Как идет время в космосе и чем оно отличается от земного?

Все мы слышали фразу «время относительно». Она взята из теории относительности Эйнштейна, в которой ученый объединил пространство и время и представил идею ткани «пространство-время», пронизывающей всю Вселенную. Пространство-время может деформироваться материей и энергией. Поэтому в зависимости от нашего положения и скорости время может казаться нам движущимся быстрее или медленнее. Так как же идет время в космосе? Если коротко, то время в космосе и на Земле не одинаково. Чтобы подробнее ответить на этот вопрос, нужно понять, что такое релятивистское и гравитационное замедления времени.

Эффект гравитационного замедления времени

Суть этого явления заключается в следующем: время движется медленнее вблизи массивных объектов, потому что гравитационная сила таких объектов изгибает пространство-время. В двух словах это означает, что время движется медленнее, когда увеличивается гравитация. Поэтому время тянется дольше для объектов, расположенных ближе к центру Земли, где сила тяжести сильнее. Но это вовсе не означает, что можно провести всю свою жизнь в подвале, чтобы пережить тех, кто на поверхности. Эффект не заметен в таком маленьком масштабе. Если бы вы стали отшельником в подвале, то постарели бы всего на долю секунды медленнее, чем остальные люди.

Релятивистское замедление времени

Смысл этого эффекта заключается в том, что в движущемся теле все физические процессы проходят медленнее. Классическим примером этого явления является «сценарий близнецов». Представим, что один близнец летит на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света, а другой остается на Земле. Когда близнец-космонавт вернется на Землю, постаревшим всего на год или на два, он обнаружит, что его брат стал старше на несколько десятилетий.

Конечно, никто не проводил этот эксперимент в реальной жизни, но есть доказательства тому, что так все и произойдет. Когда ученые запустили атомные часы на орбиту, оставив при этом идентичные часы на Земле, они вернулись, двигаясь с некоторым отставанием от земных.

Какое время в космосе?

Космическая станция движется вокруг Земли со скоростью около 8 километров в секунду. А это, согласно эффекту релятивистского замедления времени, означает, что в космосе время идет медленнее. Космонавты стареют медленнее, чем люди на Земле. Но разница не заметна — после шести месяцев на МКС она составит не более 0,005 секунд.

Теперь вы знаете, что между временем в космосе и на Земле есть разница, хоть и небольшая.

Атомные часы на Земле и в космосе

Научный мир облетела сенсация – из нашей Вселенной испаряется время. Пока это только гипотеза испанских астрофизиков. Но то, что течение времени на Земле и в космосе отличается, учеными уже доказано. Время под воздействием гравитации течет медленнее, ускоряясь при удалении от планеты. Задачу синхронизировать земное и космическое время выполняют водородные стандарты частоты, которые еще называют «атомными часами». Первые атомные часы появились в середине XX века одновременно с космонавтикой. Сегодня их главные потребители – навигация и цифровая связь.

В космосе и на Земле время течёт по-разному. Как утверждают ученые, из-за гравитации. Чем она сильнее, тем медленнее будет идти время. Например, на МКС, которая вращается вокруг Земли на низкой орбите, время на доли секунды течет быстрее, чем на планете. Еще быстрее ход времени у спутников, работающих на высоких геостационарных орбитах.

«Изменение течения времени на станции мы не ощущаем. Потому что летаем мы не на больших высотах и не так далеко от Земли, всего лишь 400-420 километров. И, конечно, если эти изменения есть на какие-то миллисекунды, мы этого никогда не почувствуем», — рассказал космонавт-испытатель отряда космонавтов Роскосмоса Сергей Рязанский.

По теории относительности Вселенная расширяется с ускорением, которое ей придает таинственная «тёмная энергия». Точного определения этому загадочному явлению пока нет. Но есть мнение, что это связано с процессом замедления времени, которое мы воспринимаем как расширение Вселенной.

По словам ведущего научного сотрудника ГАИШ Сергея Попова, время течет по-разному в разных гравитационных полях. Чем ближе к центру Земли, тем больше величина гравитационного поля. Соответственно, на поверхности Солнца время течет не так, как на расстоянии 10 миллионов километров от его поверхности.

С помощью водородных стандартов частоты, которые еще называют «атомными часами», учёные изучают воздействие гравитации. Установленные на космических аппаратах они приводят земное и космическое время к единому знаменателю, то есть синхронизируют.
«Сейчас только у ленивого нет мобильного телефона, но никто не задумывается над тем, чтобы он работал, станции, которые образуют сеть, должны быть жестко синхронизированы по времени. Речь идет о миллионных долях секунды», — отметил начальник лаборатории системы эталонов ВНИИФТРИ Николай Кошеляевский.

Атомному времени столько же лет, сколько и космонавтике. Первые атомные часы появились в середине XX века. Сегодня его главные потребители – навигация и цифровая связь. Водородными стандартами частоты оснащены все спутники ГЛОНАСС. «Оно пронизало всю инфраструктуру, весь транспорт, все системы связи, синхронизации», — подчеркивает Кошеляевский.

Российский эталон точного времени «хранится» в Подмосковье. В научном институте физико-технических и радиотехнических измерений. В мире таких атомных часов 450. Они задают международный стандарт времени.

Сегодня в мире монополисты на точное время две страны – Россия и США. Но если в Америке атомные часы на основе цезия, радиоактивного металла, то в России – на основе водорода, элемента более безопасного и долговечного. Большая часть этих приборов рождается в Нижнем Новгороде. В год здесь выпускают до 20 атомных часов.

У них нет циферблата и стрелок. Этот прибор напоминает железную бочку с проводами. Внутри которой самые передовые технологии – высокоточная радиоизмерительная аппаратура с атомным стандартом. «Атом водорода получается в источнике водорода. Затем поступает молекулярный водород, подается высокочастотное поле и получается низкомолекулярная плазма.

Где молекула водорода разваливается на два атома», — рассказал начальник отделения стандартов и эталонов частоты предприятия «Время Ч» Николай Демидов.

Сердце атомного стандарта – специальный источник, в котором хранится водород. Воздействуя на атомы водорода с помощью электромагнитного поля, получают сигнал. Это видно по ярко-малиновому свечению. Затем водород попадает в кварцевую колбу и излучает квант радиоволны.

Материалы, из которых сделаны атомные часы, включают десятки наименований: железо, серебро и кварц, алюминий и кремний. Такой набор не случаен: все материалы уникальны по природным свойствам и каждый играет свою роль. Совершенно удивительным свойством обладает никель. По словам начальника отделения предприятия «Время Ч», «если никелевую тоненькую пластинку нагреть, то, оказывается, сквозь нее прекрасно проходит водород. И никакие другие газы».

Все детали часов тщательно проверяют, ведь не каждый металл выдержит условия вакуума и космической радиации. Надежность приборов рассчитывают с помощью математических моделей.

Перед сборкой все детали атомных часов проходят многоступенчатую обработку. Сначала металл очищают от грязи, щелочи и жира. Для атомного стандарта высочайшие требования стерильности. Затем температурные испытания от минус 50 до плюс 50. Потом установленный на платформу прибор тестируют в условиях вакуума.

Несколько лет назад нижегородцы выполнили заказ Астрокосмического центра Академии наук. И теперь водородные стандарты частоты работают на спутнике «Спектр-Р2 с телескопом «Радиоастрон». Он уже четыре года изучает в режиме интерферометра «темную энергию» и материю Вселенной.

«Впервые активный стандарт частоты успешно работает в космосе на протяжении уже почти 4-х лет, собственно, благодаря тому, что мы запустили такие точные часы в космос, стабильность их находится на уровне 10-14 секунды или по-человечески они уходят на одну секунду за много миллионов лет», рассказал руководитель научной программы «Радиоастрон» Юрий Ковалёв.

Такой же прибор будет установлен и на аппарате Роскосмоса «Спектр-М» с российским космическим телескопом «Миллиметрон». Главное отличие от «Радиоастрона» – новая космическая обсерватория будет работать в другом диапазоне волн.

«Миллиметрон» увидит, как формируются звезды и экзопланеты. И самое главное – заглянет за краешек черной дыры в центре нашей галактики. Именно там, по мнению ученых, из-за чудовищной силы гравитации время почти останавливается.

Как идет время в космосе?

На протяжении тысячелетий даже предположение о том, что в различных местах время может идти по-разному, не рассматривалось всерьез. Люди были уверены, что ход времени — это константа. Все изменилось в 1905 году, когда Альберт Эйнштейн представил миру Специальную теорию относительности, а позже – в 1915 году – Общую теорию относительности, перевернув мировую физику с ног на голову.

Это интересно: изначальная работа Эйнштейна носила имя «К электродинамике движущихся тел». Теорией относительности она стала позже, когда научный мир понял, насколько точно работа ученого описывает принцип относительности, который мучил ученых с античных времен: например, стоя на палубе неподвижного корабля и бросая камень в сторону его носовой части, вы не почувствуете никакой разницы при броске камня в случае, если бы корабль плыл.

Не углубляясь в сложные вычисления и формулы, мы вспомним основные постулаты теорий Эйнштейна, касающихся свойств пространства-времени (а пространство и время, по Теории относительности неотделимы друг от друга). В данном случае нас интересуют два вывода теории: пространство-время искривляется под воздействием гравитационных полей, а у любого движущегося объекта можно наблюдать эффект, называемый релятивистским замедлением времени. Получается, в движущемся с ненулевой скоростью теле все физические процессы будут идти медленнее, чем, если бы это тело покоилось. То есть если вы, например, летите в самолете, а ваш друг остался дома, то ваше время станет идти медленнее. Конечно, на практике ни вы, ни ваш друг разницы не почувствуете: ведь она составит миллиардные доли секунды.

Но если разогнаться до скорости значительно большей, чем скорость самолета, то разница во времени для вас и вашего друга будет намного большей. Один год на космической ракете, летящей с околосветовой скоростью, может быть равен нескольким сотням земных лет.

