Для наглядного пояснения действительной сути релятивистских эффектов воспользуемся образом Люмена, созданного Камилом Фламмарионом. Он был не только неутомимым пропагандистом новейших достижений естествознания, но и плодовитым автором, на книгах которого училось не одно поколение ученых во всем мире в конце прошлого - начале нынешнего века. Книги Фламмариона знала вся образованная
Россия, не говоря уже о плеяде русских космистов. Несомненно их влияние и на научно-фантастическую прозу Циолковского. Большинство научно-популярных и беллетризированных работ Фламмариона переведены на русский язык. Среди них научно-фантастический роман "Люмен" (в одном из переводов на русский - со значительными дополнениями - он называется "На волнах бесконечности"). Люмен - бестелесное человекоподобное существо, дух, обуреваемый жаждой познания Вселенной и наделенный волшебным качеством - способностью мгновенно, со скоростью мысли перемещаться в любую точку пространства, наблюдать (подобно другому, уже упоминавшемуся фантому - демону Максвелла) любое физическое явление и даже общаться с потусторонним миром. Люмен мгновенно перемещается по бесконечным просторам Космоса, а возвратившись на землю, рассказывает об увиденном своему ученику (в форме их диалогов и написан весь роман).
Помимо воображаемого описания далеких миров, расположенных в различных созвездиях, и их обитателей, Фламмарион устами Люмена описывает поведение света в Космосе. Известно, что любая информация, идущая с помощью электромагнитных волн с Земли и имеющая конечную скорость, приходит к другим далеким мирам с запозданием на сотни и тысячи лет (подобно тому, как с запозданием доходит до Земли свет умерших звезд). Люмен, в частности, развлекается тем, что, перегнав свет, дожидается его в какой-то далекой звездной системе, а затем наблюдает живые картины исторического прошлого Земли (например, подробности событий Великой французской революции). Представляется, что с помощью Люмена нетрудно будет разобраться в физическом смысле релятивистских эффектов, касающихся света и пространственно-временных параметров движущихся объектов.
Итак, перенесемся мысленно вместе с Люменом на просторы Вселенной. Представим условно покоящийся прожектор, расположенный на уединенном космическом объекте, мимо которого с околосветовой скоростью, равномерно и прямолинейно проносится космический корабль (рис. 122). Прожектор включается и посылает световое излучение вслед ракете в момент, когда ее хвост оказывается в точке, возможно близкой от прожектора. Такая ситуация "соприкосновения" особенно удобна, поскольку позволяет, так сказать, непосредственно добиться одновременности событий и снять те вопросы, которые обычно возникают в теории относительности по поводу синхронизации часов. Для наибольшей наглядности поместим Люмена на кончике светового луча (точнее - фронта световой волны, поскольку сам свет в космическом пространстве невидим).
Допустим, что в покоящейся системе отсчета по ходу движения ракеты размещены ориентиры, позволяющие измерить пройденное расстояние. Предположим также, что Люмен запасся хронометром и намерен произвести некоторые расчеты. Сидя верхом на световом луче, он смог бы без труда констатировать уже известный нам факт: в различных системах отсчета свет за одно и то же время (по хронометру Люмена) проходит разный путь, а одинаковое расстояние преодолевает за различные промежутки времени. Так, за время, пока луч света преодолевает в покоящейся системе отсчета расстояние MN, равное длине ракеты, относительно удаляющейся ракеты он продвинется только до точки
В. Другими словами, в движущейся системе световой луч пройдет расстояние, меньшее, "сокращенное" по сравнению с неподвижной системой координат (и тем меньшее, чем выше скорость ракеты). Аналогичным образом свету, излучаемому неподвижным прожектором, потребуется для преодоления длины летящей ракеты большее время, чем для прохождения того же самого расстояния в покоящейся системе (налицо все то же пресловутое "растяжение" временных событий).
Мысленный эксперимент можно повторить и в земных условиях, совершив воображаемое путешествие на поезде в точном соответствии с условиями, заданными в преобразованиях Лоренца. Рассмотрим движение светового луча, параллельного перемещению поезда и железнодорожному полотну. Для упрощения понимания даваемых разъяснений лучше всего представить, что поезд идет не по открытой местности, а вошел в туннель. Это позволит представить одновременное отображение распространения светового луча или фронта световой волны на стенках вагонов поезда и на стене туннеля. А для того, чтобы результаты измерений сделать зримыми и легко сопоставимыми, уместно допустить, что внешние стенки вагонов в стене туннеля покрыты фотоэмульсией.
