Хората винаги са мечтали да пътуват из космоса, очаровани от непознати светове и желанието да изследват далечни галактики. Най-голямата пречка пред космическите пътувания са огромните разстояния. В тази статия разглеждаме огромните разстояния в космоса и времето, необходимо за достигане на далечни звезди и обекти, използвайки космически кораби с различни скорости. За да илюстрираме колко обширен е космосът, изчислихме колко време би отнело да достигнем някои небесни обекти, използвайки кола и най-бързите космически кораби, построени от човечеството. Също така изчислихме колко далеч бихме могли да пътуваме със скоростта на светлината. Въпреки че скоростта на светлината не е достатъчна, за да пътуваме далеч в космоса, се обърнахме към научнофантастичния сериал Star Trek, където космическите кораби постигат скорости, много по-бързи от светлината, използвайки фикционалния Warp двигател.
Кола, пътуваща постоянно със 130 км/ч (80 mph)
Нека си представим, че можем да пътуваме из космоса с кола. В много страни по света максималната разрешена скорост на магистралите е 130 км/ч или 80 mph, така че използвахме тази скорост за нашите изчисления. Колата би могла в крайна сметка да достигне Луната, като за това ще отнеме около 123 дни. До Марс, пътуването би отнело дълги 48 години, когато е най-близо до Земята, и до 352 години, когато е на най-далечното си разстояние. Космическият зонд New Horizons е достигнал Плутон, джудже планета на ръба на слънчевата система, за 9.5 години. С кола, това пътуване би отнело поне 3,750 години. Проксима Кентавър е най-близката звезда до Земята, разположена на 4.24 светлинни години разстояние. За да достигнем тази звезда с кола, ще са необходими 35 милиона години.
Плутон Цветна Композиция. Кредити: NASA/Университет Джонс Хопкинс, Лаборатория за приложна физика/Югозападен изследователски институт
Вояджър 1 – Най-бързият човешки космически кораб, пътуващ из космоса
Вояджър 1, изстрелян още през 1977 г., е най-бързият космически кораб, създаден от човечеството, пътуващ из космоса със скорост от приблизително 61,000 км/ч (около 38,000 мили в час). Въпреки това, Вояджър 1 не е най-бързият космически кораб, построен някога. Слънчевият зонд Паркър достига скорости от 700,000 км/ч (приблизително 430,000 мили в час), но тази скорост се постига само когато преминава най-близо до Слънцето, използвайки гравитацията на Слънцето, за да се ускори. От друга страна, Вояджър 1 пътува из космоса и в момента е най-далечният човешки обект.
Концепция на художник за Вояджър 1, навлизащ в междузвездното пространство. Кредити: NASA/JPL-Caltech
И така, колко бърз е Voyager 1 и колко време би отнело да покрие огромни космически разстояния? Voyager 1 може да достигне Луната за около 6 часа с текущата си скорост. Пътуването от Земята до Марс би отнело приемливите 37 дни, когато Марс е най-близо до Земята, а пътят до далечния Плутон би отнел осем години. За да достигнем Проксима Кентавър, най-близката звезда до Земята, би отнело зашеметяващите 75,000 години. От тези изчисления, нашите текущи технологични възможности едва ли са достатъчни за изследване на слънчевата система и само без човешки екип. Може би в обозримо бъдеще можем да изпратим екип на Марс, най-близката до Земята планета. За сега, нашата технология не е достатъчно напреднала, за да изпраща сонди до най-близките звезди.
Пътуване със скоростта на светлината
Скоростта на светлината във вакуум е приблизително 299,792 км/с (около 186,282 мили/с), което е равно на около 1.08 милиарда км/ч (около 671 милиона мили на час). Според законите на физиката, описани от теорията на относителността на Айнщайн, това е най-високата възможна скорост.