Это интересно: но это не означает, что если бы вы сели в такую ракету и разогнались до огромной скорости, то испытали бы эффект slo-mo. Для вас время текло бы, как обычно. Но если бы наблюдатель, стоящий на Земле, мог видеть часы в кабине летящей ракеты, то ему казалось бы, что время на них идет медленнее. С другой стороны, если бы вы видели в иллюминатор часы обычного земного жителя, то вам бы казалось, что они идут медленнее ваших. А все потому, что если бы вы находились в ракете , это Земля со всеми её жителями двигалась бы относительно вас. Но почему же не все жители Земли испытают эффект замедления времени, а только лишь космонавт? Это можно объяснить тем, что он испытывал процессы ускорения, находясь в ракете, а значит, системы отсчета для Земли и космического корабля были неравноправными (Земля летела равномерно и прямолинейно, а ракета испытывала влияния ускорения).

Искривление пространства вокруг Земли и Луны в представлении художника | Источник: quora. comКроме того, любое физическое тело ненулевой массы искривляет вокруг себя пространство-время: даже рядом с лежащим на столе яблоком будет замедляться время, правда из-за маленькой массы яблока влияние это будет столь незначительным, что его невозможно будет измерить ни одним прибором, а вычисляя это значение, вы устанете рисовать нолики после запятой.

Но что, если речь идет о более массивных объектах, например, о нашей Земле? Действительно, ее массы достаточно, чтобы искривлять вокруг себя пространство-время так сильно, что мы можем увидеть данную разницу, используя современные приборы. Чем ближе к массивному телу — тем сильнее его гравитационное влияние, а значит, медленнее идет время. Данное утверждение было проверено в ходе множества экспериментов, а временные сдвиги учитываются при передачах информации между Землей и спутниками связи.

Данная фотография — прямое доказательство искривления пространства-времени вблизи массивных объектов. На фотографии — изображение одного квазара. Его свет, искривляется пространством вблизи массивной черной дыры (посередине) и доходит до нас в виде четырех отдельных пятен. Время рядом с черной дырой будет сильно замедлено.

Это интересно: на самом деле, вы можете проверить это сами в любой момент. Одним из выводов Теории относительности является то, что в гравитационном поле свободно падающее тело движется равномерно и прямолинейно. Ударьте по футбольному мячу – сначала он полетит вверх, а затем, упадет вниз – на Землю. На самом деле траектория мяча – абсолютно прямая, а падает он на поверхность из-за искривления пространства-времени: в какой-то момент траектории Земли и мяча пересекутся.

Получается, что однозначное утверждение о том, что время в космосе всегда идет медленнее или всегда идет быстрее быстрее — неверно. В разных уголках космоса оно будет идти по-разному. Где-то быстрее, а где-то медленнее. Вблизи, например, черных дыр, оно будет существенно замедляться, а в межгалактическом пространстве, вдали от звезд и планет, наоборот, идти быстрее. Кроме того, при вычислении времени для какого-либо объекта, важно учитывать и его скоростные параметры.

Это интересно: теперь мы точно можем сказать, что на орбите Земли время должно идти быстрее, чем на поверхности — ведь мы находимся на большем удалении от массивного объекта, т.е. нашей планеты. Для подтверждения выдадим абсолютно синхронно идущие атомные часы космонавту и вам, сверив их перед запуском ракеты. Куда же отправить космонавта? Конечно же, на МКС — международную космическую станцию. Представим, что прожив целый год на орбите и, вернувшись домой, космонавт первым делом не прошел медицинские проверки и не повидался с семьей, а сверил время с вашими атомными часами. С удивлением вы обнаружите, что часы космонавта… отстают — его время шло медленнее! Как такое возможно: ведь он находился на большем расстоянии от массивного объекта, чем мы? Чтобы узнать, почему время на МКС идет медленнее земного и насколько именно, читайте здесь.

comments powered by HyperComments

Как идет время в космосе?

Долгое время предположение того, что в разных местах время может двигаться быстрее или медленнее, не принималось людьми за серьезность. Все вокруг считали, что время – константа, и доказывать обратное не было смысла. Но 1905 год перевернул все. Альберт Эйнштейн построил новую Специальную теорию относительности. А в 1915 представил Общую теорию относительности, совершив настоящую революцию в современной на тот период физике.

Труды Эйнштейна сначала назывались «К электродинамике движущихся тел». Уже позже, когда мир осознал в каких подробностях Эйнштейн описал принцип относительности, его работа стала называться Теорией относительности. Он ответил на вопросы, которые мучали ученых несколько тысяч лет, доказав, что все в этом мире относительно. Например, если вы стоите на палубе корабля, который пришвартован к причалу, то бросив камень к его носу, вы не заметите никакой разницы, как если бы делали это на плывущем корабле. А все потому, что относительно этого корабля ваше положение не изменилось бы.

В рамках этой статьи нас не интересуют сложные формулы и вычисления Эйнштейна, а лишь основные принципы теории относительности, касающиеся пространства-времени. А они, согласно теории, неразделимы. Конкретно сейчас нам нужны лишь два вывода теории.

• «Пространство-время искривляется под действием гравитационных полей»
• «Любой движущийся объект обладает релятивистским замедление времени»

Из чего следует, что в теле, находящемся в движении, все физические процессы протекают медленнее, чем в том же теле в состоянии покоя. Например, если вы летите в самолете, ваше время течет медленнее, чем у людей на поверхности земли. Естественно, никакой разницы вы не почувствуете, потому что она составляет всего несколько миллиардных долей секунды.

Однако, если лететь со скоростью выше скорости самолета, разница будет существенней. К примеру, один год в ракете, которая летит со скоростью близкой к скорости света, может оказаться несколькими сотнями лет на Земле.

Не стоит думать, что, сев в ракету и разогнавшись до скорости света, вы испытаете некий эффект замедленной съемки. Ощущение времени для вас осталось бы неизменным. Однако, если бы кто-то с Земли мог наблюдать за часами в вашей ракете, ему бы казалось, что ваше время идет несколько медленнее. А если бы вы могли видеть земные часы, то уже вы бы заметили, что время на них течет медленней. Это происходит из-за того, что Земля в этот момент двигалась бы относительно вашей ракеты. Назревает очевидный вопрос: почему именно вы испытываете замедление времени, а не вся планета? Потому что вы испытали процесс ускорения, в то время как Земля продолжала равномерно двигаться. 

Любое физическое тело искривляет пространство-время вокруг себя. Время замедляется даже рядом с яблоком, лежащим на столе. Конечно, из-за столь несущественной массы яблока этот эффект будет незаметным, и его не измерить ни одним существующим ныне прибором. А если вы вдруг решите вычислять это значение вручную, запаситесь тетрадкой побольше. А лучше несколькими, потому что нули после запятой вам придется вырисовывать очень и очень долго.

Но давайте поговорим о более крупных объектах таких, как Земля. Ее массы то вполне должно хватать для искривления пространства-времени вокруг себя на столько, что такую разницу мы точно сможем измерить соответствующими приборами. Чем ближе мы находимся к телу с огромной массой, тем сильнее его гравитационное притяжение. Это знали все. Но теперь вам станет известно и то, что помимо усиления гравитации, замедляется время при приближении к массивному объекту. Такие выводы были сделаны на основе множественных исследований, а временные изменения считались для Земли и спутников связи при передаче данных между ними.

Крест Эйнштейна является доказательством того, что пространство-время искривляется рядом с объектами большой массы. Этот крест представляет собой фотографию квазара. Вблизи черной дыры, которая находится в самом центре, даже свет квазара искривляется пространством, и мы видим его как четыре пятна.

Проверить данное утверждение может любой школьник. Теория относительности гласит, что в гравитационном поле, тело, находящееся в состоянии свободного падения, движется равномерно и по прямой.   Возьмите футбольный мяч и ударьте по нему. Он тут же полетит наверх, а потом упадет. Вам кажется, что траектория мяча в это время дугообразная, но это не так. Мяч летит абсолютно прямолинейно, а падает он тогда, когда его траектория пересекается с траекторией Земли, и происходит искривление пространства-времени.

Все вышесказанное значит, что время в космосе не всегда одинаково замедляется или ускоряется. Где-то оно будет течь быстрее, где-то медленнее. Рядом с черными дырами оно будет значительно медленнее, а вдали от планет и звезд наоборот, чуть быстрее. Помимо гравитации также важно учесть и скорость двигающегося объекта при измерении времени.

Все, что нужно знать о выходах в космос

В ночь на 16 августа космонавты Олег Артемьев и Сергей Прокопьев завершили выход в открытый космос по программе российского сегмента Международной космической станции (МКС). Продолжительность работы за бортом станции составила 7 часов 46 минут. Космонавты, в частности, демонтировали установленные в 2017 году панели с микроорганизмами, которые должны были выживать в открытом космосе. Также Прокопьев и Артемьев установили научное оборудование «Икарус» для мониторинга окружающей среды и запустили микроспутники «Сириуссат».

Спецпроект на тему

Оба россиянина работали в новых скафандрах «Орлан-МКС». В этих космических костюмах используется новая полиуретановая внутренняя оболочка вместо резины. Также в скафандры установлена новая автоматическая система терморегулирования. Система работает как хороший климат-контроль в автомобиле, самостоятельно подстраиваясь под температуру внутренней среды скафандра и усиливая или, наоборот, уменьшая степень охлаждения.

Выход в космос не только захватывающее событие, но и тяжелая и во многих смыслах неудобная работа. Про некоторые детали типового выхода рассказал ТАСС космонавт Герой России Алексей Овчинин.

Два литра за каждый выход

За тонкими стенками (не более 20 мм) МКС находится так называемый открытый космос — пустое безжизненное пространство, оказавшись в котором без защиты человек даже не успеет задохнуться, а умрет от перепада давления в течение нескольких десятков секунд. Остынет он значительно позже — в космосе из-за вакуума очень слабая теплопередача, и любой предмет охлаждается медленно. Космонавты выходят в космос в специальных костюмах — скафандрах, состоящих из большого числа оболочек. Они создают для человека личный микромир с приемлемыми давлением, температурой и воздухом, которым можно дышать.

• Зачем нужно быстро летать к МКС

Как отмечает Овчинин, скафандр плохо подвижен, и чем больше в нем избыточное давление, тем он жестче (костюм раздувается в вакууме как шар). Поэтому космонавты проводят много тренировок перед полетом и в гидролаборатории, и на специальных тренажерах, а сам скафандр должен быть правильно подогнан. Космонавты работают только руками: рукава и перчатки — самая подвижная часть костюма. Однако и это занятие непростое: например, на то, чтобы сжать полностью кулак в перчатке, растянутой изнутри половиной атмосферы, уходят существенные усилия.

Тренировка в гидролаборатории

© AP Photo/Sergey Ponomarev

Не секрет, что вся работа за бортом выполняется с помощью рук. Сжать перчатку скафандра полностью, конечно, можно, другое дело, что для выполнения работ за бортом станции не всегда это нужно, достаточно совершать более мелкие движения пальцами, чтобы руки, плечевой пояс, пальцы не уставали и чтобы можно было выполнить все задачи внекорабельной деятельности (ВКД)

Алексей Овчинин

космонавт, Герой России

На эту тему

По его словам, космонавты тренируют руки специальными упражнениями, которые развивают плечевой пояс и пальцы. Также облегчают работу космонавтов специальные инструменты, которые для удержания в руках не требуют полного сжатия перчаток.

Кроме сильного напряжения рук, человек греется и сильно потеет внутри скафандра, несмотря на работу системы охлаждения. Алексей Овчинин отметил, что потерю энергии космонавтов за выход в космосе в джоулях или калориях никто не считал, но люди устают за время внекорабельной деятельности достаточно сильно. «Из организма уходит за выход очень много воды, это порядка двух литров. После выхода мы как раз восполняем именно потребности в воде. При этом не используется каких-либо витаминов и других пищевых добавок», — рассказал Овчинин.

Не забудьте перецепить страховочный карабин

Космонавты работают в разных местах за бортом станции, иногда приходится проделать длинный путь от выхода из модуля «Пирс» до места проведения работ.  По пути следования передвигающиеся на руках космонавты цепляют себя страховкой за жесткие и гибкие поручни, как альпинисты. Страховочных фалов два — 1,5 и 3 метра.

«Никто никогда не считал, сколько раз космонавт перецепляет карабин во время ВКД, потому что это зависит от задач. Во время некоторых выходов космонавты работают рядом с шлюзовым отсеком. А могут быть работы гораздо дальше, тогда при перемещении по поручням космонавт должен перефиксировать два карабина от двух фалов. Поручни при этом на поверхностях модулей расположены неравномерно — где-то чаще, где-то реже. В некоторых местах поручни расположены достаточно далеко или установлены вообще мягкие поручни — там несколько другая система перецепления», — рассказал Овчинин. При этом он добавил, что случаев отрыва — когда космонавта, «соскользнувшего» с борта станции, спасли лишь страховочные фалы — пока не было.

За время выхода за борт станции космонавты неоднократно оказываются как в тени Земли, так и на солнечной стороне. В тени системы скафандра включаются на обогрев — по трубкам специального сетчатого костюма, надетого на космонавта внутри скафандра, начинает течь теплая вода. На солнечной стороне водяная система влючается на охлаждение. Причем перегреться в скафандре значительно проще, чем замерзнуть, — он работает как термос, и внутреннее пространство скафандра быстро нагревается от тепла работающего человека.

На солнечной стороне космонавты также используют специальное защитное забрало из многослойного золотисто-зеркального стекла. Оно настолько хорошо защищает их лицо и глаза от солнечных лучей, что они впрямую могут смотреть на нашу звезду.

С альпинистами космонавтов роднят не только страховочные фалы и карабины, но и пониженное давление воздуха: во время выхода в скафандре поддерживается давление более чем в два раза меньше обычного атмосферного на Земле — около 0,37–0,42 атмосферы. Это немногим выше, чем на вершине Эвереста.

Человек, в принципе, достаточно комфортно чувствует себя при таком давлении, время нахождения в скафандре ограничено другими системами жизнеобеспечения. А так в среднем за ВКД космонавт находится в скафандре семь-восемь часов

Алексей Овчинин

космонавт, Герой России

Надо отметить, что на вершине Эвереста люди могут погибнуть не из-за низкого давления, а из-за недостаточного содержания кислорода в разреженном воздухе.

Право на передышку

Космонавты во время работы за бортом имеют право на отдых. Так, они могут попросить Центр управления полетами (ЦУП) дать паузу в работе практически в любое время. При этом не используется никаких специальных команд или стоп-слов, просто космонавт сообщает ЦУП, что он устал и ему нужна передышка. Также паузы в работе могут быть организованы по указанию с Земли.

«По циклограмме отдых во время ВКД не предусмотрен, смотрится состояние космонавтов — во время внекорабельной деятельности группа медицинского обеспечения следит за нами, на каждом космонавте надет медицинский пояс, который сбрасывает множество параметров. Если медики видят, что учащается пульс или растет давление, они дают команду на прекращение работы», — рассказал Овчинин. Он также сообщил, что российские космонавты не едят и даже не пьют во время выхода, хотя емкости для воды предусмотрены.

После выхода космонавтам также не дается какого-то специального времени для отдыха — по большей части они в этот момент занимаются обслуживанием скафандра. Космический костюм после выхода нужно прежде всего просушить от пота, затем подготовить к следующему выходу и убрать в специальное помещение на станции.

Валерия Решетников

Психофизиолог Юрий Бубеев — о том, как отражается на психике длительное пребывание на орбите и чем это похоже на самоизоляцию

Что происходит с человеческим организмом, запертым в четырех стенах, как из этого извлечь пользу и даже развить суперспособности? Ответ на подобные вопросы вот уже более полувека ищут ученые, занятые космической медициной. В преддверии Дня космонавтики, который мир отмечает 12 апреля, «Огонек» поговорил с главным специалистом в этой области, руководителем отдела психологии и психофизиологии ГНЦ Института медико-биологических проблем РАН профессором Юрием Бубеевым

Беседовала Елена Кудрявцева

— Юрий Аркадьевич, сегодня большая часть планеты Земля оказалась в изоляции. Насколько это серьезная проблема для психики?

— В общем плане, многое зависит от того, добровольная эта изоляция или вынужденная. Множество людей отправляются в изоляцию добровольно — космонавты, полярники, подводники, отшельники разных религиозных традиций. Сегодня существуют даже специальные ретрит-центры, куда люди уходят в затвор, чтобы разобраться с собственными проблемами. А нынешний карантин — это, конечно, вынужденная изоляция, и поэтому воспринимается психикой более тяжело.

— Но в космической медицине изоляцию изучают именно как фактор стресса. Когда начались эти работы?

— В Институте медико-биологических проблем изоляцию начали изучать более 50 лет назад. Тогда у специалистов были серьезные сомнения, сможет ли человек в принципе существовать в отрыве от Земли, тем более в замкнутом пространстве. Поэтому начиная с 50-х годов проводились довольно жесткие эксперименты в сурдокамере — особом звуконепроницаемом помещении, где человек на несколько суток (а иногда даже на целый месяц) оказывался запертым в тесноте, полной тишине и без всяких средств связи. Кстати, именно в сурдокамере специалисты впервые выделили Юрия Гагарина среди других кандидатов: он прекрасно адаптировался к неестественной обстановке, спокойно отнесся к одиночеству, показывал быструю реакцию на новизну, умение переключаться и отличное чувство юмора.

Юрий Бубеев, специалист по космической медицине

В Центре подготовки космонавтов сейчас тоже проходят тренировки в сурдокамерах: будущие космонавты должны провести там не менее 60 часов, при этом не спать, а выполнять задания. Это вполне оправданно, учитывая обстоятельства, в которых приходится работать на орбите.

— В 1967 году ученые провели потрясающий по своей смелости эксперимент: троих испытуемых закрыли в бочке на год.

— Это был первый длительный эксперимент по изоляции в истории науки.

Три члена экипажа провели 366 дней в тесном помещении, размером три на четыре метра. Из обстановки там были три откидные кровати и стол. Правда, позже присоединили небольшую оранжерею, чтобы участники эксперимента могли обеспечивать себя овощами.

Тогда основной акцент делали не на изучении психологии, а на отработке средств и систем жизнеобеспечения. Это была почти замкнутая система, где воду и кислород получали с помощью технологий регенерации из мочи и различных отходов. Пищевой рацион был очень скудный, душ можно было принять раз в 10 дней и так далее. Сейчас такой эксперимент запретит любая биоэтическая комиссия. А тогда хотели понять, где предел человеческих возможностей, чтобы разрабатывать технические средства для межпланетных полетов.

— Нащупали предел? В итоге ведь все три члена экипажа в открытую ненавидели друг друга…

— Это был очень тяжелый для участников эксперимент. Несмотря на то что люди были тщательно отобраны, между ними довольно быстро начали возникать напряженности и конфликты. При этом экипаж делился так, что двое оказывались настроены против одного, и этот один попадал в двойную изоляцию.

Закрыть нельзя выпустить

— Почему изоляция для человека — это стресс? Ведь это не голод, не холод, не истощение… Что происходит на уровне физиологии?

— Любое разрушение привычных нам условий среды организм воспринимает как стресс. В первые дни изоляции в крови повышен уровень гормонов стресса, изменяется сердечный ритм, нарушаются другие физиологические показатели. Один из верных признаков стресса — сбой сна и нарушение биоритмов. В 60-е годы был проведен целый ряд очень интересных экспериментов. Тогда маячила реальная угроза атомной войны, и ученых интересовал вопрос, насколько удастся выжить человеку в бункере, если весь мир погибнет, а он останется. Эксперименты проходили в горных шахтах, и оказалось, что без внешнего вмешательства у человека сдвигается суточный ритм, и сутки «вырастают» сначала до 26 часов, а затем — до 52. Этот опыт активно учитывается в наших экспериментах при полетах на МКС: режим труда и отдыха планируется таким образом, чтобы выдерживался 24-часовой режим. Иначе человеку предстоит еще более тяжелая адаптация по возвращении домой.

— Стресс при изоляции имеет какие-то этапы? Когда приходится сложнее всего?

