5. Сепаратор и космический корабль. Общая теория относительности. В мире больших скоростей

Содержание

Теория относительности в картинках

5. Сепаратор и космический корабль. Общая  теория  относительности. В мире больших скоростей

Tutorial

В своей статье я хотел бы рассказать о теории относительности. Эта теория не требуется в представлении. С самого своего создания она была окутана ореолом тайны, поскольку полностью подрывает наши привычные представления о пространстве и времени. Все мы в школе учили формулы теории относительности, но мало кто действительно понимал их. И это не удивительно, ведь человеку, чтобы по-настоящему понять какую-то теорию во всей её красоте, полноте и непротиворечивости, не достаточно знать формулы. Нужно иметь какой-то визуальный ориентир, нужна динамика, чтобы было что-то, что можно повертеть в руках. Я решил восполнить этот пробел и написал небольшую программку, в которой можно «повертеть в руках» пространство-время. Мы, как настоящие исследователи, с помощью небольших экспериментов попытаемся выяснить основные свойства этой загадочной материи. Под катом много картинок (и ни одной формулы). Сразу следует прояснить, что существует две теории относительности: — специальная теория относительности (СТО) рассматривает механику движения тел в пустом (не искривленном) пространстве-времени. — общая теория относительности (ОТО) изучает явления гравитации и искривление пространства-времени объектами, обладающими массой. Все описанное ниже относится к первой из них.

Евклидово пространство и пространство Минковского

Прежде, чем рассматривать пространство-время, давайте вспомним, что такое обычное евклидово пространство.

И так, у нас имеется плоскость. В этой плоскости имеются некоторые геометрические фигуры: точки, отрезки. Так же у нас имеются две операции: параллельный перенос, и поворот. Давайте внимательно рассмотрим эти две операции.

Далее перейдем к рассмотрению так называемого пространства Минковского. В нем мы оставили параллельный перенос, но операцию поворота заменили на другую операцию. Как видите, при «повороте» каждая точка движется вдоль сереньких кривых. В результате все точки вытягиваются либо вдоль одной желтой прямой, либо вдоль другой. При таком «повороте» отрезки сохраняют свою форму и переходят в отрезки. Собственно, это и есть пространство-время. Давайте, будем считать, что горизонтальная ось — это пространство, а вертикальная — время. Будем считать, что время идет снизу вверх. Точка в пространстве-времени — это некоторое событие, которое произошло в некотором месте в некоторое время. А отрезок — это некоторый процесс. Например, если объект движется, то будем обозначать его движение отрезком. Чтобы Вы немного сориентировались, поставим первый эксперимент.

Эксперимент 1. Ньютоновская механика

Первым делом будем рассматривать объекты движущиеся с небольшими скоростями (много меньше скорости света). Допустим, имеется некоторый неподвижный объект, например дерево. Нарисуем его с помощью вертикального отрезка. Так же у нас имеется некоторый движущийся объект — автомобиль. Мы видим, что автомобиль едет навстречу дереву. Нарисуем еще один движущийся объект.

В результате получаем картину: Обратите внимание, что чем сильнее наклон, тем скорость объекта больше. Так выглядит наша картина из неподвижной системы отсчета. А что мы увидим, если будем сидеть в автомобиле? Для этого нам нужно немножко «перекосить» нашу плоскость. Все правильно. Автомобиль теперь неподвижен, а дерево и человек движутся нам навстречу.

Точно так же мы можем перейти в систему отсчета, связанную с человеком. Для этого нам нужно «перекосить» пространство-время в другую сторону. В целом процесс перехода от одной системы отсчета в другую выглядит следующим образом: Такое преобразование называется «преобразованием Галилея». При этом каждая точка движется вдоль горизонтальной прямой.

Это значит, что время одинаково во всех системах отсчета (время абсолютно). Давайте теперь перейдем к бОльшим масштабам, «сжав» нашу ось X. На самом деле, переход от одной системы отсчета в другую есть ни что иное, как «поворот» в пространстве Минковского, а преобразования Галилея — это всего лишь предельный случай для маленьких скоростей.

Мы видим, что точки теперь движутся не горизонтально. Т.е. время не является абсолютной величиной, а зависит от выбранной системы отсчета.

Эксперимент 2. Замедление времени

Допустим имеются два наблюдателя, один неподвижный, другой летит на своем космическом корабле от него с некоторой скоростью. Отметки на отрезке показывают, как идет время внутри объекта. Мы видим, что время неподвижного наблюдателя движется быстрее, чем у подвижного (один час у движущегося наблюдателя наступает позже, чем у неподвижного).

Но точно такую же картину видит и второй наблюдатель. Вот так одна система отсчета переходит в другую Получается странная ситуация — два наблюдателя смотрят друг на друга, и они друг другу кажутся «заторможенными». Чтобы выяснить, кто же из них на самом деле «тормоз», второй наблюдатель разворачивает свой космический корабль и летит обратно.

Вместе они сверяют часы и выясняют, что у неподвижного наблюдателя прошло 5 единиц времени, а у подвижного — чуть больше 4. Т.е. наблюдатель, который «сделал крюк» в пространстве-времени потратил меньше своего внутреннего времени, чем неподвижный наблюдатель. Но то же самое, только с точностью до наоборот, произошло бы, если бы первый наблюдатель полетел на встречу второму.

Вывод: у неподвижного наблюдателя время всегда идет быстрее, чем у движущегося.

Эксперимент 3. Скорость света.

Допустим, у нас имеется неподвижная космическая станция. От неё отстыковался некоторый корабль. Перейдем в систему отсчета этого корабля. Далее от этого корабля отстыковался другой корабль. Затем от второго корабля отстыковался третий. и так далее.

