Космические рубежи теории относительности

Хотя движение быстрее света невозможно и хотя скорость света - абсолютная постоянная, при движении относительно источников света наблюдаются необычные явления. Чтобы разобраться в некоторых из них, представьте себе, что вы стоите под дождем, держа над головой раскрытый зонт. Представьте далее, что ветра нет, так что дождевые капли падают вертикально вниз. Если вы пойдете по улице, то вам, очевидно, придется наклонить зонт под некоторым углом в направлении движения, чтобы не намокнуть, причем угол наклона нужно будет увеличить, если вы ускорите шаг (рис. 3.6).

рис. 3.6. Прогулка под дождем. Человек, идущий под дождем, должен держать зонт несколько впереди себя, чтобы не намокнуть. Чем быстрее идет человек, тем сильнее ему приходится наклонять зонтик, чтобы оставаться сухим.

Аналогичное явление происходит и со светом звёзд. Земля движется по орбите вокруг Солнца со скоростью 30 км/с. Хотя эта скорость составляет очень малую долю скорости света, астрономам приходится из-за движения Земли немного наклонять свои телескопы вперёд в направлении этого движения, чтобы в трубу телескопа попал свет именно той звезды, которую они хотят наблюдать. Подобно тому как приходится наклонять зонт в направлении движения, приходится наклонять и телескоп на малый угол в направлении движения Земли (рис. 3.7). Этот эффект, называющийся аберрацией света звёзд, был открыт Джеймсом Брадлеем около 1725 г., когда он обратил внимание на разность между наблюдаемыми и истинными положениями звёзд. Угол аберрации чрезвычайно мал и не превышает 20,5". Для сравнения укажем, что видимый с Земли поперечник Юпитера составляет около 40".

РИС. 3.7. Аберрация света звёзд. Вследствие движения Земли телескоп приходится направить немного вперёд от звезды по направлению движения Земли, чтобы свет звезды попал в трубу телескопа.

Аберрация света звёзд так мала просто потому, что Земля движется очень медленно, со скоростью, составляющей всего одну десятитысячную скорости света. Если бы вы оказались на борту космического корабля, способного развить субсветовую скорость, то эффект аберрации стал бы очень заметным.

РИС. 3.8. Релятивистский космический корабль. Этот космический корабль может развивать скорость, близкую к скорости света. У него три иллюминатора, в каждый из которых можно видеть полусферу неба. Космонавты могут наблюдать звёзды, находящиеся спереди, сзади и сбоку перпендикулярно курсу корабля

РИС. 3.9. Вид из носового иллюминатора космического корабля. При путешествии к Полярной звезде (к Северному полюсу мира) звёздное небо выглядит иначе, чем с Земли. По мере приближения к скорости света все звёзды как бы скучиваются к Полярной звезде. (На основе расчётов Дж. Д. Скотта и Г. Дж. ван Дрила.)

Представьте себе космический корабль, снабженный тремя большими иллюминаторами: одним носовым, одним кормовым и одним бортовым (рис. 3.8). Корабль этот может летать с колоссальной скоростью, а через каждый из его иллюминаторов видна ровно половина небесной сферы. Пусть ваш путь лежит в направлении Полярной звезды - в сторону Северного полюса мира. На рис. 3.9 изображено, что будет видно при этом в носовой иллюминатор. Пока корабль неподвижен (V = 0), вид созвездий будет таким же, как с Земли. Когда скорость корабля будет равна половине скорости света (F = 0,5с), вид неба уже существенно изменяется. Звезды как бы группируются вокруг Полярной звезды, и в поле зрения появляются даже некоторые из южных созвездий. При скорости, равной 90% скорости света, вид неба настолько сильно исказится, что перед космическим кораблем появится даже созвездие Южного Креста. Изображения звёзд скучиваются в точности в том направлении, куда вы летите. В результате перед космическим кораблем начинает сверкать яркий звездообразный объект. А если бы вам удалось достичь скорости света, то все звёзды и галактики оказались бы прямо по курсу космического корабля, и вы мчались бы к ослепительно яркому объекту, единственному на всем абсолютно чёрном небе.

РИС. 3.10. Вид из кормового иллюминатора космического корабля. Когда корабль летит к Полярной звезде и его скорость приближается к скорости света, космонавт замечает, что в кормовой иллюминатор видно очень мало звёзд. (На основе расчётов Дж. Д. Скотта и Г. Дж. ван Дрила.)

На рис. 3.10 показан вид неба через кормовой иллюминатор космического корабля. При V= 0 картина не будет искажена. По мере приближения к скорости света будет видно всё меньше и меньше звёзд. Изображения звёзд исчезают из поля зрения, перемещаясь по направлению к Полярной звезде. Конечно, звёзды, исчезающие из поля зрения кормового иллюминатора, появляются в поле зрения носового иллюминатора.