Глеб Анфилов - Бегство от удивлений

Но, увы, с подобными скоростями никакие ракеты летать не могут. Тут наука особенно решительно одергивает бесшабашную фантастику. И охлаждающий душ на возбужденные головы мечтателей льет опять-таки сама теория Эйнштейна. Вето накладывает относительность массы — еще не упомянутый важнейший эффект, о котором пойдет речь в следующей главе.

У меня на ладони леденец. Прозрачно-розовый, весьма аппетитный. Сколько он весит? Пять граммов. Так показывают мои весы. Это все пока ничуть не странно. Но вот удивительно: вместе с тем этот самый леденец весит десять килограммов. Или, если хотите, три тонны. Или тысячу тонн. Сколько пожелаете!

Сказанное надо обосновать.

Во второй главе мы пространно рассуждали о том, что такое масса. Было выяснено, что масса имеет двоякую сущность — она «едина в двух лицах». Во-первых, она — мера количества вещества, притягиваемого Землей. Это тяжелая масса. Во-вторых, она — мера инерции, мера замедления разгона тела под действием силы. Это инертная масса. Обе массы строго равны. Поэтому все тела падают вблизи земной поверхности с одинаковым ускорением g (разумеется, если им ничто не мешает падать, вроде воздуха). Вспомнили? Очень хорошо.

Дабы уверить вас в странных превращениях леденца, надо будет показать, что леденец в каких-то разных условиях по-разному поддается ускоряющему действию сил или по-разному давит на чашку весов. Я считаю себя вправе выбрать какое-либо одно из этих заданий. Исполнив одно, я не забочусь о втором.

Выбираю первое. То есть берусь убедить вас в том, что мой леденец при неких условиях разогнать так же трудно, как при обычных условиях сдвинуть с места железнодорожный вагон, груженный кирпичом. Сразу скажу, каковы эти условия: надо, чтобы леденец, который мне предстоит разогнать, уже двигался относительно меня. Причем очень быстро — почти со скоростью света. Тогда его масса будет для меня сколь угодно велика — тем больше, чем ближе его скорость к скорости света.

Я думаю, тем, кто усвоил дух теории относительности, интуитивно ясно: если леденец невозможно заставить двигаться быстрее света, значит, он сопротивляется сверхбыстрому разгону, и естественно предположить, что это происходит благодаря увеличению его инерции на больших скоростях, то есть, другими словами, благодаря увеличению массы.

Это действительно так. Но это так важно, что должно быть растолковано подробнее.

Много мудрых слов сказано о том, что человек может и чего не может. Может, пожалуй, больше, чем не может. И, самое главное, может достоверно установить, что именно не может. Что же человеку недоступно?

Ни один из трех миллиардов людей не в состоянии пробежать стометровку быстрее, чем за 9,9 секунды. Впрочем, выйдет эта книжка, и, весьма вероятно, появится мировой рекорд — 9,8, а то и 9,7 на стометровке. Почему бы нет! Никто не даст голову на отсечение, что в спринтерском беге увеличение скорости невозможно.

Но любой современный физик с легким сердцем прозакладывает голову против посула разогнать в вакууме леденец даже не быстрее, а хотя бы до точной скорости света. Такого не случится никогда — ни сегодня, ни завтра, ни через тысячелетия. Нет и не будет в мире подходящей силы, любая окажется мала. Это в равной мере относится к леденцу, к космическому кораблю, к электрону. Предельная — световая — скорость недостижима ни для какого тела, способного, вообще говоря, двигаться медленнее света (сам свет этого, как вы помните, не умеет). И вместе с тем сколь угодно близко подойти к световой скорости не запрещено ни ракете, ни электрону. Сколь угодно близко — но не точно! От любой скорости, как угодно близкой к скорости света, до самой скорости света — дистанция бесконечно огромная, принципиально непреодолимая. Это прямо вытекает из эйнштейновского закона сложения скоростей, о который споткнулся в предыдущей главе необразованный бандит Клио.

Полезно повторить: Клио равномерно двигался относительно Земли со скоростью, которая была лишь на миллиметр в секунду меньше скорости света. Казалось, одно крошечное усилие — и он обгонит световой луч. Но ничего подобного. Вспомнив первый постулат Эйнштейна, Клио мог вообще забыть о своем движении, признать себя неподвижным.

Тогда он понял бы, что не только обгон света ему не удастся, но что даже до прежней скорости ему придется разгоняться заново. С чьей-то точки зрения вы можете, сильно ускорившись, вплотную подойти к скорости света, но, тем не менее, «для себя» останетесь от нее бесконечно далеко.

Итак, к леденцу, летящему в космосе, вдалеке от планет и звезд, я прикладываю силу. Леденец ускоряется. А я, оставаясь «неподвижным», наблюдаю. Сначала, пока скорость мала (вплоть до тысяч и даже десятков тысяч километров в секунду), ускорение тем больше, чем больше приложенная сила и чем меньше масса леденца. Точно соблюдается второй закон Ньютона. Однако дальнейший разгон решительно не подчиняется старому закону. Леденец становится слишком упрямым, неподатливым. Сила прежняя, а ускорение меньше. Выше скорость — труднее дальнейший разгон. У самой скорости света ускорение под действием прежней силы становится таким неуловимо крохотным, что леденец практически перестает разгоняться. Что ж, я неведомым способом увеличиваю силу. В десятки, в тысячи, в миллиарды раз. Трачу титаническую энергию. Но опять эффект мизерный. Скорость почти не растет. Приблизившись вплотную к скорости света, она словно замораживается.

Дело происходит точно так же, как при неудачной попытке бегства в прошлое. Ничего неожиданного нет. Но зато теперь я могу прямо указать на виновницу «сверхньютоновского» упрямства разгоняющегося тела. Это масса. По мере ускорения тела растет его инерция. У самой скорости света ускорить тело практически невозможно, какую бы гигантскую силу ни прикладывать. Значит, инерция, то есть инертная масса, леденца увеличивается к бесконечности.

Все это — с точки зрения любой инерциальной, то есть не испытывающей ускорений, системы отсчета.

Вот формула относительности массы. Лаконично и четко она говорит о том, что с чрезмерным многословием пояснялось выше.

Релятивистская масса m (то есть «движущаяся» масса для «неподвижного» наблюдателя) здесь сравнивается с массой покоя то (то есть с массой, которую измерил неподвижный относительно нее наблюдатель, например я, взвешивающий свой леденец). Можно без особого труда подсчитать, для кого мой леденец весит обещанные десять килограммов. Подставив в формулу соответствующие цифры, получим ответ: для наблюдателя, который движется относительно меня со скоростью 299 999 997 километров в секунду (если считать скорость света равной точно 300 000 километров в секунду) .

Неужели бывают такие расторопные «наблюдатели»? Позволив себе очередную некорректную фантазию, вообразим лилипута, сидящего верхом на каком-нибудь протоне из космических лучей, проносящихся мимо моей ладони. Лилипут — сластена, ему ужасно хочется схватить мой леденец и отправить в рот. Но сделать это ему в две тысячи раз труднее, чем если бы леденец летел рядом с ним. Потому что для него масса леденца увеличилась в две тысячи раз!

Лилипутов-лакомок, увы, не бывает. Зато протоны, несущиеся в космических лучах с подобными скоростями, встречаются нередко. У неподвижного протона масса 1,7·10-24 грамма. А у движущегося в космических лучах она возрастает для нас, землян, в те же две тысячи раз. Когда физик, лакомый до научных открытий, захочет поймать частицу космических лучей в какой-нибудь прибор, он помнит о релятивистском увеличении массы. Иначе ничего не выйдет, частица не поймается.

Тот же эффект обязательно учитывают, строя ускорители заряженных частиц. Современные ускорители — это машины, в которых полновластно распоряжается физика Эйнштейна.

Так законы теории относительности подтверждаются опытами. Сегодня они стали совершенно неотъемлемой частью экспериментальной физики быстрых движений и высоких энергий.

Приспело время исполнить обещание о дополнительной порции холодного душа на отчаянных фантазеров (в том числе и на грешную голову автора этой книжки), тех, что с легким сердцем разгоняют ракеты до релятивистских скоростей, заставляют космонавтов за месяцы достигать далеких галактик и без седины в волосах возвращаться домой. К нашему общему огорчению, подобные прожекты, видимо, никогда не осуществятся. И именно потому, что вместе с сокращением релятивистского пути, с замедлением релятивистского времени должна стремительно расти релятивистская масса ракеты. Для ускорений и торможений даже очень скромного по размерам субсветового галактического корабля потребуются неправдоподобно гигантские запасы топлива. Подсчитано: чтобы облететь нашу звездную систему за десятилетия собственного времени, понадобится энергия, равная, самое малое, полному потоку солнечных лучей за... сто миллионов лет! Комментарии излишни.