Таким образом я пытался изобразить процесс ускорения. Очевидно, что каждый следующий корабль будет двигаться с большей скоростью, чем предыдущий. Давайте теперь вернемся к первому кораблю и посмотрим. Напомню Вам, что наклон определяет скорость.

Желтая линия, а точнее её наклон, показывает скорость света.

По картинке видно, что каждый следующий корабль приближается к скорости света, но не может превысить её. Так же видно, что внутреннее время с увеличением скорости все больше замедляется.

Из этого мы делаем вывод, что ничто не может двигаться со скоростью, превышающей скорость света.

Пусть теперь каждый корабль выпускает луч света.
Мы видим, что свет в любой системе отсчета движется со скоростью света.

Эксперимент 4. Световой конус

Две желтые линии очерчивают фигуру, называемую «световой конус». Световой конус разделяет пространство-время на две области, которые я отметил красным и зеленым цветами. Если какое-то событие находится в красной области, то мы будем говорить, что событие находится в пределах светового конуса.

Это означает, что свет из начала координат успевает долететь до нашей точки. Если событие находится в зеленой области, то мы говорим, что событие находится за пределами светового конуса, и свет из начала координат не успевает долететь до этого события. Рассмотрим следующий пример.

Имеется три одновременных события Давайте посмотрим, что произойдет, если мы будем менять систему отсчета. Мы видим, что в другой системе отсчета события вовсе не являются одновременными. Теперь события не просто смещаются во времени, они еще меняют свой хронологический порядок.

Событие, которое произошло раньше некоторого события, в другой системе отсчета может произойти позже. Но как такое может быть? Не является ли это нарушением причинно-следственных связей? Напомню, что если событие находится за пределами светового конуса, это значит, что свет не может долететь до этого события за отведенное время.

А поскольку ничто (никакой объект или сигнал) не может двигаться быстрее скорости света, получается, что событие, произошедшее в точке А, никак не может повлиять на событие в точке Б. То же самое справедливо и в обратную сторону. Событие в точке Б никак не может повлиять на событие в точке А.

Про такие события говорят, что они не связаны причинно-следственными связями. Получается, что событие, находящееся за пределом светового конуса относительно данного, не связано с ним причинно-следственными связями.

Эксперимент 5. Движение со сверх-световой скоростью

Все космические объекты: солнечные системы, галактики — находятся на гигантских расстояниях друг от друга. И даже двигаясь со скоростью света, нам потребуется очень много времени, чтобы преодолеть эти расстояния.

Например, ближайшая к нам звезда (альфа-Центавра) находится на расстоянии 4 световых года, а ближайшая галактика (Большое Магелланово Облако) — уже 160 тысяч световых лет. Если до альфа-Центавра мы еще можем слетать «туда и обратно», то слетать «туда и обратно» в соседнюю галактику уже не получится.

Точнее, улететь-то мы сможем, а вот когда вернемся, на Земле пройдет уже 320 тысяч лет (напомню, что внутри объекта, движущегося со скоростью света, время практически стоит на месте). Что же делать? Писатели-фантасты в своих произведениях очень ловко обходят это ограничение.

Чего-только они не напридумывали: сверхскоростные двигатели, гипер-пространства, мультиплексы, искривление пространства-времени, прыжки через червоточины, черные дыры и т.д. На самом деле, проблема гораздо глубже, чем может показаться. Заключается она в том, что за пределами светового конуса НЕ МОГУТ существовать причинно-следственные связи.

Иначе мы неизбежно придем к противоречиям. Рассмотрим пример. Мы сидим на своей планете. В один прекрасный момент наши ученые изобретают «супер-телепортатор» способный телепортировать нас на любое расстояние за минимальное количество времени. Ну мы взяли и телепортировались в соседнюю галактику.

Посидев в другой галактике, мы отправились на дальнейшее исследование космоса. Если мы теперь перейдем в систему отсчета, связанную с нашим кораблем, то увидим следующее. Мы видим, что наша исходная точка (планета Земля) сместилась в будущее.

А поскольку законы природы во всех системах отсчета работают одинаково, то мы можем снова воспользоваться нашим «супер-телепортатором» и вернуться в собственное прошлое. Получается, что движение со сверх-световой скоростью, эквивалентно перемещению во времени, а оно тянет за собой кучу парадоксов. Таким образом, проблема космических путешествий не в том, что мы не умеем искривлять пространство-время или строить сверх-световые двигатели, а в том, что даже теоретическая возможность таких перемещений подрывает все причинно-следственные связи.

Заключение

На этом в общем-то и все. Самое основное, кажется, рассказал. Надеюсь, было понятно.

При написании статьи была использована программка (Ссылка на github)

Comments 342

today at 12:27

today at 12:00

Источник: https://m.habr.com/post/169347/

Специальная теория относительности

5. Сепаратор и космический корабль. Общая  теория  относительности. В мире больших скоростей

СТО, также известная как частная теория относительности является проработанной описательной моделью для отношений пространства-времени, движения и законов механики, созданная в 1905 году лауреатом Нобелевской премии Альбертом Эйнштейном.

Поступая на отделение теоретической физики Мюнхенского университета, Макс Планк обратился за советом к профессору Филиппу фон Жолли, руководившему в тот момент кафедрой математики этого университета. На что он получил совет: «в этой области почти всё уже открыто, и всё, что остаётся – заделать некоторые не очень важные проблемы».

Юный Планк ответил, что он не хочет открывать новые вещи, а только хочет понять и систематизировать уже известные знания. В итоге из одной такой «не очень важной проблемы» впоследствии возникла квантовая теория, а из другой – теория относительности, за которые Макс Планк и Альберт Эйнштейн получили нобелевские премии по физике.

Формирование теории

Формула теории относительности

В отличие от многих других теорий, полагавшихся на физические эксперименты, теория Эйнштейна практически полностью была основана на его мысленных экспериментах и только впоследствии была подтверждена на практике.

Так ещё в 1895 году (в возрасте всего 16 лет) он задумался о том, что будет, если двигаться параллельно лучу света с его скоростью? В такой ситуации получалось, что для стороннего наблюдателя частицы света должны были колебаться вокруг одной точки, что противоречило уравнениям Максвелла и принципу относительности (который гласил, что физические законы не зависят от места где вы находитесь и скорости с которой вы движетесь). Таким образом юный Эйнштейн пришёл к выводу, что скорость света должна быть недостижима для материального тела, а в основу будущей теории был заложен первый кирпичик.

Следующий эксперимент был проведён им в 1905 году и заключался в том, что на концах движущегося поезда находятся два импульсных источника света которые зажигаются в одно время.

Для стороннего наблюдателя, мимо которого проходит поезд, оба этих события происходят одновременно, однако для наблюдателя, находящегося в центре поезда эти события будут казаться произошедшими в разное время, так как вспышка света из начала вагона придёт раньше, чем из его конца (в следствии постоянности скорости света).

Мысленный эксперимент с поездом

Из этого он сделал весьма смелый и далеко идущий вывод, что одновременность событий является относительной. Полученные на основе этих экспериментов расчёты он опубликовал в работе «Об электродинамике движущихся тел». При этом для движущегося наблюдателя один из этих импульсов будет иметь большую энергию нежели другой.

Для того чтобы в такой ситуации не нарушался закон сохранения импульса при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой необходимо было чтобы объект одновременно с потерей энергии должен был терять и массу. Таким образом Эйнштейн пришёл к формуле характеризующую взаимосвязь массы и энергии E=mc2 – являющейся, пожалуй, самой известной физической формулой на данный момент.

Результаты этого эксперимента были опубликованы им позднее в том же году.

Основные постулаты

Уравнения теории относительности: скорость, время и длинна объекта относительно механики Ньютона

Постоянство скорости света – к 1907 году были произведены эксперименты по измерению скорости света с точностью ±30 км/с (что было больше орбитальной скорости Земли) не обнаружившие её изменения в ходе года. Это стало первым доказательством неизменности скорости света, которое в последствии было подтверждено множеством других экспериментов, как экспериментаторами на земле, так и автоматическими аппаратами в космосе.

Принцип относительности – этот принцип определяет неизменность физических законов в любой точке пространства и в любой инерциальной системе отсчёта.

То есть в независимости от того движетесь ли вы со скоростью около 30 км/с по орбите Солнца вместе с Землёй или в космическом корабле далеко за её пределами – ставя физический эксперимент вы всегда будете приходить к одним и тем же результатам (если ваш корабль в это время не ускоряется или замедляется).

Этот принцип подтверждался всеми экспериментами на Земле, и Эйнштейн разумно счёл этот принцип верным и для всей остальной Вселенной.

Следствия

Путём расчётов на основе этих двух постулатов Эйнштейн пришёл к выводу, что время для движущегося в корабле наблюдателя должно замедляться с увеличением скорости, а сам он вместе с кораблём должен сокращаться в размерах в направлении движения (для того чтобы скомпенсировать тем самым эффекты от движения и соблюсти принцип относительности).

Из условия конечности скорости для материального тела вытекало также что правило сложения скоростей (имевшее в механике Ньютона простой арифметический вид) должно быть заменено более сложными преобразованиями Лоренца – в таком случае даже если мы сложим две скорости в 99% от скорости света мы получим 99,995% от этой скорости, но не превысим её.

Статус теории

Так как формирование из частной теории её общей версии у Эйнштейна заняло только 11 лет, экспериментов для подтверждения непосредственно СТО не проводилось.

Однако в том же году, когда была опубликована ОТО Эйнштейн также опубликовал свои расчёты, объяснявшие смещение перигелия Меркурия с точностью до долей процентов, без необходимости введения новых констант и других допущений, которые требовались другим теориям, объяснявшим этот процесс.

С тех пор правильность ОТО была подтверждена экспериментально с точностью до 10-20, а на её основе было сделано множество открытий, что однозначно доказывает правильность этой теории.

Первенство в открытии

Когда Эйнштейн опубликовал свои первые работы по специальной теории относительности и приступил к написанию её общей версии, другими учёными уже была открыта значительная часть формул и идей, заложенных в основе этой теории.

Так скажем преобразования Лоренца в общем виде были впервые получены Пуанкаре в 1900 году (за 5 лет до Эйнштейна) и были названы так в честь Хендрика Лоренца получившего приближённую версию этих преобразований, хотя даже в этой роли его опередил Вольдемар Фогт.

Пуанкаре также работал над созданием теории относительности и пришёл к принципу относительности и 4-мерному пространству-времени на несколько лет раньше Эйнштейна, но так как ему не хватило смелости в своих расчётах отказаться от эфира, то прийти к верному решению ему так и не удалось.

Таким образом многие учёные сходятся к выводу что, если бы даже Эйнштейна и не было, к равенству инерционной и гравитационной массы и ряду других деталей необходимых для построения теории относительности вскоре должен был бы прийти один из других исследователей. Однако на момент публикации ОТО в 1915 году никем другим этих последних шагов не было сделано, так что первенство в создании теории относительности Эйнштейном никто из серьёзных учёных на данный момент не оспаривает.

by HyperComments

Источник: http://SpaceGid.com/special_theory_of_relativity.html

Теория относительности простым языком. Теория относительности Эйнштейна

5. Сепаратор и космический корабль. Общая  теория  относительности. В мире больших скоростей

СТО, ТОЭ — под этими аббревиатурами скрывается знакомый практически всем термин «теория относительности». Простым языком можно объяснить все, даже высказывание гения, так что не отчаивайтесь, если не помните школьный курс физики, ведь на самом деле все гораздо проще, чем кажется.

