Cilvēki vienmēr ir sapņojuši par ceļošanu cauri kosmosam, apburti ar nezināmiem pasaulēm un vēlmi izpētīt tālas galaktikas. Lielākais šķērslis kosmosa ceļojumiem ir milzīgās distances. Šajā rakstā mēs apskatām milzīgās distances kosmosā un laiku, kas nepieciešams, lai sasniegtu tālas zvaigznes un objektus, izmantojot kosmosa kuģus dažādās ātrumā. Lai ilustrētu, cik plašs ir kosmoss, mēs aprēķinājām, cik ilgi būtu nepieciešams, lai sasniegtu dažus debesu objektus, izmantojot automašīnu un ātrāko kosmosa kuģi, ko cilvēce ir uzbūvējusi. Mēs arī aprēķinājām, cik tālu mēs varētu ceļot ar gaismas ātrumu. Pat ja gaismas ātrums nav pietiekams, lai ceļotu tālu kosmosā, mēs pievērsāmies zinātniskās fantastikas sērijai Star Trek, kur kosmosa kuģi sasniedz ātrumus, kas ir daudz ātrāki par gaismu, izmantojot izdomāto Warp dzinēju.
Automobilis, kas nepārtraukti ceļo ar 130 km/h (80 mph)
Imaginēsim, ka mēs varētu ceļot cauri kosmosam automašīnā. Daudzās valstīs visā pasaulē maksimālais atļautais ātrums uz šosejām ir 130 km/h vai 80 mph, tāpēc mēs izmantojām šo ātrumu mūsu aprēķiniem. Automobilis galu galā varētu sasniegt Mēnesi, ceļojot apmēram 123 dienas. Uz Marsu ceļojums ilgtu garus 48 gadus, kad tas ir vistuvāk Zemei, un līdz 352 gadiem, kad tas ir vislielākajā attālumā. Kosmosa zonde New Horizons sasniedza Plutonu, pundurplanētu Saules sistēmas malā, 9,5 gadu laikā. Automobilī šis ceļojums prasītu vismaz 3,750 gadus. Proxima Centauri ir tuvākā zvaigzne Zemei, kas atrodas 4.24 gaismas gadu attālumā. Lai sasniegtu šo zvaigzni automašīnā, būtu nepieciešami 35 miljoni gadu.
Plutona krāsainā kompozīcija. Autortiesības: NASA/ Džona Hopkinsa Universitātes Pielietotās Fizikas Laboratorija/Dienvidrietumu Pētniecības Institūts
Voyager 1 – ātrākais cilvēku radītais kosmosa kuģis ceļojot cauri kosmosam
Voyager 1, kas tika palaists tālā 1977. gadā, ir ātrākais kosmosa kuģis, ko cilvēce jebkad ir radījusi, ceļojot cauri kosmosam ar apmēram 61,000 km/h (aptuveni 38,000 jūdzes stundā) ātrumu. Tomēr Voyager 1 nav ātrākais kosmosa kuģis, kas jebkad uzbūvēts. Parker Solar Probe sasniedz ātrumus līdz 700,000 km/h (aptuveni 430,000 jūdzes stundā), bet šis ātrums tiek sasniegts tikai tad, kad tas visvairāk pietuvojas Saulei, izmantojot Saules gravitāciju, lai paātrinātu. Savukārt Voyager 1 ceļo cauri kosmosam un patlaban ir visattālākā cilvēku radītā objekts.
Voyager 1 Ienāk interstellarajā telpā Mākslinieka koncepcija. Kredīti: NASA/JPL-Caltech
Tātad, cik ātri ir Voyager 1, un cik ilgi būtu nepieciešams, lai pārvarētu plašos kosmiskos attālumus? Voyager 1 varētu sasniegt Mēnesi aptuveni 6 stundu laikā ar savu pašreizējo ātrumu. No Zemes uz Marsu būtu pieņemams 37 dienu ceļojums, kad Mars ir vistuvāk Zemei, un ceļojums uz tālo Plutonu prasītu astoņus gadus. Lai sasniegtu Proksimu Centauri, tuvāko zvaigzni Zemei, būtu nepieciešami satriecoši 75 000 gadi. No šiem aprēķiniem var secināt, ka mūsu pašreizējās tehnoloģiskās spējas ir gandrīz pietiekamas tikai, lai izpētītu Saules sistēmu un tikai bez cilvēku apkalpes. Varbūt tuvākajā nākotnē mēs varēsim nosūtīt apkalpi uz Marsu, planētu, kas ir vistuvāk Zemei. Pašlaik mūsu tehnoloģija nav pietiekami attīstīta, lai nosūtītu zondes uz tuvākajām zvaigznēm.
