Всем привет! Это подкаст «Феи / Роботы / Пришельцы», меня зовут Сергей Балашов. Сегодня я хочу поговорить о единицах измерения времени и расстояния в космосе: о земных единицах отсчета и о космических. О принципе антропоцентризма и теории относительности, и о том, почему привычные нам календари и измерительные приборы будут бесполезны на других планетах.
И конечно, посмотрим на то, как эти научные проблемы решает научная фантастика! Каким календарем пользуются в Галактической империи, что заменяет «день» и «ночь» жителям космических кораблей, другие интересные вопросы.
Метр и секунда
Мы все родились и выросли на планете Земля. Так что ее текущие физические параметры кажутся нам совершенно естественными. Один оборот вокруг оси – один день. Триста шестьдесят пять с четвертью дней – один полный оборот вокруг Солнца, все созвездия занимают прежние места на небосклоне.
Расстояния мы измеряем в метрах (или милях), время в секундах, которые складываются в часы и минуты.
Метр исторический был рассчитан через длину меридиана: одна десятимиллионная часть расстояния от северного полюса до экватора по поверхности земного эллипсоида на долготе Парижа.
В конце XX века это расстояние было переведено в более точное и не привязанное к поверхности Земли: «метр устанавливается фиксацией скорости света в вакууме равным в точности 299 792 458, когда скорость выражена единицей метр в секунду». То есть мы взяли скорость света (которая всегда постоянна в вакууме), посчитали ее в метрах, а потом выразили, наоборот, метр через скорость.
Секунда, в свою очередь, является единицей измерения времени. В обиход ее ввели относительно недавно, с появлением точных механических часов, способных отмерять одну шестидесятую долю минуты. В XVII веке году французский математик Марен Мерсенн рассчитал, что маятник с длиной 39,1 дюйма будет иметь период колебаний при точно 2 секунды, но создать часы такой конструкции с точным ходом смогли только через тридцать лет после этого, ближе к концу века.
Согласно современному научному определению, секунда — это время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, не возмущённому внешними полями при температуре 0 К.
После введения такой формулировки было обнаружено, что гравитационное замедление времени влияет на секунды, отсчитываемые атомными часами, в зависимости от их высоты над поверхностью Земли. Универсальная секунда была получена путём корректировки значений каждых атомных часов приведением их к среднему уровню моря.
Запомним эти определения и все уточнения к ним. Сами цифры запомнить на слух невозможно, и это тоже важно – мы еще вернемся к этому чуть позже. Пока что поговорим об измерении расстояния в космосе.
Световой год и парсек
Пространство за пределами Земли настолько невероятно обширно, что единицы измерения, удобные для нас в повседневной жизни, быстро становятся гигантскими. Расстояния между планетами и особенно между звездами могут стать настолько большими, если их придется выражать в триллионах и квадриллионах километров, что они станут громоздкими. Поэтому для космических расстояний мы переходим на совершенно другие типы единиц: астрономические единицы, световые годы и парсеки.
Астрономические единицы, сокращенно а.е., это полезная единица измерения в нашей Солнечной системе. Одна астрономическая единица — это среднее расстояние от Солнца до орбиты Земли, которое составляет чуть меньше 150 миллиардов метров. При измерении в астрономических единицах расстояние в 1 400 000 000 километров от Солнца до орбиты Сатурна составляет гораздо более удобные 9,5 а.е. Таким образом, астрономические единицы — отличный способ сжать космические числа до более удобного размера.
Астрономические единицы также позволяют легко представлять расстояния между объектами Солнечной системы. С их помощью сразу становится понятно, что Юпитер вращается в пять раз дальше от Солнца, чем Земля, и что Сатурн находится в два раза дальше от Солнца, чем Юпитер.
Для гораздо больших расстояний — межзвездных расстояний — астрономы используют световые годы. Световой год — это расстояние, которое электромагнитные волны (свет) проходят в вакууме, не испытывая влияния гравитационных полей, за один юлианский год. Это около 9 квадриллионов 460 миллиардов метров или 63 241 а.е.