Представим (рис. 123), что у входа в туннель неподвижно закреплен источник света - О, посылающий сигнал - ОР в направлении движения поезда MN. Источник включается в тот самый момент, когда с ним поравняется конец последнего вагона. Луч света движется вдогонку уходящему поезду. По мере того, как свет достигает головы состава, происходит засветка фотоэмульсии на стене туннеля и на внешних стенках (или крышах) вагонов по всей длине поезда.
Если допустить, что длина туннеля и железнодорожного состава достаточно велика, а поезд движется с околосветовой скоростью, то получим следующие результаты мысленного эксперимента. Чем выше равномерная скорость поезда, тем большее время потребуется свету, чтобы достичь головного вагона (это происходит потому, что начальная точка состава непрерывно убегает; по мере продвижения поезда вперед свет займет положение М=N=. Если свет, догоняющий поезд, погаснет, как только достигнет головной точки (или отразится зеркалом в обратном направлении), то картина засветки фотоэмульсии на внешних стенках вагонов будет отличаться от картины, получившейся на стене туннеля.
Что же именно произойдет? Чтобы воочию уяснить это, поезд по окончании эксперимента придется остановить и вернуть назад к въезду в туннель. Если поместить конец последнего вагона вровень с источником света (то есть совместить точки А , М, O, откуда начиналось движение светового луча), то тень засветки на стене туннеля АВ==ОР окажется по длине больше, чем длина самого поезда - MN, и, соответственно, больше тени засветки на внешних стенках вагонов от их исходной до конечной точки. МN=M=N=, но MN
Автору уже доводилось совершать мысленный сверхсветовой полет. И неоднократно. Его спутником и вожатым в этом увлекательном путешествии был опять-таки профессор В. П. Селезнев. Мы даже две книги на эту тему совместно написали. Одна так и называется "К звездам быстрее света: Русский космизм вчера, сегодня, завтра" (М., 1993). Уместно воспроизвести здесь основные вехи сверхсветового полета в космические дали, где между соавторами развернулся такой диалог.
Автор. Выявление закономерности движения материальных тел, света и полей гравитации показало, что никаких ограничений в скорости относительного перемещения не существует. Почему бы нам не представить, как будет происходить космический полет со сверхсветовой скоростью? Поскольку существует такая возможность, мы можем ею воспользоваться как первопроходцы для дерзновенного научно-технического подвига - совершить, хотя бы мысленно и в мечтах, полет быстрее света к далеким звездам.
Существуют ли практические возможности, естественно, в будущем, реализовать подобную идею?
Профессор. Вопрос затрагивает чрезвычайно сложную проблему, которую можно решить, если основываться не на фантазиях, а на научной базе, учитывающей будущие достижения технического прогресса чрезвычайно высокого уровня. Конечно, в настоящее время подобная задача кажется несбыточной мечтой. Но впечатляющие успехи в области космонавтики вселяют оптимистическую надежду. Рассмотрим принципиальные возможности полета со сверхсветовой скоростью. Как известно, тяга ракетных двигателей не зависит от скорости движения ракеты, а только от скорости вытекания газов из сопел двигателей и запасов топлива. О том, какие скорости полета могут быть достигнуты, можно судить по следующему примеру. Пусть у звездолета имеются фотонные ракетные двигатели, то есть фотоны вылетают конечная масса ракеты будет составлять 1 процент от начальной массы (такие соотношения бывают и у современных космических ракет), то ракета может достичь 4,6 скорости света. При перегрузке в одну единицу (космонавты будут воспринимать силу, равную силе веса на Земле) разгон ракеты до такой скорости будет продолжаться около четырех с половиной лет (здесь не учитывается сопротивление космической среды, которое при таких скоростях может оказаться значительным и опасным). Во всяком случае, полеты к далеким звездам в обозримый отрезок времени превращаются из фантастических гипотез в реально осуществимые проекты.
Автор. Кстати, здесь мы вовсе не будем первопроходцами в таком путешествии. Первыми были Данте и Беатриче, совершившие воспарение в "Рае" при помощи светового потока и со скоростью света. Данте так передает свои ощущения от этого полета: