Космічні подорожі зі швидкістю світла: коли це буде реальністю

Ідея подорожувати зі швидкістю світла вже багато років є цікавою не тільки для письменників-фантастів. Швидкість світла становить неймовірні 299792458 м/с. З такою швидкістю можна було б облетіти Землю понад 7 разів за 1 секунду, і люди нарешті змогли б дослідити Всесвіт поза межами нашої Сонячної системи. У 1947 році люди вперше перевищили швидкість звуку (набагато повільнішу, до слова), проклавши шлях для комерційного літака Concorde та інших надзвукових літаків. Але чи зможемо ми коли-небудь подорожувати зі швидкістю світла?

Щоб дізнатись останні новини, слідкуйте за нашим каналом Google News онлайн або через застосунок.

Виходячи з нашого нинішнього розуміння фізики і меж природного світу, відповідь, на жаль, – ні. Згідно з спеціальною теорією відносності Альберта Ейнштейна, яка описується відомим рівнянням E=mc², швидкість світла (c) є чимось на кшталт космічної межі швидкості, яку неможливо перевищити. Отже, подорожі зі швидкістю світла і швидше за світло є фізично неможливими, особливо для всього, що має масу, наприклад, для космічних кораблів і людей.

Навіть для дуже крихітних речей, таких як субатомні частинки, кількість енергії (Е), необхідної для наближення до швидкості світла, становить значну проблему. Великий адронний колайдер (ВАК), найбільший і найпотужніший прискорювач частинок на Землі, розігнав протони настільки близько до швидкості світла, наскільки це можливо. Однак навіть крихітний протон потребував би майже нескінченної енергії, щоб досягти швидкості світла, а люди ще не з’ясували, що таке майже нескінченна енергія.

Але фізики та ентузіасти впевнені, що насправді немає жодного закону фізики, який би забороняв людям подорожувати космосом – просто це дуже, дуже складно. Тож, сьогодні поговоримо про декілька потенційних способів подорожі між зірками, як це бачать фахівці з питання, від найменш до найбільш вірогідного.

Теж цікаво: Навушники з шумозаглушенням шкідливі? Що кажуть дослідники

Подорож зі швидкістю, більшою за швидкість світла

Ви ніколи не зможете подорожувати швидше за швидкість світла. Принаймні, це те, що ми розуміємо завдяки спеціальній теорії відносності Ейнштейна – революційній теорії, яка об’єднала простір і час і зробила їх взаємопов’язаними. І хоча легко сказати, що майбутнє розуміння фізики може покінчити з цим обмеженням, реалізувати його на практиці може бути набагато складніше.

Спеціальна теорія відносності є однією з найбільш добре перевірених теорій у всій фізиці. Це тому, що вона не просто теорія, це метатеорія. Це набір інструкцій, які допомагають нам будувати інші теорії фізики. Спеціальна теорія відносності вчить нас, як простір і час пов’язані між собою у фундаментальний спосіб. Природа цього зв’язку ставить швидкість світла як кінцеву межу швидкості. Йдеться не лише про світло чи навіть рух, а про саму причинність.

Ця теорія закладає фундаментальну основу для зв’язку між минулим, теперішнім і майбутнім. Іншими словами, якщо рухатися швидше за світло, то можна повернутися назад у часі, що, здається, неможливо в нашому Всесвіті. Оскільки всі інші сучасні фізичні теорії побудовані на теорії відносності, щоразу, коли ми перевіряємо одну з них, ми також перевіряємо теорію відносності. Хоча ми можемо помилятися щодо фундаментальної структури простору-часу, обмеження швидкості світла навряд чи буде скасоване.

Теж цікаво: Що заважає українським стартапам і як це виправити

Червоточини

З обмеженням швидкості світла пов’язана удавана неможливість існування червоточин. Червоточини – це короткі шляхи в просторі, які з’єднують будь-які дві точки у Всесвіті. Ці дивні об’єкти є природним передбаченням загальної теорії відносності, теорії Ейнштейна про те, як сила гравітації виникає з вигинів і викривлень простору-часу.

Загальна теорія відносності дозволяє червоточини, викривляючи простір-час у дуже своєрідний спосіб. Але є одне маленьке застереження: ці об’єкти катастрофічно нестабільні. Як тільки щось, навіть один фотон, намагається пройти через горловину червоточини, вона миттєво розривається на частини. Єдиний відомий спосіб стабілізувати червоточину – ввести в неї нитку екзотичної матерії. Це матерія з від’ємною масою, яка, як і подорожі в часі, здається, не дозволена у Всесвіті.

Цілком можливо, що наші майбутні нащадки відкриють альтернативний спосіб стабілізації червоточин і зроблять можливими міжзоряні подорожі. Але час, який може знадобитися для відкриття необхідних проривів у фізиці, може виявитися довшим, ніж просто подорож до зірок.

Теж цікаво: Як завантажити пісні з YouTube у форматі WAV (усі пристрої)

Кораблі поколінь

Хоча відправлення космічного корабля до іншої зірки не є проблемою фізики, це створює безліч інженерних викликів. Одна з фантастичних ідей подорожі між зірками полягає у створенні кораблів поколінь – великих, повільних кораблів, де більшість пасажирів не доживуть до місця призначення, натомість живучи покоління за поколінням як самодостатнє місто-корабель, яке врешті-решт досягне іншої зірки.

Технічно людство вже є міжзоряним видом. Багато років тому космічний зонд Вояджер-1 подолав геліопаузу, межу Сонячної системи, і вийшов у міжзоряний простір. Хороша новина полягає в тому, що на цей подвиг знадобилося лише кілька десятиліть. Погана новина полягає в тому, що все тільки починається. Навіть на неймовірній швидкості понад 57940 км/год, якби Вояджер-1 прямував у напрямку Проксими Центавра (а він не прямує), нашої найближчої сусідньої зірки на відстані приблизно 4,2 світлових років, космічному апарату знадобилося б приблизно 40000 років, щоб досягти місця призначення. Ця кількість років передує розвитку перших міст і появі сільського господарства. Хороша ж новина полягає в тому, що наразі найвища швидкість, якої завдяки гравітаційним маневрам досяг зонд Parker Solar Probe – 700000 км/год, тобто якби він летів до Проксими Центавра, то йому б знадобилось вже 6500 років. Прогрес очевидний.

Отже, «корабель поколінь» – це не просто жменька поколінь, а сотні поколінь, і всі вони повинні жити самодостатньо в порожнечах між зірками, без додаткових джерел води, палива, їжі чи запасних частин. Бо навіть 6500 тис. років – це справжня безодня.

Теж цікаво: ТОП-10 найважливіших відомих військових супутників

Дуже-дуже швидкий корабель

Інші ентузіасти стверджують, що щоб швидше дістатися до інших зірок, вам не потрібен гігантський неповороткий корабель. Натомість він має бути якомога меншим. Тоді ракети або інші види палива зможуть розвинути більшу швидкість, що зробить подорож якомога коротшою. Крім того, на високих швидкостях допомагає особливість відносності. Через сталість швидкості світла рух у просторі відрізняється від руху в часі, і чим швидше об’єкт просувається в просторі, тим повільніше він рухається в часі. При наближенні до швидкості світла рік для мандрівника може скоротитися до місяців, днів або навіть хвилин.

На жаль, ці ефекти починають діяти лише тоді, коли об’єкт розвиває швидкість понад 90% швидкості світла, чого людство ще не досягло. Але прискорення частинок, що наближаються до швидкості світла, – це те, що потужні події у Всесвіті роблять регулярно, тож це, безумовно, не є неможливим.

Але це крихітні частинки, а не порівняно масивні космічні кораблі. Щоб розігнати щось на кшталт корабля розміром з людину до 90% швидкості світла, може знадобитися більше енергії, ніж Сонце виробляє за тисячу років, але це проблема інженерії, а не фізики.

Теж цікаво: ТОП застосунків для вивчення математики

Традиційна концепція варп-двигуна

Традиційна науково-фантастична концепція варп-двигуна передбачає викривлення простору-часу у дуже специфічний спосіб: стискання його перед кораблем і розширення позаду. Теоретично це дозволило б кораблю ефективно подорожувати швидше за світло, фактично не перевищуючи локальну швидкість. Однак попередні дослідження цієї ідеї припускали, що для цього знадобляться екзотичні форми матерії з «негативною густиною енергії».

У нашому повсякденному досвіді енергія завжди позитивна. Навіть у вакуумі існує невелика кількість позитивної енергії, яку називають «енергією вакууму» або «енергією нульової точки». Це є наслідком принципу невизначеності Гейзенберґа у квантовій механіці, який стверджує, що завжди існують флуктуації енергії системи, навіть у найнижчому з можливих енергетичних станів.

Існування від’ємної густини енергії є дуже спекулятивним і проблематичним в рамках відомої фізики. Закони термодинаміки та енергетичні умови в загальній теорії відносності, здається, забороняють існування великої кількості від’ємної густини енергії. Деякі теорії, такі як ефект Казимира і деякі квантові теорії поля передбачають існування невеликих кількостей від’ємної густини енергії за певних умов. Однак ці ефекти, як правило, дуже малі і обмежуються мікроскопічними масштабами.

Саме тут і з’являється нове дослідження. Дослідники з прикладної фізики визначили новий спосіб, за допомогою якого одного дня може стати можливою технологія викривлення. Команда представила концепцію «підсвітлового двигуна викривлення з постійною швидкістю», узгоджену з принципами відносності.

Нова модель усуває потребу в екзотичній енергії, використовуючи натомість складне поєднання традиційних і нових гравітаційних методів для створення бульбашки викривлення, яка може транспортувати об’єкти на високих швидкостях в межах відомої фізики. «Це дослідження змінює уявлення про двигуни викривлення», – сказав провідний автор доктор Фукс. «Продемонструвавши першу у своєму роді модель, ми показали, що приводи викривлення не можуть бути віднесені до наукової фантастики».

Теоретична модель нового типу бульбашки викривлення використовує традиційні та інноваційні гравітаційні методи, що стало можливим завдяки їхньому загальнодоступному інструменту Warp Factory. Це рішення дозволяє транспортувати об’єкти на високих, але субсвітлових швидкостях без використання екзотичних джерел енергії. Цього можна досягти, спроєктувавши просторово-часовий привід викривлення так, щоб він гравітаціонував, як звичайна матерія, що є першим у своєму роді рішенням.

«Хоча така конструкція все одно потребуватиме значної кількості енергії, вона демонструє, що ефекти викривлення можуть бути досягнуті без екзотичних форм матерії», – додав доктор Крістофер Хелмеріх, співавтор дослідження. «Ці висновки відкривають шлях до майбутнього скорочення енергетичних потреб у варп-двигунах».

На відміну від літаків або ракет, пасажири у варп-кораблі не відчуватимуть ніякої сили тяжіння. Це різкий контраст з деякими фантастичними вигадками. Дослідження команди показує, як можна побудувати такий корабель, використовуючи звичайну матерію. «Хоча ми ще не пакуємо речі для міжзоряних подорожей, це досягнення провіщає нову еру можливостей», – пояснив Джанні Мартіре, генеральний директор відділу прикладної фізики. «Ми продовжуємо невпинно прогресувати, коли людство вступає в епоху викривлення».

Команда Applied Physics зараз зосереджена на вирішенні цих проблем, продовжуючи вдосконалювати свої моделі та співпрацювати з різними дисциплінами та установами, щоб перетворити цю колись фантастичну мрію на реальність.

Теж цікаво: Найбільший серійний вантажний гелікоптер Мі-26: історія зльоту та падіння

Висновки

Коли ми стоїмо на порозі нової ери в освоєнні космосу, перспектива створення варп-двигунів спокушає більше, ніж будь-коли. З кожним новим відкриттям і проривом ми на крок наближаємося до зірок і безмежних можливостей, які чекають на нас у безмежних просторах космосу. Коли людство починає гонитву за швидшими за світло подорожами, можливо, з використанням варп-двигунів, ми можемо лише уявити собі неймовірні пригоди та відкриття, які готує для нас Всесвіт.

У далекому-далекому майбутньому, якщо припустити, що наше нинішнє розуміння фізики збережеться (принаймні в тому, що стосується надсвітлових подорожей і червоточин), людство, швидше за все, відправить лише кілька мізерних місій до інших зірок і життєздатних планет. Але в Сонячній системі є багато місць, з сотнями супутників і тисячами астероїдів, які можна назвати домом. Це досить велике місце з безліччю таємниць, які ще потрібно розкрити.

У гостях добре, а вдома таки краще.

Читайте також:

• Використовуй або втратиш: як AI змінює людське мислення
• NASA запустить нову сонячну місію PUNCH: як вона працюватиме