Если пока нельзя проверить идею о космическом омоложении, то есть другие надежные пути, убеждающие нас в правильности этого вывода теории Эйнштейна. Один из этих путей – проверка формул теории относительности на частицах космических лучей. Ведь они влетают в земную атмосферу с огромными скоростями. Среди них есть целый набор элементарных частиц, летящих с разными скоростями, достаточно близкими к скорости света. Можно изучить поведение этих микроскопических «ракет». Можно выяснить влияние скорости на их свойства. Такие же опыты успешно проводятся и с частицами, разогнанными почти до скорости света при помощи больших ускорителей.
Частицы больших энергий при подходящих условиях порождают неустойчивые частицы, а ученые знают, что время жизни неустойчивых микрочастиц, тоесть среднее время, за которое половина из наблюдаемых частиц распадется, породив другие частицы, есть постоянная величина, характерная для частиц данного типа. Это время ничем нельзя изменить, ни электрическим или магнитным полем, ни другими подобными воздействиями.
Но, измеряя время их жизни, время распада по лабораторным часам, ученые убедились, что оно зависит от скорости частиц. Быстрые мю-мезоны, например, более живучи, чем медленные. Они как бы испытывают космическое омоложение. Так в опытах с космическими частицами блестяще подтвердились формулы теории относительности. Подтверждаются они и рядом других экспериментов. Современная физика без теории относительности так же немыслима, как здание без фундамента. Сегодняшняя техника во многих случаях тоже бессильна без этой теории. Она лежит в основе таких грандиозных инженерных сооружений, как ускорители заряженных частиц и ядерные реакторы.
Уже циклотрон – первый ускоритель, в котором ускоряемые частицы двигались по орбитам, близким к круговым, обнаружил коварные особенности скоростей, близких к скорости света. В циклотроне заряженные частицы движутся между полюсами большого постоянного магнита, периодически попадая в электрическое поле, заставляющее их еще немного ускорить свой бег. Период обращения частиц по орбите и период изменения электрического поля должны быть одинаковы, иначе поле перестанет ускорять частицы и начнет их тормозить. Именно это и происходило во всех циклотронах. Достигнув определенной скорости, частицы переставали ускоряться.
Причиной оказался эффект, предсказанный теорией относительности. При скоростях, близких к скорости света, масса уже не остается постоянной, как это бывает обычно, а увеличивается с возрастанием скорости. В результате период движения частицы в циклотроне изменяется и расходится с периодом ускоряющего электрического поля. Работа ускорителя нарушается. Так теория относительности впервые вмешалась в технику. Она определила предел энергии, достижимой без учета ее законов.
Выход из тупика указал советский ученый, академик В.И. Векслер. Он предложил несколько путей, которыми можно, несмотря на изменение массы частиц, сохранить совпадение периода их обращения с периодом ускоряющего поля и благодаря этому получать частицы с гораздо большей энергией.
Можно, например, вычислить при помощи теории относительности закон изменения периода частиц при изменении их массы и соответственно изменять период ускоряющего поля. Можно также скомпенсировать изменение массы частицы соответствующим изменением силы магнитного поля, удерживающего частицу на орбите, с тем чтобы период обращения частицы оставался постоянным, несмотря на изменение ее массы. Можно комбинировать оба эти метода.
Сейчас, в соответствии с предложением Векслера, построено много гигантских ускорителей, например известный ускоритель в городе Дубне. Работа этих машин является практическим подтверждением истинности теории относительности и ее удивительного вывода о том, что не только течение времени, но и масса всех тел зависит от их скорости.
Многовековая история науки установила глубочайшую связь между веществом и энергией. Теория относительности внесла дополнительную конкретизацию в это основное положение естествознания. Эйнштейн установил, что вещество и энергия, являющиеся двумя формами существования материи, связаны между собой. И вещество в форме частиц и энергия в форме квантов электромагнитного поля или в форме тепла, механических колебаний и других видов энергии являются объективной реальностью и одинаково испытывают действие поля тяготения. Опыт, как мы знаем, подтвердил, что лучи света, идущего от звезд, притягиваются к Солнцу.
Ядерные реакторы также подтверждают и практически используют этот вывод теории относительности.
В таких реакторах, как известно, происходит деление ядер урана. Если бы удалось собрать все осколки, получающиеся при делении ядер урана (в том числе и нейтроны), и взвесить их на сверхчувствительных весах, то оказалось бы, что они весят меньше, чем исходный уран. Разность частично улетела в пространство вместе с антинейтрино, а большей частью ушла на разгон осколков деления, а потом постепенно передалась окружающим атомам в виде тепла, которое используется для работы турбин.
Специалисты говорят: в ядерном реакторе используется дефект массы, то есть разность между массой исходных и конечных продуктов деления. Эта разность превращается на атомных электростанциях в электрическую энергию. Так атомное ядро в соответствии с теорией относительности служит человеку.
Взбесившиеся звезды
Теория относительности предсказала возможность космического омоложения. Она помогла и ответить на вопрос о том, доведется ли когда-нибудь человеку действительно испытать космическое омоложение. Сможет ли он по своему желанию путешествовать в будущее и какой мир привидится ему из окон машины будущего?
...Редкий человек не мечтает, не фантазирует, не заглядывает за пределы возможного. И при этом рождается нечто, что не существует, но должно существовать, если понадобилось людям. Это «нечто» приходит, когда знание настигает мечту.
А бывает, что разум вторгается за пределы фантазии, куда даже и ей трудно добраться. Тогда его находки поражают сильнее, чем самая смелая мечта...
Как-то разговор зашел о космических путешествиях. Душой его был известный ученый, человек, тонко понимающий шутку и ценящий силу этой острой приправы ума, любящий пошутить и сам. Сначала он молчал, прислушиваясь, а потом задумчиво заметил:
– Помню, как-то на отдыхе у меня с соседом возник спор о том, какой мир откроется глазам космонавтов. Под впечатлением этого разговора я взялся за карандаш и бумагу. Они, знаете, часто мирят мечту и действительность. И вот что мне увиделось.
Изумительный, призрачный мир откроется астронавтам. При скоростях ракеты, близких к скорости света, все звезды небосвода дружно «перекочуют» в область неба впереди корабля. Сзади «останутся» лишь немногие. Звезды и планеты, мимо которых пролетит корабль, будут казаться не круглыми, а вытянутыми в его сторону наподобие огурцов, поворачивающимися и меняющими свои очертания. Удивительный пейзаж привидится человеку не на миг, а, чтобы не ошибиться, минут на двадцать возле каждой звезды... Почему? В этом повинны такие законы природы, как аберрация и параллакс. В простейшем виде аберрация проявляется, когда капли отвесного дождя прочерчивают наклонные линии по окну движущегося поезда. Зная скорость падения капель и измерив угол наклона их следов, можно даже определить скорость поезда. Влияние параллакса проще всего обнаружить, быстро взглянув на близкий предмет сперва одним, а затем другим глазом. При этом кажется, что предмет слегка повернулся.
А цвет звезд? Когда мимо нас проносится поезд – простите за надоевший пример, но он самый понятный, – голос его внезапно меняется, хотя на самом деле тон гудка остается постоянным. Это известный акустический эффект Доплера. Так и ближайшая звезда, мимо которой промелькнет ракета, будет «менять» свой цвет. Но этого мало. Звезды в передней части небосвода, кажущиеся нам красными, станут ярко-белыми, а некоторые перестанут быть видимыми, так как почти все их излучение перейдет в область рентгеновых и ультрафиолетовых лучей. Некоторые из звезд, оставшихся в «задней» части небосвода, тоже «исчезнут» из-за того, что их свет превратится в инфракрасные лучи и даже в радиоволны. Эти сюрпризы оказываются неотвратимыми следствиями оптического эффекта Доплера.
Но увидит ли все это пассажир фотонной ракеты? В состоянии ли он будет что-либо видеть? И... возможна ли вообще фотонная ракета?
Озадачив собеседников и весело рассмеявшись, Сергей Михайлович Рытов на секунду остановился, вынул ручку, чтобы пояснить свою мысль, а у присутствующих, наверно не в первый раз в течение рассказа, снова возникло сомнение: не шутка ли все это?
А если не шутка, то уместны ли эти вопросы сегодня, когда человек уже преодолел земное тяготение и по несколько суток проводит в космическом полете, когда его первые ракеты уже совершили почетный круг вокруг Луны и Солнца, когда, наконец, полеты к далеким звездным мирам на повестке дня и ученые во всем мире думают о создании сверхскоростных фотонных ракет?
Уже известны десятки проектов космических кораблей, написаны толстые книги, пересыпанные расчетами, снабженные схемами, чертежами, рисунками завтрашних разведчиков космоса. И вдруг: возможны ли фотонные ракеты?
Уместны ли эти шутливые вопросы, ставящие под сомнение идею фотонных ракет, которым предстоит почти со скоростью света пересечь космические океаны, ракет, без которых полет к далеким звездным мирам просто невозможен для людей одного поколения, без которых, наконец, невозможно космическое омоложение?!
Каждый из слушавших профессора Рытова понимал, что ученого потянуло взяться за перо не просто желание узнать, какой космический пейзаж ожидает астронавтов, не стремление поспорить с авторами объемистых трудов о фотонных ракетах. Серьезное опасение за судьбу идеи фотонной ракеты заставило Сергея Михайловича поставить ее под обстрел формул и уравнений.
Вот почему слушатели, среди которых были и ученые с мировым именем, с интересом следили за нитью рассуждений рассказчика.
Смертоносные пылинки
Так увидит ли на самом деле пассажир фотонной ракеты все то, что рассказали ученому формулы? Послушаем дальше.
– Несомненно, что корабль, летящий почти со световой скоростью, будет с такой же скоростью налетать на атомы межзвездного водорода и на частицы космической пыли, которые по сравнению с его скоростью практически неподвижны. И хотя их в мировом пространстве очень мало – на один кубический сантиметр приходится едва ли один атом водорода, – при такой скорости они будут с огромной силой налетать на межзвездный корабль, вызывая в его обшивке целый ряд микроскопических катастроф, перерастающих в ливень разрушений.
Протоны, эти миниатюрные снаряды, которые по своей силе могут быть сравнимы с атомными бомбами, конечно, в масштабах микромира, будут вдребезги разбивать атомы и даже ядра атомов металлического корпуса ракеты. Ведь теория относительности доказала, что нет никакой разницы между тем, какое из сталкивающихся тел движется по инерции относительно Земли или какого-либо третьего тела, а какое неподвижно относительно них. Важно лишь относительное движение. Именно поэтому неподвижные протоны будут разрушать ядра атомов оболочки корабля так же, как протоны, получаемые в крупнейших ускорителях, разрушают ядра атомов мишени. При этом будет выделяться мощное излучение, гораздо более опасное для организма человека, чем самые жесткие рентгеновы лучи.
Расчеты, проведенные на основе теории относительности, подсказали профессору Рытову, что для защиты от действия этого излучения придется сделать стенки корабля не менее двухметровой толщины!
Преграда ли это для людей, преодолевавших и не такие препятствия? Нет. Опасность облучения не делает невозможным полет на фотонной ракете, хотя и очень его осложняет.
Гораздо коварнее космическая пыль. Эти ничтожные частицы уже умерших или еще не рожденных миров представляют для фотонных ракет страшную опасность.
При гигантских скоростях полета пылинка с массой всего в тысячную долю грамма во время соударения с корпусом ракеты превратится в снаряд разрушительной силы. Подсчет показал, что при ударе одной подобной пылинки выделится такое количество тепла, которое способно превратить в пар 10 тонн железа. А ведь корпус ракеты, летящей со скоростью, близкой к скорости света, будет ежесекундно сталкиваться с пылинками, находящимися внутри цилиндра длиною около 300 тысяч километров!
Беспощадные выводы, подсказанные точными математическими расчетами, намного усложняют проблему создания фотонных ракет. Рассказ Рытова вызвал дискуссию, страстные споры, горячий обмен мнениями. Одни ученые высказывали первые соображения о материалах, из которых должна быть сделана обшивка ракеты, чтобы спасти проблему, другие предлагали расчищать от космической пыли пространство перед ракетой. В результате мнения сошлись на том, что хотя эта расчистка принципиально возможна, но потребует огромной дополнительной затраты энергии. Словом, решать проблему сверхскоростных ракет без учета таких «ничтожных» противников, как космические пылинки, нельзя.
Рассуждая о том, что может помешать фотонной ракете в ее полете, ученые не забыли обсудить и главный вопрос: каковы же технические перспективы создания такой ракеты? И пришли к довольно обескураживающим выводам. Расчеты были просты, но многозначительны. Решив положить в основу расчетов очень скромный вес ракеты – одну тонну и задав ракете скорость «всего» в 80 процентов от скорости света, ученые подсчитали, что энергия ракеты должна исчисляться пятнадцатизначной цифрой! А точнее – должна равняться 215000000000000 киловатт-часов.
Это энергия, которая вырабатывается на всем земном шаре за несколько месяцев! Но и ее недостаточно ракете.
Для поворота на обратный курс и для торможения при приземлении нужна еще дополнительная энергия. И немалая. Если эта ракета будет снабжена двигателем, выбрасывающим продукты сгорания со скоростью света, для полета и приземления придется израсходовать энергию раз в двести большую названной. Такие расчеты, конечно, ошеломляют. Для путешествия в будущее, оказывается, понадобится столько энергии, сколько вырабатывается на всем земном шаре за несколько десятилетий!
Разумеется, это пока не по карману человечеству. Пока... Пока не будут разработаны новые источники энергии, не созданы более совершенные конструкции ракет и принципы действия двигателей, пока не будут выработаны меры борьбы с встречными пылинками.
Казалось бы, пессимистические выводы о том, как трудно разогнать ракету до скорости, близкой к скорости света, и о том, что даже, имея фотонную ракету, полететь на ней без особых средств защиты все равно нельзя, должны были бы вызвать у ученых смятение и печаль. Но для них этот вывод прозвучал оптимистически. Они поняли и оценили главное – выявлена опасность, которая до сих пор ускользала от их внимания. Найден враг, с которым нужно и можно бороться. И если сегодня еще нет необходимого оружия, оно непременно будет завтра.
Сверхзвезды
О победном шествии теории относительности можно говорить без конца. О ней написана масса книг и еще больше будет написано. Сегодня она уже не достояние нескольких избранных умов, она вошла в школьные учебники и стала основой многих инженерных проектов.
И все-таки до сих пор созываются высокие ученые собрания, чтобы довыяснить какие-то ее положения, додумать особенно сложные ее эффекты. Вы не встретите буквально и двух профессоров, которые, заговорив о теории относительности, не разошлись бы во мнениях, не заспорили друг с другом до хрипоты. Нет аспиранта-физика, который не хотел бы темой своей диссертации выбрать теорию относительности. Нет студента, не мечтающего о девушке, с которой между двумя поцелуями можно было бы поговорить и о теории относительности.
И все-таки эта великолепная теория не всесильна. И ее возможности ограниченны. С большой очевидностью это доказали сверхзвезды.
В декабре 1963 года в Америке, в Далласе, городе, имя которого теперь навсегда трагически переплелось с именем убитого в этом городе президента Кеннеди, собрались 400 ученых, чтобы обсудить чрезвычайное открытие. На огромных расстояниях от Земли астрономы обнаружили странные, необычные, ослепительные звезды. Они светились так, будто это не отдельные звезды, а целая галактика. Конечно, на таких расстояниях огромная система звезд, составляющих галактику, вполне может быть видна как отдельная звезда. Но эта галактика меняла свой блеск через определенный, причем весьма короткий, промежуток времени порядка года. 'Свет ее становился то ярче, то слабее. Но не могут же одновременно в такт мерцать биллионы звезд, все звездное население галактики! Это была загадка.
Так что же это за объекты? Что таят в себе ослепительный свет и щедрое радиоизлучение, исходящее от удивительных звезд.
Это явление так озадачило ученых, что в отчете далласской конференции есть слова о том, что присутствующие являются свидетелями рождения новой астрофизики.
Конечно, это преувеличение взволнованных астрономов. Астрофизика – уже довольно высокое здание, и сверхзвезды (как назвали ученые эти любопытные космические объекты) в лучшем случае одна из его башен. Но башен, несомненно, таинственных. И не один ученый взирает на нее с недоумением, как веками поглядывает турист на знаменитую наклонную башню в итальянском городе Пизе, гадая о секрете этого уникума, удивляясь, как ухитряется башня сохранять равновесие. Но любопытному туристу это сразу объяснит гид, а гида, знакомого со сверхзвездами, пока не существует. Как ни подступаются ученые к непонятным объектам с привычными мерками, как ни пытаются объяснить их поведение известными нормами поведения космических тел, попытки их безуспешны.