Ceļojot gaismas ātrumā
Gaismas ātrums vakuumā ir aptuveni 299 792 km/s (apmēram 186 282 jūdzes/s), kas ir vienāds ar aptuveni 1.08 miljardi km/h (apmēram 671 miljons jūdžu stundā). Saskaņā ar fizikas likumiem, kā tos aprakstījusi Einaština relativitātes teorija, šis ir augstākais iespējams ātrums.
Zvaigžņu katls Galaktikas centrā. Kredīts: NASA/JPL-Caltech
Saskaņā ar relativitāti teorētiski nav iespējams, lai objekti ar masu, piemēram, kosmosa kuģi vai cilvēki, ceļotu ar gaismas ātrumu. Kad objekta ātrums palielinās, tā masa efektīvi pieaug, prasot arvien vairāk enerģijas, lai paātrinātu tālāk. Lai paātrinātu masīvu objektu līdz gaismas ātrumam, būtu nepieciešama bezgalīga enerģija, padarot šādu ceļojumu neiespējamu saskaņā ar pašreizējo zinātnisko izpratni.
Atmetīsim fizikas likumus uz brīdi un pieņemsim, ka ceļošana ar gaismas ātrumu ir iespējama. Ja cilvēcei būtu kosmosa kuģis, kas spēj ceļot ar gaismas ātrumu, cik tālu mēs varētu doties kosmosā? Vai visa visuma daļa būtu tad mūsu sasniedzama? Lūk, ko mēs aprēķinājām.
Ar gaismas ātrumu Mēnesi sasniegtu tikai 1.28 sekundēs, 3 minūtēs tiktu uz Marsu un 4 stundās sasniegtu Plutonu. Gaismas ātrums būtu ideāls ātrai ceļošanai Saules sistēmā. Bet vai gaismas ātrums ir pietiekams starpzvaigžņu ceļojumiem? Proksima Centauri, tuvākā zvaigzne mums, atrodas 4.24 gaismas gadu attālumā. Tas nozīmē, ka gaisma sasniedz Proksimu Centauri 4.24 gadu laikā, un atgriešanās ceļojums prasītu to pašu laiku. Šādi ceļojumi varētu būt iespējami ar cilvēku apkalpēm, taču pasažieriem šādā kosmosa kuģī nāktos pavadīt ievērojamu daļu savu dzīves telpā.
Ir aptuveni 50 zvaigznes apmēram 15 gaismas gadu attālumā no Zemes. Kosmosa kuģis, kas spēj ceļot ar gaismas ātrumu, ļautu izpētīt šo kosmosa daļu, visdrīzāk ar bezpilota zondēm. Mēs varam secināt, ka gaismas ātrums ir pietiekams, lai ceļotu uz tuvākajām zvaigznēm, taču ceļošana uz tālākajiem mūsu Piena Ceļa vai citu galaktiku nostūriem būtu neiespējama, ņemot vērā, cik ilgi šādi ceļojumi prasītu.
Piemēram, tuvākais melnais caurums, V616 Monocerotis, atrodas 3,300 gaismas gadu attālumā no Zemes, tāpēc mums būtu nepieciešami tieši tikpat gadi, lai to sasniegtu gaismas ātrumā. Acīmredzot šāds ceļojums nav iespējams vai saprātīgs.
Lai sasniegtu mūsu galaktikas centru, mums būtu nepieciešami 26,000 gadi, bet ceļojums uz Andromēdu, tuvāko spirālveida galaktiku, prasītu neticamus 2.537 miljonus gadu.
Ceļojums ātrāk par gaismu
Globāli slavenajā zinātniskās fantastikas franšīzē Star Trek kosmosa kuģi ceļo ātrumā, kas ir daudz ātrāks par gaismas ātrumu. To padara iespējamu izdomāta warp dzinēja tehnoloģija. Warp dzinējs Star Trek ļauj zvaigžņu kuģiem ceļot ātrāk par gaismu, radot "burbuli", kas izkropļo laika telpu ap kuģi. Šādā veidā kuģis neizliek likumu par ceļošanu ātrāk par gaismu telpā, bet pārvieto laika telpu ap to. Lai gan šis dzinējs ir izdomāts, zinātnieki ir izstrādājuši teorētisku modeļa dzinēju, kas balstīts uz līdzīgu ideju.
Alcubierre dzinējs ir teorētisks jēdziens, kas piedāvā metodi ceļošanai ātrāk par gaismu, izkropļojot laika telpu. Saskaņā ar šo ideju kosmosa kuģis faktiski neceļos ātrāk par gaismu, bet radīs "burbuli" ap sevi, kas sarauj laika telpu priekšā kuģim un paplašina to aiz tā. Tādā veidā kuģis efektīvi pārvietosies caur laika telpu, paliekot nekustīgs attiecībā pret telpu burbulī. Lai tas darbotos, teorija piedāvā nepieciešamību pēc eksotiskas matērijas ar negatīvu enerģiju, ko zinātnieki vēl nav atraduši vai radījuši. Jūs varat izlasīt vairāk par Alcubierre dzinēju šeit.
Star Trek un Warp dzinējs
Kamēr zinātnieki vēl nav atrisinājuši visus šķēršļus Alcubierre dzinēja būvēšanai, atgriezīsimies pie Star Trek un warp ātruma ceļojuma. Star Trek zvaigžņu kuģi ceļoja, izmantojot warp dzinējus. Tehnoloģijai attīstoties, warp ātrumi kļuva ātrāki. Warp 1 ir gaismas ātrums, Warp 2 ir desmit reizes ātrāks par gaismas ātrumu, Warp 3 ir 39 reizes ātrāks, un tā tālāk. Mēs izvēlējāmies trīs slavenus zvaigžņu kuģus no Star Trek, par kuriem ir pieejami dati par to maksimālo ātrumu. Lai gan sērijā zvaigžņu kuģi nevarēja pastāvīgi ceļot maksimālā warp ātrumā, mūsu aprēķiniem mēs izmantosim maksimālos ātrumus, kādus tie spēj sasniegt.
Kapitāna Jonathana Arčera zvaigžņu kuģis no Star Trek: Enterprise
Šim kuģim ir apzīmējums NX-01. Tas ir pirmais kuģis Enterprise sērijā, kas ir izšķirošs kosmosa izpētē un nākotnes Federācijas pamatu veidošanā. Tā maksimālais ātrums ir Warp 5, kas ir 214 reizes ātrāk nekā gaismas ātrums. Ar šo Enterprise ceļojums no Zemes uz Plutonu aizņemtu tikai pusotru minūti. Ceļojums uz tuvāko zvaigzni, Proxima Centauri, prasītu septiņas dienas, un 15 gadus, lai sasniegtu tuvāko melno caurumu, V616. Ceļojums uz mūsu galaktikas centru aizņemtu iespaidīgus 121 gadus, un ceļojums uz Andromedu prasītu neticamus 11,853,271 gadus.
Šis kuģis maksimālā ātrumā 30 dienu laikā varētu pārklāt aptuveni 17 gaismas gadus. 17 gaismas gadu attālumā no Zemes ir aptuveni 50–60 zvaigžņu sistēmas ar apmēram 100 zvaigznēm.
Kapitāna Žana-Lika Pikarda zvaigžņu kuģis no Star Trek: The Next Generation
Kapitāna Žana-Lika Pikarda zvaigžņu kuģis no Star Trek: The Next Generation tika saukts par USS Enterprise (NCC-1701-D). Tas bija piektais kuģis, kas nēsāja nosaukumu Enterprise, un ir viens no slavenākajiem kuģiem Star Trek franšīzē. Tā maksimālais ātrums ir Warp 9.6, kas ir 1,909 reizes ātrāk nekā gaismas ātrums.
Pikarda Enterprise sasniegtu Proxima Centauri tikai 19 stundās un 28 minūtēs, un melnā cauruma V616 Monocerotis sasniegšanai būtu nepieciešami apmēram viens gads un deviņi mēneši. Ceļojums uz mūsu galaktikas centru aizņemtu 13 gadus un septiņus mēnešus, un ceļojums uz Andromedu prasītu 1,328 gadus.
30 dienu laikā šis kuģis varētu pārklāt 156 gaismas gadus. 156 gaismas gadu attālumā no Zemes ir aptuveni 40,000 līdz 60,000 zvaigžņu.
Kapitāna Ketrīnas Dženevejas zvaigžņu kuģis no Star Trek: Voyager
Kapitāna Ketrīnas Dženevejas zvaigžņu kuģis no Star Trek: Voyager tiek saukts par USS Voyager (NCC-74656). Tas ir Intrepid klases kuģis, kas pazīstams ar savu misiju Delta kvadrantā. Tā maksimālais ātrums ir Warp 9.975, kas ir 5,126 reizes ātrāk nekā gaismas ātrums. Voyager sasniegtu Proxima Centauri tikai 7 stundu laikā. Melno caurumu V616 sasniegšanai būtu nepieciešami septiņi mēneši, un ceļojums uz mūsu galaktikas centru prasītu piecus gadus. Andromeda joprojām ir ārpus sasniedzamības, un šim zvaigžņu kuģim uz turieni aizņemtu 495 gadus.
Maksimālā ātrumā 30 dienu laikā šis zvaigžņu kuģis varētu pārklāt 421 gaismas gadu. 421 gaismas gadu attālumā no Zemes ir aptuveni 1.25 miljoni zvaigžņu.
Telpas Ceļojumu Nākotne
Telpas plašums ir ierobežojošs faktors telpas ceļojumiem. Kosmosa kuģi, kurus mēs pašlaik būvējam, var sasniegt attālas Saules sistēmas daļas un objektus, piemēram, Plutonu, 10 vai vairāk gadu laikā. Starpzvaigžņu ceļojumi pašlaik nav iespējami, jo mūsu ātrākajiem kosmosa kuģiem būtu nepieciešami 150 000 gadi, lai sasniegtu tuvāko zvaigzni un atgrieztos. Pašlaik mēs esam spiesti ceļot tikai mūsu Saules sistēmā. Lai veiktu starpzvaigžņu ceļojumus, mūsu tehnoloģijai būtu jāpanāk vismaz 20% no gaismas ātruma, lai sūtnis varētu sasniegt tuvāko zvaigzni apmēram 20 gadu laikā. Ir plāni par tāda kosmosa kuģa būvi, kas paātrinātos, izmantojot jaudīgus lāzerus no Zemes, taču mums būtu jāgaida vēl četri gadi, lai iegūtu datus, ko šāds sūtnis vāks.
Piena Ceļa galaktika un blakus esošā Andromedas galaktika. Autors: NASA Goddard
Lai veiksmīgi izpētītu tuvākās zvaigznes, mums būtu nepieciešams ātrums, kas tuvs gaismas ātrumam. Tas padarītu pieejamus apmēram 50 zvaigznes 15 gaismas gadu attālumā no Zemes zinātniskai izpētei, lai gan šādi ceļojumi būtu ļoti gari, un būtu nepieciešami vairāki desmit gadi, lai saņemtu datus no sūtņiem. Telpa ir tik plaša, ka pat kosmosa kuģi, kas spēj ceļot gaismas ātrumā, ļautu mums izpētīt tikai tuvākās zvaigznes.
Ja gaismas ātrums ir neiespējams sasniegt un ceļojumi ātrāk par gaismu nav iespējami, iespēja kādreiz sastapt attīstītu svešu civilizāciju ir ārkārtīgi zema. Visums var būt pilns ar dzīvību, taču milzīgie attālumi telpā padara kontaktu starp civilizācijām gandrīz neiespējamu, vismaz mūsu Visuma daļā. Izņēmums varētu būt zvaigznes zvaigžņu kopās, piemēram, globulārajās kopās, kur zvaigznes var būt tik tuvu kā 0,1 gaismas gadu attālumā. Tomēr pat šāds neliels attālums ir neticami liels civilizācijai, kāda ir mūsu. Voyager 1 aizņemtu apmēram 1,769 gadus, lai sasniegtu zvaigzni, kas atrodas 0,1 gaismas gadu attālumā.
Vai Ceļojumi Ātrāk Par Gaismu Ir Iespējami?
Teorētiski ceļojumi ātrāk par gaismu ir fascinējoši, taču saskaņā ar pašreizējiem zinātniskajiem likumiem, īpaši Einašteina relativitātes teoriju, ir neiespējami objektiem ar masu pārvietoties ātrāk par gaismu. Tomēr vairāki teorētiski priekšlikumi norāda uz iespēju "apiet" šo ierobežojumu:
Alkubjēra Dzinējs
Šis jēdziens, ko 1994. gadā ierosināja fiziķis Miguels Alkubjērs, balstās uz tāda "burbļa" radīšanu ap kosmosa kuģi, kurā laika un telpas struktūra paliek neskarta. Burbuļa priekšā kuģim telpa saruks, bet aiz tā paplašinās, efektīvi ļaujot ceļot ātrāk par gaismu. Kosmosa kuģis faktiski nepārvietosies telpā ātrāk par gaismu, bet telpa ap to tiks izkropļota. Problēma ir tāda, ka tas prasītu eksotisku vielu ar negatīvu enerģiju, kas vēl nav pierādīta vai atklāta.
Vormholi
Vormholi ir hipotētiski tuneli caur telpas-laika, kas varētu savienot tālus punktus Visumā. Ceļojums caur vormholu varētu ļaut efektīvi izmantot "īso ceļu" caur telpu, kas nozīmē, ka ceļotājam nebūtu jāiet cauri visai distancei starp diviem punktiem.
Kaut arī vormholi matemātiski ir iespējami vispārējā relativitātē, nav pierādījumu, ka tie pastāv vai paliktu stabilitātē pietiekami ilgi praktiskai izmantošanai. Turklāt to uzturēšana varētu prasīt eksotisku vielu.
Tahjoni
Atbilstoši teorijai, tahjoni ir hipotētiskas daļiņas, kas vienmēr pārvietojas ātrāk par gaismu. Tomēr to pastāvēšana nav pierādīta. Ja tahjoni tiešām pastāvētu, tie pārkāptu dažus fundamentālus fizikas likumus, piemēram, cēloņsakarību, kas varētu novest pie paradoksiem, piemēram, ceļojot atpakaļ laikā.
Warpa dzinējs
Filmā Star Trek warpa dzinējs izmanto koncepciju, kas ir līdzīga Alcubierre dzinējam, kur kosmosa kuģis nepārvietojas ātrāk par gaismu tradicionālā nozīmē, bet gan deformē telpas-laiku ap to. Kaut arī fikcionāls, šī ideja ir iedvesmojusi reālās pasaules fizikājus izpētīt iespējas deformēt telpas-laiku.
Kvazikristāla telpas vai augstākas dimensijas
Dažās teorijās, piemēram, stīgu teorijā, Visumam ir vairāk dimensiju, nekā mēs varam uztvert. Ceļojums caur augstākām dimensijām varētu ļaut izmantot "īso ceļu" trīsdimensiju telpā. Šī ideja joprojām ir ļoti spekulatīva, bet teorētiski intriģējoša.
Kaut arī šīs idejas ir interesantas, lielākā daļa no tām joprojām ir teorijas un zinātniskās fantastikas jomā. Pašreiz mēs neesam izstrādājuši tehnoloģiju vai materiālus, kas nepieciešami ātrākai par gaismu ceļošanai, bet pastāvīga izpēte par eksotisku vielu, telpas-laiku un kvantu fiziku turpina piedāvāt jaunas iespējas nākotnei.