Зарождение теории

Итак, начнем курс «Теория относительности для чайников». Альберт Эйнштейн опубликовал свою работу в 1905 году, и она вызвала резонанс среди ученых.

Эта теория практически полностью перекрывала многие пробелы и нестыковки в физике прошлого века, но и, ко всему прочему, перевернула представление о пространстве и времени.

Во многие утверждения Эйнштейна современникам было сложно поверить, но эксперименты и исследования только подтверждали слова великого ученого.

Теория относительности Эйнштейна простым языком объясняла то, над чем люди бились столетиями. Ее можно назвать основой всей современной физики. Однако прежде чем продолжить разговор о теории относительности, следует разъяснить вопрос о терминах.

Наверняка многие, читая научно-популярные статьи, сталкивались с двумя аббревиатурами: СТО и ОТО. На самом деле они подразумевают несколько разные понятия.

Первая — это специальная теория относительности, а вторая расшифровывается как «общая теория относительности».

Просто о сложном

СТО — это более старая теория, которая потом стала частью ОТО. В ней могут быть рассмотрены только физические процессы для объектов, движущихся с равномерной скоростью. Общая же теория может описать, что происходит с ускоряющимися объектами, а также объяснить, почему существуют частицы гравитонов и гравитация.

Если нужно описать движение и законы механики, а также отношения пространства и времени при приближении к скорости света — это сможет сделать специальная теория относительности.

Простыми словами можно объяснить так: к примеру, друзья из будущего подарили вам космолет, который может летать на высокой скорости.

На носу космического корабля стоит пушка, способная расстрелять фотонами все, что попадется впереди.

Когда производится выстрел, то относительно корабля эти частицы летят со скоростью света, но, по логике, неподвижный наблюдатель должен увидеть сумму двух скоростей (самих фотонов и корабля). Но ничего подобного. Наблюдатель увидит фотоны, движущиеся со скоростью 300000 м/с, будто скорость корабля была нулевой.

Все дело в том, что как бы быстро ни двигался объект, скорость света для него является неизменной величиной.

Это утверждение является основной поразительных логических выводов вроде замедления и искажения времени, зависящих от массы и скорости объекта. На этом основаны сюжеты многих научно-фантастических фильмов и сериалов.

Общая теория относительности

Простым языком можно объяснить и более объемную ОТО. Для начала следует принять во внимание тот факт, что наше пространство четырехмерное. Время и пространство объединяются в таком «предмете», как «пространственно-временной континуум». В нашем пространстве имеются четыре оси координат: х, у, z и t.

Но люди не могут воспринимать непосредственно четыре измерения, так же, как гипотетический плоский человек, живущих в двухмерном мире, не в состоянии посмотреть вверх. По сути, наш мир является только проекцией четырехмерного пространства в трехмерное.

Интересным фактом является то, что, согласно общей теории относительности, тела не меняются при движении. Объекты четырехмерного мира на самом деле всегда неизменны, и при движении изменяются только их проекции, что мы и воспринимаем как искажение времени, сокращение или увеличение размеров и прочее.

Эксперимент с лифтом

О теории относительности простым языком можно рассказать с помощью небольшого мысленного эксперимента. Представьте, что вы в лифте. Кабинка пришла в движение, и вы оказались в состоянии невесомости.

Что произошло? Причины может быть две: либо лифт находится в космосе, либо пребывает в свободном падении под действием гравитации планеты.

Самое интересное состоит в том, что выяснить причину невесомости нельзя, если нет возможности выглянуть из кабинки лифта, то есть оба процесса выглядят одинаково.

Возможно, проведя похожий мысленный эксперимент, Альберт Эйнштейн пришел к выводу, что если эти две ситуации неотличимы друг от друга, значит, на самом деле тело под воздействием гравитации не ускоряется, это равномерное движение, которое искривляется под воздействием массивного тела (в данном случае планеты). Таким образом, ускоренное движение — это лишь проекция равномерного движения в трехмерное пространство.

Наглядный пример

Еще один хороший пример на тему «Теория относительности для чайников». Он не совсем корректен, зато очень прост и нагляден. Если на натянутую ткань положить какой-либо объект, он образует под собой «прогиб», «воронку».

Все меньшие тела вынуждены будут искажать свою траекторию согласно новому изгибу пространства, а если у тела немного энергии, оно вообще может не преодолеть этой воронки.

Однако с точки зрения самого движущегося объекта, траектория остается прямой, они не почувствуют изгиба пространства.

Гравитация «понижена в звании»

С появлением общей теории относительности гравитация перестала быть силой и теперь довольствуется положением простого следствия искривления времени и пространства. ОТО может показаться фантастичной, однако является рабочей версией и подтверждается экспериментами.

Множество, казалось бы, невероятных в нашем мире вещей может объяснить теория относительности. Простым языком такие вещи называют следствиями ОТО. Например, лучи света, пролетающие на близком расстоянии от массивных тел, искривляются.

Более того, многие объекты из далекого космоса скрыты друг за другом, но из-за того, что лучи света огибают другие тела, нашему взору (точнее, взору телескопа) доступны, казалось бы, невидимые объекты.

Это ведь все равно, что смотреть сквозь стены.

