Žmonės visada svajojo apie keliones per kosmosą, sužavėti nežinomų pasaulių ir troškimo tyrinėti tolimas galaktikas. Didžiausia kliūtis kelionėms į kosmosą yra milžiniški atstumai. Šiame straipsnyje aptariame didžiulius atstumus kosmose ir laiką, reikalingą pasiekti tolimus žvaigždes ir objektus naudojant erdvėlaivius įvairiomis greitomis. Norėdami iliustruoti, kaip platus yra kosmosas, apskaičiavome, kiek laiko užtruktų pasiekti kai kuriuos dangaus objektus naudojant automobilį ir greičiausią erdvėlaivį, kurį sukūrė žmonija. Taip pat apskaičiavome, kaip toli galėtume keliauti šviesos greičiu. Nors šviesos greitis nėra pakankamas keliauti toli į kosmosą, mes kreipėmės į mokslinės fantastikos seriją Star Trek, kur erdvėlaiviai pasiekia greičius, gerokai viršijančius šviesos greitį, naudodami išgalvotą Warp variklį.
Automobilis, nuolat važiuojantis 130 km/h (80 mph)
Įsivaizduokime, kad galėtume keliauti per kosmosą automobiliu. Daugelyje pasaulio šalių didžiausias leistinas greitis greitkeliuose yra 130 km/h arba 80 mph, todėl šį greitį naudojome savo skaičiavimams. Automobilis galėtų galiausiai pasiekti Mėnulį, kelionė užtruktų apie 123 dienas. Į Marsą kelionė truktų ilgus 48 metus, kai jis yra arčiausiai Žemės, ir iki 352 metų, kai jis yra toliausiai. New Horizons erdvėlaivis pasiekė Plutoną, nykštukinę planetą Saulės sistemos pakraštyje, per 9,5 metų. Automobiliu ši kelionė užtruktų mažiausiai 3,750 metų. Proksima Centauri yra artimiausia žvaigždė Žemei, esanti 4,24 šviesmečio atstumu. Automobiliu pasiekti šią žvaigždę užtruktų 35 milijonus metų.
Plutono spalvinga kompozicija. Kreditas: NASA/Johns Hopkins universiteto Taikomosios fizikos laboratorija/Pietvakarių tyrimų institutas
Voyager 1 – Greičiausias žmogaus sukurtas erdvėlaivis keliaujantis per kosmosą
Voyager 1, paleistas 1977 metais, yra greičiausias erdvėlaivis, kurį kada nors sukūrė žmonija, keliaujantis per kosmosą maždaug 61,000 km/h (apie 38,000 mylių per valandą) greičiu. Tačiau Voyager 1 nėra greičiausias kada nors sukurtas erdvėlaivis. Parker Solar Probe pasiekia greičius iki 700,000 km/h (maždaug 430,000 mylių per valandą), tačiau toks greitis pasiekiamas tik tada, kai jis praeina arčiausiai Saulės, naudodamas Saulės gravitaciją pagreitinti. Kita vertus, Voyager 1 keliauja per kosmosą ir šiuo metu yra toliausias žmogaus sukurtas objektas.
Voyager 1 įžengia į tarpžvaigždinę erdvę, menininko koncepcija. Kreditas: NASA/JPL-Caltech
Tad, kaip greitai juda Voyager 1, ir kiek laiko užtruktų įveikti didžiulius kosminius atstumus? Voyager 1 galėtų pasiekti Mėnulį per maždaug 6 valandas esamu greičiu. Nuo Žemės iki Marso užtruktų priimtinas 37 dienas, kai Marsas yra arčiausiai Žemės, o kelionė iki tolimosios Plutono užtruktų aštuonerius metus. Pasiekti Proxima Centauri, artimiausią žvaigždę Žemės, užtruktų stulbinančius 75,000 metų. Iš šių skaičiavimų matome, kad mūsų dabartiniai technologiniai gebėjimai vos pakankami tirti Saulės sistemą ir tik be žmonių įgulos. Galbūt artimiausiu metu galėsime siųsti įgulą į Marsą, artimiausią Žemės planetą. Kol kas mūsų technologijos nėra pakankamai pažangios, kad galėtume siųsti zondus į artimiausias žvaigždes.
Keliaujant šviesos greičiu
Šviesos greitis vakuume yra maždaug 299,792 km/s (apie 186,282 mylių/s), tai atitinka maždaug 1.08 milijardo km/h (apie 671 milijoną mylių per valandą). Pagal fizikos dėsnius, aprašytus Einsteino reliatyvumo teorijoje, tai yra didžiausias galimas greitis.