Как и а.е., световые годы делают астрономические расстояния более управляемыми. Например, ближайшей к нам звездной системой является тройная звездная система Альфа Центавра, расположенная примерно в 4,3 световых года от нас. Это более удобное и наглядное число, чем 40 триллионов километров или 272 000 а.е.
Наконец, парсек. Эта единица используется, когда количество световых лет между объектами достигает тысяч или миллионов. Один парсек равен 3,26 светового года. Происхождение этой единицы измерения немного сложнее, оно связано с тем, как астрономы измеряют ширину неба.
Парсек — это длина длинной стороны прямоугольного треугольника, короткая сторона которого равна 1 а.е., когда угол между Солнцем и Землей, если смотреть снаружи, равен 1 угловой секунде.
В этих единицах расстояние между Солнцем и нашими ближайшими соседями, Альфой и Проксимой Центавра, составляет 1,347 парсека.
Слово парсек происходит от паралакса угловой секунды. Астрономы используют «мегапарсек» — мегапарсек равен 1 миллиону парсеков — для межгалактических расстояний или шкалы расстояний между галактиками.
Единицы измерения на других планетах
Казалось бы, с измерениями расстояния и времени все очевидно: у нас есть часы, которые отмеряют секунды и дни, расстояния до далеких звезд выражены в световых годах и парсеках. Что здесь непонятного? Но если задуматься, то все здесь основано на геоцентризме, и совершенно не подходит для других планет.
Но все меняется, стоит нам отправиться на другую планету. На Марсе оборот вокруг оси (один марсианский день, или для краткости «сол») занимает 24 часа 40 минут. Если мы окажемся на Венере (и как-то справимся с ее кислотной атмосферой и высоким давлением), то один день будет длиться 117 земных, потому что ее вращение намного медленнее нашего. С другой стороны, один «год» на Венере равен 243 земным дням, потому что Венера движется немного быстрее, а ее орбитальный путь короче, чем у Земли.
А у Меркурия один день, оборот планеты вокруг своей оси, равен примерно 176 земным дням, или ровно двум меркурианским годам. (Точное соотношение 1:2 обусловлено орбитальным резонансом). То есть день может быть длиннее, чем год.
На Юпитере наоборот день длится чуть меньше 10 земных часов, а полный оборот вокруг Солнца самая большая планета нашей системы делает почти за 12 лет. Конечно, если у нас когда-нибудь будет колония на спутниках Юпитера, она может жить по времени метрополии. Невзирая на положение Солнца в небе, отмерять отрезки времени по двадцать четыре часа. Похожим образом поступают полярники на Северном полюсе: полярный день длится полгода, по Солнцу сутки отмерять непрактично, и есть просто время отдыха и время работы.
Но что, если мы окажемся на планете Глизе 581c? Физические параметры совсем другие. Земные «день» и «год» — это абстрактные величины, которые никак не привязаны к обращению этой планеты. Более того, окажись мы там, мы даже объяснить не сможем, сколько это – «двадцать четыре часа»!
Действительно, ведь часть наших единиц измерения привязаны к физике Земли, а часть – обусловлены историей культуры. День и год – фиксированная величина. По крайней мере в нашу эпоху. Со временем вращение планеты ускоряется, во времена динозавров сутки были двадцать восемь часов. А что такое «час»? Просто условная часть, на которую древние шумеры разделили время. Час равен шестидесяти минутам, минута – шестидесяти секундам, но что такое «секунда»? У шумеров она означала мельчайшую единицу времени.
Сейчас, в эпоху точной физики, мы выразили один метр через скорость света, а секунду – через колебания атома цезия. Но вспомните, какие громоздкие, некруглые величины получились! Они совершенно неудобны для использования и расчетов. В самом деле, если бы цивилизации на другой планете нужно было бы принять единицу измерения расстояния, они вряд ли бы пришли к метру, равному 1/299-миллионной светового года! Странное и неудобное в расчетах число.
Так что на нашей базе на Глизе 581c вовсе незачем будет привязывать жизнь станции к древним земным величинам.
Даже сутки для нас вовсе необязательны!
