Еще раз о космических расстояниях или Почему мы никогда не полетим к звездам

By | 21.04.2021

В дополнение к статье «Насколько велика наша планета?» предлагаю еще один материал, наглядно рассказывающий о космических расстояниях, о проблеме скорости света и о том, почему мы никогда не сможем посетить другие галактики.

 

 

Несмотря на то, что мы представляем нашу вселенную бескрайней, а пространство и время бесконечным, мы живем в мире, в котором существует огромное количество ограничений. Некоторые из них непреодолимы лишь в определенных условиях: например, человек не может бежать быстрее скорости звука, зато он может преодолеть этот барьер на сверхзвуковом самолете. Но есть ограничения, не преодолимые никогда. Как минимум два из них мы помним (или должны были бы помнить) еще со школы:

  • в нашем мире никаким образом невозможно охладить любое физическое тело до температуры ниже абсолютного нуля (-273,15°C).
  • в нашем мире никаким образом невозможно разогнать любое физическое тело до скорости выше скорости света в вакууме (примерно 300000 км/с).

Есть и другие ограничения, которые никак нельзя обойти. Например, ни температуру, ни скорость нельзя изменить скачком. То есть нельзя просто так взять и стартануть с места на максимальной скорости — сначала придется долго и упорно разгоняться. А потом еще и тормозить, так как остановиться мгновенно тоже нельзя. Но об этом чуть позже, а пока просто порассуждаем о скорости света.

Казалось бы, скорость света просто огромна по нашим меркам. Если бы световой луч можно было замкнуть в кольцо и пустить вокруг экватора, то он успевал бы за секунду обежать Землю 7,5 раз! Между прочим, скорость звука мы тоже считаем большой. Когда в километре от нас вспыхивает молния, то примерно через 3 секунды мы слышим грозовые раскаты. Так вот, скорость звука почти в миллион раз меньше скорости света. Чтобы обежать хотя бы один раз вокруг Земли, звуковой волне нужно больше суток — почти 34 часа!

Однако на самом деле даже скорость света ничтожно мала, и вы сами в этом скоро убедитесь.

Все дело в космических расстояниях. Давайте для наглядности представим, что мы уменьшили все расстояния и размеры в миллион раз. Теперь Земля находится в 150 км от Солнца, Луна всего в 400 м от Земли, а Марс подходит к Земле на 55 км в самой близкой точке орбиты. Вроде бы, не так далеко по нашим человеческим меркам. Но если мы масштабируем расстояния, то придется масштабировать и скорости. Уменьшив скорость света в тот же миллион раз, мы получим скорость 0,3 км/с. С небольшой погрешностью можем сказать, что теперь непреодолимый предел скорости — это скорость звука.

 

На самом деле скорость звука сильно зависит от плотности среды. Если на поверхности Земли при нормальном атмосферном давлении скорость звука в воздухе принимают равной 332 м/с, то на высоте 10 км в связи с разреженностью воздуха она падает до 300 м/с. Но для наших расчетов и наглядных пояснений это неважно.

 

Итак, теперь, разогнавшись до скорости звука, мы можем долететь до Луны меньше чем за полторы секунды, за три с небольшим минуты добраться до Марса и примерно за 8 минут долететь до Солнца. Быстро? Несомненно, хоть мы пока не учитываем необходимости разгона и торможения.

Но возможно, нам и не надо так разгоняться? До Луны мы дошагаем бодрым шагом со скоростью 6 км/ч за каких-то 4 минуты, до Марса доберемся примерно за 9 часов, если не устанем, ну а до Солнца придется топать целых 25 часов. Впрочем, все равно это немного. Пока мы не вспоминаем, что скорость у нас в миллион раз уменьшена, и чтобы добраться до Марса за 9 часов, космическое тело должно лететь со скоростью 6 000 000 км/ч (почти 1 700 км/с).

Много это или мало? На сегодня самый быстрый космический аппарат, построенный человечеством, — это «Вояджер-1«, который в данный момент двигается от Солнца со скоростью 17 км/с, то есть в 100 раз медленнее нашей расчетной скорости. Так что и время полета пока придется увеличивать в 100 раз. И до Марса уже 900 часов полета, а это больше 37 суток.

 

На самом деле с учетом необходимости разгона и торможения, в зависимости от взаимного положения планет во время старта и полета, используемых технологий, а также прочих параметров реальное время полета земных аппаратов к Марсу на нынешнем уровне развития космонавтики составляет от 5 до 10 месяцев.

 

Получается, что на сегодняшний день наши самые быстрые космические корабли бороздят просторы космоса не так уж и быстро.  Скорость «Вояджера-1» в нашем уменьшенном макете Вселенной составит всего 17 мм/с, а это примерно скорость дождевого червя в нашем мире. Чтобы проползти десятки и сотни километров, червю понадобится довольно много времени.

Но если уж мы фантазируем, то давайте представим, что мы научились-таки разгоняться практически до физического предела скорости. Пока не будем учитывать всякие релятивистские эффекты при приближении к скорости света — до этого мы дойдем позже. Просто посчитаем, сколько нам времени понадобится на более далекие космические путешествия.

Самая далекая планета Солнечной системы — Нептун — отдалена от Солнца примерно на 4,5 миллиарда км. Даже в нашем уменьшенном масштабе это составляет уже приличные 4500 км. Свет от Солнца (или звук в нашей уменьшенной модели) достигает планеты только через 4,2 часа.

Впрочем, земные космические аппараты уже летали к Нептуну, Плутону и даже намного дальше. Тот же «Вояджер-1» сегодня находится на расстоянии в 152 астрономических единицы от солнца, то есть в 152 раза дальше Земли. Это почти 23 миллиарда километров. Световому лучу или радиоволнам для прохождения такого расстояния требуется больше 21 часа. В нашем уменьшенном масштабе Солнце и «Вояджер-1» разделяют без малого 23000 км (почти 2 диаметра Земли).

«Ну вот!» — воскликните вы, — «Наши корабли могут долететь куда угодно!» И будете правы, но только отчасти. Конечно, раз уж какое-то тело разогнали, то оно будет лететь сколь угодно далеко, если на него ничего не будет воздействовать извне. Вопрос лишь в том, сколько времени займет путешествие к конкретной цели.

Если бы наш космический аппарат мог двигаться со скоростью света, то он пролетел бы расстояние от Солнца до своего текущего положения в пространстве всего за 21 час с небольшим (без учета разгона). Со своей скоростью дождевого червя в нашем модельном мире он в идеале прополз бы весь путь за 42,5 года (реальный полет занял примерно на год дольше).

Конечно, для человека почти полвека в космосе — это довольно долго. Вот если бы за 21 час долететь… Стоп, а мы-то еще никуда и не долетели. Может, махнуть хотя бы до соседней звезды? Ближайшая к Солнцу звезда находится в созвездии Центавра и называется Проксима, что в переводе с латыни как раз и означает ближайшая. Но не означает, что близкая: звезда находится от нас на расстоянии примерно в 270000 раз большем, чем от Земли до Солнца. В километрах это уже плохо читаемое и воспринимаемое число, поэтому такие большие расстояния принято считать в световых годах. Это просто и понятно: расстояние в 1 световой год луч света проходит ровно за 1 год. До Проксимы Центавра 4,2 световых года, так что лучу света или нашему кораблю, разогнанному до такой скорости, придется провести в пути более 4 лет. Или не менее 7 лет с учетом разгона и торможения.

 

Я не хочу здесь приводить расчеты времени, необходимого на разгон корабля. Посчитать с учетом релятивистских эффектов довольно сложно, без их учета будет неправильно, а статью перегружать не хочется. Просто поверьте, что на разгон корабля с комфортным и привычным нам ускорением в 1 g до скорости в 0,8 скорости света понадобится около года.

 

Итак, с ближайшей звездой все ясно, но мы хотим двигаться дальше. А вот дальше начинаются проблемы посерьезней. Звезд, расположенных почти так же близко от нас, как Проксима Центавра, совсем немного. Можно упомянуть всем известный Сириус — до него лучу света придется добираться всего-то чуть больше 8,5 лет. Всего же звездных систем, до которых можно долететь со скоростью света хотя бы за 20 лет, не наберется и полсотни.

А как же остальные звезды? Их ведь только в нашей родной галактике Млечный Путь по разным оценкам от 200 до 400 миллиардов. Кстати, все отдельные звезды, которые мы видим на ночном небе невооруженным взглядом, принадлежат только нашей галактике. Звезды других галактик неразличимы для нашего зрения, да и сами галактики тоже. Лишь некоторые из них мы можем видеть без приборов в виде маленьких размытых пятнышек.