Žvaigždžių katilas Galaktikos centre. Kreditas: NASA/JPL-Caltech
Pagal reliatyvumą teoriškai neįmanoma, kad masyvūs objektai, tokie kaip erdvėlaiviai ar žmonės, keliautų šviesos greičiu. Kai objekto greitis didėja, jo masė efektyviai auga, reikalaujant vis daugiau energijos tolesniam pagreitėjimui. Pagreitinti masyvų objektą iki šviesos greičio reikalautų begalinės energijos, todėl tokia kelionė pagal dabartinį mokslinį supratimą yra neįmanoma.
Pamirškime fizikos dėsnius akimirkai ir tarkime, kad keliauti šviesos greičiu yra įmanoma. Jei žmonija turėtų erdvėlaivį, galintį keliauti šviesos greičiu, kiek toli galėtume nuvykti kosmose? Ar visas visata tada būtų mūsų pasiekiama? Štai ką mes apskaičiavome.
Šviesos greičiu Mėnulį pasiekti užtruktų vos 1.28 sekundės, 3 minutes pasiekti Marsą ir 4 valandas pasiekti Plutoną. Šviesos greitis būtų idealus greitam keliaujant Saulės sistemoje. Bet ar šviesos greitis yra pakankamas tarpžvaigždinėms kelionėms? Proxima Centauri, artimiausia žvaigždė mums, yra 4.24 šviesmečių atstumu. Tai reiškia, kad šviesa pasiekia Proxima Centauri per 4.24 metų, o grįžimo kelionė užtruktų tiek pat laiko. Tokios kelionės galėtų būti įmanomos su žmonių įgulomis, tačiau tokio erdvėlaivio keleiviai turėtų praleisti didelę savo gyvenimo dalį kosmose.
Yra maždaug 50 žvaigždžių per maždaug 15 šviesmečių spindulį nuo Žemės. Erdvėlaivis, galintis keliauti šviesos greičiu, leistų tirti šią kosmoso dalį, greičiausiai su bepilotiais zondais. Galime daryti išvadą, kad šviesos greitis yra pakankamas keliauti į artimiausias žvaigždes, tačiau keliauti į tolimiausias mūsų Paukščių Tako ar kitų galaktikų vietas būtų neįmanoma dėl to, kiek laiko tokios kelionės užtruktų.
Pavyzdžiui, artimiausias juodasis skylė, V616 Monocerotis, yra 3,300 šviesmečių atstumu nuo Žemės, todėl mums prireiktų tiek pat metų, kad ją pasiektume šviesos greičiu. Akivaizdu, kad toks kelionė nėra įmanoma ar prasminga.
Norint pasiekti mūsų galaktikos centrą, prireiktų 26,000 metų, o kelionė į Andromedą, artimiausią spiralę galaktiką, užtruktų stulbinančius 2.537 milijono metų.
Kelionė greičiau už šviesą
Visame pasaulyje žinomoje mokslo fantastikos franšizėje Star Trek, erdvėlaiviai keliauja greičiais, kurie yra daug greitesni už šviesos greitį. Tai įmanoma dėl fiktyvios „warp drive“ technologijos. „Warp drive“ Star Trek leidžia žvaigždžių laivams keliauti greičiau už šviesą, sukuriant „burbulą“, kuris iškraipo erdvę-laiką aplink laivą. Tokiu būdu laivas nesulaužo greičio virš šviesos dėsnių erdvėje, bet juda erdvė-laiką aplink jį. Nors ši technologija yra fiktyvi, mokslininkai sukūrė teorinį modelį, pagrįstą panašia idėja.
Alcubierre variklis yra teorinė koncepcija, siūlanti metodą greitesnei už šviesą kelionei, iškraipant erdvę-laiką. Pagal šią idėją, erdvėlaivis iš tikrųjų nebūtų keliaujantis greičiau už šviesą, bet sukurtų „burbulą“ aplink save, kuris suspaustų erdvę-laiką laivo priekyje ir išplėstų ją už laivo. Tokiu būdu laivas efektyviai judėtų per erdvę-laiką, likdamas stacionarus burbulo viduje. Kad tai veiktų, teorija siūlo poreikį egzotiškai medžiagai su neigiamą energiją, kurios mokslininkai dar nėra radę ar sukūrę. Daugiau apie Alcubierre variklį galite perskaityti čia.
Star Trek ir Warp Drive
Nors mokslininkai dar neišsprendė visų kliūčių, susijusių su Alcubierre variklio kūrimu, grįžkime prie Star Trek ir warp-greito kelionės. Star Trek žvaigždžių laivai keliavo naudodami warp variklius. Kaip technologija tobulėjo, warp greičiai tapo greitesni. Warp 1 atitinka šviesos greitį, Warp 2 yra dešimt kartų greitesnis už šviesos greitį, Warp 3 yra 39 kartus greitesnis ir taip toliau. Pasirinkome tris žymius žvaigždžių laivus iš Star Trek, kuriems yra prieinama informacija apie jų maksimalų greitį. Nors serijos žvaigždžių laivai negalėjo nuolat keliauti maksimaliais warp greičiais, mūsų skaičiavimams naudosime maksimalų greitį, kurį jie gali pasiekti.
Kapitono Jonathano Archero laivas iš Star Trek: Enterprise
Šis laivas turi NX-01 pavadinimą. Tai pirmasis laivas Enterprise serijoje, kuris buvo itin svarbus tyrinėjant kosmosą ir kuriant ateities Federaciją. Jo maksimali greitis yra Warp 5, tai yra 214 kartų greičiau už šviesos greitį. Su šiuo Enterprise, pasiekti Plutoną iš Žemės užtruktų vos pusantros minutės. Pasiekti artimiausią žvaigždę, Proxima Centauri, užtruktų septynias dienas, o pasiekti artimiausią juodąją skylę, V616, užtruktų 15 metų. Pasiekti mūsų galaktikos centrą užtruktų didžiulius 121 metus, o kelionė į Andromedą užtruktų neįtikėtinus 11,853,271 metų.
Šis laivas per 30 dienų maksimaliu greičiu galėtų nukeliauti apie 17 šviesmečių. Per 17 šviesmečių nuo Žemės yra maždaug 50–60 žvaigždžių sistemų, kuriose yra apie 100 žvaigždžių.
Kapitono Jean-Luc Picard laivas iš Star Trek: The Next Generation
Kapitono Jean-Luc Picard'as laivas iš Star Trek: The Next Generation buvo vadinamas USS Enterprise (NCC-1701-D). Tai buvo penktasis laivas, nešantis Enterprise pavadinimą, ir jis yra vienas iš garsiausių laivų Star Trek franšizėje. Jo maksimali greitis yra Warp 9.6, tai yra 1,909 kartus greičiau už šviesos greitį.
Picardo Enterprise pasiektų Proxima Centauri vos per 19 valandų ir 28 minutes, o pasiekti juodąją skylę V616 Monocerotis užtruktų apie vienerius metus ir devynis mėnesius. Pasiekti mūsų galaktikos centrą užtruktų 13 metų ir septynis mėnesius, o kelionė į Andromedą užtruktų 1,328 metus.
Per 30 dienų šis laivas galėtų nukeliauti 156 šviesmečius. Per 156 šviesmečių spindulį nuo Žemės yra maždaug 40,000 iki 60,000 žvaigždžių.
Kapitono Kathryn Janeway laivas iš Star Trek: Voyager
Kapitono Kathryn Janeway laivas iš Star Trek: Voyager vadinamas USS Voyager (NCC-74656). Tai Intrepid klasės laivas, žinomas dėl savo misijos Delta Kvadrante. Jo maksimali greitis yra Warp 9.975, tai yra 5,126 kartų greičiau už šviesos greitį. Voyager pasiektų Proxima Centauri vos per 7 valandas. Pasiekti juodąją skylę V616 užtruktų septynis mėnesius, o pasiekti mūsų galaktikos centrą užtruktų penkerius metus. Andromeda vis dar nepasiekiama, ir šiam laivui užtruktų 495 metus, kad ten patektų.
Maksimaliu greičiu, per 30 dienų, šis laivas galėtų nukeliauti 421 šviesmetrus. Per 421 šviesmečio spindulį nuo Žemės yra maždaug 1.25 milijono žvaigždžių.
Kosmoso kelionių ateitis
Didžiulė kosmoso erdvė yra ribojantis veiksnys kosmoso kelionėms. Šiuo metu statomi kosminiai laivai gali pasiekti tolimas Saulės sistemos dalis ir tokius objektus kaip Plutonas per 10 ar daugiau metų. Tarpžvaigždinės kelionės šiuo metu yra neįmanomos, nes mūsų greičiausiam kosminiam laivui pasiekti artimiausią žvaigždę ir grįžti prireiktų 150 000 metų. Kol kas esame apriboti kelionėmis mūsų Saulės sistemoje. Tarpžvaigždinėms kelionėms mūsų technologija turėtų pasiekti bent 20% šviesos greičio, kad zondas galėtų pasiekti artimiausią žvaigždę maždaug per 20 metų. Yra planų statyti tokį kosminį laivą, kuris pagreitėtų naudodamas galingus lazerius iš Žemės, tačiau turėtume laukti dar ketverius metus, kol bus gauti duomenys, kuriuos surinks toks zondas.
