С легкой руки фантастов космические корабли отправляются в  отдаленные галактики, а герои книг исследуют планеты, черные дыры, открывают новые миры. Но насколько реально с точки зрения законов природы то, что описывают писатели? О том, что не может происходить в нашей Вселенной, рассказал доктор физико-математических наук, ведущий передачи «Вопросы науки» Алексей Семихатов. 

Незыблемый баланс 

– Мир, который делает возможным наше существование, регулируется физическими законами. Самые фундаментальные из них – это запреты. Во Вселенной действует некий набор важных ограничений. Самое значительное – это законы сохранения, благодаря им в мире сохраняется баланс.

Это закон сохранения электрического заряда. Электрический заряд нельзя создать даже на электростанции. Там происходит разделение положительных и отрицательных зарядов. Отсюда важное следствие – носитель отрицательного заряда – электрон – постоянен. Он бы рад превратиться в более легкую частицу (элементарные частицы всегда так делают, если есть возможность, то они сбрасывают часть энергии). Электрону это недоступно, так как нет более легкой заряженной частицы и ему некому отдать свой заряд. За счет этого наш мир стабилен. 

У электрона есть собрат – мюон. Это такая же элементарная частица, только в 207 раз тяжелее. Мюон за несколько микросекунд превращается в нейтрино и отдает свой заряд электрону, то есть мюон может исчезнуть, что он и делает. 

К закону сохранения электрического заряда есть важное дополнение. Первое – мир в целом нейтрален. Он состоит из нейтральных объектов. В атоме положительные и отрицательные заряды скомпенсированы, там нет не целых зарядов. Имеется запрет на нецелые заряды. Протон ничем не похож на электрон за исключением одного – у него в точности противоположный электрический заряд, и мы до сих пор не знаем, почему это так.

Гарри Поттер и законы физики

Баланс во Вселенной существует также благодаря закону сохранения энергии. Энергия сохраняется, а мы говорим, что мы ее добываем, выкачиваем. Но на самом деле ничего ниоткуда не берется. Таков принцип действия закона сохранения энергии.  Например, в комнате, где вы находитесь, не может вдруг возникнуть огнедышащий единорог. Этого не происходит не потому, что это фантастика!  Единорог не может появиться, так как это противоречит законам природы. Наши знания о живой материи делают это маловероятным. 

Если вызвать единорога волшебной палочкой, то вся энергия, которая будет в нем содержаться, должна откуда-то взяться, или волшебная палочка должна весить столько же, сколько весит единорог. Можно вообразить, что при взмахе волшебной палочки возникают некие энергетические вихри, как это показано в фильме «Гарри Поттер». Энергетические потоки должны пройти через стены и потолок и таким образом единорог может появиться. 

Конечно, возможно, что нечто прилетает со стороны и собирается в огнедышащего единорога. Но если стены комнаты закрыты, то нельзя создать что-то из ничего. Точно также, если что-то убывает, то оно не может деться в никуда. Так была открыта частица нейтрино. В 30-е годы выяснилось, что при радиоактивном распаде некоторых частиц баланс заряда не сходился. Тогда и появилось предположение о существовании частицы нейтрино.  Очень долго про нее было известно только то, что она лишь помогает устанавливать баланс, и при этом почему-то не отражалась детектором. Позже ее открыли. А в 2015 году Такааки Кадзита и Артур Макдональд получили Нобелевскую премию по физике «за открытие нейтринных осцилляций, показывающих, что нейтрино имеют массу».

В числе незыблемых законов – сохранение количества движения или импульса. Земля не может вдруг внезапно остановиться на орбите. Наша планета не останавливается, чтобы это случилось, нужен противоположный импульс, а для этого должно произойти столкновение.  К слову, недавнее столкновение американского космического аппарата с астероидом еще раз подтвердило, что законы сохранения энергии и количества движения работают. Впервые в истории рукотворный космический аппарат врезался в астероид, чтобы проверить, можно ли таким образом влиять на траекторию небесного тела. Зонд NASA Double Asteroid Rendezvous Test (DART) «атаковал» астероид Диморф, находящийся в 11 млн км от нашей планеты 27 сентября 2022. По данным NASA, цель – изменение орбиты Диморфа, вращающегося вокруг более крупного астероида – Дидима, была достигнута. 

Энергия не исчезает бесследно

Если взять два идеальных бильярдных шара и столкнуть их по касательной, то они разлетятся в разные стороны под углом 90 градусов.  Это следствие того, что сохраняется энергия и количество движения. Фигурист прижимает руки, ничего не делает, но продолжает вращаться. 

Энергия во Вселенной также никуда не исчезает. Стоит отметить, что она – штука довольно странная – не бывает энергии самой по себе. У каждого вида носителя она рассчитывается по своим  правилам. Энергия летящего тела – это  одна формула, энергия электромагнитного поля – другая, гравитационного поля – третья. Все зависит от того, какие виды энергии человек выделяет при расчетах. Но баланс неизменно будет сходиться. Открытие новых форм материй, конечно, сопровождалось открытием энергии. Классический пример – электромагнитное поле. Тем не менее баланс энергии поддерживается. 

С 1905 года известно, что для полного баланса нужно учитывать массу.  Это всем известная формула: Е=mc2!  Как только вы начинаете изучать движение с высокими скоростями, приближающимися к скорости света, то становится очевидным, что в формулы, по которым вычисляется энергия, нужно добавить еще и массу. Это ещё Эйнштейн понял, что без этого баланс не сойдется. 

Законы сохранения ограничивают дальность полетов в космосе. Насколько далеко и насколько быстро разрешают нам улететь законы природы? Как разгоняться в космосе? Разгон возникает, если бросать что-то назад (это необходимо для  сохранения количества энергии). Чем быстрее бросаете, тем быстрее летите. Самое быстрое – это свет, поэтому обратно будем светить светом. Свет давит, и нас будет толкать вперед. 

Чтобы выбрасывать свет назад, так же, как камни бросать, стрелять из порохового ружья, нужна энергия, а мы ее будем брать самым эффективным способом – это «сжигание» вещества, или аннигиляция. (У всех частиц, из которых мы сложены, – электронов, протонов, нейтронов есть античастицы). Когда антиэлектрон (позитрон) пытается подружиться с электроном, они исчезают и выделяются фотоны, энергия которых равна массе электрона и позитрона вместе взятых. 

Если взять антивещество и стравить его с веществом, будет огромный выброс энергии, сопоставимой с выбросом энергии в результате самой большой взорванной на Земле водородной бомбы. 

Остается мечтать 

Итак, самым быстрым  будет полет ракеты, стреляющей светом назад. Выберем постоянно ощущаемое ускорение 1,5g. Половину пути будем ускоряться – половину тормозить. В этом случае для полета на Альфа Центавру понадобится 4,3 световых года (2,8 года в дороге), а масса ракеты со всем содержимым должна быть 72 тонны. Полет на Сириус потребует 8,7 световых лет (3,5 года в дороге). В этом случае масса ракеты уже должна быть 236 тонн. Стрелец А от нас находится на расстоянии 25900 световых лет. Это 13 лет в дороге. А масса ракеты 1608480000 тонн. Слетать к Андромеде получится за 2 520 000 световых лет, или 19,6 лет в пути. При этом масса  ракеты на старте должна быть 15 225 600 000 000. Это результат запрета на произвольные разгоны, на произвольные извлечения энергии. Это делает Вселенную предсказуемой, но, к сожалению, ограничивает нас в дальних космических полетах. 

В нашей Вселенной нельзя разогнаться до скорости света. Помешает энергия движения. Это системный запрет. Есть максимальная скорость обмена сигналами. Быстрее нельзя обменяться. Телескоп и фотоаппарат – это как будто «машина времени». Если человек сидит на расстоянии фута (30,48 см), то это означает, что мы его видим таким, каким он был наносекунду назад. Если смотреть на небесное тело, которое находится от нас на расстоянии 10 световых лет, то мы его видим таким, каким оно было 10 лет назад. Наш глаз такая же машина времени. Все, что мы видим, мы видим с неким опозданием. Ограничение скорости – это запрет на слишком быструю коммуникацию. Нельзя передать информацию быстрее скорости света. 

Вопрос дилетанта

– У фотона нет массы, как же тогда он преодолевает пространство? 

– Молодого Эйнштейна волновал вопрос – бежит бегун со скоростью света и держит в руках зеркало, что он при этом видит в зеркале? Ответ: такого бегуна не существует. Невозможно встать на точку зрения фотона. Ничто из того, чем мы оцениваем происходящее (время, расстояние), нельзя заставить «путешествовать» вместе с фотоном.

Александра Махлина.