Проводились эксперименты по проверке биоритмов. Доброволец спускался в глубокую подземную пещеру. У него не было никаких способов отмерять время, еду и воду спускали через неравные промежутки, сеансов связи с поверхностью не было. И через несколько дней у подопытных сместились внутренние часы! Человек переходил на циклы по тридцать шесть часов: начинал спать по двенадцать часов, а потом двадцать четыре часа бодрствовать!
Подводники в походе также живут сменами не по восемь, а по шестнадцать часов: восемь часов дежурство, восемь – личное время, в том числе сон.
Хорошо, пусть наша колония на другой планете живет по своим собственным отрезкам времени. Как мы будем измерять расстояние до нее?
Большинство единиц измерения, которыми мы пользуемся в астрономии, так или иначе привязаны к старушке Земле. Световой год – это время, которое свет в вакууме проходит за время оборота Земли вокруг Солнца. Астрономическая единица – среднее расстояние от Земли до Солнца. Даже парсек – это один градус на небосклоне, то есть опять величина, привязанная к нашим долям и радиусу Земли! На другой планете охват небосклона будет другим.
Опять теория относительности
Конечно, у нас есть скорость света. Величина не просто постоянная, а фундаментальная, встроенная в саму ткань нашей Вселенной. Зная скорость и время, можно определить расстояние. Остается только, чтобы некий межгалактический совет дал всем путешественникам единицу времени (да пусть даже земную секунду!). Тогда умножив скорость света на время пути, мы получим абсолютное значение длины отрезка между двумя звездами. Так? Совсем нет. На больших расстояниях будут иметь значение свойства самой Вселенной.
Звезды и галактики не стоят на месте. Все звезды вращаются вокруг центра нашей Галактики, причем с разной скоростью. Галактика Андромеды приближается к Земле со скоростью 310 км/с. То есть измеряя расстояние, мы должны будем делать поправки на все эти взаимные смещения. Но дело не только в сложности расчета. Сама Вселенная расширяется! Вспомните это классическое объяснение: если на воздушном шарике нарисовать звезды, и начать шарик надувать, то сами звезды на поверхности шара двигаться не будут. Тем не менее, расстояние между ними будет нарастать, потому что расширяется само пространство, в котором они находятся. На больших расстояниях скорость расширения Вселенной оказывается огромной.
И это до того, как мы сделаем поправку на теорию относительности. В зависимости от силы тяжести и скорости время может течь с разной скоростью в разных точках Вселенной. Это означает, что у планеты с другими орбитальными скоростями и гравитацией время будет идти с другой скоростью, чем на Земле.
Таким образом, даже если далекая колония на другой планете действительно решит игнорировать свой собственный цикл дня и ночи и использовать земное время, у ее жителей не будет способа синхронизировать часы без точного знания относительной скорости и силы гравитации.
Кроме того, общая теория относительности также приводит к тому, что не существует универсального времени, нет даже единого способа упорядочить два события, если только одно не могло быть причиной другого, поскольку любые два события, которые мы видим как одновременные, кто-то другой может видеть происходящими одно за другим, в зависимости от относительного положения и скорости наблюдателей.
Поэтому вопрос «Что сейчас происходит на Альфе Центавра?» на самом деле не имеет большого смысла, если только мы не находимся в этой звездной системе. Для любого наблюдателя, находящегося на значительном расстоянии от нас, момент «сейчас» не может быть четко определен. Лучшее определение «сейчас» для какого-то далекого места — это отрезок времени, который требуется свету, который был излучен в тот момент, когда мы задаем вопрос, и тем моментом, когда этот свет достигнет нас.
Время идет по-разному в зависимости от близости к источнику гравитационного притяжения. Как мы видели в фантастических фильмах, если планета или космический корабль вращается вокруг черной дыры, то для тех, кто окажется ближе к центру, пройдет несколько недель, а для тех, кто будет на более далекой орбите, пройдут месяцы. Ядро нашей планеты на 2,5 года моложе, чем ее кора.
Это влияние относительности на ход времени слишком мало, чтобы его заметить или зарегистрировать бытовыми приборами. Но для целей точных научных измерений приходится делать необходимые поправки.
В настоящее время используется усредненное время, измеренное в центре Земли. Для расчетов времени в пределах Солнечной системы предлагают взять за точку измерения центр Солнца.