— После острого начального периода, который длится 5–10 дней, как правило, человек приспосабливается. Новый виток стресса наступает, когда жизнь входит в некую колею и становится монотонной. Доказано, что, если органы чувств не получают привычной стимуляции в виде новых впечатлений, запахов, визуальных картинок, не ощущают солнечного света и так далее, человек впадает в апатию, погружается в депрессивное состояние, испытывает постоянную сонливость, его работоспособность снижается. Космонавты тоже это переживают, и сегодня самым эффективным средством борьбы считается виртуальная реальность.

— Как это выглядит?

— У каждого человека есть некое «место силы», с которым связаны лучшие воспоминания в его жизни и которое дает ощущение безопасности и счастья. Это может быть родная квартира, где живет семья космонавта, какое-то место, куда он ездил отдыхать или где он вырос. Перед полетом специалисты могут снять специальные ролики в зависимости от этих предпочтений, а на орбите космонавт погружается в них с помощью новых технологий виртуальной реальности. Кроме этого, могут снять новые ролики, если во время пребывания в космосе в семье произошло важное событие, например родился ребенок или пошел в школу. Это помогает человеку почувствовать себя причастным к произошедшему, что очень важно. Кроме того, космонавты на орбите могут регулярно виртуально посещать музеи и какие-то интересные места, то есть делают именно то, что сейчас рекомендуется всем людям, попавшим в изоляцию.

Другое средство для борьбы со стрессом на МКС — наблюдение за Землей. Удивительно, но это зрелище имеет потрясающий релаксирующий эффект, и космонавты проводят большую часть свободного времени в специальном модуле с огромным иллюминатором. Описан случай, когда первого американского астронавта, вышедшего в открытый космос, настолько заворожил вид Земли, что он никак не хотел возвращаться обратно. Его звали, ругали, уговаривали, заманивали, а он все смотрел и фотографировал, пока в баллонах почти не закончился кислород. При межпланетных полетах возможности смотреть на землю у космонавтов не будет, поэтому средства виртуальной реальности будут еще более востребованы, чем сейчас на МКС.

— Что помогает пережить изоляцию, кроме виртуальной реальности?

— Режим и четкое структурирование суток. День должен быть заполнен какими-то интересными, важными делами. Рутинные обязанности должны чередоваться с экспериментами, обязательно должно быть место для любимого дела, для хобби, которое человек делает с удовольствием.

Женщина на корабле

— С того первого изоляционного эксперимента в 60-е годы ИМБП провел уже несколько десятков проектов, самым длительным из которых стал «Марс-500»: участники прожили в изоляции почти полтора года. Какие основные выводы ученые сделали на этом опыте?

— Сегодня понятно, что для межпланетных перелетов оптимальное число экипажа — 5–6 человек. При этом предпочтительнее смешанный состав из мужчин и женщин.

— А я читала, что, когда гендерные различия были введены в экипаж, возникли конфликты и что после этого впервые некий кодекс поведения появился на МКС…

— У смешанного коллектива тоже есть проблемы, но они совсем другие, нежели в мужском, и решаются проще. Безусловно, кодекс поведения в таких ситуациях необходим, и он есть. А когда нарушается, возникают всяческие происшествия, которые иногда проникают в прессу. Но в целом если запереть даже самых прекрасных людей на длительное время в одном месте, то напряжение рано или поздно возникнет — это замечательно показывает наша нынешняя самоизоляция.

— А насколько успешно уживается чисто женский коллектив?

— Большого опыта в этом отношении нет. Один из немногих изоляционных экспериментов с чисто женским коллективом проходил у нас в течение чуть более двух недель. Когда мы открыли шлюзы, девушки спросили: «Почему так мало! Мы даже не успели наговориться!» Так что, возможно, для межпланетных перелетов с точки зрения психологии женские экипажи оказались бы более устойчивыми. Но проверить это у нас как-то исторически возможностей не было: на российском флоте, на полярных станциях и подлодках женщин нет.

— А у американцев?

— У американцев на кораблях служит довольно много женщин, а на подлодках тоже одни мужчины: мотивировка — узкие проходы, где невозможно разойтись, соблюдая личное пространство.

Космос с акцентом

— Какой человек проще переживет изоляцию? И есть ли какие-то особенности адаптации, связанные с национальным менталитетом?

— Проще интровертам. А по национальности совершенно точно жизнь в замкнутом пространстве легче дается японцам и китайцам.

Дело в том, что представители этих наций привыкли к скученности жизни, и личная зона, комфортная для них, значительно меньше, чем у европейцев. Они в целом намного менее требовательны в отношении комфорта, что подтвердили наши эксперименты. В частности, во время проекта «Марс-500» самым беспроблемным в психологическом плане членом экипажа у нас был китаец.

— С итальянцами, наверное, сложнее остальных?

— Да! Они эмоциональные, в своем большинстве экстраверты, очень шумные. Итальянская манера общения, связанная с повышенными эмоциями и активной жестикуляцией, в замкнутом пространстве воспринимается с трудом.

— А американцы и российские космонавты хорошо уживаются?

— В целом по темпераменту мы очень похожи, к тому же МКС сейчас довольно большая — размером с футбольное поле, есть где разойтись. В проекте «Марс-500» были неожиданные трения, связанные с культурными различиями. Наши немного обижались, что остальные не хотели отмечать Новый год так, как привыкли они: шумно, эмоционально, с обязательным прослушиванием речи президента. А те не поняли, почему наши как-то сухо и дежурно поздравили их с Рождеством. И только китайский участник эксперимента с одинаковой теплотой отмечал все праздники.

— Почему изоляционные эксперименты ставили в основном в СССР, а в США и Европе первые значимые работы сделали только в 90-е годы?

— Это определялось потребностями развития космонавтики. У нас с 70-х годов на орбите постоянно находились орбитальные станции: «Салюты» и «Мир». У американцев же была единственная станция «Скайлэб» (работала с 1973 по 1974 год, сошла с орбиты в 79-м.— «О»), после чего они поставили крест на развитии национальной орбитальной космонавтики. Поэтому, когда мы начали сотрудничать в рамках полетов МКС, то на первых порах активно передавали опыт, накопленный нами как в космосе, так и во время долговременных экспериментов на Земле.

— В конце 2020 года ИМБП планирует провести очередной этап наземного изоляционного эксперимента Сириус. В чем будет его особенность?

— Если предыдущий эксперимент длился четыре месяца, то новый займет восемь. Он является подготовкой к развитию Лунной программы: космонавты должны будут добраться до орбиты Луны, провести некоторое время, облетая спутник, а затем совершить несколько выходов на поверхность с помощью средств виртуальной реальности. При этом будет использоваться прекрасно смоделированная лунная поверхность и специальный стенд, имитирующий слабую гравитацию с помощью комплекса тросов и подвесов. То есть это будет полноценная иллюзия пребывания вне пределов Земли.

Космические голоса и видения

— Некоторые космонавты неоднократно писали о различных состояниях измененного сознания во время работы на орбитальных станциях — кто-то слышал лай собаки, плач ребенка, были какие-то видения. Насколько я знаю, такие случаи собирает космонавт Сергей Кричевский. Как вы, специалист, оцениваете такие факты?

— Это сложная и несколько табуированная проблема. Сергей Кричевский сам реального опыта полета не имел, но случаи действительно собрал интересные. Дело в том, что в космосе созданы все условия для того, чтобы возникали так называемые мягкие измененные состояния сознания. Они, кстати, бывают не только у космонавтов, но и, например, у спортсменов при интенсивных физических нагрузках. Многие марафонцы описывают ощущение эйфории и парения тела над землей во время длительных изнуряющих забегов. Встречаются такие состояния у женщин при родах, когда болевой предел достигает максимума, и так далее.

— Какие факторы на орбите провоцируют измененное состояние сознания?

— Их довольно много. Невесомость вызывает перераспределение крови в голове и гипоксию (нехватку кислорода.— «О») мозговых структур. Сдвиг суточных ритмов из-за того, что иногда приходится ночами разгружать прибывшие с Земли грузовики или делать другую работу. Прибавьте сюда длительную изоляцию и так называемый белый шум — на МКС всегда гудят вентиляторы и другая аппаратура. А в психологии даже есть подобный метод вызывания слуховых галлюцинаций. Если в широком частотном диапазоне создать равномерное звучание, то человек может услышать что угодно: музыку, голоса животных, разговоры — зависит от его ожиданий и состояния.

— А зрительные галлюцинации тоже могут возникать?

— Да, этот эффект достаточно известен. У космонавтов часто наблюдаются фосфены — особые зрительные иллюзии, когда перед глазами появляются вспышки. Впервые о них рассказали американские астронавты, летавшие на Луну.

Считается, что фосфены возникают, когда в сетчатку глаза врезаются тяжелые заряженные космические частицы, пробивающие обшивку корабля. На МКС чаще всего они возникают, когда станция проходит по высокой орбите и электромагнитное поле Земли, защищающее от высокоэнергетичных частиц, слабее.

— Некоторые космонавты в своих воспоминаниях пишут, что в космосе они переживали какие-то мистические откровения, которые в принципе изменили их сознание — в более широком плане.

— Да, при этом интересно, что переживания астронавтов и наших космонавтов были во многом сходны — мы знаем это по заметкам Юрия Гагарина и Алексея Леонова. Последний писал: «Если человек побывал в космосе, видел нашу планету как небольшой голубой шар, несущийся в мертвых просторах Вселенной,— это уже другой человек, в том смысле, что, вернувшись, он смотрит на мир людей, на Землю другими глазами, чем все остальные. Сознание его, я бы сказал, становится более обогащенным, расширенным, «космическим». Примерно о том же свидетельствуют интервью семи астронавтов, побывавших на Луне, приведенные в документальном фильме «В тени Луны».

Этот, в хорошем смысле слова, «глобализм» в 1970-е годы породил новое направление — гуманистическую психологию, которая, по сути, представляет собой возвращение к самым истокам человеческих прозрений о единстве и ценности жизни. Кстати, эти переживания, по-видимому, привели к тому, что по возращении многие астронавты из экипажей «Аполлонов» стали глубоко религиозными людьми. Это очень интересный аспект, который пока не получил должного развития в науке.

— Пандемия коронавируса вызвала какое-то похожее чувство единения всех людей.

