السفر عبر الفضاء - تقدير أوقات السفر عبر الكون

لطالما حلم البشر بالسفر عبر الفضاء، مفتونين بالعوالم المجهولة ورغبتهم في استكشاف المجرات البعيدة. أكبر عقبة أمام السفر إلى الفضاء هي المسافات الشاسعة. في هذه المقالة، نتناول المسافات الهائلة في الفضاء والوقت المطلوب للوصول إلى النجوم والأجرام البعيدة باستخدام المركبات الفضائية بسرعات مختلفة. لتوضيح مدى اتساع الفضاء، حسبنا المدة التي سيستغرقها الوصول إلى بعض الأجرام السماوية باستخدام سيارة وأسرع مركبة فضائية صنعتها البشرية. كما حسبنا المسافة التي يمكننا السفر بها بسرعة الضوء. على الرغم من أن سرعة الضوء ليست كافية للسفر بعيدًا في الفضاء، فقد عدنا إلى سلسلة الخيال العلمي ستار تريك، حيث تحقق المركبات الفضائية سرعات أسرع بكثير من الضوء باستخدام محرك وارب الخيالي.

سيارة تسير بسرعة ثابتة تبلغ 130 كم/س (80 ميل/س)

لنخيل أن بإمكاننا السفر عبر الفضاء في سيارة. في العديد من البلدان حول العالم، السرعة القصوى المسموح بها على الطرق السريعة هي 130 كم/س أو 80 ميل/س، لذا استخدمنا هذه السرعة في حساباتنا. يمكن للسيارة أن تصل في النهاية إلى القمر، حيث تستغرق حوالي 123 يومًا للوصول إلى هناك. أما إلى المريخ، فستستغرق الرحلة 48 عامًا عندما يكون في أقرب نقطة إلى الأرض، وحتى 352 عامًا عندما يكون في أبعد مسافة. استغرق مسبار نيو هورايزنز 9.5 سنوات للوصول إلى بلوتو، وهو كوكب قزم على حافة النظام الشمسي. في سيارة، ستستغرق هذه الرحلة على الأقل 3,750 عامًا. بروكسيما قنطورس هي أقرب نجم إلى الأرض، حيث تبعد 4.24 سنوات ضوئية. سيستغرق الوصول إلى هذا النجم في سيارة 35 مليون عامًا.

فويجر 1 – أسرع مركبة فضائية صنعها الإنسان تسافر عبر الفضاء

فويجر 1، التي أُطلقت في عام 1977، هي أسرع مركبة فضائية تم إنشاؤها بواسطة البشرية، تسافر عبر الفضاء بسرعة تقارب 61,000 كم/س (حوالي 38,000 ميل في الساعة). ومع ذلك، فويجر 1 ليست أسرع مركبة فضائية تم بناؤها على الإطلاق. يصل مسبار باركر الشمسي إلى سرعات تصل إلى 700,000 كم/س (حوالي 430,000 ميل في الساعة)، لكن هذه السرعة تتحقق فقط عندما يمر بالقرب من الشمس، مستفيدًا من جاذبية الشمس للتسريع. من ناحية أخرى، تسافر فويجر 1 عبر الفضاء وهي حاليًا أبعد جسم صنعه الإنسان.

إذن، ما مدى سرعة فويجر 1، وكم من الوقت سيستغرق لتغطية المسافات الكونية الشاسعة؟ يمكن لفويجر 1 أن يصل إلى القمر في حوالي 6 ساعات عند سرعته الحالية. من الأرض إلى المريخ سيستغرق 37 يومًا مقبولًا عندما يكون المريخ في أقرب نقطة له من الأرض، ورحلة إلى بلوتو البعيد ستستغرق ثماني سنوات. للوصول إلى بروكسيما قنطورس، أقرب نجم إلى الأرض، سيستغرق الأمر 75,000 سنة مذهلة. من هذه الحسابات، فإن قدراتنا التكنولوجية الحالية بالكاد تكفي لاستكشاف النظام الشمسي وفقط بدون طاقم بشري. ربما في المستقبل القريب، يمكننا إرسال طاقم إلى المريخ، الكوكب الأقرب إلى الأرض. في الوقت الحالي، تقنيتنا ليست متقدمة بما يكفي لإرسال مسبارات إلى أقرب النجوم.

السفر بسرعة الضوء

سرعة الضوء في الفراغ تبلغ حوالي 299,792 كم/ث (حوالي 186,282 ميل/ث)، وهو ما يعادل تقريبًا 1.08 مليار كم/ساعة (حوالي 671 مليون ميل في الساعة). وفقًا لقوانين الفيزياء، كما وصفتها نظرية النسبية لأينشتاين، هذه هي أعلى سرعة ممكنة.

وفقًا للنسبية، من المستحيل نظريًا للأجسام ذات الكتلة، مثل المركبات الفضائية أو البشر، السفر بسرعة الضوء. كلما زادت سرعة الجسم، زادت كتلته بشكل فعّال، مما يتطلب طاقة أكبر للتسريع أكثر. لتسريع جسم ضخم إلى سرعة الضوء سيحتاج إلى طاقة لانهائية، مما يجعل مثل هذا السفر مستحيلًا وفقًا للفهم العلمي الحالي.

دعونا نتجاهل قوانين الفيزياء للحظة ونتخيل أن السفر بسرعة الضوء ممكن. إذا كانت البشرية تمتلك مركبة فضائية قادرة على السفر بسرعة الضوء، إلى أي مدى يمكننا الذهاب في الفضاء؟ هل سيكون الكون بأسره في متناول أيدينا؟ إليك ما حسبناه.

عند سرعة الضوء، سيستغرق الأمر 1.28 ثانية فقط للوصول إلى القمر، و3 دقائق للوصول إلى المريخ، و4 ساعات للوصول إلى بلوتو. ستكون سرعة الضوء مثالية للسفر السريع داخل النظام الشمسي. لكن هل سرعة الضوء كافية للسفر بين النجوم؟ بروكسيما قنطورس، أقرب نجم إلينا، يبعد 4.24 سنة ضوئية. وهذا يعني أن الضوء يستغرق 4.24 سنة للوصول إلى بروكسيما قنطورس، ورحلة العودة ستستغرق نفس الوقت. قد تكون مثل هذه الرحلات ممكنة مع طواقم بشرية، لكن الركاب على مثل هذه المركبة الفضائية سيتعين عليهم قضاء جزء كبير من حياتهم في الفضاء.

يوجد حوالي 50 نجمًا في دائرة نصف قطرها حوالي 15 سنة ضوئية من الأرض. ستسمح مركبة فضائية قادرة على السفر بسرعة الضوء باستكشاف هذا الجزء من الفضاء، على الأرجح باستخدام مسبارات غير مأهولة. يمكننا أن نستنتج أن سرعة الضوء كافية للسفر إلى أقرب النجوم، لكن السفر إلى الأطراف البعيدة من مجرتنا درب التبانة أو مجرات أخرى سيكون مستحيلًا بسبب الوقت الذي ستستغرقه مثل هذه الرحلات.

على سبيل المثال، أقرب ثقب أسود، V616 Monocerotis، يبعد 3,300 سنة ضوئية عن الأرض، لذا سيستغرق الأمر منا نفس عدد السنوات للوصول إليه بسرعة الضوء. من الواضح أن مثل هذه الرحلة ليست ممكنة أو معقولة.

للوصول إلى مركز مجرتنا، سيستغرق الأمر منا 26,000 سنة، وستستغرق الرحلة إلى أندروميدا، أقرب مجرة حلزونية، وقتًا مذهلاً يبلغ 2.537 مليون سنة.

السفر أسرع من الضوء

في سلسلة الخيال العلمي الشهيرة عالميًا Star Trek، تسافر المركبات الفضائية بسرعات أسرع بكثير من سرعة الضوء. وهذا ممكن بفضل محرك الحرب الخيالي. يسمح محرك الحرب في Star Trek للسفن الفضائية بالسفر أسرع من الضوء عن طريق إنشاء "فقاعة" تشوه الزمكان حول السفينة. بهذه الطريقة، لا تنتهك السفينة قانون السفر أسرع من الضوء داخل الفضاء ولكنها تحرك الزمكان من حولها. على الرغم من أن هذا المحرك خيالي، فقد طور العلماء نموذجًا نظريًا لمحرك يعتمد على فكرة مشابهة.

محرك ألكوبيير هو مفهوم نظري يقترح طريقة للسفر أسرع من الضوء عن طريق تشويه الزمكان. وفقًا لهذه الفكرة، لن تسافر المركبة الفضائية فعليًا أسرع من الضوء، ولكنها ستخلق "فقاعة" حول نفسها تقلص الزمكان أمام السفينة وتوسعها خلفها. بهذه الطريقة، ستتحرك السفينة فعليًا عبر الزمكان بينما تظل ثابتة بالنسبة للفضاء داخل الفقاعة. لكي يعمل هذا، تقترح النظرية الحاجة إلى مادة غريبة ذات طاقة سلبية، والتي لم يتمكن العلماء من العثور عليها أو إنشائها بعد. يمكنك قراءة المزيد عن محرك ألكوبيير هنا.

ستار تريك ومحرك الحرب

بينما لم يحل العلماء بعد جميع العقبات لبناء محرك ألكوبيير، دعونا نعود إلى ستار تريك والسفر بسرعة الحرب. في ستار تريك، كانت السفن الفضائية تسافر باستخدام محركات الحرب. مع تقدم التكنولوجيا، أصبحت سرعات الحرب أسرع. سرعة الحرب 1 تعادل سرعة الضوء، سرعة الحرب 2 أسرع بعشر مرات من سرعة الضوء، سرعة الحرب 3 أسرع بـ 39 مرة، وهكذا. اخترنا ثلاث سفن فضائية شهيرة من ستار تريك تتوفر بيانات عن سرعتها القصوى. على الرغم من أن السفن الفضائية في السلسلة لم تتمكن من السفر باستمرار بسرعة الحرب القصوى، من أجل حساباتنا، سنستخدم السرعات القصوى التي يمكنها تحقيقها.

سفينة الكابتن جوناثان آرتشر من ستار تريك: إنتربرايز

تُعرف هذه السفينة بالرمز NX-01. إنها أول سفينة في سلسلة إنتربرايز، وكانت حاسمة في استكشاف الفضاء ووضع الأسس للاتحاد المستقبلي. سرعتها القصوى هي وورب 5، أي أسرع بـ 214 مرة من سرعة الضوء. باستخدام هذه الإنتربرايز، سيستغرق الوصول إلى بلوتو من الأرض دقيقة ونصف فقط. سيستغرق الوصول إلى أقرب نجم، بروكسيما قنطورس، سبعة أيام، و15 عامًا للوصول إلى أقرب ثقب أسود، V616. سيستغرق الوصول إلى مركز مجرتنا 121 عامًا، وسيستغرق السفر إلى أندروميدا 11,853,271 عامًا.

ستغطي هذه السفينة حوالي 17 سنة ضوئية بأقصى سرعة في 30 يومًا. ضمن 17 سنة ضوئية من الأرض، هناك حوالي 50-60 نظامًا نجميًا مع حوالي 100 نجم.

سفينة الكابتن جان لوك بيكار من ستار تريك: الجيل التالي

كانت سفينة الكابتن جان لوك بيكار من ستار تريك: الجيل التالي تُدعى USS Enterprise (NCC-1701-D). كانت خامس سفينة تحمل اسم إنتربرايز وتعتبر واحدة من أشهر السفن في سلسلة ستار تريك. سرعتها القصوى هي وورب 9.6، أي أسرع بـ 1,909 مرات من سرعة الضوء.

