Физика Стар Трека - глава 2. — @дневники: асоциальная сеть

понедельник, 09 ноября 2009

23:22

Физика Стар Трека - глава 2.

все записи пользователя в сообществе nabbla

Глава два.

Эйнштейн поднимает ставки

Относительно скорости света

Всех стремительней девушка Света:

Выйдет нынче с утра,

А вернется – вчера,

поздно вечером или к рассвету.

неизвестный автор (и неизвестный переводчик)

"Время, последний рубеж" - может, так должна была начинаться каждая серия Стар Трека. Сорок лет назад, в классическом эпизоде "Завтра было вчера", начались путешествия Энтерпрайза туда - обратно во времени. (Вообще-то, в конце более раннего эпизода "чистое время", Энтерпрайз отбрасывает во времени на 3 дня, но это поездка в один конец) [Возможно, эти две серии должны были следовать друг за другом. В конце "чистого времени" Энтерпрайз должен был перенестись в 20-й век, а в следующей серии "завтра было вчера" - пытаться вернуться назад. Оттого и название "Naked Time", и совершенно необязательное для серии путешествие в прошлое, как обрывок сюжетной линии - прим. пер] Звездолет отброшен назад, на Землю 20-го века, из-за встречи с "темной звездой" (термин "черная дыра" еще не был известен широкой публике). Современная экзотика вроде червоточин и "квантовых сингулярностей" регулярно добавляет перцу эпизодам Стар Трек: Вояджера, а в Стар Трек: Энтерпрайз идет - ни много ни мало - временнАя холодная война. Благодаря Альберту Эйнштейну и его последователям, сама ткань пространства-времени наполнена драмой.

Хотя каждый из нас - путешественник во времени, космический трагизм ситуации состоит в том, что мы обречены путешествовать только в одном направлении - в будущее. Что бы любой из нас не отдал, лишь бы вернуться в прошлое, заново испытать триумфы, исправить ошибки, встретить своих героев...возможно, даже предотвратить катастрофы! Или просто пережить молодость по-новой, с нажитой годами мудростью? Возможности путешествий во времени манят нас каждый раз, как мы смотрим на звезды, пусть мы и считаем себя вечными пленниками настоящего. Вопрос, который служит мотивом не только в интересных сюжетах, но и во впечатляющем количестве исследований по современной теоретической физике, гласит: являемся ли мы заключенными на космическом товарняке времени, который не может сойти со своего пути?

Истоки жанра, который мы нынче называем научной фантастикой, очень тесно связаны с темой путешествий во времени. Ранняя классика Марка Твена "Янки из Коннектикута при дворе короля Артура" - больше художественное произведение, чем фантастика, пусть действие и разворачивается вокруг путешествия злополучного американца в прошлое, в средневековую Англию. (Может, Твен не стал задерживаться на научных аспектах путешествия во времени из-за обещания, данного Пикарду на борту Энтерпрайза: не рассказывать о будущем после того, как он вернулся в девятнацатый век, прыгнув во временной сдвиг на Девидии II, в серии "Стрела времени") Но знаменитое произведение Уэллса "Машина времени" завершило формирование того подхода, который мы видим и в Стар Треке. Уэллс закончил Лондонский имперский колледж науки и технологии, и научный язык проглядывает в его рассуждениях так же, как он проглядывает в разговорах экипажа Энтерпрайза.

Без сомнения, серии Стар Трека с путешествиями во времени - одни из самых творческих и захватывающих. Я насчитал не менее 22 серий из первых двух сериалов, которые посвящены этой теме, а также 3 полнометражных фильма, множество эпизодов в сериалах Вояджер и Глубокий космос 9, а недавно и Энтерпрайз, где путешествия во времени играют центральную, связующую роль. Может, самый поразительный аспект путешествий во времени, когда речь идет о Стар Треке, состоит в том, что это самый верный путь нарушить Первую Директиву. Экипажам Звездного Флота предписано не вмешиваться в естественное историческое развитие любых инопланетных обществ, которые они встретят. Но если отправиться в прошлое, можно целиком изменить настоящее. В самом деле, можно даже изменить всю историю!

