Про искусственную гравитацию и релятивистские фокусы
Не удержался, публикую тут тоже. Вдобавок к записи в соцсети author.today.
Итак, есть ракета, которая летит в далёкую-далёкую галактику… Ну ладно, будем скромнее - к ближайшей звезде. И у ракеты - внезапно! - нет внутри искусственной гравитации! Никакого силового поля, столь любимого фантастами. Ну вот нету, не изобрели! Чё делать экипажу? Не хочется болтаться 15 лет как кильки в банке. А именно столько будет длиться путешествие в моей книге. (Вращающийся бублик, как в фильме «Пассажиры», не рассматриваю по ряду соображений.)
Так вот. Гравитацию внутри ракеты ещё с детства нам предлагают создавать просто её, ракеты, ускорением. Вот как это обычно объясняют детям в школах:
Ракета вылетает с Земли и движется с постоянным ускорением, допустим, 1g. То есть с ускорением свободного падения на поверхности Земли. Экипажу так удобнее всего - внутри ракеты имитируется Земное тяготение.
В самом середине пути ракета выключает двигатели, разворачивается двигателем вперёд, и начинает тормозить, с тем же самым ускорением 1g. К цели она прибывает полностью затормозившись, то есть имея нулевую скорость.
В итоге почти весь путь внутри ракеты будет привычное для людей ускорение 1g. За исключением короткого промежутка времени, требуемого на кувырок в середине пути.
Такая схема может впечатлить только школьников, да и то не самых умных. На коротких участках полёт по этой методе вполне допустим. Например, на трассе Земля - Марс. А вот если мы летим к другой звезде, то возникают вопросы.
Старик Эйнштейн доказал, что скорость любого материального тела не может превышать скорость света. Если наша ракета летит с постоянным ускорением, то логично ожидать, что рано или поздно она приблизится к этому пределу. Можно грубо прикинуть расстояние, которое пройдёт ракета с постоянным ускорением 1g (то есть 9.8м/с*2) до момента, когда её скорость «достигнет» скорости света:
Здесь первый член под корнем - начальная скорость, и она равна нулю, поэтому выбрасываем. Выделяем из оставшейся формулы «дельта Икс», это и есть пройденное расстояние.
У меня оно получилось примерно 30 680 астрономических единиц.
Для сравнения: 1 световой год = 63 241 а.е., а расстояние до Проксимы Центавра = 270 000 а.е. То есть наша ракета упрётся в световой порог, не пройдя и половины светового года.
Ну хорошо, думаем мы, придётся им потерпеть и часть пути проделать в невесомости. То есть ракета долетает примерно до светового порога, потом выключает двигатель, и летит дальше по инерции. А на известном расстоянии до звезды разворачивается хвостом вперёд и начинает тормозить, опять же с ускорением 1g. И к цели она прибывает с нулевой скоростью.
Хорошо видно, что в этом случае в середине пути имеется довольно длительный участок с нулевым ускорением, то есть невесомость.
Обе эти схемы нам не очень нравятся, а экипажу ракеты они не нравятся ещё больше - им удобнее, если на всём протяжении пути у них внутри ракеты будет привычная земная тяжесть. Чтобы не возникало никакого «перерыва на невесомость».
Это можно устроить. Вернёмся к Рисунку 1. Устранение невесомости можно организовать, например, вот так:
Ракета стартует немного в сторону от цели, а в центре пути выполняет кувырок без выключения двигателя! Кто сказал, что его непременно нужно выключать? Динамику этого кувырка можно рассчитать таким образом, чтобы ускорение внутри ракеты оставалось всё тем же 1g и никак не менялось по величине. Только его вектор будет чуть-чуть гулять; экипажу будет казаться, будто их тянет куда-то не туда - то в одну сторону, то в другую. Но это состояние «не стояния» будет продолжаться очень кратковременно и не доставит особых неудобств.
Повторю снова: такая схема вполне реальна и может применяться в полётах внутри Солнечной системы. Земля - Марс, например, или Земля - Плутон, если кому-то вдруг понадобилось на Плутон. За идею спасибо Н.Н.Горькавому, без него я бы так и продолжал считать, что без кратковременной невесомости в середине полёта никак не обойтись.
Это всё хорошо. Только вот на межзвёздных расстояниях всё будет интереснее.
Вот представим, что двигатель ракеты работает с постоянной мощностью, и ракета летит от самой Земли с постоянным ускорением 1g. По мере приближения к скорости света вдруг оказывается, что ускорение ракеты замедляется! И при достижении (теоретическом) скорости света ускорение становится равным нулю, несмотря на то, что двигатель продолжает жарить с прежней мощностью. Экипаж внутри ракеты обнаружит, что они все вдруг начали терять в весе, а потом и вовсе наступила невесомость! Ну просто потому что ускорение - это ведь увеличение скорости, а куда уж дальше ускоряться, если достигнут предел!
Как нам обойти эту неприятность? Ведь нам нужно, чтобы внутри ракеты было постоянное ускорение, сравнимое с земным!
Ну, например, устроив несколько кувырков подряд:
Когда ракета в первый раз начинает подбираться к скорости света и экипаж обнаруживает потерю веса, выполняется первый кувырок, и ракета начинает тормозить. Тормозить, конечно, нужно не очень долго, чтобы не увеличивать без нужды время путешествия. Потом происходит второй кувырок, и ракета опять начинает разгоняться. И так далее. Таким образом, мы получим искомую постоянную силу тяжести внутри ракеты на всём протяжении полёта.
Кто-нибудь мне сейчас скажет: «Учи матчасть! На релятивистской скорости масса ракеты станет такой огромной, что её будет уже ничем не повернуть и твои кувырки станут невозможными!» С удовольствием верну этот совет вопрошающему. Ибо масса тела, движущегося с релятивистской скоростью, будет увеличиваться только для неподвижного наблюдателя (да и это ещё вопрос). А для наблюдателя внутри ракеты никакого увеличения массы не будет.
Ну и теперь выводы в виде вопросов:
1) Верно ли, что внутри ракеты, которая летит всё время с постоянным ускорением, при приближении к скорости света это ускорение начнёт уменьшаться?
2) Верно ли, что при достижении (гипотетическом) ракетой скорости света ускорение внутри неё станет равным нулю, несмотря на работающие двигатели?
3) Верно ли, что избежать этого можно путём нескольких кувырков - маневров ракеты, когда она меняет вектор тяги на 180 градусов без выключения двигателя? Это немного увеличит время путешествия, но зато у экипажа будет постоянное тяготение.