Чем больше гравитация, тем медленнее на поверхности объекта течет время. Это касается не только массивных тел вроде нейтронных звезд или черных дыр. Эффект замедления времени можно наблюдать даже на Земле. К примеру, приборы для спутниковой навигации снабжены точнейшими атомными часами. Они находятся на орбите нашей планеты, и время там тикает чуть быстрее.

Сотые доли секунды через сутки сложатся в цифру, которая даст до 10 км погрешности в расчетах маршрута на Земле. Рассчитать эту погрешность позволяет именно теория относительности.

Простым языком можно выразиться так: ОТО лежит в основе многих современных технологий, и благодаря Эйнштейну мы легко можем найти в незнакомом районе пиццерию и библиотеку.

Источник: http://fb.ru/article/311376/teoriya-otnositelnosti-prostyim-yazyikom-teoriya-otnositelnosti-eynshteyna

Искусственная гравитация в Sci-Fi — Бородокаст

5. Сепаратор и космический корабль. Общая  теория  относительности. В мире больших скоростей

Вы можете не интересоваться космосом, но наверняка читали о нем в книгах, видели в фильмах и играх. В большинстве произведений, как правило, присутствует гравитация — мы не обращаем на нее внимания и воспринимаем как данность. Вот только это не так.

Если не углубляться в физику дальше школьного курса, то гравитация — фундаментальное взаимодействие тел, благодаря которому все они притягивают друг друга.

Массивные притягивают сильнее, меньшие — слабее.

Земля это как раз такой массивный объект. Поэтому люди, животные, здания, деревья, травинки, смартфон или компьютер — все притягивается к Земле. Мы к этому привыкли и никогда не задумываемся о такой мелочи.

Главное следствие притяжения Земли для нас — ускорение свободного падения, также известное как g. Оно равно 9,8 м/с². Любое тело при отсутствии опоры будет одинаково ускоряться к центру Земли, набирая 9,8 метров скорости каждую секунду.

Благодаря этому эффекту мы ровно стоим на ногах, различаем «верх» и «низ», роняем вещи, и так далее. Убери притяжение Земли — и все привычные действия перевернутся с ног на голову.

Лучше всего это знают космонавты, которые проводят существенную часть своей жизни на МКС. Они заново учатся пить, ходить, справлять базовые нужды.

Вот несколько примеров.

При этом в упомянутых фильмах, сериалах, играх и прочей фантастике гравитация на космических кораблях «просто есть». Создатели даже не объясняют, откуда она там появилась — а если и объясняют, то неубедительно. Какие-то «генераторы гравитации», принцип работы которых неизвестен. Это никак не отличается от «просто есть» — лучше вообще не объяснять в таком случае. Так честнее.

Теоретические модели искусственной гравитации

Создать искусственную гравитацию можно несколькими способами.

Много массы

Первый (и самый «правильный») вариант — увеличить корабль, сделать его очень массивным. Тогда гравитационное взаимодействие будет обеспечивать требуемый эффект.

Но нереальность данного способа очевидна: для такого корабля нужно очень много материи. Да и с равномерностью распределения гравитационного поля нужно что-то делать.

Постоянное ускорение

Так как нам нужно достичь постоянного ускорения свободного падения в 9,8 м/с², то почему бы не сделать космический корабль в виде платформы, которая будет ускоряться перпендикулярно своей плоскости с этим самым g?

Таким образом нужный эффект будет достигнут — но есть несколько проблем.

Во-первых, нужно откуда-то брать топливо для обеспечения постоянного ускорения. И даже если кто-то вдруг придумает двигатель, который не требует выброса материи, закон сохранения энергии никуда не пропадет.

Во-вторых, проблема заключается в самой природе постоянного ускорения. Наши физические законы гласят: ускоряться вечно нельзя. Теория относительности же говорит обратное.

Даже если корабль периодически будет менять направление, для обеспечения искусственной гравитации он должен постоянно куда-то лететь. Никаких зависаний вблизи планет. Если корабль остановится, то гравитация пропадет.

Так что и такой вариант нам не подходит.

Карусель-карусель

А вот тут уже начинается самое интересное. Все знают, как работает карусель — и какие эффекты испытывает человек в ней.

Всё, что находится на ней, стремится выскочить наружу соразмерно скорости вращения. Со стороны карусели же получается, что на все действует сила, направленная вдоль радиуса. Вполне себе «гравитация».

Таким образом, нам нужен корабль в форме бочки, который будет вращаться вокруг продольной оси. Такие варианты довольно часто встречаются в научной фантастике.

При вращении вокруг оси возникает центробежная сила, направленная вдоль радиуса. Поделив силу на массу, мы получим искомое ускорение.

Высчитывается все это по незамысловатой формуле:

a=ω²R,

где a — ускорение, R — радиус вращения, а ω — угловая скорость, измеряемая в радианах в секунду (радиан это примерно 57,3 градуса).

Что нам нужно для нормальной жизни на воображаемом космическом крейсере? Комбинация радиуса корабля и угловой скорости, чье производное выдаст в итоге 9,8 м/с².

Нечто подобное мы видели в ряде произведений: «2001 год: Космическая одиссея» Стэнли Кубрика, сериал «Вавилон 5», «Интерстеллар» Нолана, роман «Мир-Кольцо» Ларри Нивена, вселенная игр Halo.

Во всех них ускорение свободного падения примерно равно g — все логично. Однако и в этих моделях существуют проблемы.

Проблемы «карусели»

Самую явную проблему, пожалуй, проще всего объяснить на примере «Космической одиссеи». Радиус корабля составляет примерно 8 метров — для достижения ускорения, равного g, требуется угловая скорость примерно в 1,1 рад/с. Это примерно 10,5 оборотов в минуту.

При таких параметрах в силу вступает «эффект Кориолиса» — на разной «высоте» от пола на движущиеся тела действует разная сила. И зависит она от угловой скорости.