ستصل إنتربرايز بيكار إلى بروكسيما قنطورس في 19 ساعة و28 دقيقة فقط، وسيستغرق الأمر حوالي عام وتسعة أشهر للوصول إلى الثقب الأسود V616 Monocerotis. سيستغرق الوصول إلى مركز مجرتنا 13 عامًا وسبعة أشهر، والسفر إلى أندروميدا سيستغرق 1,328 عامًا.

في 30 يومًا، يمكن لهذه السفينة أن تغطي 156 سنة ضوئية. ضمن دائرة نصف قطرها 156 سنة ضوئية من الأرض، يوجد حوالي 40,000 إلى 60,000 نجم.

سفينة الكابتن كاثرين جانوي من ستار تريك: فويجر

سفينة الكابتن كاثرين جانوي من ستار تريك: فويجر تُدعى USS Voyager (NCC-74656). إنها سفينة من فئة إنتربيد معروفة بمهمتها في ربع دلتا. سرعتها القصوى هي وورب 9.975، أي أسرع بـ 5,126 مرات من سرعة الضوء. ستصل فويجر إلى بروكسيما قنطورس في 7 ساعات فقط. سيستغرق الأمر سبعة أشهر للوصول إلى الثقب الأسود V616 وخمسة أعوام للوصول إلى مركز مجرتنا. أندروميدا لا تزال بعيدة المنال، وستستغرق هذه السفينة 495 عامًا للوصول إليها.

بأقصى سرعة، في 30 يومًا، يمكن لهذه السفينة أن تغطي 421 سنة ضوئية. ضمن دائرة نصف قطرها 421 سنة ضوئية من الأرض، يوجد حوالي 1.25 مليون نجم.

مستقبل السفر إلى الفضاء

تعد شساعة الفضاء عاملاً محددًا للسفر إلى الفضاء. يمكن للمركبات الفضائية التي نبنيها حاليًا الوصول إلى أجزاء بعيدة من النظام الشمسي والأجسام مثل بلوتو في 10 سنوات أو أكثر. السفر بين النجوم غير ممكن حاليًا، حيث ستستغرق أسرع مركبة فضائية لدينا 150,000 سنة للوصول إلى أقرب نجم والعودة. في الوقت الحالي، نحن مقيدون بالسفر ضمن نظامنا الشمسي. للسفر بين النجوم، يجب أن تصل تقنيتنا إلى 20% على الأقل من سرعة الضوء حتى تتمكن مركبة استكشافية من الوصول إلى أقرب نجم في حوالي 20 سنة. هناك خطط لبناء مثل هذه المركبة الفضائية التي ستتسارع باستخدام ليزر قوي من الأرض، لكن سيتعين علينا الانتظار أربع سنوات أخرى للبيانات التي ستجمعها مثل هذه المركبة.

لاستكشاف النجوم القريبة بنجاح، سنحتاج إلى سرعة قريبة من سرعة الضوء. سيسمح هذا بالوصول إلى حوالي 50 نجمًا ضمن 15 سنة ضوئية من الأرض لأغراض البحث العلمي، على الرغم من أن مثل هذه الرحلات ستكون طويلة جدًا، وسيتطلب الأمر عدة عقود لتلقي البيانات من المركبات الاستكشافية. الفضاء شاسع جدًا لدرجة أن حتى المركبات الفضائية القادرة على السفر بسرعة الضوء لن تسمح لنا سوى باستكشاف النجوم القريبة.

إذا كانت سرعة الضوء مستحيلة التحقيق والسفر أسرع من الضوء غير ممكن، فإن احتمال مواجهة حضارة فضائية متقدمة في أي وقت يكون منخفضًا للغاية. قد يكون الكون مليئًا بالحياة، لكن المسافات الشاسعة في الفضاء تجعل الاتصال بين الحضارات شبه مستحيل، على الأقل في جزءنا من الكون. الاستثناء قد يكون النجوم داخل تجمعات النجوم، مثل التجمعات الكروية، حيث يمكن أن تكون النجوم قريبة تصل إلى 0.1 سنة ضوئية. ومع ذلك، حتى هذه المسافة الصغيرة تعتبر كبيرة للغاية لحضارة مثل حضارتنا. ستستغرق مركبة فويجر 1 حوالي 1,769 سنة للوصول إلى نجم يبعد 0.1 سنة ضوئية.

هل السفر أسرع من الضوء ممكن؟

من الناحية النظرية، يعد السفر أسرع من الضوء مثيرًا، ولكن وفقًا للقوانين العلمية الحالية، وخاصة نظرية النسبية لأينشتاين، فإنه من المستحيل للأجسام ذات الكتلة أن تتحرك أسرع من الضوء. ومع ذلك، هناك عدة أفكار نظرية تقترح إمكانية "تجاوز" هذا القيد:

محرك ألكوبيير

هذا المفهوم، الذي اقترحه الفيزيائي ميغيل ألكوبيير في عام 1994، يعتمد على إنشاء "فقاعة" حول مركبة فضائية، بحيث تبقى الزمكان داخلها سليمًا. ستقوم الفقاعة بضغط الفضاء أمام السفينة وتوسيعه خلفها، مما يسمح فعليًا بالسفر أسرع من الضوء. لن تتحرك المركبة الفضائية فعليًا عبر الفضاء بسرعة أكبر من الضوء، ولكن الفضاء من حولها سيكون مشوهًا. المشكلة هي أن هذا سيتطلب استخدام مادة غريبة ذات طاقة سالبة، والتي لم يتم إثباتها أو اكتشافها بعد.

الثقوب الدودية

الثقوب الدودية هي أنفاق افتراضية عبر الزمكان يمكن أن تربط نقاطًا بعيدة في الكون. قد يسمح السفر عبر الثقب الدودي بوجود "اختصار" فعال عبر الفضاء، مما يعني أن المسافر لن يحتاج إلى عبور المسافة الكاملة بين نقطتين.

على الرغم من أن الثقوب الدودية ممكنة رياضيًا ضمن نظرية النسبية العامة، إلا أنه لا يوجد دليل على أنها موجودة أو ستظل مستقرة لفترة كافية للاستخدام العملي. بالإضافة إلى ذلك، قد يتطلب صيانتها مادة غريبة.

التاكايون

وفقًا للنظرية، التاكايون هي جسيمات افتراضية تتحرك دائمًا بسرعة أكبر من الضوء. ومع ذلك، لم يتم إثبات وجودها. إذا كانت التاكايونات موجودة، فإنها ستخالف بعض القوانين الأساسية في الفيزياء، مثل السببية، مما قد يؤدي إلى تناقضات، مثل السفر إلى الوراء في الزمن.

محرك الالتواء

في ستار تريك، يستخدم محرك الالتواء مفهومًا مشابهًا لمحرك ألكوبيير، حيث لا تسافر المركبة الفضائية بسرعة أكبر من الضوء بالمعنى التقليدي، بل تشوه الزمكان من حولها. على الرغم من أنها خيالية، فإن هذه الفكرة قد ألهمت الفيزيائيين في العالم الحقيقي لاستكشاف إمكانيات تشويه الزمكان.

مساحات الكريستال الكمي أو الأبعاد العليا

في بعض النظريات، مثل نظرية الأوتار، يحتوي الكون على أبعاد أكثر مما يمكننا إدراكه. قد يسمح السفر عبر الأبعاد العليا بوجود "اختصارات" في الفضاء ثلاثي الأبعاد. لا تزال هذه الفكرة عالية التكهن ولكنها مثيرة للاهتمام من الناحية النظرية.

على الرغم من أن هذه الأفكار مثيرة، إلا أن معظمها لا يزال في نطاق النظرية والخيال العلمي. حاليًا، لا نملك التكنولوجيا أو المواد اللازمة لتحقيق السفر بسرعة أكبر من الضوء، ولكن الأبحاث المستمرة حول المادة الغريبة، والزمان-المكان، والفيزياء الكمومية تواصل تقديم إمكانيات جديدة للمستقبل.