании уже разрушается, добавлю ещё пару связей ОТО и КТП. Есть в Википедии статья о гравволнах с картинкой сжатия-растяжения пространства поперёк вектора распространения гравволн. Их существование верно предсказывается ОТО, в которой пространство "гладкое", но и согласуется с КТП, в которой пространство — энергетически плотная среда, состоящая из элементов — квантов плотности энергии (вакуумных флуктуаций). И поэтому гравволны можно представить как периодические возвратно-поступательные смещения элементов этой среды, которые смещают (колеблют) зеркала интерферометров, что позволяет их обнаружить. Аналогичные смещения совершают, например, молекулы воды в поперечных волнах на поверхности водоёмов.


                                                    Всем известен постулат ОТО об эквивалентности гравитационной и инертной массы. То есть масса материи весом, допустим, в 5 кг, будет иметь тот же вес в пустом космосе, если ей сообщать то же самое ускорение, каким было ускорение свободного падения в точке измерения её веса. Как выразить это явление через понятие энергетически плотной среды, принятой в КТП? Элементарно. Согласно ОТО, массивное тело — Земля — искривляет окружающее пространство, а в соответствии с КТП это можно выразить как поток энергетически плотной среды из внешнего пространства в материю планеты, которая постоянно поглощает кванты плотности среды — её элементы. Тогда вес тела в 5 кг, действующий на опору весов, покажет сопротивление атомов тела потоку среды. Больше атомов — больше вес, ведь они сами поглощают элементы среды в соответствии со своим атомным весом. Ускорение потока среды в точке измерения веса зависит от высоты точки над уровнем моря, чем ближе к Земле, тем ускорение больше.
                                                    В пустом космосе нет движения среды и тела в ней пребывают в невесомости (для невесомости можно двигиться вместе с потоком среды — в свободном падении). Но если разгонять тело с тем же ускорением свободного падения, то вновь возникнет такое же сопротивление атомов тела неподвижной среде. И оно будет давить на опору с той же силой и указывать тот же вес. Не совсем точная аналогия — эквивалентность ветровой нагрузки на корпус летящего самолёта и на корпус неподвижного самолёта, продуваемого в аэродинамической трубе.
                                                    Да, и среда — это эфир. "Карфаген должен быть разрушен".

                                                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.