Pieno Kelias ir kaimyninė Andromedos galaktika. Kreditas: NASA Goddard
Norint sėkmingai ištirti artimiausias žvaigždes, mums reikėtų greičio, artimo šviesos greičiui. Tai leistų prieiti prie maždaug 50 žvaigždžių, esančių per 15 šviesmečių nuo Žemės, moksliniams tyrimams, nors tokios kelionės būtų labai ilgos, ir prireiktų kelių dešimtmečių, kol gautume duomenis iš zondų. Kosmosas yra toks didelis, kad net kosminiai laivai, galintys keliauti šviesos greičiu, leistų mums ištirti tik artimiausias žvaigždes.
Jei šviesos greitį pasiekti neįmanoma ir greitesnės nei šviesos kelionės nėra įmanomos, tikimybė kada nors susidurti su pažengusia užsienio civilizacija yra nepaprastai maža. Visata gali būti pilna gyvybės, tačiau milžiniški atstumai kosmose daro kontaktą tarp civilizacijų beveik neįmanomą, bent jau mūsų Visatos dalyje. Išimtis galėtų būti žvaigždės žvaigždžių grupėse, tokiuose kaip globulinės grupės, kur žvaigždės gali būti vos 0,1 šviesmečio atstumu. Tačiau net toks mažas atstumas yra nepaprastai didelis mūsų civilizacijai. Voyager 1 užtruktų apie 1,769 metų, kad pasiektų žvaigždę, esančią 0,1 šviesmečio atstumu.
Ar greitesnės nei šviesos kelionės yra įmanomos?
Teoriškai, greitesnės nei šviesos kelionės yra įdomios, tačiau pagal dabartines mokslines taisykles, ypač Einšteino reliatyvumo teoriją, neįmanoma, kad masę turintys objektai judėtų greičiau už šviesą. Tačiau kelios teorinės idėjos siūlo galimybę „aplenkti“ šį apribojimą:
Alcubierre variklis
Ši koncepcija, kurią 1994 metais pasiūlė fizikas Miguel Alcubierre, remiasi „burbulo“ sukūrimu aplink kosminį laivą, kurio viduje erdvė-laikas išlieka nepažeista. Burbulas sutrauktų erdvę laivo priekyje ir išplėstų ją už laivo, efektyviai leisdamas keliauti greičiau už šviesą. Kosminis laivas iš tikrųjų nesikels per erdvę greičiau už šviesą, tačiau erdvė aplink jį būtų iškreipta. Problema ta, kad tai reikalautų naudoti egzotinę medžiagą su neigiamą energiją, kuri dar nėra įrodyta ar atrasta.
Wormholes
Wormhole'ai yra hipoteziniai tuneliai per erdvę-laiką, kurie galėtų sujungti tolimus taškus visatoje. Kelionė per wormhole'ą galėtų leisti efektyviai pasinaudoti „trumpu keliu“ per erdvę, tai reiškia, kad keliautojui nereikėtų pereiti viso atstumo tarp dviejų taškų.
Nors wormhole'ai matematiškai yra įmanomi pagal bendrąją reliatyvumo teoriją, nėra įrodymų, kad jie egzistuoja arba kad išliktų stabilūs pakankamai ilgai praktiniam naudojimui. Be to, jų priežiūra galėtų reikalauti egzotinės medžiagos.
Tachyons
Pagal teoriją, tachyonai yra hipoteziniai dalelės, kurios visada juda greičiau už šviesą. Tačiau jų egzistavimas nebuvo įrodytas. Jei tachyonai iš tikrųjų egzistuotų, jie pažeistų kai kurias pagrindines fizikos taisykles, tokias kaip priežastingumas, kas galėtų sukelti paradoksų, pavyzdžiui, kelionę atgal laiku.
Warp Drive
Filme Star Trek, warp drive naudoja koncepciją, panašią į Alcubierre variklį, kur erdvėlaivis nekeliauja greičiau už šviesą tradicine prasme, bet iškreipia erdvę-laiką aplink jį. Nors tai yra fikcija, ši idėja įkvėpė realaus pasaulio fizikus tyrinėti erdvės-laiko iškraipymo galimybes.
Quasicrystal Spaces or Higher Dimensions
Kai kuriose teorijose, pavyzdžiui, stygų teorijoje, visata turi daugiau dimensijų, nei galime suvokti. Kelionė per aukštesnes dimensijas galėtų leisti „trumpus kelius“ trimačioje erdvėje. Ši idėja vis dar yra labai spekuliatyvi, tačiau teoriškai intriguojanti.
Nors šios idėjos yra įdomios, dauguma jų vis dar yra teorijų ir mokslo fantastikos srityje. Šiuo metu neturime technologijų ar medžiagų, reikalingų greitesnei už šviesą kelionei realizuoti, tačiau nuolatiniai tyrimai apie egzotinę medžiagą, erdvę-laiką ir kvantinę fiziką toliau siūlo naujas galimybes ateityje.