Так что в нашей виртуальной конструкции мы не можем вращать корабль слишком быстро, поскольку это приведет к внезапным падениям и проблемам с вестибулярным аппаратом. А с учетом формулы ускорения, не можем мы себе позволить и маленький радиус корабля.

Поэтому модель «Космической одиссеи» отпадает. Примерно та же проблема и с кораблями в «Интерстелларе», хотя там с цифрами уже все не так очевидно.

Вторая проблема находится с другой стороны спектра. В романе Ларри Нивена «Мир-Кольцо» корабль представляет собой гигантское кольцо с радиусом, примерно равным радиусу земной орбиты (1 а.е. ≈ 149 млн км). Таким образом он вращается с вполне удовлетворительной скоростью для того, чтобы человек не заметил эффект Кориолиса.

Казалось бы — все сходится, но и тут есть проблема. Один оборот займет 9 дней, что создаст огромные перегрузки при таком диаметре кольца. Для этого нужен очень крепкий материал. На данный момент человечество не может произвести такую прочную конструкцию — не говоря уже о том, что где-то нужно взять столько материи и еще все построить.

В случае с Halo или «Вавилоном 5» все предыдущие проблемы вроде отсутствуют: и скорость вращения достаточная, чтобы эффект Кориолиса не имел негативного воздействия, и построить такой корабль реально (гипотетически).

Но и у этих миров есть свой минус. Имя ему — момент импульса.

Раскручивая корабль вокруг оси, мы превращаем его в гигантский гироскоп. А отклонить гироскоп от своей оси сложно из-за момента импульса, количество которого должно сохраняться в системе. А значит, лететь куда-то в определенном направлении будет тяжело. Но эта проблема решаема.

Как должно быть

Называется это решение «цилиндр О’Нила»: берем два одинаковых корабля-цилиндра, соединенные вдоль оси и вращающиеся каждый в свою сторону. В результате мы имеем нулевой суммарный момент импульса, и проблем с направлением корабля в нужном сторону быть не должно.

При радиусе корабля в 500 метров и более (как в «Вавилоне 5») все должно работать как надо.

Какие мы можем сделать выводы о реализации искусственной гравитации в космических кораблях?

Изо всех вариантов самым реальным выглядит именно вращающаяся конструкция, в которой сила, направленная «вниз», обеспечивается центростремительным ускорением. Создать же искусственную гравитацию на корабле с плоскими параллельными конструкциями вроде палуб, учитывая наше современные понимание законов физики, невозможно.

Радиус вращающегося корабля должен быть достаточным, чтобы эффект Кориолиса был незначительным для человека. Хорошими примерами из придуманных миров могут служить уже упоминавшиеся Halo и «Вавилон 5».

Для управления такими кораблями нужно построить цилиндр О’Нила — две «бочки», вращающиеся в разном направлении для обеспечения нулевого суммарного момента импульса для системы. Это позволит адекватно управлять кораблем — вполне реальный рецепт обеспечения космонавтов комфортными гравитационными условиями.

И до того момента, как мы сможем построить нечто подобное, хотелось бы, чтобы фантасты уделяли больше внимания физической реалистичности в их произведениях.

Источник: https://beardycast.com/article/science/iskusstvennaja-gravitacija-v-sci-fi/

Проект звездолёта, способного двигаться быстрее скорости света

5. Сепаратор и космический корабль. Общая  теория  относительности. В мире больших скоростей

Открыв себе дорогу к звездам, человечество практически сразу начало мечтать о межзвездных и межпланетных полетах. Однако время идет, а дальше Луны человек так и не слетал. Чтобы преодолевать огромные межпланетные расстояния, человечеству нужны более совершенные двигатели и космические корабли, которые смогли бы передвигаться со скоростью света.

Пока что такие аппараты можно встретить лишь в трудах писателей-фантастов, но время не стоит на месте. Самые смелые идеи фантастов часто находят свое графическое и научное воплощение. Так произошло и с концепцией космического корабля, который мог бы путешествовать по просторам Вселенной со скоростью, превышающей скорость света.

Проект был представлен ученым НАСА Харольдом Уайтом и графическим дизайнером Марком Рэйдмэйкером.

Теоретически путешествие с такой скоростью возможно при помощи использования так называемого двигателя искривления, который генерирует вирп-поле, искривляющее пространственно-временной континуум. Именно это и приводит такой космический корабль в движение.

Харольд Уайт — это физик, который на протяжении многих лет работает над вопросами преодоления скорости света с помощью космических кораблей. Еще в 2011 году он опубликовал свой научный доклад, в котором впервые представляет общественности свою концепцию перемещений в пространстве со сверхсветовой скоростью.

Однако теперь работающая с ним команда единомышленников представила проект космического корабля, который на практике воплощает обозначенную концепцию.

Стоит отметить, что голландский художник Марк Рэйдмэйкер уже достаточно хорошо известен. Он стал знаменитым благодаря серии своих графических работ, сделанных по мотивам телевизионного сериала «Звездный путь».

Рэйдмэйкер рассказал журналистам телеканала NBC News о том, что он внимательно познакомился с работами Харольда Уайта, которые были сделаны в космическом центре NASA Johnson.

По словам художника, работа над графическим воплощением идей физика из НАСА заняла у него 3 месяца.

 —

Согласно представленной концепции, пространство за звездолетом будет со стремительной скоростью расширяться, толкая корабль вперед по прямой. Используя такой метод перемещения в пространстве, можно будет добраться до Альфы Центавра всего за 14 дней.

Альфа Центавра — это ближайшая к Земле звездная система, но даже она удалена от нашей планеты на огромное расстояние — 4,3 световых года (1 световой год — это примерно 9,5 триллиона километров).

Сам Уайт говорит, что то, что было возможным в сериале «Звездный путь», возможно, не является настолько отдаленной перспективой, как многие думают.

Работа над аппаратом, который мог бы передвигаться по Вселенной со скоростью, превышающей скорость света (299 792 458 м/с), увлекает Уайта достаточно давно.

Исследованиями в этом направлении он занимается совместно с членами специальной научной группы Космического центра НАСА им. Джонсона. Здесь исследуются возможности ворп-двигателей.

При помощи такого двигателя космический корабль, получивший обозначение IXS Enterprise, получил бы возможность осуществлять космические путешествия со скоростью, превышающей скорость света.

Исходя из концепции Уайта, которую тот мечтает воплотить в реальность, Марк Рэдмэйкер представил трехмерный графический концепт будущего межзвездного космического корабля. После довольно длительного изучения работ Уайта художник представил на суд общественности космической корабль сравнительно небольших размеров, который находится внутри двух достаточно крупных колец.

Данные кольца на бескрайних просторах космоса должны служить для правильной деформации времени и пространства. При этом работа в данном направлении не заканчивается созданием графического концепта космического корабля.

Исследовательская группа американского космического агентства недавно представила сразу 12 инновационных технологий, которые планируется реализовать в самое ближайшее время — в течение 2-х лет.

И хотя проект IXS Enterprise в настоящее время находится по большей части на стадии теоретической проработки, проведения экспериментов и исследований, группа исследований искренне верит в то, что подобный корабль можно будет запустить в межпланетное путешествие. Исследователи считают, что такой полет может состояться скорее, чем многие думают.

Амбициозная, а в чем-то и фантастическая, программа по проектированию космических кораблей, способных передвигаться со скоростью, превышающей скорость света, известна также как проект «Скорость».

Цель проекта — разработка двигателей, которые позволили бы человеку путешествовать со сверхсветовой скоростью. В основу этого амбициозного проекты была помещена концепция деформации пространства, которая вытекает из уравнения известного физика Мигеля Алькубьере.

Данное уравнение предусматривает создание такого механизма, который был бы в состоянии «деформировать» пространство. Речь идет о космическом двигателе искривления, который расширял бы пространство впереди корабля, а сзади наоборот — сжимал.

Благодаря этому вокруг космического корабля образовывался бы пространственно-временной «пузырь Алькубьере». Внутри этого «пузыря» корабль и смог бы передвигаться в пространстве со сверхсветовой скоростью.

Предполагается, что данный двигатель будет иметь сферическую форму. Воздействовать на время и пространство планируется при помощи очень сильных электростатических полей. В настоящее время ученые измеряют степень деформации пространственно-временного континуума в ходе опытов при помощи лазерного интерферометра.

Их главная задача на ближайшую перспективу — это разработка в лабораторных условиях микроскопического «пузыря». В будущем в качестве энергии, используемой для манипуляций с пространством, ученые собираются использовать темную энергию Вселенной.

По словам Харольда Уайта, космический корабль будущего будет напоминать формой мяч для игры в американский футбол, опоясанный тором.

 —

Варп-двигатель Алькубьерре

 —

Физик Гарольд Уайт

Несколько месяцев назад физик Гарольд Уайт (Harold White) ошеломил мир аэронавтики. Он объявил, что команда в НАСА, под его непосредственным руководством, приступила к работе над развитием двигателя искривления пространства.

Предложенный им дизайн – это гениальное переосмысливание Двигателя Алькубьерре (Alcubierre Drive), может, в конечном итоге, привести к созданию двигателя, который будет передвигать ракеты со скоростью, гораздо выше скорости света, не нарушая при этом законов относительности Эйнштейна.

Идея Уайту пришла в то время, как он рассматривал весьма примечательные уравнения, сформулированые физиком Мигелем Алькубьерре.

В докладе, под названием “Варп двигатель: сверх-быстрые перемещения в рамках общей теории относительности,” составленном в 1994 году, Алькубьерре предложил механизм, посредством которого пространство и время могут быть “искревлены” спереди и сзади космического корабля.

Мичио Каку, один из главных сподвижников струнной теории, назвал теорию Алькубьерре так – “паспорт к Вселенной». Метод использует космологической код, который позволяет расширять и сжимать пространство и время, что позволило бы сверхбыстрые межзвездные путешествия.

По сути, пустое пространство позади звездолета будет быстро расширяться, толкая корабль в прямом направлении. Пассажиры воспримут это как движение, несмотря на полное отсутствие ускорения.

Примечателен так же тот факт, что подобное явление постоянно наблюдается во вселенной – пространство между галактиками может расширяться с неограниченной скоростью, которая часто превышает скорость света.

Уайт предполагает, что такой двигатель может развить скорость, которая могла бы позволить космическому кораблю достичь наше ближайшее созвездие всего за две недели, несмотря даже на тот факт, что оно находится в 4,3 световых лет от Земли.

С точки зрения механики двигателя, сфероидый объект будет помещен между двумя областями пространственно-временного (расширения и сужения).

Затем сгенерируется “Варп сфера,” которая будет двигать пространство вокруг объекта, репозиционируя его – конечным результатом будет движение со скоростью, превышающей скорость света, без движения по отношению к локальной системе отсчета корабля.

Уайт объяснил:

 —

Помните – ничто локально не превышает скорость света, но пространство может расширяться и сжиматься при любой скорости. Тем не менее, пространство и время сложно поддаются манипулированию, поэтому для искривления пространства и достижения межзвездных пространств в разумные периоды времени потребуется много энергии.

