fonzeppelin (fonzeppelin) wrote,
fonzeppelin
fonzeppelin

Categories:

Вопросы научной фантастики: сверхсвет, причинность, относительность.

После небольшой паузы (отпуска), еще одна моя статья для журнала Warhead:



Хорошо жить в космоопере! Если нужно долететь до соседней звезды, то просто включаешь сверхсветовой двигатель, летишь себе — и вскоре уже на месте. Вот только физики от такого начинают кривиться и плеваться. В чём же дело?


В упрощённой форме всё сводится к следующему выражению: «Сверхсвет, причинность, относительность — выберите любые два».

И похоже, что выбор этот, увы, уже сделан за нас.

Всё дело в том, что во Вселенной не существует абсолютной системы отсчёта времени. Нет единой шкалы, по которой можно было бы точно сказать, когда произошло одно, а когда — другое событие.

Течение времени зависит от массы и скорости.

В обыденной жизни мы этого не замечаем. Для сравнительно медленных, массивных тел, не слишком удалённых друг от друга, различия в наблюдаемом ходе времени не играют особой роли. Но вот чем ближе к скорости света, тем явственнее они становятся. Для наблюдателя на Земле и для пассажира летящей на околосветовой скорости ракеты время течёт по-разному. Чем ближе к скорости света, тем сильнее замедляется время.

И что же с этим делает сверхсвет (также известный как FTL — Faster Than Light)?

ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ:

Для начала разберёмся с относительностью. Каким образом ход событий зависит от точки зрения наблюдателя?



Предположим, что в космосе движется конвой из трёх кораблей — A, B и C, организованных как на рисунке. Все три движутся в одном направлении с равной скоростью, на равном удалении друг от друга. То есть относительно друг друга они неподвижны. Летательные аппараты вооружены лазерными орудиями, стреляющими со скоростью света, а также оснащены системой FTL-связи, действующей мгновенно вне зависимости от расстояния. Этакое сверхсветовое радио.

Теперь добавим немного драмы. Корабль B был захвачен пиратами с А и С и принуждён следовать между ними. В какой-то момент экипажу В удаётся застать врасплох призовую команду и восстановить контроль над своим кораблём. Однако они прекрасно понимают, что если попробуют бежать, то А и С это заметят и немедленно их расстреляют. Если B атакует какой-то из кораблей, то «мишень» успеет сообщить об этом по FTL-связи коллеге. Поэтому команда B решает стрелять из своих лазерных орудий по A и C одновременно.



Как выглядит ситуация с корабля B?

В его системе отсчёта как сам корабль В, так и корабли А и С, неподвижны — ибо точка отсчёта всегда может быть принята за неподвижную. Лазерные лучи, выпущенные B, достигают А и С одновременно, поскольку им нужно преодолеть одинаковое расстояние ВА и ВС. Корабли A и С поражены одновременно. Перед гибелью (уничтожение всё-таки не мгновенно) каждый из них успевает послать другому FTL-сигнал с сообщением об атаке, но так как оба корабля атакованы сразу, то предупреждение пропадает впустую.

Кажется, всё стройно? Только на первый взгляд.

Добавляем ещё один корабль — D, который движется параллельно конвою, но в противоположном направлении. В системе отсчёта корабля D он сам неподвижен, а A, B и С летят ему навстречу.



Как будет выглядеть описанная выше лазерная атака с точки зрения корабля D?

В какой-то момент корабль B выпускает лазерные лучи по A и С. Но теперь ситуация выглядит иначе: корабль А «убегает» от лазерного луча, а корабль C движется ему навстречу!

Напомним ещё раз: скорость света — константа. То есть движение корабля B не играет никакой роли, его собственная скорость не добавляется к скорости луча и не отнимается от неё. Лазерный луч всегда двигается с постоянной скоростью.

Что получается? Лазерный луч быстрее настигает корабль C (летящий ему навстречу), чем догоняет корабль А (летящий от луча). И тут включается в игру FTL-радио. Перед своей гибелью С успевает сообщить об опасности А. Корабль А, получив предупреждение, успевает сманеврировать, и лазерный луч проходит мимо.

Мы имеем довольно… странную ситуацию. Если мы смотрим на сражение с точки зрения корабля B, то корабли А и С уничтожены. Если же мы смотрим с точки зрения корабля D — то уничтожен только С, корабль А уцелел. И как это согласовать?

Может быть, какая-то из точек зрения истинная, а какая-то — иллюзорная?

К сожалению, нет. Для понимания проблемы добавим корабль E, который движется в том же направлении, что и конвой, но быстрее, и постепенно его перегоняет. В системе отсчёта корабля E он сам, понятное дело, неподвижен, а C, B и A летят ему навстречу, но в обратном порядке — первым С, вторым B, последним А.



С точки зрения корабля E, сражение развёрнуто зеркально: теперь С «убегает» от луча, а А движется ему навстречу. То есть А погибает первым, но успевает по FTL-радио предупредить С об атаке. И корабль С успевает уклониться.

В результате получается следующая ситуация: если мы смотрим с точки зрения корабля B — то A и С уничтожены одновременно; если с точки зрения корабля D — то С уничтожен, А успел сманеврировать и уцелел; с точки зрения E корабль А уничтожен, С успел сманеврировать и уцелел.

Так какие всё-таки корабли были уничтожены, а какие ещё существуют? Кто может связаться с кем по FTL-связи и кто кому ответит? Можно ли в этом всём разобраться? Увы, нет.

Причина всей этой суматохи в том, что системы отсчёта каждого корабля относительны и не учитывают другие. Наше фантастическое FTL-радио внезапно соединяет эти системы отсчёта и создаёт парадоксы. Если бы FTL-радио не было, то ситуация выглядела бы куда проще: с точки зрения корабля B корабли А и С погибают одновременно; с точки зрения кораблей D и E — один раньше, а другой позже. Но сам факт их гибели остаётся неизменным.

Сверхсвет, таким образом, нарушает принцип относительности и приводит — в комбинации с постоянной скоростью света — к невразумительным парадоксам, которые просто нельзя уложить в единую систему отсчёта.

ПРИЧИННОСТЬ:

Итак, предположим, что в 2100 году с Земли запущен пилотируемый космический корабль, движущийся со скоростью 80% скорости света. За время его полёта, однако, на Земле происходит технический прорыв, и — вуаля! — сверхсветовой FTL-двигатель изобретён! Правительства Земли решают вернуть астронавтов с досветового корабля обратно, и в 2110 году к ним запускается FTL-корабль, способный мгновенно преодолеть разделяющее их расстояние.



Тут-то и выскакивает из засады относительность.

Так как космический корабль двигался со скоростью 0,8 С (С — скорость света. — Прим.ред), то время для него текло медленнее, чем на Земле.

На момент запуска FTL-корабля в 2110 земном году на борту досветового корабля лишь 2106 год!

Поэтому FTL-корабль, состыковавшись с досветовым, вынужденно перейдёт в его систему отсчёта. И в какой год тогда вернутся астронавты, прилетевшие с Земли? В 2106-й, что ли?

Казалось бы, ну и что? Прилетят в прошлое! Но нет, тут раскрывает свою жадную пасть парадокс. Если астронавты вернулись на Землю в 2106 году, то зачем посылать FTL-корабль в 2110-м, чтобы вернуть их? Они же уже здесь. Даже если земные правительства решат-таки сделать это, просто чтобы избежать парадокса, то им придётся вступить в бой с ещё одним хтоническим монстром — эффектом бабочки.

Предположим, что на торжествах по случаю прибытия астронавтов в 2106 году один из разработчиков будущего FTL-корабля хватил лишнего и из-за этого допустил ошибку в расчётах. В результате при запуске в 2110 году FTL-корабль взрывается на старте. Следующий FTL-корабль не будет готов раньше 2112 года, и поэтому полететь и привезти астронавтов в 2106-й некому. То есть астронавты никогда в 2106 год не возвращались. То есть разработчик не хватил лишку на торжествах и не допустил ошибку. То есть FTL-корабль в 2110 не взорвался при запуске, а полетел и вернул астронавтов в 2106-й. А значит, разработчик хватил лишку и допустил ошибку… и так до бесконечности.

Перемещённые в прошлое астронавты по определению будут оказывать непрерывное возмущающее воздействие на историю. Просто потому, что исходно их в ней не должно было быть. Любое их взаимодействие с прошлым приводит к нарушению прежнего хода истории. И откровенно говоря, мы понятия не имеем, как именно история на это отреагирует.



ВОЗМОЖНОЕ РЕШЕНИЕ:

Так что же, сверхсветовое перемещение вообще невозможно? Не совсем.

Главная проблема в том, как бы избежать нарушения причинности и относительности — то есть не построить случайно машину времени. До тех пор, пока нам удаётся при каждом FTL-переходе перемещаться только в будущее, ситуация остаётся — в рамках приличия по крайней мере — в плане причинности.

Хорошим подходом к решению проблемы могут быть способы FTL, использующие некую «трассу». Например, червоточины (они же кротовьи норы), гипотетические «проходы насквозь» через искривлённое пространство. Если они существуют, проходимы и могут быть стабилизированы — строго говоря, по каждому из этих пунктов есть сомнения, — то их можно использовать для более-менее «непротиворечивого» FTL-перемещения.

Допустим, в 2100 году учёные сумели создать такую червоточину. Оставили один её конец на Земле, а другой на 80% скорости света запустили в систему Терранова на удалении в десять световых лет. С точки зрения земного наблюдателя, другой конец червоточины достигнет цели 20 лет спустя (с учётом разгона и торможения) — в 2120 году. Но с точки зрения зонда, несущего конец червоточины, пройдёт всего 13 лет, и прибудет к цели он в 2113 году.

Путешественник, отправившийся по червоточине с Земли в 2120 году, прибудет на Терранову в 2113 год. Казалось бы, машина времени? Нет. Поскольку сама по себе червоточина — вполне релятивистский объект, она соединяет не точки во времени, а интервалы. Оба её конца продолжают двигаться из прошлого в будущее, пускай даже с разной скоростью, а перемещение по самой червоточине тоже не мгновенно. Если тот же самый путешественник по червоточине вернётся с Террановы на Землю, то вернётся он в 2120-й год. Причём (путешествие не мгновенно) позже времени отправления. Нарушить причинность и вернуться раньше отправления у него не выйдет: за время путешествия земной конец червоточины сместится в будущее. И с относительностью все (относительно) в порядке: путешественник не может обогнать движущийся через ту же червоточину свет.

Конечно, если мы попытаемся построить вторую червоточину параллельно первой, ситуация станет более… сложной. И потенциально мы можем получить-таки машину времени (хотя есть основания считать, что в этом случае одна из червоточин немедленно коллапсирует — Вселенная не любит машины времени). Но до тех пор, пока мы пользуемся только одной, мы в относительном порядке и мире как с причинностью, так и с относительностью.

Хотя, может, и нет.
Tags: sci-fi
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 360 comments
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →
Previous
← Ctrl ← Alt
Next
Ctrl → Alt →