Космичко патување - Проценување на времињата на патување низ универзумот

Луѓето секогаш сонувале за патување низ вселената, фасцинирани од непознати светови и желбата да истражуваат далечни галаксии. Најголемиот обѕир за патување во вселената се огромните растојанија. Во овој напис, се занимаваме со импресивните растојанија во вселената и времето потребно за да се стигне до далечни ѕвезди и објекти користејќи вселенски летала на различни брзини. За да илустрираме колку е огромна вселената, пресметавме колку време би било потребно за да се стигне до некои небесни објекти користејќи автомобил и најбрзите вселенски летала што човештвото ги изградило. Исто така, пресметавме колку далеку можеме да патуваме со брзината на светлината. Иако брзината на светлината не е доволна за да се патува далеку во вселената, се обративме кон научно-фантастичната серија Star Trek, каде што вселенските летала достигнуваат брзини многу побрзи од светлината користејќи фиктивен Warp погон.

Автомобил кој постојано патува со 130 км/ч (80 mph)

Да замислиме дека можеме да патуваме низ вселената со автомобил. Во многу земји низ светот, максималната дозволена брзина на автопатите е 130 км/ч или 80 mph, па ја користевме оваа брзина за нашите пресметки. Автомобилот би можел на крај да стигне до Месечината, што би траело околу 123 дена. За Марс, патувањето би траело долго 48 години кога е најблизу до Земјата и до 352 години кога е на најдалечната дистанца. Вселенската сонда New Horizons потребна 9,5 години за да стигне до Плутон, џуџеста планета на крајот на сончевиот систем. Со автомобил, ова патување би траело најмалку 3,750 години. Проксима Кентаури е најблиската ѕвезда до Земјата, која е оддалечена 4,24 светлосни години. Би требало 35 милиони години за да се стигне до оваа ѕвезда со автомобил.

Војагер 1 – Најбрзото вселенско летало направено од човекот

Војагер 1, лансиран далеч назад во 1977 година, е најбрзото вселенско летало некогаш создадено од човештвото, патувајќи низ вселената со брзина од приближно 61,000 км/ч (околу 38,000 милји на час). Сепак, Војагер 1 не е најбрзото вселенско летало некогаш изградена. Паркер Сончевата сонда достигнува брзини од 700,000 км/ч (приближно 430,000 милји на час), но таа брзина се постигнува само кога поминува најблиску до Сонцето, користејќи ја гравитацијата на Сонцето за забрзување. Од друга страна, Војагер 1 патува низ вселената и во моментов е најдалечниот објект направен од човекот.

Па, колку брзо е Војажер 1 и колку долго би траело да се покријат огромни космички растојанија? Војажер 1 би можел да стигне до Месечината за околу 6 часа на неговата сегашна брзина. Од Земјата до Марс би траело прифатливи 37 дена кога Марс е најблизок до Земјата, а патувањето до далечниот Плутон би траело осум години. За да стигнеме до Проксимус Центури, најблиската ѕвезда до Земјата, би требало да поминат неверојатни 75,000 години. Од овие пресметки, нашите сегашни технолошки способности се едвај доволни за истражување на сончевиот систем и тоа само без човечка екипа. Можеби во блиска иднина, ќе можеме да испратиме екипа на Марс, планетата најблиска до Земјата. За сега, нашата технологија не е доволно напредна за да испрати сонди до најблиските ѕвезди.

Патување со Брзината на Светлината

Брзината на светлината во вакуум е приближно 299,792 км/с (околу 186,282 милји/с), што е еквивалентно на приближно 1.08 милијарди км/ч (околу 671 милион милји на час). Според законите на физиката, како што е опишано во теоријата на релативноста на Ајнштајн, ова е највисоката можноа брзина.