— Да, и, если вспомнить пирамиду Маслоу, нынешние события вернули нас к ее первому этажу: всякие надуманные невротические потребности, которые, как ракушки, облепили современного человека, на самом деле оказались неважны. Когда возникает реальная угроза для жизни, происходит их переоценка и они оказываются совершенно незначимыми.

— Что, на ваш взгляд, будет актуально из космического опыта для изолирующихся землян?

— Нельзя дать общих советов, потому что условия изоляции бывают очень разными. Одно дело, если у каждого члена семьи есть по комнате для уединения или, того лучше, небольшой участок сада, куда можно выйти погулять, а другое дело — запертая многодетная семья в однушке. Труднее всего приходится людям, которые еще до изоляции находились в конфликте, пусть и скрытом, и возможность видеться только пару часов перед сном не давала ему развиться. В этом случае изоляция может спровоцировать выплеск агрессии, злоупотребление алкоголем и насилие в семье. В таких ситуациях, безусловно, необходимы какие-то навыки саморегуляции и психическая культура. Может помочь какое-то общее дело, например давно откладываемый ремонт. Можно попробовать решить какую-то сложную задачу, которая была вашей мечтой: выучить иностранный язык, сбросить лишние килограммы, накачать пресс… Время изоляции — прекрасная возможность обратиться к духовным практикам, заняться йогой, медитацией, для верующих — перечитать какие-то духовные труды, до которых не доходили руки, и так далее. Попробуйте воспринимать изоляцию как шанс для самосовершенствования, чтобы стать лучше, чем вы были до нее.

Интересные факты о космосе, в которые трудно поверить :: Жизнь :: РБК Стиль

© Greg Rakozy/Unsplash

День космонавтики на «Стиле»

Автор Ульяна Смирнова

07 апреля 2021

В созвездии Рака есть планета-алмаз стоимостью $26,9 нониллионов, а земные сутки в будущем растянутся до 870 часов. Рассказываем, что еще необычного скрывает космос.

1. В Солнечной системе может быть больше восьми планет

Солнечная система — наиболее изученная часть космического пространства. По официальной версии, она включает восемь планет. В действительности их значительно больше. Одних только «карликов» здесь насчитывается не меньше пяти. Это Плутон, Церера, Хаумеа, Макемаке и Эрида. Из-за удаленности от Земли они мало изучены. Более того, по оценкам ученых, в Солнечной системе может находиться еще около 2 тыс. потенциальных карликовых планет. К тому же многие астрофизики признают наличие девятой крупной планеты. Она размером с Нептун и в десять раз тяжелее Земли. О существовании загадочной планеты X ученые стали догадываться еще в 2014 году, а в 2016-м получили первые доказательства с помощью компьютерного моделирования.

© David Menidrey/Unsplash

2. Планета из графита и алмазов

Еще одну таинственную планету астрономы обнаружили в созвездии Рака. По мнению сотрудников Йельского университета, она вдвое больше и в восемь раз тяжелее Земли. Но главное — Янссен почти целиком состоит из графита и алмазов. Причем на долю последних приходится треть его вещества. Forbes оценил стоимость планеты в $26,9 нониллионов. По космическим меркам, гигантский алмаз расположен неподалеку от землян — всего в 40 световых годах. Правда, температура его поверхности достигает 2,148 тыс. градусов. А скорость вращения настолько высокая, что один год там равняется 18 земным часам. Кроме того, недавно ученые выяснили, что одна сторона Янссена находится в расплавленном состоянии и представляет собой углеродную лаву.

3. Без Луны на Земле вымрут морские обитатели

Если спутник Земли исчезнет, скорее всего, глобальной катастрофы не случится. Когда-то она была основным источником света в темное время суток — теперь люди умеют обходиться без нее. И все же некоторые серьезные изменения произойдут. Например, настанет конец многим водным видам спорта. Фазы Луны влияют на волны — проходя над поверхностью нашей планеты, она «тянет» за собой массы воды. Кроме того, вымрут морские обитатели, жизнь которых напрямую связана с приливами и отливами. Без спутника на Земле не будет солнечных и лунных затмений, а тектонические плиты сместятся, вызвав землетрясения и извержения вулканов. Но главное — климат планеты уже не будет прежним.

© Anders Jilden/Unsplash

4.

Осколки Тунгусского метеорита до сих пор не найдены

Самый таинственный космический пришелец XX века — Тунгусский метеорит. Он упал в районе сибирской реки Тунгуска утром 30 июня 1908 года. В тот день небо осветило ярким сиянием, а последовавший за ним воздушный взрыв уничтожил огромный участок леса и выбил стекла домов в радиусе 200 км. Однако ни осколков метеорита, ни следов применения оружия массового поражения, ни обломков инопланетного корабля так никто и не нашел. По расчетам специалистов NASA, диаметр метеорита составлял 75 м, а сила взрыва сравнялась с мощностью термоядерной бомбы. К слову, после падения Челябинского метеорита ученые нашли более 100 осколков. Самый большой из них весит почти 700 кг.

5. В космосе царит тишина

Самым тихим местом на нашей планете считается безэховая камера в Лаборатории Орфилда — она поглощает до 99,99% звуков. Но даже там услышать абсолютную тишину не получится. Ее нарушит работа наших легких и кровеносной системы. Сегодня в этой лаборатории проводят различные исследования и тестируют приборы. А еще в подобных изолированных пространствах специалисты NASA испытывают будущих астронавтов. В космосе нет звуков — из-за отсутствия воздуха. Поэтому даже мощные галактические взрывы происходят в полной тишине. Работать в таких условиях очень трудно: всего несколько минут в звуковом вакууме вызывают у неподготовленных людей панические атаки и сильные слуховые галлюцинации.

© Alexander Andrews/Unsplash

6. Скафандр NASA стоит $22 млн

Космическому агентству не хватает скафандров. Из-за этого даже отменили первый выход в открытый космос команды женщин-космонавтов. Он был перенесен и состоялся в октябре 2019 года. В разработку новых скафандров NASA вложило более $200 млн. Несмотря на это, согласно отчету генерального инспектора Пола Мартина, в распоряжении ведомства находится всего 11 пригодных для эксплуатации космических костюмов. Они разработаны в конце семидесятых годов, а срок их службы истек еще в прошлом столетии. Из-за неполадок в устаревшей охлаждающей системе скафандров в шлемах астронавтов скапливается влага. По словам инженера NASA Пабло де Леона, каждый такой костюм весит более 150 кг и стоит $22 млн.

7. Луна покидает земную орбиту

Луна постепенно удаляется от нашей планеты. Правда, происходит это с очень незначительной скоростью — 38 мм в год. Исследователи из Висконсинского университета в Мэдисоне и Колумбийского университета рассчитали, что 1,5 млрд лет назад земные сутки длились примерно 18 часов. В то время Луна находилась к Земле на 44 тыс. км ближе, чем теперь. По мнению астрофизиков, возросшее расстояние повлияло на вращение планеты вокруг своей оси, а вместе с тем на климат и продолжительность дня. Еще через несколько миллиардов лет орбита Луны увеличится примерно вдвое, а сутки растянутся на 870 часов. Однако со временем они перестанут отдаляться друг от друга, и спутник вновь начнет двигаться к Земле, прогнозируют специалисты.

8. Мощное гравитационное поле замедляет время

Из-за гравитации время в космосе протекает по-разному. Чем мощнее гравитационное поле, тем сильнее замедляется время. Этот феномен проиллюстрирован в фильме «Интерстеллар» Кристофера Нолана. Когда герои попадают на планету Миллер, час для них оказывается равен семи земным годам. Вернувшись на борт космического корабля спустя три с небольшим часа, астронавты застают уже поседевшего коллегу, который ждал их возвращения долгие 23 года. Практически так же происходит и в реальности. Например, для космонавтов время тянется на доли секунды быстрее, чем для людей на Земле. А вблизи черной дыры оно почти полностью останавливается.

9. Ветра на Венере дуют со скоростью 500 км/ч

Венера схожа с Землей по составу и размерам, но сильно отличается по внешнему виду и условиям на поверхности. Атмосфера планеты состоит из нагретых до больших температур углекислого газа и паров серной кислоты и обладает очень высокой плотностью. Данные спектрометра SPICAV, установленного на орбитальной станции Venus Express, показали, что в мезосфере Венеры на высоте 85-100 км озона в 10 тысяч раз меньше, чем в атмосфере Земли. А содержание двуокиси серы значительно меняется в течение нескольких суток. Благодаря исследованию с использованием звездного просвечивания, когда спектрометр следил за звездами при их восходе и заходе за горизонт планеты, ученым удалось выяснить концентрацию основного газа венерианской атмосферы. Такое распределение озона указывает, что газ взаимодействует с химическими соединениями, которые ветры переносят из дневной стороны полушария на ночную. А из-за того, что атмосфера Венеры вращается в 60 раз быстрее поверхности планеты, скорость ветра здесь может составлять до 500 км/ч. 

Возраст космонавтов медленнее, чем у людей на Земле?

Flickr / Пол Хадсон Время кажется одной из немногих констант в жизни — оно проходит день за днем ​​в одном и том же темпе.

Тогда Эйнштейну пришлось пойти и испортить это для нас.

Мы все слышали фразу «время относительно», но бывает трудно понять, что это на самом деле означает.

Эта фраза пришла из теории относительности Эйнштейна, которая объединила пространство и время и породила идею ткани, пронизывающей всю вселенную: «пространство-время».

Все мы по-разному измеряем наш опыт в пространстве-времени. Это потому, что пространство-время не плоское — оно искривлено и может искривляться материей и энергией.

Итак, в зависимости от нашего положения и скорости время может показаться нам движущимся быстрее или медленнее по сравнению с другими в другой части пространства-времени. А для астронавтов на Международной космической станции это означает, что они стареют чуть медленнее, чем люди на Земле.

Это из-за эффектов замедления времени. Во-первых, кажется, что время движется медленнее рядом с массивными объектами, потому что гравитационная сила объекта искривляет пространство-время.

Всеобщее достояние Это явление называется «гравитационным замедлением времени». В двух словах, это означает, что время движется медленнее по мере увеличения силы тяжести.