Котел от звезди в Центъра на галактиката. Кредит: NASA/JPL-Caltech
Според относителността, теоретично е невъзможно обекти с маса, като космически кораби или хора, да пътуват със скоростта на светлината. Когато скоростта на обекта се увеличава, масата му ефективно нараства, което изисква все повече енергия за допълнително ускорение. За да се ускори масивен обект до скоростта на светлината, би била необходима безкрайна енергия, което прави такова пътуване невъзможно според текущото научно разбиране.
Нека за момент пренебрегнем законите на физиката и предположим, че пътуването със скоростта на светлината е възможно. Ако човечеството разполагаше с космически кораб, способен да пътува със светлинна скорост, колко далеч бихме могли да отидем в космоса? Бихме ли могли да достигнем до цялата вселена? Ето какво изчислихме.
При скоростта на светлината, би отнело само 1.28 секунди да достигнем Луната, 3 минути да стигнем до Марс и 4 часа да достигнем Плутон. Скоростта на светлината би била идеална за бързо пътуване в слънчевата система. Но достатъчна ли е скоростта на светлината за междузвездно пътуване? Проксима Кентавър, най-близката звезда до нас, е на 4.24 светлинни години разстояние. Това означава, че светлината отнема 4.24 години, за да достигне Проксима Кентавър, а връщането би отнело същото време. Такива пътувания биха могли да бъдат възможни с човешки екипажи, но пътниците на такъв космически кораб трябва да прекарат значителна част от живота си в космоса.
Има приблизително 50 звезди в радиус от около 15 светлинни години от Земята. Космически кораб, способен да пътува със скоростта на светлината, би позволил изследване на тази част от космоса, най-вероятно с безпилотни сонди. Можем да заключим, че скоростта на светлината е достатъчна за пътуване до най-близките звезди, но пътуването до далечните краища на нашата галактика или други галактики би било невъзможно поради времето, което биха отнели такива пътувания.
Например, най-близката черна дупка, V616 Монокеротис, е на 3,300 светлинни години от Земята, така че ще ни отнеме точно толкова години, за да я достигнем с скоростта на светлината. Ясно е, че такова пътуване не е осъществимо или разумно.
За да достигнем до центъра на нашата галактика, ще ни трябват 26,000 години, а пътуването до Андромеда, най-близката спирална галактика, ще отнеме удивителните 2.537 милиона години.
Пътуване по-бързо от светлината
В световно известната научнофантастична поредица Стар Трек, космическите кораби пътуват със скорости, много по-бързи от скоростта на светлината. Това е възможно благодарение на фиктивния двигател за извиване на пространството. Двигателят за извиване в Стар Трек позволява на звездните кораби да пътуват по-бързо от светлината, като създава "балон", който извива пространство-времето около кораба. По този начин, корабът не нарушава закона за пътуване по-бързо от светлината в пространството, а движи пространство-времето около себе си. Въпреки че този двигател е фиктивен, учените са разработили теоретичен модел на двигател, базиран на подобна идея.
Двигателят на Алкубиера е теоретична концепция, която предлага метод за пътуване по-бързо от светлината, като извива пространство-времето. Според тази идея, космическият кораб всъщност не би пътувал по-бързо от светлината, а би създал "балон" около себе си, който свива пространство-времето пред кораба и го разширява зад него. По този начин, корабът ефективно би се движел през пространство-времето, като остава неподвижен спрямо пространството в балона. За да работи това, теорията предполага необходимостта от екзотична материя с негативна енергия, която учените все още не са успели да намерят или създадат. Можете да прочетете повече за Двигателя на Алкубиера тук.
Стар Трек и Двигателят за извиване
Докато учените все още не са решили всички препятствия за изграждането на Двигателя на Алкубиера, нека се върнем към Стар Трек и пътуването със скорост на извиване. В Стар Трек, звездните кораби пътуваха, използвайки двигатели за извиване. С развитието на технологията, скоростите на извиване станаха по-бързи. Извиване 1 е равно на скоростта на светлината, Извиване 2 е десет пъти по-бързо от скоростта на светлината, Извиване 3 е 39 пъти по-бързо и така нататък. Избрахме три известни звездни кораба от Стар Трек, за които са налични данни за максималната им скорост. Въпреки че звездните кораби в поредицата не можеха да пътуват непрекъснато с максимално извиване, за целите на нашите изчисления ще използваме максималните скорости, на които са способни.
Звездолетът на капитан Джонатан Арчър от Star Trek: Enterprise
Този кораб има обозначение NX-01. Той е първият кораб от серията Enterprise, който е от съществено значение за изследването на космоса и полагането на основите на бъдещата Федерация. Максималната му скорост е Warp 5, което е 214 пъти по-бързо от скоростта на светлината. С този Enterprise, достигането на Плутон от Земята би отнело само една минута и половина. Щеше да отнеме седем дни, за да се достигне до най-близката звезда, Проксима Центавър, и 15 години, за да се стигне до най-близката черна дупка, V616. Достигането до центъра на нашата галактика би отнело огромните 121 години, а пътуването до Андромеда би отнело невероятните 11,853,271 години.
Този кораб би покрил около 17 светлинни години с максимална скорост за 30 дни. В рамките на 17 светлинни години от Земята има приблизително 50–60 звездни системи с около 100 звезди.
Звездолетът на капитан Жан-Люк Пикар от Star Trek: The Next Generation
Звездолетът на капитан Жан-Люк Пикар от Star Trek: The Next Generation се нарича USS Enterprise (NCC-1701-D). Той е петият кораб в редицата, носещ името Enterprise, и е един от най-известните кораби в франчайза Star Trek. Максималната му скорост е Warp 9.6, което е 1,909 пъти по-бързо от скоростта на светлината.
Enterprise на Пикар би достигнал Проксима Центавър за само 19 часа и 28 минути, а достигането до черната дупка V616 Монокеротис би отнело около една година и девет месеца. Достигането до центъра на нашата галактика би отнело 13 години и седем месеца, а пътуването до Андромеда би отнело 1,328 години.
За 30 дни този кораб би могъл да покрие 156 светлинни години. В радиус от 156 светлинни години от Земята има приблизително 40,000 до 60,000 звезди.
Звездолетът на капитан Катрин Джейн Уей от Star Trek: Voyager
Звездолетът на капитан Катрин Джейн Уей от Star Trek: Voyager се нарича USS Voyager (NCC-74656). Той е кораб от клас Интрепид, известен с мисията си в Делта Квадранта. Максималната му скорост е Warp 9.975, което е 5,126 пъти по-бързо от скоростта на светлината. Voyager би достигнал Проксима Центавър за само 7 часа. Щеше да отнеме седем месеца, за да се стигне до черната дупка V616 и пет години, за да се достигне до центъра на нашата галактика. Андромеда все още е извън обсега, и на този звездолет ще му отнеме 495 години, за да стигне там.
При максимална скорост, за 30 дни, този звездолет би могъл да покрие 421 светлинни години. В радиус от 421 светлинни години от Земята има приблизително 1.25 милиона звезди.
Бъдещето на космическите пътувания
Огромността на космоса е ограничаващ фактор за космическите пътувания. Космическите кораби, които в момента изграждаме, могат да достигнат отдалечени части на слънчевата система и обекти като Плутон за 10 или повече години. Междупланетните пътувания в момента не са осъществими, тъй като на нашия най-бърз космически кораб ще му трябват 150,000 години, за да достигне до най-близката звезда и да се върне. За сега сме ограничени да пътуваме в рамките на нашата слънчева система. За междупланетни пътувания, нашата технология трябва да достигне поне 20% от скоростта на светлината, за да може сонда да достигне до най-близката звезда за около 20 години. Съществуват планове за изграждане на такъв космически кораб, който да ускори с помощта на мощни лазери от Земята, но ще трябва да изчакаме още четири години за данните, които такава сонда ще събере.
Галактиката Млечен път и съседната галактика Андромеда. Кредит: NASA Goddard
За да проучим успешно най-близките звезди, ще ни е необходима скорост близка до скоростта на светлината. Това би направило около 50 звезди в рамките на 15 светлинни години от Земята достъпни за научни изследвания, въпреки че подобни пътувания биха били много дълги и би отнело няколко десетилетия, за да получим данни от сонди. Космосът е толкова огромен, че дори космически кораби, способни да пътуват със скоростта на светлината, биха ни позволили да изследваме само най-близките звезди.
Ако скоростта на светлината е невъзможна за постигане и пътуването по-бързо от светлината не е осъществимо, вероятността да срещнем напреднала извънземна цивилизация е изключително ниска. Вселената може да бъде пълна с живот, но огромните разстояния в космоса правят контакта между цивилизациите почти невъзможен, поне в нашата част на вселената. Изключение биха могли да бъдат звезди в звездни клъстери, като глобуларни клъстери, където звездите могат да бъдат на разстояние от едва 0.1 светлинни години една от друга. Въпреки това, дори такова малко разстояние е невероятно голямо за цивилизация като нашата. "Вояджър 1" би отнел около 1,769 години, за да достигне звезда, която е на 0.1 светлинни години разстояние.
Възможни ли са пътувания по-бързо от светлината?
Теоретично, пътуванията по-бързо от светлината са fascinиращи, но според настоящите научни закони, особено теорията на относителността на Айнщайн, е невъзможно обекти с маса да се движат по-бързо от светлината. Въпреки това, няколко теоретични идеи предлагат възможността за "заобикаляне" на това ограничение:
Двигател на Алкубиера
Тази концепция, предложена от физика Мигел Алкубиера през 1994 г., се основава на създаването на "балон" около космически кораб, в който пространството-време остава непокътнато. Балонът би свил пространството пред кораба и би го разширил зад него, ефективно позволявайки пътуване по-бързо от светлината. Космическият кораб всъщност не би се движел през пространството по-бързо от светлината, но пространството около него би било изкривено. Проблемът е, че това би изисквало използването на екзотична материя с отрицателна енергия, която все още не е доказана или открита.
Червеиви дупки
Червеивите дупки са хипотетични тунели през пространство-времето, които биха могли да свързват отдалечени точки във вселената. Пътуването през червеиви дупки би могло да позволи ефективен "съкратен маршрут" през пространството, което означава, че пътешественикът не би трябвало да преминава през цялото разстояние между две точки.
Въпреки че червеивите дупки са математически възможни в рамките на общата теория на относителността, няма доказателства, че те съществуват или биха останали стабилни достатъчно дълго за практическа употреба. Освен това, тяхната поддръжка може да изисква екзотична материя.
Тахиони
Според теорията, тахионите са хипотетични частици, които винаги се движат по-бързо от светлината. Въпреки това, тяхното съществуване не е доказано. Ако тахионите съществуваха, те биха нарушили някои основни закони на физиката, като причинността, което би могло да доведе до парадокси, като пътуване назад във времето.
Двигател с изкривяване
В Star Trek, двигателят с изкривяване използва концепция, подобна на Alcubierre Drive, при която космическият кораб не пътува по-бързо от светлината в традиционния смисъл, а вместо това изкривява пространство-времето около себе си. Въпреки че е фикционален, тази идея е вдъхновила реални физици да изследват възможностите за изкривяване на пространство-времето.
Квазикристални пространства или по-висши измерения
В някои теории, като теорията на струните, вселената има повече измерения, отколкото можем да възприемем. Пътуването през по-висши измерения би могло да позволи "съкратени маршрути" в триизмерното пространство. Тази идея все още е силно спекулативна, но теоретично интригуваща.
Въпреки че тези идеи са интересни, повечето от тях все още са в сферата на теорията и научната фантастика. В момента нямаме технологията или материалите, необходими за реализиране на пътуване по-бързо от светлината, но продължаващото изследване на екзотична материя, пространство-време и квантова физика продължава да предлага нови възможности за бъдещето.