Единицы измерения в научной фантастике
Итак, проблему мы обрисовали. Давайте посмотрим, как ее решают в научной и фантастической культуре?
При описании любых научных миссий и параметров, мы пользуемся земными величинами, потому что все пользователи результатов измерений находятся на Земле.
В космооперах проблему просто игнорируют. Этот вопрос даже редко затрагивается. Оказывается, что вся Вселенная использует ту же систему отсчета времени и календаря, что и Земля, — годы, месяцы, недели, дни, часы, минуты, секунды и т. д. Большинство планет также, по-видимому, имеют цикл день/ночь, который практически идентичен земному.
Даже в тех мирах, где никогда не слышали про планету Земля, преспокойно измеряют время в часах, а расстояние в световых годах, не задумываясь, к чему привязаны эти самые «года». В «Звездных войнах» Хан Соло указывает скорость «Тысячелетнего сокола» в парсеках, хотя Земли (а значит, и угловых размеров ее небосвода) в этом мире вообще не знают.
Впрочем, не будем слишком придираться к жанру приключений в космосе. Там даже cила тяжести и состав атмосферы на всех планетах более-менее одинаковый, что уж говорить о времени оборота планеты! Конечно, это делается в первую очередь для читателя и зрителя. Никому не понравится постоянно пересчитывать «локальные» величины в земные.
Когда дело касается ближайших к Земле планет, то здесь поправку требуется сделать только на длительность дня и года.
В романе «Марсианин» Энди Вейра застрявший на Марсе главный герой живет по местному времени. А вот команде из центра управления полетами приходится подстраиваться под этот новый цикл, каждый день сдвигая свой график на 40 минут.
В «Марсианской трилогии» Кима Стэнли Робинсона календарь жителей красной планеты требует осмысления. Год длится 669 солов (марсианских дней). Год делится на двадцать четыре месяца, каждый из которых состоит из 28 дней, а каждый восьмой месяц равен 27. Сезон длится шесть месяцев. Так как сол длится на 40 минут дольше земного дня, чтобы не придумывать новую систему измерения времени, колонисты просто останавливают часы на сорок минут в полночь. Это становится одним из первых крупных культурных отличий от Земли.
В серии игр Mass Effect говорится, что, хотя продолжительность дней у разных видов значительно различается, их годы примерно равны земному году. Все разумные виды эволюционировали на планетах, вращающихся вокруг звезд размером с Солнце, что ограничивает расположение обитаемой зоны, то есть диапазон расстояний, на которых их родной мир может вращаться и поддерживать жизнь.
Это, в свою очередь, определяет продолжительность года, так что когда персонажи упоминают «годы», то все примерно понимаю, о чем идет речь.
В сериале «Доктор Кто» отсчет времени и расстояния ведется от «нулевого центра галактики». Например, родная планета Повелителей Времени Галлифрей находится в самом центре Созвездия Дома, звездное скопление Кастерборус в «Млечном Пути с координатами 10 0 11 00 / 2 от нулевого центра галактики», за двести пятьдесят миллионов световых лет от Земли, что десять минут на ТАРДИС.
В «Гиперионе» Дэна Симмонса по всей галактике используется стандартный день. Благодаря системам мгновенного перемещения, Фаркастерам, время во всей галактике всегда одинаково. Когда главный герой оказывается на давно затерянной Земле, он приятно удивлен, обнаружив, что день и ночь там совпадают с одним стандартным днем, чего он не видел еще ни на одной планете.
Вообще идея «стандартного федерального времени» достаточно часто встречается в космооперах. Из расширенных материалов вселенной Звездных войн мы можем узнать, что Галактическая Республика (и позже Галактическая Империя) использует календарь из 368 дней, взяв столицу Корусант в качестве стандарта.
Подпространственная связь позволяет стандартизировать время, так как дает буквально мгновенную связь между любыми двумя точками.
Похожим образом действует система отсчета времени в космоопере Олега Дивова «Профессия «инквизитор». Каждая планета живет по своему времени, исходя из длительности местных суток. Но единица измерения «час» применяется по всей галактике, а государственные служащие всегда работают по времени Земли, независимо от того, как это соотносится с локальными сутками.
Во вселенной «Вархаммер 40000» в далеком мрачном будущем используется стандартное земное время. Причем для ведения учета каждый год делится на 1000 равных пронумерованных частей, а не на месяцы или недели. Каждая доля года соответствует приблизительно 8 часам и 45 минутам стандартного времени Терры.
Альтернативные единицы измерения
Иногда авторы «серьезной» научной фантастики, для того чтобы описать правдоподобных инопланетян, создают собственные единицы измерения времени и расстояния. Как правило, эти единицы близки к нашим привычным.
Создание собственных единиц более реалистично, чем использование земных метров, особенно в произведениях, где Земли вообще не знают.
Но тут следует подумать о читателях. Если не зацикливаться на реализме, то писатели идут по пути наименьшего сопротивления. Заставлять читателей или зрителей разбираться в выдуманных единицах, выраженных незнакомыми словами плохо для динамики повествования и зачастую не оправдано ничем, кроме стремления к «реализму». В научной фантастике или в фэнтези можно использовать «дни» и «годы», но на основе параметров другой планеты.
Инопланетные единицы времени в большинстве случаев довольно хорошо коррелируют с земными единицами времени. Дни и годы являются очень логичными единицами времени на любой планете, поскольку они оба оказывают сильное влияние на жизнь тех, кто там живет — свет и тьма, жара и холод — и являются именно временными событиями. Даже если период времени называется «цикл», он все равно примерно равен земному году, и таким образом зрителю будет понятно, сколько это времени – сто местных циклов.
Это можно достаточно легко оправдать: инопланетяне, вероятно, живут на планете, которая вращается вокруг звезды и имеет цикл дня и ночи, так что у них вполне могут быть естественные единицы времени, соответствующие «дню» и «году». Если планета, о которой идет речь, почти идентична Земле, а звезда, вокруг которой она вращается, такая же, как и Солнце, то в этом случае она может находиться на том же расстоянии и, следовательно, иметь примерно такие же орбитальные характеристики.
Системы измерения часто возникают из практических соображений и исторической случайности. Многие культуры начинали с единиц, связанных с длиной человеческой руки или ноги, или дневного перехода животного. Со временем метр и его кратные единицы заменили ярды, локти и дюймы, но полученные в результате единицы имеют такой же масштаб, что и старые, потому что это величины, с которыми люди сталкиваются ежедневно.
Так что изобретенные, выдуманные единицы измерения в новом мире должны быть практичными, и понятными для зрителя: соотноситься с размером инопланетян и быть похожими на земные единицы. Опытный автор даже не будет сообщать, чему точно равна выдуманная длина, потому что это будет понятно из контекста.
Однако здесь все еще есть место для фантазии. Космические скитальцы, живущие на космическом корабле, которые почти никогда не приземляются на планеты, будут думать часами и циклами сна, а не днями и годами. У фантастических существ из мира вечной ночи может быть какой-то особенный способ следить за временем. Маленькие каменные существа, живущие глубоко под землей, могут с трудом понимать, что такое день.
Было бы интересно увидеть инопланетные способы измерения времени, но только если они по своей сути отличаются от часов, дней и лет, а не являются просто выдуманными синонимами для них. Подземные существа могут использовать устойчивый часовой цикл пульсации свечения корней грибов. Ночные существа, живущие в мире без света, будут измерять годы по прилетам роев мигрирующих светлячков, и так далее.
Заключение
Какие интересные системы измерения времени и расстояния вы знаете из фантастики и фэнтези? Напишите в комментариях.
Канал «Феи / Роботы / Пришельцы» можно читать на Дзен, в Телеграме и ВКонтакте. Аудиоверсия подкаста доступна на сервисах Яндекс.Музыка, Apple Podcasts, Google Podcasts и в подкастах ВКонтакте. Видео-версию смотрите на канале YouTube.
Поддержать канал можно на сервисе Boosty по ссылке в описании.
Оставляйте комментарии и ставьте оценки. Не забудьте подписаться на канал, чтобы не пропустить новые выпуски. Скоро увидимся!