Вот почему время течет медленнее для объектов, расположенных ближе к центру Земли, где сила тяжести сильнее.

Это не значит, что вы можете провести свою жизнь в подвале, просто чтобы пережить остальных из нас здесь, на поверхности. В таком маленьком масштабе эффект не заметен. Если бы вы стали отшельником в подвале, то за всю свою жизнь вы бы старели лишь на долю секунды медленнее, чем все остальные на земле.

Но эта концепция становится довольно сумасшедшей, когда вы начинаете думать о ней:

• Часы, привязанные к вашей щиколотке, со временем будут отставать от часов, привязанных к вашему запястью.
• Технически ваша голова стареет быстрее, чем ноги.
• Для людей, живущих в горах, время течет быстрее, чем для людей, живущих на уровне моря.

Но время становится еще более странным.

Второй фактор — это то, что называется «замедлением времени относительной скорости», когда время движется медленнее, чем вы движетесь быстрее.

Классическим примером этого является двойной сценарий. Один из близнецов взлетает на космическом корабле, летящем со скоростью, близкой к скорости света, а другой остается на Земле.Когда космический близнец возвращается на Землю, ей всего пара лет, но она потрясена, обнаружив, что ее привязанная к Земле сестра постарела более десяти лет.

Конечно, никто не проводил этот эксперимент в реальной жизни, но есть доказательства, что это реально. Когда ученые запустили атомные часы на орбиту и обратно — сохраняя при этом идентичные часы здесь, на Земле, — они вернулись, немного отставая от часов, привязанных к Земле.

Тогда время становится еще более сложным, потому что гравитационное замедление времени и замедление времени относительной скорости могут происходить одновременно. Хороший способ подумать об этом — рассмотреть космонавтов, живущих на Международной космической станции.

Они плывут примерно на 260 миль выше, где гравитационное притяжение Земли слабее, чем у поверхности. Это означает, что время для них должно ускоряться по сравнению с людьми на земле. Но космическая станция также движется вокруг Земли со скоростью около пяти миль в секунду:

. Это означает, что время также должно замедляться для астронавтов по сравнению с людьми на поверхности.

Вы могли бы подумать, что это может выровняться, но на самом деле их замедление времени по скорости имеет больший эффект, чем их гравитационное замедление времени, поэтому астронавты в конечном итоге стареют медленнее, чем люди на Земле.

Однако разница не заметна — после шести месяцев на МКС астронавты постарели примерно на 0,005 секунды меньше, чем все мы. Это означает, что когда астронавт Скотт Келли вернется из своего годичного пребывания на МКС, технически он будет равен нулю.На 1 секунду младше своего брата-близнеца Марка Келли, который остался на Земле.

Так что в следующий раз, когда вы захотите, чтобы выходные продлились дольше, не спускайтесь с земли и двигайтесь очень быстро. не будет ощущать так, как будто ваши выходные прошли, но технически вы можете получить крошечную, крошечную долю секунды.

Помните, время относительно.

Сколько времени в космосе? — НАСА Исследование солнечной системы

Следить за выходом космического корабля на Сатурн может быть сложно.Если не указано иное, время на этом веб-сайте было переведено в Тихоокеанское время США — часовой пояс центра управления полетом Кассини в Лаборатории реактивного движения НАСА в Пасадене, Калифорния,

.

---

Вот несколько определений, которые помогут вам следить за временем миссии Кассини:

Всемирное координированное время (UTC)

Мировой научный стандарт хронометража. Он основан на тщательно обслуживаемых атомных часах и очень стабилен. Добавление или вычитание дополнительных секунд, если необходимо, при двух возможностях каждый год корректирует UTC с учетом отклонений во вращении Земли.

Время события космического корабля (SCET) или орбитальный аппарат UTC

Время, когда что-то происходит с космическим кораблем, например, научное наблюдение или загорание двигателя.

Время одностороннего света (OWLT)

Время, необходимое сигналу, движущемуся в космосе со скоростью света, чтобы добраться от космического корабля до Земли. Время света в одну сторону от Сатурна может составлять от одного часа 14 минут до одного часа 24 минут.

Время приема на Земле (ERT) или UTC

на земле

Время приема сигнала космического корабля в центре управления полетом на Земле (время события космического корабля плюс время одностороннего освещения).

Местное время

Время с поправкой на места вокруг Земли. Это время, которое большинство людей используют для установки часов и будильников.

---

Например, «Кассини» начал передавать данные со своего первого близкого пролета Титана в 00:16 по орбитальному орбитальному аппарату 27 октября. Первый сигнал прибыл на Землю через час и 14 минут в 01:30 по Гринвичу 27 октября.

С поправкой на местное время, сигналы поступали на экраны центра управления полетами в Пасадене, Калифорния.в 18:30 PDT (или 21:30 по восточному поясному времени для людей, настроенных на прослушивание в штаб-квартире НАСА в Вашингтоне, округ Колумбия)

Вы можете использовать конвертер часовых поясов или приведенную ниже таблицу, чтобы выяснить, когда сигналы Cassini дойдут до вашего дома:

Часовой пояс	Относительное время (от UTC)
Атлантический дневной свет	Вычесть 3 часа
Атлантический стандарт	Вычесть 4 часа
Восточный дневной свет	Вычесть 4 часа
Восточный стандарт	Вычесть 5 часов
Центральный дневной свет	Вычесть 5 часов
Центральный стандарт	Вычесть 6 часов
Горный дневной свет	Вычесть 6 часов
Горный стандарт	Вычесть 7 часов
Тихоокеанский дневной свет	Вычесть 7 часов
Тихоокеанский стандарт	Вычесть 8 часов
Дневной свет на Аляске	Вычесть 8 часов
Стандарт Аляски	Вычесть 9 часов
Гавайско-Алеутский свет, дневной свет	Вычесть 9 часов
Гавайско-алеутский стандарт	Вычесть 10 часов
Стандарт Самоа	Вычесть 11 часов

Неужели вы действительно стареете медленнее на космическом корабле со скоростью, близкой к скорости света?

Замедление времени — это концепция, которая всплывает во многих научно-фантастических фильмах, в том числе в книге Орсона Скотта Карда «Игра Эндера» , где один персонаж стареет в космосе всего на восемь лет, а на Земле проходит 50 лет.Именно такой сценарий описан в знаменитом мысленном эксперименте «Парадокс близнецов»: астронавт с идентичным близнецом в управлении полетом совершает путешествие в космос на высокоскоростной ракете и возвращается домой и обнаруживает, что близнец стареет быстрее.

Замедление времени восходит к специальной теории относительности Эйнштейна, которая учит нас, что движение в пространстве на самом деле вызывает изменения в течении времени. Чем быстрее вы перемещаетесь через три измерения, которые определяют физическое пространство, тем медленнее вы перемещаетесь через четвертое измерение, время — по крайней мере, относительно другого объекта.Время измеряется по-разному для близнеца, который двигался в космосе, и близнеца, который остался на Земле. Часы в движении будут идти медленнее, чем часы, которые мы наблюдаем на Земле. Если вы сможете путешествовать со скоростью, близкой к скорости света, эффекты будут гораздо более заметными.

В отличие от Парадокса Близнецов, замедление времени — это не мысленный эксперимент или гипотетическая концепция — это реально. Эксперименты Хафеле-Китинга 1971 года доказали это, когда два атомных часа летели на самолетах, летевших в противоположных направлениях.Относительное движение на самом деле оказало ощутимое влияние и создало разницу во времени между двумя часами. Это также было подтверждено в других физических экспериментах (например, быстро движущимся мюонным частицам требуется больше времени для распада).

Итак, в вашем вопросе космонавт, возвращающийся из космического путешествия на «релятивистских скоростях» (где начинают проявляться эффекты теории относительности — обычно, по крайней мере, одна десятая скорости света), по возвращении будет моложе того же самого- возрастных друзей и родственников, оставшихся на Земле.Насколько моложе, зависит от того, насколько быстро космический корабль двигался и ускорялся, поэтому мы не можем с готовностью ответить на этот вопрос. Но если вы пытаетесь достичь экзопланеты на расстоянии от 10 до 50 световых лет и все же вернуться домой, прежде чем вы сами умрете от старости, вам придется двигаться со скоростью, близкой к скорости света.

Здесь стоит упомянуть еще одну загвоздку: замедление времени в результате гравитационных эффектов. Возможно, вы видели фильм Кристофера Нолана « Interstellar », в котором из-за близости черной дыры время на другой планете сильно замедляется (один час на этой планете равен семи земным годам).

Эта форма замедления времени также реальна, потому что в общей теории относительности Эйнштейна гравитация может искривлять пространство-время и, следовательно, само время. Чем ближе часы к источнику гравитации, тем медленнее идет время; чем дальше часы от силы тяжести, тем быстрее будет проходить время. (Мы можем сохранить детали этого объяснения для будущего шлюза.)

Время в общей теории относительности | Астрономия

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите, как гравитация Эйнштейна замедляет часы и может уменьшить частоту колебаний световой волны.
• Осознайте, что гравитационное уменьшение частоты световой волны компенсируется увеличением длины световой волны — так называемым гравитационным красным смещением — так что свет продолжает двигаться с постоянной скоростью.

Общая теория относительности делает различные предсказания о поведении пространства и времени.Одно из этих предсказаний, выраженное в повседневных терминах, состоит в том, что чем сильнее гравитация, тем медленнее темп времени . Такое утверждение очень противоречит нашему интуитивному ощущению времени как потока, который мы все разделяем. Время всегда казалось наиболее демократичным из понятий: все мы, независимо от богатства или статуса, кажется, движемся вместе от колыбели до могилы в великом течении времени.

Но Эйнштейн утверждал, что это только кажется нам, потому что все люди до сих пор жили и умирали в гравитационной среде Земли.У нас не было возможности проверить идею о том, что темп времени может зависеть от силы гравитации, потому что мы не испытали радикально отличающиеся силы тяжести. Более того, различия в течении времени чрезвычайно малы, пока не будут задействованы действительно большие массы. Тем не менее предсказание Эйнштейна сейчас проверено как на Земле, так и в космосе.

Испытания временем

В гениальном эксперименте 1959 года использовались самые точные из известных атомных часов для сравнения измерений времени на первом и верхнем этажах физического корпуса Гарвардского университета.Для часов экспериментаторы использовали частоту (количество циклов в секунду) гамма-лучей, испускаемых радиоактивным кобальтом. Теория Эйнштейна предсказывает, что такие кобальтовые часы на первом этаже, находящиеся немного ближе к центру тяжести Земли, должны работать немного медленнее, чем такие же часы на верхнем этаже. Именно это и наблюдали эксперименты. Позже атомные часы начали использовать в высоколетящих самолетах и ​​даже в одном из космических полетов Близнецов. В каждом случае часы на удалении от Земли шли немного быстрее.Если в 1959 году не имело большого значения, будут ли часы наверху здания идти быстрее, чем часы в подвале, сегодня этот эффект очень актуален. Каждый смартфон или устройство, которое синхронизируется с GPS, должно исправлять это (как мы увидим в следующем разделе), поскольку часы на спутниках будут работать быстрее, чем часы на Земле.

Эффект более выражен, если задействованная гравитация — это сила Солнца, а не Земли. Если более сильная гравитация замедляет ход времени, свету или радиоволне, проходящей очень близко к краю Солнца, потребуется больше времени, чтобы достичь Земли, чем мы могли бы ожидать на основе закона всемирного тяготения Ньютона.(Это занимает больше времени, потому что пространство-время искривлено вблизи Солнца.) Чем меньше расстояние между лучом света и краем Солнца при самом близком приближении, тем больше будет задержка во времени прибытия.

В ноябре 1976 года, когда два космических корабля «Викинг» работали на поверхности Марса, планета шла за Солнцем, если смотреть с Земли (рис. 1). Ученые запрограммировали Viking посылать радиоволны к Земле, которые будут проходить очень близко к внешним областям Солнца.Согласно общей теории относительности, будет задержка, потому что радиоволна будет проходить через область, где время течет медленнее. Эксперимент подтвердил теорию Эйнштейна с точностью до 0,1%.

Рис. 1. Задержки радиоволн вблизи Солнца: Радиосигналы с посадочного модуля «Викинг» на Марсе были задержаны, когда они проходили вблизи Солнца, где пространство-время относительно сильно искривлено. На этой картинке пространство-время изображено как двумерный резиновый лист.

Гравитационное красное смещение

Что значит сказать, что время бежит медленнее? Когда свет выходит из области сильной гравитации, где время замедляется, частота и длина волны света меняются. Чтобы понять, что происходит, давайте вспомним, что волна света — это повторяющееся явление: гребень следует за гребнем с большой регулярностью. В этом смысле каждая световая волна — это маленькие часы, отсчитывающие время со своим волновым циклом. Если более сильная гравитация замедляет темп времени (относительно внешнего наблюдателя), то скорость, с которой гребень следует за гребнем, соответственно должна быть медленнее, то есть волны становятся менее частыми .

Чтобы поддерживать постоянную скорость света (ключевой постулат специальной и общей теории относительности Эйнштейна), более низкая частота должна компенсироваться более длинной волной. Такое увеличение длины волны (когда оно вызвано движением источника) — это то, что мы назвали красным смещением в разделе «Радиация и спектры». Здесь, поскольку именно гравитация, а не движение производит более длинные волны, мы называем этот эффект гравитационным красным смещением.

Появление технологий космической эры позволило измерить гравитационное красное смещение с очень высокой точностью.В середине 1970-х водородный мазер , устройство, похожее на лазер, излучающий микроволновый радиосигнал на определенной длине волны, был доставлен ракетой на высоту 10 000 километров. Инструменты на земле использовались для сравнения частоты сигнала, излучаемого ракетным мазером, с частотой сигнала аналогичного мазера на Земле. Эксперимент показал, что более сильное гравитационное поле у ​​поверхности Земли действительно замедляло течение времени по сравнению с измеренным мазером в ракете.Наблюдаемый эффект соответствовал предсказаниям общей теории относительности с точностью до нескольких частей на 100000.

Это лишь несколько примеров тестов, которые подтвердили предсказания общей теории относительности. Сегодня общая теория относительности считается нашим лучшим описанием гравитации и используется астрономами и физиками для понимания поведения центров галактик, начала Вселенной и предмета, с которого мы начали эту главу — смерти действительно массивных звезды.

Относительность: практическое применение

Теперь вы можете спросить: зачем мне беспокоиться об относительности? Разве я не могу без этого прекрасно прожить свою жизнь? Ответ: вы не можете.Каждый раз, когда пилот приземляет самолет или вы используете GPS, чтобы определить, где вы находитесь на автомобиле или в походе в глубинке, вы (или, по крайней мере, ваше устройство с поддержкой GPS) должны учитывать эффекты как общей, так и специальной теории относительности. .

GPS опирается на массив из 24 спутников, вращающихся вокруг Земли, и по крайней мере 4 из них видны с любой точки на Земле. На каждом спутнике установлены точные атомные часы. Ваш GPS-приемник обнаруживает сигналы от тех спутников, которые находятся над головой, и вычисляет ваше местоположение на основе времени, которое потребовалось этим сигналам, чтобы добраться до вас.Предположим, вы хотите знать, где вы находитесь в пределах 50 футов (на самом деле устройства GPS могут работать намного лучше этого). Поскольку свету требуется всего 50 миллиардных долей секунды, чтобы пройти 50 футов, часы спутников должны быть синхронизированы, по крайней мере, с такой точностью — и поэтому необходимо учитывать релятивистские эффекты.

Часы спутников вращаются вокруг Земли со скоростью 14 000 километров в час и движутся намного быстрее, чем часы на поверхности Земли. Согласно теории относительности Эйнштейна, часы на спутниках идут медленнее, чем часы на Земле, примерно на 7 миллионных долей секунды в день.(Мы не обсуждали специальную теорию относительности , которая имеет дело с изменениями, когда объекты движутся очень быстро, поэтому вам придется поверить нам на слово в этой части.)

Орбиты спутников находятся на высоте 20 000 километров над Землей, где сила тяжести примерно в четыре раза слабее, чем у поверхности Земли. Общая теория относительности утверждает, что часы на орбите должны идти примерно на 45 миллионных долей секунды быстрее, чем на Земле. В результате время на спутниковых часах увеличивается примерно на 38 микросекунд в день.Если бы эти релятивистские эффекты не были приняты во внимание, навигационные ошибки начали бы накапливаться, и позиции были бы отклонены примерно на 7 миль всего за один день.

Ключевые концепции и краткое изложение

Общая теория относительности предсказывает, что чем сильнее гравитация, тем медленнее должно течь время. Эксперименты на Земле и с космическими кораблями подтвердили это предсказание с поразительной точностью. Когда свет или другое излучение выходит из компактного меньшего остатка, такого как белый карлик или нейтронная звезда, он показывает гравитационное красное смещение из-за замедления времени.

Глоссарий

гравитационное красное смещение:

Увеличение длины волны электромагнитной волны (света) при распространении от массивного объекта или вблизи него

В космосе Скотт Келли в возрасте медленнее, чем его брат на Земле

Вот что поразит вас: когда астронавт Скотт Келли отправился в космос, а его немного старший брат-близнец Марк остался на Земле, разница в возрасте между ними увеличилась благодаря времени, проведенному Скоттом на орбите.

Странно, правда? И все благодаря революционной теории относительности Эйнштейна.

Теория Эйнштейна предполагает — и то, что с тех пор подтверждено доказательствами, — это то, что время движется медленнее для движущихся объектов, чем для неподвижного наблюдателя. Он также движется тем медленнее, чем ближе вы к гравитационной массе, такой как Земля.

Другими словами, мы не все переживаем время с одинаковой скоростью.

Чем быстрее вы двигаетесь и ускоряетесь, тем больше замедляется время, и поскольку Скотт Келли перемещался вверх и вниз из космоса и вращался вокруг планеты со скоростью около 28 200 км / ч (17 500 миль в час), его брат Марк пережил это. пять дополнительных миллисекунд.

Братья родились с разницей в шесть секунд в 1964 году, а теперь этот разрыв составляет шесть секунд и пять миллисекунд.

Это искривление времени известно как замедление времени, и братья Келли подходят для обоих аспектов: насколько быстро они двигались относительно друг друга; и их относительная близость к гравитационной массе.

Последнее видео от MinutePhysics решает знаменитую загадку, известную как Парадокс близнецов, когда и наблюдатель на Земле, и наблюдатель на ракете считают, что время идет медленнее, потому что каждый будет полагать, что другой человек делает относительное движение.

В примере с ракетой, вылетающей и возвращающейся на Землю, парадокс решается вращением времени при повороте ракеты, а также ускорением и замедлением возвращающегося путешественника (графики в MinutePhysics видео поможет более четко объяснить этот принцип).

Эти идеи были подтверждены некоторыми серьезными научными экспериментами, включая полет атомных часов над поверхностью Земли на самолетах, где, конечно же, зарегистрированное время отличается от времени, зарегистрированного на Земле.

Конечно, тот факт, что Марк и Скотт Келли — близнецы, важен по причинам, не связанным с исследованием замедления времени в космосе. Ученые НАСА хотят использовать эту пару, чтобы оценить все способы, которыми космические путешествия могут повлиять на наш организм.

Реальность такова, что Марк — брат, который постарел на несколько миллисекунд дольше, если говорить о времени, — в конечном итоге может оказаться в лучшем положении, если длительное пребывание Скотта в космосе заставит его тело быстрее разлагаться.

Как пошутил Марк, когда его брат вернулся с орбиты: «Если через 10 лет я буду выглядеть так, как будто мне 60, а он — 80, вы узнаете, что произошло».

Время идет быстрее в верхней части здания по сравнению с нижней?

Категория: Физика Опубликовано: 24 июня 2013 г.

Масса Земли искажает пространство и время, так что время на самом деле бежит тем медленнее, чем ближе вы к поверхности Земли. Хотя это очень слабый эффект, разницу во времени можно измерить на шкале метров с помощью атомных часов.Изображение из общественного достояния, источник: НАСА.

