Скорость света

Чтобы разогнаться до скорости света нам понадобится космический корабль с космонавтом и стартовая площадка.

I этап — ускорение

Чтобы не прикончить космонавта, ускорение должно быть небольшим. В идеале 1g, то есть равное притяжению Земли. При таком ускорении человек будет чувствовать себя как на родной планете. Собственно, сейчас все мы испытываем ускорение 1g, направленное к центру планеты — для человеческого организма это норма.

Более высокие значения сильно затруднят движения. При 2g ваш вес на корабле увеличится вдвое. Кровь начнёт слишком сильно приливать к ногам, что приведёт к различным проблемам.

Поэтому нам придётся довольствоваться ускорением 1g, которое равно увеличению скорости на 10 м/с за одну секунду. Для достижения почти скорости света нам понадобится примерно 30 миллионов секунд = 347 дней, что не так уж много по меркам космоса.

II этап — на скорости света

Парадокс близнецов

Мало кто задумывается о том, что релятивистские эффекты — увеличение массы, замедление времени, сокращение длины — происходят на любой скорости.

При скорости пешехода время на неподвижных объектах будет идти на чудовищно малую доли медленнее. Если поиграться с различными значениями скорости, можно увидеть что на скорости 0,9 от световой время замедлится примерно в два раза, на скорости 0,99 от световой — в семь раз.

Благодаря релятивистскому замедлению времени имеет место так называемый парадокс близнецов: если один из двух близнецов улетает к далёкой звезде с около световой скоростью, то вернувшись на Землю он обнаруживает, что его брат постарел на 30 лет, а он сам всего на 15, эти цифры зависят от параметров путешествия.

Опять же, большинство людей не понимают сути парадокса. Парадокс состоит не в том, что возможно замедление старения, оно как раз невозможно, а в том, что при движении согласно теории относительности время замедляется одинаково для обоих братьев, однако в итоге постареют они по разному.

Так почему же в итоге один из братьев стареет быстрее? Дело в том, что их ситуации при более внимательном рассмотрении неравноправны. Брату-космонавту чтобы добраться до далёкой звезды нужно разогнаться, то есть некторое время двигаться с ускорением.

Кто-то возразит — ведь брат-домосед тоже будет двигаться с ускорением относительно космонавта. Это правда. Но перегрузки испытает только один брат. Учёные сказали 6ы, что система отсчёта брата-космонавта становится неинерциальной.

В итоге «рассинхронизация» часов будет происходить только в моменты ускорения и торможения ракеты в строгом соответствии с формулами теории относительности.

Сокращение длины это чит

Больше всего меня умиляют высказывания, что из-за проклятого Эйнштейна с его ограничением максимальной скорости покорение космоса затормозилось.

На самом деле теория относительности наоборот даёт нам, чисто гипотетически, неограниченные возможности в плане освоения космоса. А всё благодаря релятивистскому эффекту сокращения длины.

Практически та же формула, что и для замедления времени, только на корень надо умножать, а не делить. При этом получается число меньшее, чем 10.

Этот чит работает так: пусть до некой звезды миллион световых лет. Мы разгоняем корабль почти до скорости света (99.999999999999%) и все расстояния вдоль направления нашего движения сокращаются в миллион раз. Таким образом, кораблю нужно преодолеть всего один световой год на скорости света, это как раз и займёт один год.

Посчитаем скорость корабля: расстояние — миллион световых лет, делим на время — год. Получаем скорость в миллион раз больше скорости света. Значит, мы скорость света таки превысили. Или нет?

Ошибка состоит в том, что мы взяли расстояние из другой системы отсчёта — неподвижной (Земля), и разделили на время в движущейся системе отсчёта (Корабль). Например, с Земли это путешествие будет выглядеть так: корабль разгоняется до скорости света и через миллион лет достигает звезды. А с точки зрения корабля расстояние будет другим — уменьшенным в миллион раз. Это расстояние и надо делить на время. В итоге мы и так и так получаем уже набившие оскомину 300 тыс. км в секунду.

К сожалению, подобные путешествия с практической точки зрения невозможны, потому что маневрировать на около световой скорости нереально.

Как происходит релятивистское увеличение массы

С релятивистским увеличением массы имеет место та же проблема — люди представляют его совсем неправильно.  Тут начать надо с того, что вес и масса — понятия разные. Вес имеет место когда тело давит на опору, например в присутствии гравитации. Отключаем гравитацию и вес пропадает, а вот масса остаётся.

В одной книге, уже не помню какой, по сюжету можно было отключать гравитацию выборочно для отдельных тел. Один из героев, благодаря этому с лёгкостью перетаскивал огромные объекты как воздушные шарики.

И это на первый взгляд логично, ведь у предмета нет веса. Однако второй закон Ньютона гласит, что ускорение тела пропорционально приложенной силе и массе. Чем больше масса тела, тем труднее его разогнать. Поэтому столкнуть с места висящий в невесомости корабль будет очень не просто, так как его масса никуда не делась.

Для неподвижного наблюдателя ситуация будет выглядеть так: комический корабль, подбираясь к пределу скорости, будет набирать ход всё медленнее и медленнее. При этом количество топлива, используемого в двигателях, останется неизменным. Значит, часть энергии от сгоревшего топлива пошла не на разгон, а на что-то другое.

И тут самое время вспомнить о наиболее известной формуле теории относительности. Формула укажет, куда делась неиспользованная энергия от сгоревшего топлива — она перешла в массу. И чем ближе мы к скорости света, тем меньше энергии будет тратиться на ускорение и тем больше на увеличение массы.

Подставив в эту формулу 99,99% скорости света получим двократное увеличение массы. При 99.999999999999% масса увеличится уже в миллион раз.

С точки зрения неподвижного наблюдателя корабль уже почти не ускоряется, так как большая часть энергии двигателей идёт на набор массы. Таким образом, стремясь к скорости света, корабль упрётся в бесконечное увеличение массы.

Важно помнить, что релятивистские законы относительны. Неподвижная песчинка, которая попадётся на пути корабля, будет двигаться со скоростью света относительно него, и энергию их столкновения надо считать с учётом увеличения массы пылинки. Соответственно, любой поток частиц, космическая пыль и прочие космические явления станут преградой для около световых путешествий.