Според релативноста, теоретски е невозможно за објекти со маса, како што се вселенски бродови или луѓе, да патуваат со брзината на светлината. Како што се зголемува брзината на објектот, неговата маса ефективно расте, барајќи сè повеќе енергија за понатамошно забрзување. За да се забрза масивен објект до брзината на светлината би била потребна бесконечна енергија, што го прави таквото патување невозможно според сегашното научно разбирање.

Да ги игнорираме законите на физиката за момент и да претпоставиме дека патувањето со брзината на светлината е возможно. Ако човештвото имаше вселенски брод способен да патува со брзина на светлината, колку далеку би можеле да одиме во вселената? Дали целиот универзум би бил тогаш во наш дофат? Еве што пресметавме.

Со брзината на светлината, би требало само 1.28 секунди за да стигнеме до Месечината, 3 минути за да стигнеме до Марс и 4 часа за да стигнеме до Плутон. Брзината на светлината би била идеална за брзо патување во сончевиот систем. Но, дали е брзината на светлината доволна за патување помеѓу ѕвезди? Проксимус Центури, најблиската ѕвезда до нас, е на 4.24 светлосни години далечина. Тоа значи дека светлината му треба 4.24 години за да стигне до Проксимус Центури, а повратното патување би траело исто толку. Таквите патувања можеби би биле возможни со човечки екипи, но патниците на таков вселенски брод би морале да поминат значителен дел од нивниот живот во вселената.

Постои приближно 50 ѕвезди во радиус од околу 15 светлосни години од Земјата. Вселенски брод способен да патува со брзината на светлината би овозможил истражување на овој дел од вселената, најверојатно со безпилотни сонди. Можеме да заклучиме дека брзината на светлината е доволна за патување до најблиските ѕвезди, но патувањето до далечните краеви на нашата Млечна патека или други галаксии би било невозможно поради времето што таквите патувања би го барале.

На пример, најблиската црна дупка, V616 Monocerotis, е оддалечена 3.300 светлосни години од Земјата, така што би ни требало исто толку години за да ја достигнеме со брзина на светлината. Очигледно, такво патување не е изводливо или разумно.

За да стигнеме до центарот на нашата галаксија, ќе ни требаат 26.000 години, а патувањето до Андромеда, најблиската спирална галаксија, ќе трае неверојатни 2.537 милиони години.

Патување побрзо од светлината

Во глобално познатата научно-фантастична франшиза Star Trek, вселенските бродови патуваат со брзини многу побрзи од брзината на светлината. Ова е овозможено со фиктивниот варп погон. Варп погон во Star Trek им овозможува на звездолетите да патуваат побрзо од светлината создавајќи "балон" кој го искривува просторното-време околу бродот. На овој начин, бродот не го крши законот за патување побрзо од светлината во вселената, туку го поместува просторното-време околу него. Иако овој погон е фиктивен, научниците развиле теоретски модел на погон базиран на слична идеја.

Алкубиер Погон е теоретска концепција која предлага метод за патување побрзо од светлината преку искривување на просторното-време. Според оваа идеја, вселенскиот брод не би патувал всушност побрзо од светлината, туку би создавал "балон" околу себе кој ја компресира просторното-време пред бродот и ја проширува зад него. На овој начин, бродот би се движел ефективно низ просторното-време, додека останува статичен во однос на просторот внатре во балонот. За ова да функционира, теоријата предлага потреба од егзотична материја со негативна енергија, која научниците сè уште не ја пронашле или создале. Можете да прочитате повеќе за Алкубиер Погон овде.

Star Trek и Варп Погон

Додека научниците сè уште не ги решиле сите пречки за изградба на Алкубиер Погон, да се вратиме на Star Trek и патувањето со варп-брзина. Во Star Trek, звездолетите патуваа користејќи варп погонови. Како што напредуваше технологијата, варп брзините стануваа побрзи. Варп 1 е еднаков на брзината на светлината, Варп 2 е десет пати побрз од брзината на светлината, Варп 3 е 39 пати побрз, и така натаму. Избравме три познати звездолети од Star Trek за кои се достапни податоци за нивната максимална брзина. Иако звездолетите во серијата не можеле континуирано да патуваат на максимален варп, за потребите на нашите пресметки, ќе ги користиме максималните брзини на кои се способни.

Светлосниот брод на капетанот Џонатан Арчер од Star Trek: Enterprise

Овој брод има ознака NX-01. Тоа е првиот брод во серијата Enterprise, клучен за истражување на вселената и поставување на основите за идната Федерација. Неговата максимална брзина е Warp 5, што е 214 пати побрзо од брзината на светлината. Со овој Enterprise, патувањето до Плутон од Земјата би траело само една и пол минути. Патувањето до најблиската ѕвезда, Проксима Центаури, би траело седум дена, а до најблиската црна дупка, V616, 15 години. Патувањето до центарот на нашата галаксија би траело неверојатни 121 година, а патувањето до Андромеда би траело неверојатни 11,853,271 години.

Овој брод би покрил околу 17 светлосни години при максимална брзина за 30 дена. Во радиус од 17 светлосни години од Земјата, има приближно 50–60 ѕвездени системи со околу 100 ѕвезди.

Светлосниот брод на капетанот Жан-Лук Пикард од Star Trek: The Next Generation

Светлосниот брод на капетанот Жан-Лук Пикард од Star Trek: The Next Generation се нарекува USS Enterprise (NCC-1701-D). Тоа е петтиот брод во редот кој го носи името Enterprise и е еден од најпознатите бродови во франшизата Star Trek. Неговата максимална брзина е Warp 9.6, што е 1,909 пати побрзо од брзината на светлината.

Enterprise на Пикард би стигнал до Проксима Центаури за само 19 часа и 28 минути, а би требало околу една година и девет месеци за да стигне до црната дупка V616 Монокеротис. Патувањето до центарот на нашата галаксија би траело 13 години и седум месеци, а патувањето до Андромеда би траело 1,328 години.

Во рок од 30 дена, овој брод може да покрие 156 светлосни години. Во радиус од 156 светлосни години од Земјата, има приближно 40,000 до 60,000 ѕвезди.

Светлосниот брод на капетанот Катрин Џејнуеј од Star Trek: Voyager

Светлосниот брод на капетанот Катрин Џејнуеј од Star Trek: Voyager се нарекува USS Voyager (NCC-74656). Тоа е брод од класата Интрепид, познат по својата мисија во Делта Квадрантот. Неговата максимална брзина е Warp 9.975, што е 5,126 пати побрзо од брзината на светлината. Voyager би стигнал до Проксима Центаури за само 7 часа. Би требало седум месеци за да стигне до црната дупка V616 и пет години за да стигне до центарот на нашата галаксија. Андромеда сè уште е недостапна, а овој светлосен брод би требало 495 години да стигне таму.

При максимална брзина, во рок од 30 дена, овој светлосен брод може да покрие 421 светлосна година. Во радиус од 421 светлосна година од Земјата, има приближно 1.25 милиони ѕвезди.

Иднината на патувањето во вселената

Опсежноста на вселената е ограничувачки фактор за патувањето во вселената. Вселенските летала што моментално ги градиме можат да достигнат далечни делови од сончевиот систем и објекти како Плутон за 10 или повеќе години. Интерстеларното патување во моментов не е изводливо, бидејќи за нашето најбрзо вселенско летало би требало 150,000 години да стигне до најблиската ѕвезда и да се врати. За сега, сме ограничени на патување во рамките на нашиот сончев систем. За интерстеларно патување, нашата технологија би требало да достигне најмалку 20% од брзината на светлината за да сонда може да стигне до најблиската ѕвезда за околу 20 години. Постојат планови за изградба на такво вселенско летало што би се забрзувало користејќи моќни ласери од Земјата, но ќе мора да почекаме уште четири години за податоците што би ги собрала таква сонда.

За успешно истражување на најблиските ѕвезди, би ни била потребна брзина блиска до брзината на светлината. Ова би направило околу 50 ѕвезди во радиус од 15 светлосни години од Земјата достапни за научни истражувања, иако таквите патувања би биле многу долги, а би требало неколку децении за да се добијат податоци од сонда. Вселената е толку опсежна што дури и вселенски летала способни да патуваат со брзината на светлината само би ни дозволиле да истражуваме најблиските ѕвезди.

Ако брзината на светлината е невозможно да се постигне и патувањето побрзо од светлината не е изводливо, веројатноста некогаш да се сретнеме со напредна вонземска цивилизација е екстремно ниска. Универзумот може да биде целина на живот, но огромните растојанија во вселената го прават контактот меѓу цивилизациите речиси невозможен, барем во нашиот дел од универзумот. Исклучок би можеле да бидат ѕвезди во ѕвездените клустери, како глобуларните клустери, каде ѕвездите можат да бидат блиски колку 0.1 светлосни години. Сепак, дури и такво мало растојание е неверојатно големо за цивилизација како нашата. Војагер 1 би требало да патува околу 1,769 години за да стигне до ѕвезда која е 0.1 светлосни години далеку.

Дали патувањата побрзо од светлината се можни?

Теоретски, патувањето побрзо од светлината е фасцинантно, но според актуелните научни закони, особено теоријата на релативност на Ајнштајн, е невозможно за објекти со маса да се движат побрзо од светлината. Сепак, неколку теоретски идеи сугерираат можност за "обоѓање" на оваа ограниченост:

Алкубјерреов погон

Овој концепт, предложен од физичарот Мигел Алкубјерре во 1994 година, се базира на создавање на "балон" околу вселенското летало, во кој просторно-временскиот континуум останува недопрен. Балон ќе го скрати просторот пред бродот и ќе го прошири зад него, ефективно овозможувајќи патување побрзо од светлината. Вселенското летало всушност не би се движело низ вселената побрзо од светлината, но просторот околу него би бил искривен. Проблемот е што тоа би барало користење на егзотична материја со негативна енергија, што сè уште не е докажано или откриено.

Червељи

Червељите се хипотетички тунели низ време-простор кои би можеле да поврзат далечни точки во универзумот. Патувањето низ червеи може да овозможи ефикасен "скратен пат" низ просторот, што значи дека патникот не би требало да помине низ целата дистанца помеѓу две точки.

Иако червеи се математички возможни во рамките на општата релативност, нема докази дека тие постојат или дека би останале стабилни доволно долго за практична употреба. Дополнително, нивното одржување може да бара егзотична материја.

Тахиони

Според теоријата, тахиони се хипотетички честички кои секогаш се движат побрзо од светлината. Сепак, нивното постоење не е докажано. Ако тахиони навистина постоеја, тие би ги прекршиле некои основни закони на физиката, како што е каузалноста, што би можело да доведе до парадокси, како што е патувањето назад во времето.

Варп погон

Во Star Trek, варп погон користи концепт сличен на Alcubierre Drive, каде што вселенскиот брод не патува побрзо од светлината во традиционалниот смисол, туку го искривува време-просторот околу него. Иако фикционален, оваа идеја инспирирала реални физичари да истражуваат можностите за искривување на време-просторот.

Квази-кристални простори или повисоки димензии

Во некои теории, како што е теоријата на жици, универзумот има повеќе димензии отколку што можеме да перцепираме. Патувањето низ повисоки димензии може да овозможи "скратени патишта" во три-димензионалниот простор. Оваа идеја сè уште е многу спекулативна, но теоретски интригантна.

Иако овие идеи се интересни, повеќето од нив сè уште се во рамките на теоријата и научната фантастика. Во моментов, немаме технологија или материјали потребни за остварување на патување побрзо од светлината, но тековното истражување во егзотична материја, време-простор и квантна физика продолжува да нуди нови можности за иднината.