Да, время идет тем быстрее, чем дальше вы находитесь от поверхности земли, чем время на поверхности земли. Этот эффект известен как «гравитационное замедление времени». Это предсказано общей теорией относительности Эйнштейна и многократно подтверждено экспериментами. Гравитационное замедление времени происходит из-за того, что объекты с большой массой создают сильное гравитационное поле. Гравитационное поле — это действительно искривление пространства и времени.Чем сильнее гравитация, тем больше изгибается пространство-время и тем медленнее течет само время. Однако здесь следует отметить, что наблюдатель в условиях сильной гравитации воспринимает свое время как нормальное течение. Его время только относительно относительно системы отсчета с более слабой гравитацией. Таким образом, человек в сильной гравитации видит, что его часы идут нормально, и видит, что часы в слабой гравитации идут быстро, в то время как человек в слабой гравитации видит, что его часы идут нормально, а другие часы идут медленно. С часами все в порядке.Само время замедляется и ускоряется из-за релятивистского способа, которым масса искажает пространство и время.

Гравитационное замедление времени происходит всякий раз, когда есть разница в силе гравитации, независимо от , насколько мала эта разница. Земля имеет большую массу и, следовательно, большую гравитацию, поэтому она изгибает пространство и время достаточно, чтобы их можно было измерить. По мере того как человек удаляется от поверхности земли — даже всего на несколько метров — сила гравитации, действующая на него, ослабевает.Мы не замечаем этого, как люди, но даже переход с первого этажа здания на второй этаж уводит вас от земли и, следовательно, немного ослабляет гравитационную силу, которую вы чувствуете. Разница в силе тяжести между силой тяжести, ощущаемой на высоте трех метров над поверхностью земли, и силой тяжести, ощущаемой на высоте четырех метров, слишком мала, чтобы ее можно было заметить человеческими чувствами, но эта разница достаточно велика, чтобы ее уловили чувствительные машины.

Поскольку сила гравитации ослабевает с каждым шагом, по которому вы поднимаетесь по лестнице, скорость, с которой идет время, также увеличивается с каждым шагом.Люди, которые работают на нижнем этаже небоскреба, буквально путешествуют во времени в будущее по сравнению с людьми, которые работают на верхнем этаже. Но эффекта очень мало. Настолько маленький, что вы никогда не заметите разницу во времени в повседневной жизни. Люди, которые живут и работают дальше от поверхности Земли, имеют опережение лишь на доли наносекунды в год по сравнению с теми, кто находится рядом с поверхностью. Хотя разница во времени между разными высотами и мала, она реальна и была измерена экспериментально с использованием очень точных атомных часов.Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) измерил такую ​​небольшую разницу во времени и опубликовал свои результаты. NIST смог измерить небольшую разницу во времени между точкой на Земле и точкой на полметра выше, просто подняв свой экспериментальный стол на полметра. Их выводы хорошо соответствовали замедлению времени, предсказанному теорией относительности Эйнштейна. Замедление времени из-за земного притяжения достаточно велико, чтобы спутники GPS, которые вращаются высоко над землей, должны настраивать свои внутренние часы, чтобы учесть их более быстрое время и, следовательно, точно определить местоположение приемников GPS на земле.

Темы: общая теория относительности, гравитация, теория относительности, пространство-время, время, замедление времени, путешествия во времени

Делает ли вас год в космосе старше или моложе?

Повседневная жизнь на борту Международной космической станции стремительно развивается. Действительно быстро. Путешествуя со скоростью примерно 17 000 миль в час на высоте 300 миль над Землей, астронавты наблюдают 16 восходов и закатов каждый «день», плавая в ящике с горсткой людей, от которых они зависят в выживании.

Не нужно смотреть дальше голливудских блокбастеров, таких как «Марсианин», «Гравитация» и «Интерстеллар», чтобы увидеть футуристическое видение жизни за пределами Земли, когда мы все больше и больше продвигаемся в космос. Но как насчет реакции человеческого тела на космический полет в реальной жизни — каковы его последствия для здоровья? Будут ли космические путешественники стареть по-другому, чем те из нас, кто живет на Земле? Насколько мы способны адаптироваться к космической среде?

Безусловно, это забота НАСА. Как космические путешествия и длительные миссии могут изменить человеческое тело, и будут ли эти изменения постоянными или обратимыми после возвращения космонавтов на Землю, в значительной степени неизвестно.Возможность исследовать эти интригующие вопросы возникла у идентичных астронавтов-близнецов Скотта и Марка Келли.

В ноябре 2012 года НАСА выбрало астронавта Скотта Келли для своей первой однолетней миссии. Вскоре после этого на пресс-конференции Скотт намекнул, что эта миссия может дать шанс сравнить влияние космической жизни на его тело с его идентичным братом-близнецом, живущим на Земле, Марком Келли, который также был астронавтом и бывший летчик-испытатель ВМФ.Примечательно, что близнецы Келли были людьми схожей «природы (генетики) и воспитания (окружающей среды)», и поэтому был задуман идеальный космический эксперимент с «космическим двойником и двойником Земли» в качестве звезд. Скотт проведет год в космосе на борту Международной космической станции, в то время как его идентичный брат-близнец Марк останется на Земле.

Исследование НАСА TWINS представляет собой наиболее полное представление о реакции человеческого тела на космический полет из когда-либо проводившихся. Результаты будут определять будущие исследования и индивидуальные подходы к оценке воздействия на здоровье отдельных космонавтов на долгие годы.

Как биолог-онколог из Университета штата Колорадо я изучаю влияние радиационного облучения на клетки человека. В рамках исследования TWINS меня особенно интересовала оценка того, как концы хромосом, называемые теломерами, изменяются за год в космосе.

За день до того, как астронавт Скотт Келли достиг шестимесячной отметки в космосе, он разговаривает в прямом эфире на борту МКС с Джоном Хьюзом (слева), его братом-близнецом Марком Келли и астронавтом Терри Виртсом (справа). НАСА / Билл Ингаллс

Разоблачаем влияние космической жизни на здоровье

НАСА позвонило и выбрало 10 рецензируемых исследований со всей страны для исследования TWINS.Исследования включали молекулярные, физиологические и поведенческие измерения, и впервые среди космонавтов проводились исследования, основанные на «омике». Некоторые команды оценивали влияние пространства на геном — весь набор ДНК в клетке (геномика). Другие команды исследовали, какие гены были включены и производили молекулу, называемую мРНК (транскриптомика). Некоторые исследования были сосредоточены на том, как химические модификации, которые не изменяют код ДНК, влияют на регуляцию генов (эпигеномика). Некоторые исследователи изучали белки, производимые в клетках (протеомика), тогда как другие тщательно исследовали продукты метаболизма (метаболомика).

Были также исследования, изучающие, как космическая среда может изменить микробиом — скопление бактерий, вирусов и грибов, которые живут в наших телах и на них. В одном исследовании изучался иммунный ответ на вакцину против гриппа. Другие команды исследовали биологические образцы Скотта на предмет биомаркеров атеросклероза и сдвигов жидкости в теле из-за микрогравитации, которые могут повлиять на зрение и вызвать головные боли. Когнитивные способности также оценивались с помощью компьютерных когнитивных тестов, специально разработанных для космонавтов.

Более 300 биологических образцов — стула, мочи и крови — были взяты у близнецов несколько раз до, во время и после годичной миссии.

Близнецы Келли, без сомнения, одна из самых известных пар — как на нашей планете, так и за ее пределами. Они также являются одними из самых интервьюируемых. Часто задают вопрос: вернется ли Скотт из космоса моложе Марка — ситуация напоминает «Интерстеллар» или так называемый «Парадокс близнецов» Эйнштейна. Однако, поскольку МКС не движется со скоростью, близкой к скорости света относительно нас, замедление времени — или замедление времени из-за движения — очень минимально.Так что любая разница в возрасте между братьями составит всего несколько миллисекунд.

Теломеры — это защитные участки ДНК на концах хромосом. С возрастом теломеры становятся короче. VectorMine / Shutterstock.com

Тем не менее, вопрос старения, связанного с космическими полетами, и сопутствующего риска развития возрастных заболеваний, таких как слабоумие, сердечно-сосудистые заболевания и рак — во время или после миссии — является важным вопросом, и мы стремились решить его напрямую с нашими изучение длины теломер.

Теломеры — это концы хромосом, которые защищают их от повреждений и «истирания» — очень похоже на конец шнурка. Теломеры имеют решающее значение для поддержания стабильности хромосом и генома. Однако теломеры естественным образом укорачиваются по мере деления наших клеток, а также с возрастом. Скорость, с которой теломеры укорачиваются с течением времени, зависит от многих факторов, включая окислительный стресс и воспаление, питание, физическую активность, психологические стрессы и воздействия окружающей среды, такие как загрязнение воздуха, УФ-лучи и ионизирующее излучение.Таким образом, длина теломер отражает генетику человека, опыт и воздействия, а также является информативными индикаторами общего состояния здоровья и старения.

Теломеры и старение

Наше исследование показало, что уникальные стрессы и инопланетные воздействия, которые испытывают астронавты во время космических полетов, такие как изоляция, микрогравитация, высокий уровень углекислого газа и галактические космические лучи, ускоряют сокращение и старение теломер. Чтобы проверить это, мы оценили длину теломер в образцах крови, полученных от обоих близнецов до, во время и после однолетней миссии.

Скотт и Марк начали исследование с относительно одинаковой длиной теломер, что согласуется с сильным генетическим компонентом. Также, как и ожидалось, длина теломер привязанного к Земле Марка была относительно стабильной на протяжении всего исследования. Но, к нашему большому удивлению, теломеры Скотта были значительно длиннее в каждый момент времени и в каждом образце, испытанном во время космического полета. Это было прямо противоположно тому, что мы ожидали.

Кроме того, после возвращения Скотта на Землю длина теломер быстро сократилась, а затем стабилизировалась в течение следующих месяцев до почти предполетных средних значений.Однако с точки зрения старения и риска заболеваний после космического полета у него было намного больше коротких теломер, чем раньше. Наша задача сейчас состоит в том, чтобы выяснить, как и почему происходят такие специфические для космических полетов сдвиги в динамике длины теломер.