И в самом деле – ранние оценки, опубликованные в научной литературе, называли громадное количество энергии, которое вполне сопоставимо с массой планеты Юпитер (что составляет 1,9 × 1027 кг, или 317 масс Земли). В результате идея была забыта из-за непрактичности. Хотя природа теоретически позволяет построить Варп Двигатель, мы никогда не смогли бы соорудить работающий аналог при настолько недостижимых условиях.

“Однако,” сказал Уайт, “основываясь на анализе последних 18 месяцев, у нас может быть надежда.” Ключ, говорит исследователь, может быть в изменении геометрической структуры Варп Двигателя.

 —

Новый дизайн двигателя искривления пространства

В октябре прошлого года Уайт готовился к лекции, которую он должен был дать для проекта Столетний космический корабль (100 Year Starship) в Орландо, Флорида. Во время повтора материалов по двигателям искривления пространства, Уайт выполнил анализ нескольких уравнений – больше из любопытства, чем по необходимости.

“Я открыл закономерность, которая все время была у нас перед глазами, – вспоминает он – Я вдруг понял, что если мы сделаем толщину кольца отрицательной энергии вакуума больше, при этом раскачивая варп сферу, то можно значительно уменьшить необходимые затраты энергии. Это значит, что создание двигателей искривления пространства возможно не только в теории.” Уайт скорректировал форму кольца Алькубьерре, сделав его более широким и покатым.

https://www.youtube.com/watch?v=GQG98VzwvOY

Он представил результаты Двигателя Алькубьерре через год, на конференции в Атланте, где заявил о своем новом подходе. Как объяснил учений, деформация диска позволит затраты энергии до числа, сравнимого с массой космического аппарата Вояджер-1.

Это очень существенное изменение в расчетах. Снижение массы от размеров Юпитера до объекта, который весит всего 725 килограмм, заставили НАСА полностью переосмыслить варп двигатели.

 —

Создание варп двигателя

Теоретическая возможность – это, конечно, здорово, но теперь Уайту нужно практическое ее доказательство.

Мы используем модифицированный интерферометр Майкельсона-Морли, что позволяет нам измерить микроскопические искривления в пространстве и времени. Говоря проще – это попытка сделать одну из ножек интерферометра казаться короче другой при запуске устройства.

Уайт и его коллеги пытаются смоделировать оптимальный привод Алькубьерре в миниатюре, используя лазеры для искривления пространства-времени на фактор один к 10 миллионам.

Конечно, интерферометр – это не то, что НАСА бы присоединило к космическому кораблю. Скорее, это часть большого научного преследования.

Наше первоначальное испытательное устройство имитирует кольца огромного энергетического потенциала за счет использования колец керамических конденсаторов, которые заряжаются до десятков тысяч вольт.

Мы увеличим точность наших приборов и продолжим повышать чувствительность интерферометра деформации поля – в конечном итоге станет возможно использовать устройства для прямой генерации отрицательной энергии вакуума.

С помощью этих экспериментов, как надеется Уайт, НАСА сможет перейти от теории к практике.

 —

Ожидание доказательства возможности технологии

Учитывая то, насколько фантастически это все звучит, возникает вопрос – действительно ли Уайт думает, что варп двигатель когда-нибудь будет построен.

Математически это возможно, но еще предстоит увидеть, сможем ли мы когда-либо добиться этого на практике.

То, чего ждет Уайт, это появления доказательств – то, что он зовет момент “Чикаго Pile” – термин, ссылающийся на большой практический пример.

“В конце 1942 года человечество активировало первый ядерный реактор в Чикаго, способный генерировать аж целую половину Вт – чего даже недостаточно для питания лампочки,” – объяснил исследователь.

“Тем не менее, год спустя мы активировали реактор в 4 МВт – это достаточно уже для питания небольшого города. Доказательство возможности технологии это очень важно.

” Не делая громких заявлений, Уайт признал, что варп двигатель открыл бы для человечества некоторые интересные возможности для космических путешествий – и, конечно, сбросил бы наше чувство необъятности космоса.

Эта дыра в общей теории относительности позволила бы нам преодолеть расстояния действительно быстро, с точки зрения наблюдателей с земли и на корабле – путешествия будут измеряться неделями или месяцами, а не десятилетиями и веками.

Но пока разработка двигателя находится в теоретической фазе. “Я не готов обсуждать эту технологию за пределами математики и руководствуясь очень скромными подходами в лаборатории,” сказал Уайт.

И это трезвый подход. Но, благодаря Уайту, у нас теперь есть новая надежда и перспектива освоения космоса. Пока рано ставить крест на полетах быстрее скорости света.

 —

источники

http://russian.rt.com/article/36267http://www.techcult.ru/space/1736-nasa-sozdaet-zvezdolet-kotoryj-doletit-do-alfa-centavra-za-dve-nedeli

http://joinfo.ua/hitech/space/940774_Kosmicheskiy-korabl-NASA-mezhzvezdnih-poletov.html#

http://yvek.ru/%D0%BA%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%BD%D0%B8%D0%B7%D0%B0%D1%86%D0%B8%D1%8F-%D0%BA%D0%BE%D1%81%D0%BC%D0%BE%D1%81%D0%B0/%D0%B2%D0%B0%D1%80%D0%BF-%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B3%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C-%D0%BD%D0%B0%D1%81%D0%B0/

 —

Вот еще несколько околофантастических космических новостей : вот например Каким будет город в космосе, а вот Загадка гибели Фаэтона. Вот еще кстати, Странности пяти реальных планет, до которых не додумалась и научная фантастика, а например Разработка в России ядерного буксира продолжается и возможно Первым искусственным спутником была крышка люка ?

Источник: http://infoglaz.ru/?p=49390

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.