Чтож, диаметр нашей галактики составляет около 100000 световых лет. Увы, это слишком большой шаг даже для всего человечества. Для сравнения напомню, что неандертальцы вымерли всего-то 25000 лет назад. Преодолевать такие расстояния писатели-фантасты рекомендуют либо в состоянии анабиоза (очень сомнительна при этом сохранность оборудования и тем более полумертвого тела в течение столь длительного времени), либо со сменой поколений (а это примерно 4000 поколений, это будут уже совсем другие люди, даже с точки зрения эволюции).

Если же коснуться темы путешествий к другим галактикам, то только до ближайшей из них — Туманности Андромеды — даже со скоростью света лететь придется примерно 2,5 миллиона лет. Считается, что человек разумный появился на Земле чуть более 200 тысяч лет назад. Так что путь к далеким звездам, а тем более к галактикам, для нас надежно закрыт. И всему виной именно то, что непреодолимая скорость света чрезвычайна мала для космических путешествий, если в расчет принимать продолжительность жизни отдельного человека или даже время существования всего человечества. Более того, полеты к удаленным космическим объектам могут запросто занять время, превышающее время существования Земли и Солнца.

 

Галактика Туманность Андромеды не самая близкая к нам, но самая близкая из крупных галактик, чей размер сопоставим с размерами Млечного Пути. Туманность Андромеды примерно в 2 раза крупнее нашей по диаметру.

 

Неужели нет никакой надежды посетить далекие солнца и, возможно, навестить так же одиноко живущих там братьев по разуму? Скажем так: пока надежды нет. Возможно, в будущем будут открыты какие-либо новые законы физики, позволяющие превышать скорость света, пролетать через «кротовые норы», сворачивать пространство или просто телепортироваться в любую точку Вселенной. Но даже сейчас есть одно интересное обстоятельство, которое позволяет чуть оптимистичнее взглянуть на далекие космические путешествия.

Все дело в том, что при разгоне объекта до скорости света этот объект и окружающий мир начинают вести себя, мягко говоря, странно. И чем выше скорость движения, тем сильнее эти странности проявляются. Обычно их называют релятивистскими эффектами, от названия теории, сформулированной великим Эйнштейном (Spezielle Relativitätstheorie — Специальная теория относительности, СТО).

 

Строго говоря, скорости света вообще нельзя достичь, обладая хоть какой-либо массой. Лишь безмассовые частицы, такие как фотоны, двигаются со скоростью света. Прочие объекты могут лишь приближаться к ней, по мере приближения затрачивая все больше энергии на разгон. Необходимое количество энергии при этом стремится к бесконечности.

 

При приближении к скорости света время начинает замедляться, масса увеличиваться, размеры уменьшаться, углы искривляться, частоты смещаться, и т.п. Причем для движущегося объекта и стороннего наблюдателя все это выглядит совершенно по-разному. Наверное, самый упоминаемый релятивистский эффект — это замедление времени. На часах, разогнанных близко к скорости света, время будет отставать от часов, оставшихся стоять неподвижно. И чем быстрее скорость, тем больше разница.

Как все это выглядит применительно к человеку в космическом корабле? Допустим, корабль улетает от Земли, постепенно набирая скорость с привычным для космонавта ускорением свободного падения. Примерно через год по часам космонавта корабль разгонится до 80% скорости света. Если остановить разгон и продолжить движение на этой скорости, то время на корабле и на Земле отныне будет различаться в 1,6 раза. Если капитан корабля решит разгоняться еще год по своим часам, то он достигнет 0,98 скорости света и почти долетит до облака Оорта, а каждая секунда на его часах будет отсчитывать 5  секунд на Земле. На скорости, равной 99,99% скорости света, за каждую секунду на часах космонавта на Земле будут пролетать 70 секунд.

Если же продолжить разгон, невзирая на стремительно возрастающую потребность в энергии для его поддержания, то разница во времени будет только увеличиваться. Таким образом, можно долететь даже к очень далеким объектам за время жизни одного человека, постоянно ускоряясь. Но ведь нужно еще и тормозить, и возвращаться назад. Если половину пути к цели равномерно разгоняться, а оставшуюся половину пути так же равномерно тормозить, а затем проделать такую же процедуру по пути назад, то полет к Проксиме Центавра отнимет у космонавта примерно 7,3 года, хотя на Земле пройдет 12 лет. Полет по такой же схеме до Туманности Андромеды, находящейся в 2,5 миллионах световых лет от нас, может занять у космонавта примерно 60 лет по его собственным часам, но с точки зрения Земли такой полет продлится больше 5 миллионов лет.

Так что, как ни крути, далекие космические путешествия остаются для человечества недостижимой мечтой, закрытой от нас неумолимыми законами физики.

 

Share

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *