Космос: Эволюция Вселенной, жизни и цивилизации - Карл Саган

Два межзвездных космических аппарата «Вояджер», самые быстрые из устройств, когда-либо запускавшихся с Земли, сейчас двигаются со скоростью около одной десятитысячной скорости света. Чтобы достичь ближайшей звезды, им потребуется 40 000 лет. Смеем ли мы надеяться когда-нибудь покинуть Землю и за разумное время преодолеть громадное расстояние до ближайшей к нам Проксимы Центавра? Можно ли приблизиться к скорости света? И вообще, что за магическое число — эта самая скорость света? Сможем ли мы когда-нибудь двигаться быстрее, чем свет?

Если бы в 1890 году вы отправились прогуляться по прекрасным пригородам Тосканы, то, возможно, встретили бы на дороге, идущей в Павию, длинноволосого подростка, недавно отчисленного из школы. В Германии учителя заявили, что он ни к чему не годен, что его вопросы нарушают порядок в классе и что ему лучше покинуть школу. Так он и поступил, отправившись бродить по Северной Италии и, наслаждаясь свободой, размышлять о вещах, весьма далеких от того, что ему пытались вдолбить в очень дисциплинированной прусской школе. Его имя было Альберт Эйнштейн, и его размышления изменили наш мир.

Воображение молодого человека было захвачено «Народной книгой о естественных науках» Бернштейна — научно-популярным изданием, где на первой же странице говорилось о поразительной скорости, с которой электричество распространяется по проводам, а свет — в пространстве. Эйнштейн задался вопросом, как выглядел бы мир, странствуй мы вместе со световой волной. Путешествия со скоростью света! Что за всепоглощающая, волшебная мысль для мальчишки на проселке посреди округи, где все горит и переливается рябью солнечных бликов! Вы можете обнаружить световую волну, если путешествуете вместе с ней. Начав движение на гребне волны, вы на нем и останетесь и потеряете всякое представление о том, что имеете дело с волной. На скорости света происходит что-то странное. Чем больше Эйнштейн думал над такими вопросами, тем больше они его беспокоили. Стоило вообразить движение со скоростью света, как повсюду возникали парадоксы. Некоторые идеи были приняты за истину без достаточно тщательного осмысления. Эйнштейн поставил простые вопросы, которые следовало бы задать несколько сот лет назад. Например, что мы имеем в виду, когда говорим, что два события произошли одновременно?

Представьте себе, что я еду навстречу вам на велосипеде. На перекрестке я чуть не сталкиваюсь, так по крайней мере мне кажется, с конной повозкой. Я уворачиваюсь и едва не попадаю под копыта. Теперь вообразите, что и телега, и велосипед двигаются со скоростью, близкой к скорости света. Если вы стоите поодаль на обочине, повозка движется перпендикулярно линии вашего взгляда. Меня вы видите благодаря отраженному в вашу сторону солнечному свету. Не следует ли из этого, что моя скорость должна быть прибавлена к скорости света и что меня вы увидите существенно раньше, чем повозку? Не выйдет ли так, что вы не увидите, как я увернулся, прежде чем заметите появление на перекрестке повозки? Не случится ли так, что мое появление на перекрестке совпадает по времени с появлением повозки только с моей точки зрения, но не с вашей? Может ли быть так, что я едва не испытал столкновение с повозкой, в то время как вам покажется, что я обогнул пустоту и бодро покатил себе в сторону города Винчи? Это все любопытные и тонкие вопросы. Они бросают вызов очевидному. Вот почему до Эйнштейна никто над ними не задумывался. Начав с таких элементарных вопросов, Эйнштейн фундаментально переосмыслил картину нашего мира и произвел революцию в физике.

Чтобы познать мир, чтобы уберечься от логических парадоксов при движении с высокими скоростями, существуют определенные правила, заповеди Природы, которые должны соблюдаться. В своей специальной теории относительности Эйнштейн систематизировал эти правила. Свет, отраженный или испущенный любым объектом, распространяется всегда с одной и той же скоростью независимо от того, движется объект или покоится: Не добавляй скорость твою к скорости света. Кроме того, ни один материальный объект не может двигаться быстрее света: Не двигайся скорее света, тако же и с равною ему быстротой. Физика не запрещает вам сколь угодно близко подойти к скорости света; значение в 99,9 процента скорости света не вызывает никаких возражений. Но оставшуюся десятую долю процента вам не преодолеть, как бы вы ни старались. Для того чтобы мир был логически согласован, в нем должна существовать абсолютная предельная скорость. В противном случае можно будет достичь любой скорости, отталкиваясь от движущейся платформы.

На рубеже XIX и ХХ веков в Европе многие верили в привилегированные системы отсчета: в преимущество культуры и политической организации Германии, или Франции, или Англии перед культурой и политическим строем других стран; в превосходство европейцев над прочими народами, которые за счастье должны почитать колонизацию. Социальные и политические приложения идей Аристарха и Коперника отвергались или игнорировались. Молодой Эйнштейн выступил против представления о привилегированных системах отсчета в физике, равно и в политике. Во Вселенной, заполненной беспорядочно движущимися звездами, не может быть ничего пребывающего «в состоянии покоя», не может быть системы отсчета, из которой наблюдать Вселенную было бы предпочтительнее. Именно в этом заключается смысл слова относительность. Идея очень проста, несмотря на то что считается загадочной: при наблюдении и описании Вселенной ни одно место не имеет преимущества перед другим. Законы природы должны быть одинаковы независимо от того, кто их описывает. Если это правда — а было бы крайне странно, окажись наше малозначительное местопребывание в космосе чем-то особенным, — никто не может двигаться быстрее света. Мы слышим удар хлыста потому, что его кончик достигает сверхзвуковой скорости и порождает ударную волну, небольшой акустический удар. Раскаты грома имеют ту же природу. Когда-то считалось, что самолетыне могут летать быстрее звука. Сегодня сверхзвуковые полеты — обычное дело. Но световой барьер отличается от звукового. Его преодоление не является инженерной задачей, наподобие той, которую решали создатели сверхзвуковых истребителей. Это фундаментальный закон природы, такой же основополагающий, как гравитация. Мы не наблюдаем явлений, подобных раскатам грома или щелчкам хлыста, которые указывали бы на возможность движения в вакууме со скоростью выше скорости света. Зато существует огромное множество примеров — например, ускорители элементарных частиц или атомные часы, — которые находятся в точном количественном согласии со специальной теорией относительности.

В отличие от света, со звуком не возникает проблемы одновременности, поскольку звук распространяется через материальную среду, например воздух. Когда вы беседуете с другом, звуковые волны достигают вас благодаря движению молекул воздуха. Свет же распространяется в вакууме. На движение молекул накладывается ряд ограничений, которые к вакууму неприменимы. Свет Солнца приходит к нам через пустое пространство, но как бы мы ни прислушивались, нам не услышать шума солнечных пятен и грохота солнечных вспышек[148]. До появления теории относительности считалось, что свет распространяется через особую всепроникающую среду — «светоносный эфир». Однако знаменитый эксперимент Майкельсона — Морли продемонстрировал, что эфира не существует.

Иногда приходится слышать разговоры о движении со сверхсветовыми скоростями. В таких случаях нередко говорят о путешествии «со скоростью мысли». Это очень глупое сравнение — особенно если учесть, что скорость передачи нервных импульсов нейронами сравнима со скоростью ослиной повозки. Человеческие существа додумались до теории относительности, и это говорит о том, что мы достаточно умны, однако я не уверен, что нам стоит хвастаться скоростью нашей мысли. А вот электрические импульсы в современных компьютерах действительно распространяются почти со скоростью света.

Специальная теория относительности, полностью завершенная Эйнштейном, когда ему было около двадцати пяти лет, подтверждается всеми экспериментами, выполненными для ее проверки. Возможно, завтра кто-нибудь изобретет теорию, которая согласуется со всеми нашими знаниями, избегает парадоксов в вопросах одновременности, не нуждается в привилегированной системе отсчета и при этом допускает путешествия со сверхсветовыми скоростями. Но я в этом очень сильно сомневаюсь. Эйнштейновский запрет на движение быстрее света как будто бы противоречит здравому смыслу. Однако почему в этом вопросе мы должны доверять нашему здравому смыслу? Почему наш опыт, полученный при скоростях около 10 километров в час, должен распространяться на законы природы, действующие при скоростях около 300 000 километров в секунду? Теория относительности устанавливает границы того, что может совершить человек. Но Вселенная вовсе не обязана идти на поводу у наших амбиций. Специальная теория относительности лишает нас одного из способов достигнуть звезд — при помощи сверхсветовых космических кораблей. Но она же искушает нас, предлагая иной, совершенно неожиданный способ. Давайте, вслед за Георгием Гамовым[149], вообразим себе место, где скорость света вместо действительных 300 000 километров в секунду имеет очень скромную величину, например 40 километров в час, но также является предельно допустимой. (Не существует наказания за нарушение законов природы, ибо не бывает самих преступлений: природа так управляет вещами, что попрать ее законы просто невозможно.) Представьте, что, управляя скутером, вы набираете скорость, близкую к скорости света. (Теория относительности изобилует фразами, которые начинаются словами: «Представьте себе…». Эйнштейн называл такие упражнения Gedanken-experiment, то есть мысленными экспериментами.) По мере приближения к скорости света вам становится видно, что скрывается за углами, мимо которых вы проезжаете. Хотя вы смотрите прямо вперед, предметы, находящиеся позади вас, появляются в переднем поле зрения. Когда вы вплотную приблизитесь к скорости света, мир с вашей точки зрения будет выглядеть очень странно: почти весь он сожмется в маленькое круглое окошко, находящееся прямо перед вами. С точки зрения неподвижного наблюдателя отраженный от вас свет краснеет, когда вы удаляетесь, и смещается в синюю сторону при вашем возвращении. Если вы приближаетесь к наблюдателю на скорости, почти равной скорости света, вас окутывает жуткое цветное сияние: ваше невидимое обычно инфракрасное излучение смещается в сторону более коротких волн видимого спектра. Вы сжимаетесь в направлении своего движения, ваша масса возрастает, а ход времени для вас замедляется — захватывающее следствие движения с околосветовой скоростью называется растяжением времени. Однако наблюдатель, движущийся вместе с вами, — допустим, у скутера есть второе сиденье — не заметит ни одного из описываемых эффектов.