Вы уловили суть – все движется относительно чего-то другого. И из-за этого относительного движения масса, время и размер изменяются в рамках других инерциальных систем отсчета. Да, это правда. Предположим на минуту, что вы – летчик-истребитель, потому что вселенная явно вращается вокруг вас. С вашей точки зрения, вы выглядите совершенно нормально и ваши часы отсчитывают секунды с нормальной скоростью, но с точки зрения вашего друга, ваше время замедлилось, и вы стали короче и толще. Поэтому в этой главе давайте сосредоточимся на таким изменении во времени.
Одним из самых важных открытий Эйнштейна было то, что скорость света всегда постоянна, независимо от того, как быстро вы движетесь, везде во Вселенной (черные дыры остаются загадкой для некоторых законов физики, но это тема для другой книги, написанной настоящим физиком, а не летчиком-истребителем).
Чтобы проиллюстрировать эту концепцию, рассмотрим два поезда, движущиеся навстречу друг другу со скоростью 50 км/ч. Если вы едете на одном из них, то кажется, что другой поезд двигается со скоростью 100 км/ч в вашем направлении. Однако, если вы светите лучом света на кого-то в другом поезде, вы будете измерять его скорость, а она будет 300 000 км/с, и когда этот луч света от вашего фонарика попадет в него, он также измерит ее как 300 000 км/с. Он не будет воспринимать свет, как если бы он двигался со скоростью 100 км/ч. Независимо от того, где вы находитесь или с какой скоростью двигаетесь, свет всегда движется с одной и той же скоростью. Даже если оба поезда двигались бы со скоростью равной 99 % скорости света, пассажир на другом поезде все равно воспринимал бы ваш световой луч, как попадающий в него на нормальной скорости света. Странно, но это правда.
Постоянная скорость света является одной из основ физики, потому что это имеет большое значение для того, как работает Вселенная. Скорость света является абсолютным пределом скорости, ничто не может двигаться быстрее.
Другая основа – текучая природа времени. Допустим, вы находитесь на Земле со своим приятелем и синхронизируете свои наручные часы. Он взлетает и облетает галактику со скоростью, близкой к скорости света. Когда он вернется, и вы сравните часы, ваши будут немного спешить по сравнению с его часами, которые будут опаздывать. Его часы отсчитали гораздо меньше времени, чем ваши. Он не только кажется, но и на самом деле намного моложе вас благодаря своим высокоскоростным галактическим путешествиям. В фильме «Интерстеллар» есть сцена, где экипаж спускается на планету рядом с черной дырой в очень сильном гравитационном поле, которое по физике эквивалентно ускорению. По их ощущениям они находятся там всего несколько часов, но когда возвращаются к своему товарищу по экипажу, вращающемуся далеко от черной дыры, обнаруживают, что он стал на несколько десятков лет старше из-за этой относительности.
Что именно вызывает это странное замедление времени? Эйнштейн предложил две различные теории – специальную и общую теорию относительности. Это чрезмерное упрощение, но специальная теория относительности основывается на скорости. Однако общая теория относительности основывается на ускорении, которое также может быть измерено наличием гравитационного поля. Эти теории приводят к выводу, что скорость света постоянна – возможно, это не слишком понятно, но поверьте мне, это правда.
Руководствуясь теориями Эйнштейна, можно сделать несколько противоречивых выводов о моем пребывании на орбите. Когда я вращался со скоростью 28 000 км/ч относительно поверхности Земли, для меня, по сравнению с землянами, время немного замедлилось, если принимать во внимание специальную теорию относительности. Однако я находился на высоте примерно 400 километров, где земная гравитация (она же ускорение) немного меньше, чем на поверхности планеты. Благодаря этому уменьшению гравитационного поля время для меня текло чуть быстрее, чем для людей, находящихся на поверхности Земли. Однако во время старта и посадки я находился под действием сильного ускорения, что замедляло время.
Итак, суммируя все эти эффекты, можно прийти к следующему выводу: замедление времени из-за моей более высокой скорости, ускорение из-за чуть меньшей гравитации на орбите и очень короткое замедление при ускорении во время запуска и посадки, в период с 23 ноября 2014 года по 11 июня 2015 года, привели к тому, что я действительно постарел чуть меньше, чем все, кто читает эту книгу (если только вас не зовут Антон или Саманта). По словам моего друга-физика из НАСА, всего лишь на 0,007 секунды, но эй, я согласен и на это!
Обратный вход в атмосферу
45. Катание на американских горках
Обратный вход в атмосферу – это не для слабаков
Есть несколько ключевых вещей, которые каждый космический корабль должен выполнить, если его экипаж хочет сойти с орбиты и вернуться на Землю. Наиболее очевидным является изменение траектории полета, чтобы приблизиться к атмосфере, где сопротивление воздуха захватит его и безжалостно опустит на поверхность планеты. Следующий шаг – необходимо выдержать огромные температуры при повторном входе в верхние слои атмосферы. Изменение угла траектории полета в самолете – вещь относительно простая: вы надавливаете на ручку, перемещая ее «от себя», и давление воздуха на руль высоты сдвинет нос самолета вниз, и деревья станут большими. Потяните ручку назад, т. е. «на себя», и деревья станут меньше.
Однако, находясь в космосе, мы должны поблагодарить сэра Исаака Ньютона за очень полезный трюк, позволяющий космонавтам вернуться домой. Орбитальная механика – это то, что определяет движение космического корабля в космосе, и одно из ее последствий состоит в том, что для изменения курса влево или вправо вам потребуется огромное количество delta-v, или изменение скорости. Поэтому менять свой наклон или направление очень неэффективно. Большинство пилотируемых космических кораблей несут достаточно ракетного топлива, чтобы изменить направление на несколько десятых градуса влево или вправо. Но хорошая новость состоит в том, что нам не нужно двигаться в стороны, чтобы вернуться на Землю; нам просто необходимо спуститься чуть ниже. Вот здесь и пригодится этот полезный трюк – если вы замедляетесь, ваша орбита будет снижаться. И наоборот, ускорение заставляет вас набирать высоту, и, следовательно, ваша орбита поднимается. Количество delta-v, необходимое для этого трюка, намного меньше, чем для изменения наклона.
Итак, когда приходило время возвращаться на Землю как на шаттле, так и на «Союзе», мы разворачивали ракету задом наперед, запускали двигатель на несколько минут, потом сбавляли скорость на несколько сотен км/ч, и орбитальная траектория нашего полета наклонялась вниз, к планете. Таким образом, мы брали курс на неизбежное столкновение с атмосферой и нашей возможной посадочной площадкой, которая все еще находилась на другой стороне Земли. Пока у ракеты идет сжигание топлива, это пологий полет, перегрузки составляют всего лишь несколько десятых атмосфер, это совсем непохоже на то, что показывают в драматических голливудских фильмах, где астронавты кричат, когда сила тяжести вдавливает их в кресла. Это был запуск. После того как сгорание топлива прекратилось, у нас было несколько минут, чтобы расслабиться и насладиться последними мгновениями невесомости. Потому что как только мы коснулись атмосферы, что произошло примерно через двадцать минут, наступило то, что мы называем EI (точка соприкосновения с атмосферой), и расслабляться уже было нельзя.