Есть известный парадокс, встречаемый и в научной фантастике, и в физике. Что случится, если вы отправитесь назад во времени и убьете свою маму еще до вашего рождения? Вы тогда перестанете существовать. Но если вы не существуете, то вы не могли отправиться в прошлое и убить свою маму. Но если вы ее не убили, значит не переставали существовать. Другими словами: если вы существуете, то не можете существовать, а если не существуете, то должны.

Есть и другие, менее очевидные, но столь же драматичные и трудные вопросы, которые всплывают, стоит лишь подумать о путешествиях во времени. Например, в развязке "Стрелы времени" находчивый Пикард посылает сообщение из 19-го в 24-й век, прошив его в поврежденной голове Дейты, которую, как он знает, обнаружат пять сотен лет спустя и присоединят к телу Дейты. Мы видим, как он прошивает сообщение, а потом нам тут же показывают ЛаФорджа в двадцать четвертом веке, где он приделывает голову на место. Для зрителя эти два события происходят одновременно, но это не так. Как только Пикард записал сообщение в голове Дейты, она лежит там пол-тысячелетия. Но если я тщательно изучу голову в 24-м веке, когда Пикард еще не отправился в прошлое, чтобы изменить будущее, увижу ли я это сообщение? Кто-то может возразить, что раз Пикард еще не отправился назад во времени, значит, он не мог никак повлиять на голову Дейты. Однако действия по перепрограммированию Дейты были предприняты в 19-м веке, независимо от того, когда Пикард отправился в прошлое, чтобы выполнить их. Поэтому они уже случились, даже если Пикард еще никуда не отправлялся! В данном случае, причина в девятнадцатом веке (запись Пикарда) приводит к следствию в двадцать четвертом веке (изменения в схеме Дейты) до того, как причина в двадцать четвертом веке (отправление Пикарда в прошлое) привела к следствию в девятнадцатом (прибытие Пикарда в пещеру, где расположена голова Дейты), которое и позволило первой причине (запись Пикарда) вообще иметь место.

Но все это цветочки по сравнению с временнОй холодной войной, с которой имеет дело капитан Арчер из Энтерпрайза. Но как бы ни сбивали с толку множественные линии времени, и они - ничто, по сравнению с Отцом всех временнЫх парадоксов, который возникает в последнем эпизоде Нового поколения, когда Пикард запускает цепь событий, которые распространяются назад во времени и не просто убивают каких-нибудь предков Пикарда, а уничтожают всю жизнь на Земле. Точнее говоря, "подпространственное временнОе искажение", включающее в себя "антивремя", угрожающе разрастается назад во времени, в конце концов поглотив аминокислотную протоплазму на зарождающейся Земле еще до того, как белкИ, кирпичики жизни, успели сформироваться. Это предельный случай следствия, порождающего причину. ВременнОе искажение, очевидно, создано в будущем. Если в далеком прошлом оно смогло уничтожить жизнь на Земле, она бы никогда не развилась, чтобы создать цивилизацию, способную создать такое искажение в будущем!

Стандартное разрешение таких парадоксов, принятое среди многих физиков, состоит в том, чтобы заявить априори, что подобные возможности не допустимы в нормальной вселенной, в каковой мы предположительно живем. Есть лишь одна проблема: уравнения общей теории относительности Эйнштейна не только напрямую не запрещают такие возможности, но и поощряют их.

За тридцать лет развития уравнений общей теории относительности, точное решение, в котором возможны путешествия во времени, было найдено известным математиком Куртом Гёделем, который работал в Институте перспективных исследований в Принстоне, вместе с Эйнштейном. На языке Стар Трека, решение позволяет создание "темпоральной причинно-следственной петли", вроде той, в которую попал Энтерпрайз, врезавшись в Боузман. В сухой терминологии современной физики подобное называется "замкнутой временноподобной мировой линией". Как не назови, это означает, что можно совершить путешествие и вернуться в исходную точку и в пространстве, и во времени! Решение Гёделя предполагало вселенную, которая не расширяется, подобно нашей, а вместо этого равномерно вращается. В такой вселенной, как оказывается, чтобы попасть в прошлое, достаточно пролететь в космосе по достаточно широкой окружности. Хотя такая вселенная значительно отличается от той, в которой живем мы, сам факт, что решение вообще существует, ясно показывает: путешествия во времени возможны в контесте общей теории относительности.

Есть одна максима про вселенную, которую я всегда повторяю своим студентам: Все что строго не запрещено, гарантированно произойдет. Или, как сказал Дейта в эпизоде "параллели", говоря про законы квантовой механики: "Все что может случиться, случается". Именно с таким духом, как я считаю, надо подходить к физике Стар Трека. Мы должны проводить различия не между тем, что практично, а что нет, а скорее между возможным и невозможным.

Этот факт, разумеется, не прошел мимо самого Эйнштейна, который написал, "Гёделево [решение с путешествиями во времени поднимает] проблему, [которая] уже беспокоила меня, когда я создавал общую теорию относительности, но в прояснении которой я так и не преуспел... Было бы интересно оценить, нельзя ли исключить эти [решения] на физических основаниях". [1]

С тех пор физикам был брошен вызов - определить, существуют ли какие-нибудь "физические основания", которые исключали бы возможность путешествий во времени, предсказываемых общей теорией относительности. Чтобы обсудить все это подробнее, нам придется отправиться за пределы классического мира общей теории относительности в темную область, где квантовая механика влияет на саму природу пространства и времени. По пути мы, подобно Энтерпрайзу, встретим черные дыры и червоточины. Но для начала мы должны отправиться назад во времени, во вторую половину девятнадцатого века.

Объединение пространства и времени, ознаменовавшее современную эру в физике, началось с объединения в 1864 году электричества и магнетизма. Это выдающееся интеллектуальное достижение, основанное на совместных усилиях величайших физиков, таких, как Андре-Мари Ампер, Шарль-Огюстен Кулон и Майкл Фарадей, было завершено блистательным британским физиком Джеймсом Кларком Максвеллом. Он установил, что законы электричества и магнетизма не только тесно связаны друг с другом, но и предполагают существование "электромагнитных волн", которые должны распространяться в пространстве со скоростью, которую можно посчитать, опираясь только на известные свойства электричества и магнетизма. Скорость оказалась равна скорости света, к тому времени уже измеренной.

Со времен Ньютона длился спор, является ли свет волной - распространяющемся возмущением в какой-то среде - или же частицей, которая движется независимо от наличия какой-то среды. Наблюдение Максвелла - что электромагнитные волны должны существовать и что их скорость равна скорости света - закончила дебаты: свет - электромагнитная волна.

Любая волна - это распространяющееся возмущение. Но, если свет - электромагнитное возмущение, то в какой же среде это возмущение происходит? Это стало горячей темой для исследований в конце девятнадцатого века. У предложенной среды уже было имя со времен Аристотеля. Она называлась эфир, и до сих пор избегала любых попыток прямого обнаружения. В 1887 году, тем не менее, Альберт А. Майкельсон и Эдвард Морли, работавшие в институтах, которые объединились в 1967 году, образовав мой нынешний дом, западный университет Кейса (Case Western Reserve University), провели эксперимент, для обнаружения не эфира непосредственно, но его эффектов. Поскольку эфир должен заполнять все пространство, Земля должна двигаться сквозь него. Свет, распространяющийся в разных направлениях относительно Земли, должен был иметь разную скорость. Этот эксперимент вскоре был признан самым важным экспериментом 19 века, даже несмотря на то, что Майкельсон и Морли так и не обнаружили тот эффект, который искали. На самом деле, ровно из-за того, что они не обнаружили движения Земли сквозь эфир, мы до сих пор помним их имена. (А.А. Майкельсон стал первым американским Нобелевским лауреатом по физике за его экспериментальные исследования скорости света, и я чувстваую себя удостоенным чести занимать сегодня тот пост, который он занимал век назад. Эдвард Морли стал прославленным химиком и, среди прочего, определил атомный вес гелия.)

Неоткрытие эфира, конечно, вызвало небольшую волну ужаса в физическом сообществе, но, как и прочие переломные открытия, его следствия были по достоинству оценены совсем немногими. Теми, кто уже заметил некоторые парадоксы, связанные с электромагнетизмом. Примерно в это время молодой студент, которому в момент проведения эксперимента Майкельсона-Морли было 8 лет от роду, независимо от них стал пытаться разрешить эти парадоксы напрямую. В 26 лет, Альберт Эйнштейн решил проблему. Но, как часто бывает с великими открытиями в физике, результаты Эйнштейна породили больше вопросов, чем дали ответов.

Решение Эйнштейна, составляющее сердце частной теории относительности, было основано на простом, но очевидно невозможном факте: теория электромагнетизма Максвелла будет самосогласованной в одном-единственном случае, если наблюдаемая скорость света не будет зависить от скорости наблюдателя относительно света. Проблема в том, что это полностью противоречит здравому смыслу. Если зонд запущен с Энтерпрайза, когда тот движется на импульсной скорости, наблюдатель на планете увидит зонд, движущийся на куда большей скорости, чем это увидят с борта Энтерпрайза. Эйнштейн осознал: чтобы теория Максвелла была самосоглассованной, световые волны должны вести себя по-другому, то есть, скорость света, измеренная обеими наблюдателями, должна оказаться одинаковой, не зависимой от скорости этих наблюдателей. Значит, если стрельнуть из фазера с носа Энтерпрайза и луч направится к ромуланской Хищной Птице, которая приближается к Энтерпрайзу на скорости в 3/4 световой, они будут наблюдать луч фазера, движущийся со скоростью света, а вовсе не со скоростью в 1 3/4 скорости света. Такие вещи сбивали с толку некоторых треккеров. Они считали, что если Энтерпрайз движется на околосветовой скорости, и другой корабль движется в обратную сторону на околосветовой скорости, то лучи света с Энтерпрайза никогда его не настигнут (следовательно, Энтерпрайз будет невидим для него). Вместо этого, экипаж второго корабля увидит свет от Энтерпрайза, приближающийся со скоростью света.

Но не это откровение само по себе сделало Эйнштейна столь знаменитым. Самое интересное началось, когда он решил получить следствия из этого факта, каждый из которых на первый взгляд выглядел абсурдным. В нашей повседневной жизни время и пространство абсолютны, в то время как скорость относительна: как быстро движется объект, зависит от того, как быстро движетесь вы сами. Но стоит приблизиться к скорости света, и уже скорость становится абсолютной, а значит, время и пространство должны стать относительными!

А все оттого, что скорость фактически определяется как расстояние, пройденное за определенное время. Значит, единственная возможность двум движущимся с разными скоростями наблюдателям видеть свет, проходящий одно и то же расстояние, скажем, 300 000 километров, за одно и то же время, скажем, за одну секунду, в том, что у них разные "метры", или разные "секунды". Выходит, в частной теории относительности случается "худший из двух миров", то есть, и расстояние, и время становятся относительными величинами.

Из простого факта, что скорость света, измеренная разными наблюдателями, должна получиться одной и той же, независимо от их относительного движения, Эйнштейн получил четыре следствия для пространства, времени и материи:

События, происходящие одновременно с точки зрения одного наблюдателя, не обязаны быть таковыми для другого наблюдателя, движущегося по отношению к первому. У каждого наблюдателя своё собственное "сейчас". "До" и "после" относительны для удаленных событий.
Все часы на звездолетах будут с моей точки зрения тикать более медленно, чем мои собственные. Измеряемое время замедляется у объектов в движении
Все линейки на звездолетах, движущихся относительно меня, будут короче, чем если бы звездолет в моей системе отсчета покоился. Объекты, включая звездолеты, будут измерены укороченными, если они движутся.
Все массивные объекты становятся тем тяжелее, чем быстрее они летят. Как только они достигнут скорости света, их масса станет бесконечно большой. Значит, только безмассовые объекты, такие, как свет, могут двигаться со скоростью света.

Мы не будем здесь рассматривать все известные парадоксы, которые относительность вносит в наш мир. Достаточно сказать, что, нравится вам или нет, следствия 1-4 истинны, и это проверено. Атомные часы, взятые на борт быстрого самолета, отстали по сравнению со своими наземными собратьями. В лабораториях физики высоких энергий по всему миру, следствия частной теории относительности - повседневный хлеб с маслом при экспериментах. Нестабильные элементарные частицы заставляют двигаться со скоростями, близкими к световой, что увеличивает наблюдаемое нами время жизни во много раз. Когда электроны, масса которых обычно в 2000 раз меньше массы протонов, разгоняют до околосветовой скорости, они приобретают импульс, сравнимый с импульсом последних. В самом деле, электрон, разогнанный до 0.99999999999999999999999999999999999999999999999999999999999999 скорости света, пнет вас не хуже грузовика "Мак", едущего на обычной скорости.

Конечно, нам так трудно принять следствия из относительности пространства и времени только потому, что так уж случилось, что мы в своей повседневной жизни встречаемся с куда меньшими скоростями. Все рассмотренные эффекты значительны только при движении с "релятивистскими" скоростями. К примеру, даже на скорости в пол-световой часы замедлятся, а линейки укоротятся лишь на 15%. На космическом шаттле НАСА, летящем со скоростью 5 миль в секунду вокруг Земли, часы замедляются не более, чем на одну десятимиллионную процента, по сравнению с часами на Земле.

Однако, в высокоскоростном мире Энтерпрайза или любого другого звездолета, сталкиваться с относительностью придется на ежедневной основе. В самом деле, только представьте, каково это управлять Федерацией, когда надо синхронизировать множество часов по всей галактике, часть из которых движется с околосветовыми скоростями. Очевидно, именно из-за этого у Звездного Флота есть распоряжение, ограничивающие все маневры на импульсных двигателях скоростью 0.25c, т.е 1/4 скорости света, или 75 000 км/с. [2]

Но даже с таким распоряжением, часы на звездолетах, движущихся на максимально разрешенной скорости, замедлятся чуть больше, чем на 3%, по сравнению с часами в командовании Звездного флота. Это значит, что за месяц полета часы отстанут почти на день. Когда Энтерпрайз возратится на Звездную Базу, после поездки на месяц, на корабле будет пятница, хотя на звездной базе уже суббота. Я думаю, неудобств будет не сильно больше, чем когда пересекаешь линию перемены дат при поездках в Азию. Вот только здесь команда действительно станет на день моложе, а не выиграет один день при поездке на Восток лишь затем, чтобы отдать его обратно при поездке назад.

Теперь вы видите, как важен для Энтерпрайза двигатель искривления. Он сконструирован не только чтобы преодолеть световой барьер, что сделает практичными путешествия по галактике; он нужен еще и для того, чтобы избежать замедления времени, которое возникает на околосветовых скоростях.

Я не могу выразить, насколько это важно. Тот факт, что часы замедляются, когда приближаешься к скорости света, расценивалось многими фантастами (и вообще всеми, кто мечтал когда-нибудь путешествовать к звездам) как возможность пересечь межзвездные дали за человеческую жизнь - по крайней мере, за жизнь того, кто находится на борту космического корабля. На околосветовой скорости путешествие, скажем, до центра нашей галактики займет более, чем 25 000 лет на Земле. Для тех же, кто находится на борту, может пройти всего 10 лет - все равно долго, но уже вполне возможно. Тем не менее, пусть индивидуальные полеты на такие дистанции и становятся возможными, о формировании Федерации планет, разбросанных по всей галактике, не может быть и речи. Как верно рассудили авторы сценариев Стар Трека, если за 10-летнее путешествие Энтерпрайза в командовании Звездного Флота пройдет 25 000 лет, это поставит крест на любых попытках организовать и скоординировать действия многих таких кораблей. Поэтому абсолютно необходимо: а) избегать скорости света, чтобы поддерживать время в разных частях федерации синхронным; б) разработать сверхсветовые передвижения, чтобы путешествовать по галактике за разумное время.

Только вот незадача, в контексте одной только частной теории относительности, последняя возможность не может быть выполнена. Физика становится наполнена невозможностями, стоит лишь разрешить скорость свыше световой. Не последняя из проблем состоит в том, что по мере приближения к скорости света объекты становятся все тяжелее, и требуется все больше и больше энергии, чтобы придать им все меньшие и меньшие приращения скорости. Как в греческом мифе про Сизифа, обреченного до скончания времен поднимать в гору тяжелый булыжник только для того, чтобы он снова скатился назад, так и нам не хватит всей энергии вселенной, чтобы разогнать хотя бы частичку пыли (что уж там звездолет) до скорости света.

Все по той же причине, не только свет, но и любое безмассовое излучение должно перемещаться со скоростью света. Это значит, что многие виды существ из "чистой энергии", встречающихся Энтерпрайзу, а позже и Вояджеру, будут испытывать трудности в том существовании, какое там описано. Во-первых, они не смогут сидеть неподвижно. Свет нельзя замедлить, не то чтобы полностью остановить, в пустом космосе. Во-вторых, у любой формы разумных энергетических существ (таких, как "фотонные существа" из "Вояджера"; энергетические сущности в облаке Бета Ренна, в "Следующем поколении"; Зетарианцы из оригинальных серий; Дал'Рок из "Глубокий космос 9"), вынужденных всегда передвигаться со скоростью света, время будет бесконечно замедлено относительно нашего. Вся история вселенной пройдет для них в один момент. Если бы энергетические сущности могли что-то испытывать, они бы испытали все за одно мгновение! Что уж и говорить, прежде чем они смогут поговорить с существами из плоти и крови, последние будут давно мертвы. [Здесь, на самом деле, много туманного. Согласно Стандартной Модели, все обладающие массой элементарные частицы обретают оную, взаимодействуя с полем Хиггса и могут быть математически точно описаны, как пара безмассовых частиц, непрерывно переходящих друг в друга. И мы, состоящие из таких частиц, все же ощущаем время. См. например, Р.Пенроуз - "Путь к реальности, или законы, управляющие вселенной". Прим. пер.]

Если уж мы заговорили о времени, самое время вспомнить Маневр Пикарда. Жан-Люк стал известен изобретением новой тактики, которую придумал, находясь на борту Старгейзера. Хотя маневр использует искривление, или сверхсветовую скорость (она же варп-скорость или просто варп), которая не возможна в контексте одной только частной теории относительности, это происходит лишь на один момент и прекрасно вписывается в наше обсуждение. В маневре Пикарда, чтобы сбить с толку вражеское судно, наш корабль разгоняется до сверхсветовой скорости всего на мгновение. В результате он кажется находящимся в двух точках одновременно. Все оттого, что разогнавшись быстрее скорости света, он обгоняет световые лучи, которые только что покинули его. Хотя это замечательная стратегия - и она кажется вполне возможной на первый взгляд (если пока отставить в сторону вопрос, как достигнуть сверхсветовой скорости) - я думаю, вы уже видите, как открывается громадный ящик Пандоры. В первую очередь, возникает вопрос, который год за годом задают многие треккеры: как экипаж Энтерпрайза на мостике может "видеть" объекты, приближающиеся на варпе? Если Старгейзер видел свою собственную копию, так же будут вести себя все объекты на сверхсветовой скорости. Никто не сможет увидеть изображение объекта на варп-скорости до тех пор, пока он не прилетит. Можно лишь предположить, что когда Кирк, Пикард, Джейнвей или Арчер приказывает вывести изображение на экран, картинка строится на основании неких "подпространственных" (то есть, сверхсветовых) сенсоров. Даже если принять такое объяснение, вселенная Стар Трека должна быть интересной и сложной для навигации, наполненная ложными изображениями объектов, летевших на варпе и давным-давно попавших в пункт назначения.

* * *

Вернемся в свой суб-световой мир: мы еще не закончили с Эйнштейном. Его знаменитое соотношение между массой и энергией, E=mc², напрямую следующее из теории относительности, представляет еще одну проблему для межзвездных путешествий на импульсных скоростях. Как я упомянул в главе 1, ракета - это устройство, которое отбрасывает вещество назад для того, чтобы двигаться вперед. Как легко догадаться, чем больше скорость реактивной струи, тем лучше будет разгоняться ракета. Струю нельзя разогнать больше, чем до скорости света, но и последнее очень сложно реализовать. Единственный способ добиться этого - использовать топливо из материи и антиматерии, которое (как я покажу в следующем разделе) аннигилирует полностью, давая чистое излучение, имеющее скорость света.

Однако, если двигатель искривления Энтерпрайза использует именно такое топливо, то импульсный двигатель - нет. Он работает на термоядерной реакции, той же самой, благодаря которой светит Солнце, попутно превращая водород в гелий. В реакциях синтеза в энергию переходит порядка одного процента имеющейся массы. Используя полученную энергию, образованный гелий можно разогнать до одной восьмой скорости света и выбрасывать назад в виде реактивной струи. Можно посчитать, сколько потребуется топлива, чтобы разогнать Энтерпрайз до, скажем, половины скорости света. Вычисления не очень сложны, но я просто скажу ответ. Каждый раз, когда Энтерпрайз разгоняется до половины скорости света, он должен сжечь водородного топлива В 81 РАЗ БОЛЬШЕ СОБСТВЕННОЙ МАССЫ. При условии, что звездолет галактического класса, такой, как Энтерпрайз-D Пикарда, весит свыше 4 миллиона метрических тонн [3], понадобится более 300 млн. тонн топлива каждый раз, когда требуется разогнаться на импульсе до половины скорости света! Если бы мы использовали для импульсного двигателя материю с антиматерией, все было бы не так ужасно. Понадобилось бы сжечь топлива в два раза больше Энтерпрайза (по массе) для каждого такого ускорения.

Дальше-хуже. Расчеты, которые я привел, верны для одиночного ускорения. Но чтобы остановить корабль, нам понадобится взять с собой топлива массой в 81 массу корабля. Значит, при разгоне до половины световой нам придется ускорять не только сам корабль, но и все необходимое топливо для торможения, или нам нужно 81x(масса корабля плюс топливо для остановки)=81x82=6642 МАСС КОРАБЛЯ! Более того, допустим, что мы хотим ускориться за несколько часов (будем полагать, конечно же, что гасители инерции справляются с защитой экипажа от чудовищных перегрузок). Мощность, излученная вместе с реактивной струей, составит 10²² ватт, или в миллиард раз больше всей мощности, какую в настоящее время производит и потребляет человечество!

Вы можете возразить (как сделал мой талантливый коллега, когда я впервые рассказал свои аргументы), что здесь есть небольшая лазейка. Наши расчеты строятся на предположении, что все топливо мы везем с собой. Но что, если собирать его по пути? В конце концов, водород - самый распространенный элемент во вселенной. Почему бы не подбирать его во время полета? Прикинем, средняя плотность материи в нашей галактике - один атом водорода на кубический сантиметр. Чтобы собирать хотя бы грамм водорода в секунду, даже при движении на околосветовых скоростях, придется выдвинуть панели для сбора водорода диаметром свыше 25 миль. Но даже если всю эту материю преобразовать в энергию, она будет в сто миллионов раз меньше необходимой!

Если перефразировать лауреата Нобелевской премии, физика Эдварда Пурселла, чьи доводы, слегка адаптированные и расширенные, я приводил здесь: "если это звучит для вас абсурдно, то вы правы". Эта абсурдность следует из элементарных законов классической механики и частной теории относительности. Приведенные здесь аргументы так же нерушимы, как тот факт, что мячик, отпущенный около поверхности Земли, упадет на нее. Путешествия через галактику, основанные на реактивных двигателях, непрактичны ни сейчас, ни когда-либо!

Так что, книгу можно закончить здесь? Пора вернуть значки-коммуникаторы и просить компенсации? Ну, мы еще не разобрались с Эйнштейном. Его последнее и, наверное, самое великое открытие таит в себе лучик надежды.

Быстрая перемотка назад, в 1908 год. Открытие Эйнштейном относительности пространства и времени было одним из тех моментов, когда впору кричать "Эврика!" и которые навсегда меняют нашу картину мира. Это было осенью 1908 года, когда математик и физик Герман Минковский написал знаменитые слова: "Отныне, пространство само по себе и время само по себе обречены стать бледными тенями, и только их союз будет представлять независимую реальность".

Минковский понял, что пусть даже время и пространство и относительны для двух движущихся с разной скоростью наблюдателей - ваши часы могут тикать медленнее моих, и мои расстояния могут отличаться от ваших - но если время и пространство объединить в четырехмерное целое (три измерения - пространство, и одно - время), "абсолютная" объективная реальность неожиданно возвращается.

Озарение Минковского можно объяснить, обратившись к миру, где у всех монокулярное зрение, а значит, нет восприятия глубины. Если я попрошу вас закрыть один глаз, чтобы снизить ваше восприятие глубины. и поднесу линейку к вашим глазам, а затем покажу эту же линейку другому человеку, только под другим углом, длина линейки вам двоим покажется разной, как это показано на рисунке.

Каждый наблюдатель в этом примере, не имея возможности измерять глубину, будет называть "длиной" (L или L^') проекцию реальной длины линейки на его (или ее) поле зрения. Но поскольку мы знаем, что пространство имеет три измерения, нас этими трюками не купишь. Мы знаем, что если взглянуть на вещь под углом, это не изменит ее реального размера, а лишь изменит ее кажущуюся длину. Минковский показал, что та же идея может объяснить всевозможные парадоксы относительности, если мы предположим, что наше восприятие пространства - это лишь трехмерный срез четырехмерного многообразия, объединяющего пространство и время. Два наблюдателя, движущиеся друг относительно друга, воспримут разные трехмерные срезы лежащего в основе нашей вселенной четырехмерного пространства-времени, точно так же, как два наблюдателя из картинки видят разные двухмерные изображения нашего трехмерного пространства.

Минковский представил, что расстояние, измеренное двумя разными наблюдателями - это проекция четырехмерного расстояния на трехмерное пространство, которое они ощущают, точно так же "расстояние" по времени между двумя событиями - это проекция четырехмерного расстояния на их собственную ось времени. И если при вращении объекта в трех измерениях смешиваются длина и ширина, то относительное движение в четырех измерениях может смешать понятия пространства и времени. Наконец, как длина объекта не меняется при вращении, так и четырехмерный интервал между событиями является абсолютной, не зависящей от наблюдателей, величиной.

Так безумное постоянство скорости света для всех наблюдателей раскрыло истинную природу пространства-времени, в котором мы живем. Свет выражает скрытую связь между пространством и временем. В самом деле, скорость света задает такую связь.

И тут-то Эйнштейн вернулся, чтобы спасти положение для Стар Трека. Как только Минковский показал, что пространство-время в частной теории относительности похоже на четырехмерный листок бумаги, Эйнштейн провел большую часть следующего десятилетия, накачивая свои математические мускулы, пока не сумел наконец согнуть этот листок, позволяя тем самым изменить правила игры. Как вы уже могли догадаться, ключом к разгадке снова стал свет.