Космическое путешествие с точки зрения теории относительности
Результаты специальной теории относительности реальны в той же степени, как и удивительны. Едва ли другие открытия современной физики так окрылили фантазию и вызвали столько предсказаний неожиданных возможностей развития науки и техники. Этому же способствуют колоссальные успехи космических полетов, которые дают основания к дальнейшим смелым прогнозам. Нет абсолютно никаких сомнений в том, что радиус действия, грузоподъёмность и надёжность космических кораблей будут всё больше возрастать.
Однако если говорить о полётах к звёздам, об исследовании гипотетических планет других звёзд, то мы прежде всего наталкиваемся на трудность: звёзды удалены от Земли на расстояние в десятки и даже сотни световых лет. Время путешествия туда будет бесспорно очень долгим, оно намного превысит продолжительность жизни одного человека.
Но мысль не знает границ и очень быстро находит спасительный выход. Нужно только создать ракету, способную развивать достаточно большую скорость. Так как скорость света недостижима, придётся удовлетвориться, скажем 99,5% её значения.
Тогда путешественники будут пользоваться всеми благами замедления времени. Так как все процессы в этом космическом корабле протекают в 10 раз медленнее, то время путешествия на ближайшую к Земле звезду Проксима Центавра, составляющее по земным масштабам около 10 лет, продолжалось бы для пассажиров ракеты только 1 год. При их возвращении на Землю они нашли бы, конечно, что люди, оставшиеся там, постарели на 20 лет. Это было бы не так уж плохо, если бы вся идея не имела одного слабого места.
Дело в том, что не существует ракетных топлив, посредством которых можно было бы достичь околосветовой скорости, так как в этом случае скорость истечения газов должна быть очень близкой к скорости света.
Здесь есть только одна возможность: продукты сгорания топлива должны покидать сопло двигателя не в виде газов, а в виде квантов излучения, которые сами обладают скоростью света. Так как кванты электромагнитного излучения называют также фотонами, речь идет таким образом о создании фотонной ракеты. Но каким образом можно получить эти фотоны?
Максимальная теоретическая граница, до которой можно превращать массу в энергию излучения путём ядерной реакции, составляет менее 1%. Уже рассчитан дефект массы при синтезе гелия из водорода и нашли, что он составляет 0,03 : 4,03 = 0,75%.
Но фотонное топливо должно обеспечивать стопроцентное превращение массы в энергию, иначе соотношение между массой ракеты на старте и её массой без топлива будет ещё хуже, чем на современном уровне техники. Подсчитано, что при ядерной реакции такого рода, даже в случае использования возникающих естественных продуктов реакции, достижимы всего несколько десятых долей скорости света, что не даёт никакой выгоды с точки зрения замедления времени.
Всё же единственный выход заключается пока что в полном излучении элементарных частиц, которые можно наблюдать в отдельных случаях. Для этого нужно везти с собой колоссальный запас «топлива», например, положительных протонов и отрицательных антипротонов. Взаимодействуя друг с другом, они «аннигилируют», и за счёт этого возникает богатое энергией γ-излучение.
Согласно закону сохранения количества движения, в каждой паре квантов направление их движения противоположно, так что теперь перед нами возникает щекотливый вопрос, как этим фотонам придать единое направление.
Кроме того, при сегодняшнем состоянии ядерной техники необходимо по меньшей мере 106 протонов, чтобы произвести один единственный антипротон. Нужны многие миллиарды лет, чтобы на одной из существующих сегодня больших ускорительных установок получить всего 1 г антипротонов. Разумеется, все отдельные вопросы, связанные с техническим осуществлением этого проекта, остаются пока что без ответа.
Таким образом, очень легко выдвигать различные утопические проекты и грандиозные идеи.
Возражения против их практического осуществления также можно довольно легко рассеять убедительным аргументом, что, мол, многие сегодняшние знания и достижения считались раньше абсолютно невозможными.
Но если изготовление фотонной ракеты и осуществление путешествия на ней к другим звёздам когда-нибудь станет возможным, то, во всяком случае, известные сегодня физические явления и законы недостаточны для этого. Можно надеяться, что успеху в данной области будут способствовать новые открытия. Не надо терять оптимизма!
Не следует забывать и об опасностях, которые связаны с путешествием с околосветовой скоростью. Как это обстоятельно изложил ещё советский учёный профессор Рытов, основная опасность заключается в огромной энергии, освобождающейся при столкновениях космического корабля с микрометеорными телами, частицами космической пыли и межзвездным водородом.
При v = 260 000 км/сек столкновение с частицей массы 1 мг освобождает энергию в 21 млрд. калорий , которой достаточно, чтобы мгновенно превратить в пар 10 м3 железа. Даже самый прочный материал не в состоянии противостоять такой катастрофе.
Ещё более непосредственным и уничтожающим было бы действие межзвёздного водорода. Если ракета летит со скоростью v = 260 000 км/сек, то скорость атомов водорода относительно ракеты имеет ту же величину, а их энергия, определяемая этой скоростью, равна 109 эв, т. е. такая же, как и у космических лучей. При плотности межзвёздного водорода 1 атом/см3 получилась бы, по расчету профессора Рытова, атака 1010 частичек на 1 см2 в 1 сек.
Это излучение, которое в 10 миллиардов раз больше естественного уровня, мгновенно убило бы всё живое на космическом корабле, даже если бы удалось предотвратить связанные с предыдущим процессы разрушения и сгорания корабля.
