Ludzie zawsze marzyli o podróżach w kosmosie, zafascynowani nieznanymi światami i pragnieniem odkrywania odległych galaktyk. Największą przeszkodą w podróżach kosmicznych są ogromne odległości. W tym artykule poruszamy temat ogromnych odległości w kosmosie oraz czasu potrzebnego na dotarcie do odległych gwiazd i obiektów za pomocą statków kosmicznych poruszających się z różnymi prędkościami. Aby zobrazować, jak ogromny jest kosmos, obliczyliśmy, ile czasu zajmie dotarcie do niektórych obiektów niebieskich, używając samochodu oraz najszybszego statku kosmicznego, jaki zbudowała ludzkość. Obliczyliśmy również, jak daleko moglibyśmy podróżować z prędkością światła. Mimo że prędkość światła nie wystarcza, aby podróżować daleko w kosmos, odwołaliśmy się do serii science fiction Star Trek, gdzie statki kosmiczne osiągają prędkości znacznie szybsze od światła, korzystając z fikcyjnego napędu Warp.
Samochód poruszający się stale z prędkością 130 km/h (80 mph)
Wyobraźmy sobie, że moglibyśmy podróżować przez kosmos samochodem. W wielu krajach na świecie maksymalna dozwolona prędkość na autostradach wynosi 130 km/h lub 80 mph, dlatego użyliśmy tej prędkości do naszych obliczeń. Samochód mógłby ostatecznie dotrzeć na Księżyc, co zajmie około 123 dni. Podróż na Marsa trwałaby długie 48 lat, gdy jest najbliżej Ziemi, a nawet do 352 lat, gdy znajduje się w najdalszej odległości. Sonda kosmiczna New Horizons dotarła do Plutona, karłowatej planety na skraju układu słonecznego, w ciągu 9,5 roku. W samochodzie ta podróż zajmie co najmniej 3,750 lat. Proxima Centauri jest najbliższą gwiazdą do Ziemi, oddaloną o 4,24 roku świetlnego. Dotarcie do tej gwiazdy w samochodzie zajmie 35 milionów lat.
Kolorowa kompozycja Plutona. Źródła: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute
Voyager 1 – Najszybszy stworzony przez człowieka statek kosmiczny podróżujący przez kosmos
Voyager 1, wystrzelony w 1977 roku, jest najszybszym statkiem kosmicznym stworzonym przez ludzkość, podróżującym przez kosmos z prędkością około 61,000 km/h (około 38,000 mil na godzinę). Jednak Voyager 1 nie jest najszybszym statkiem kosmicznym, jaki kiedykolwiek zbudowano. Parker Solar Probe osiąga prędkości 700,000 km/h (około 430,000 mil na godzinę), ale ta prędkość jest osiągana tylko podczas przejścia najbliżej Słońca, wykorzystując grawitację Słońca do przyspieszenia. Z drugiej strony, Voyager 1 podróżuje przez kosmos i obecnie jest najdalszym stworzonym przez człowieka obiektem.
Voyager 1 wchodzący w przestrzeń międzygwiezdną - koncepcja artystyczna. Źródło: NASA/JPL-Caltech
Jak szybki jest Voyager 1 i jak długo zajmie pokonanie ogromnych kosmicznych odległości? Voyager 1 mógłby dotrzeć na Księżyc w około 6 godzin przy swojej obecnej prędkości. Podróż z Ziemi na Marsa zajmie akceptowalne 37 dni, gdy Mars jest najbliżej Ziemi, a podróż do odległego Plutona zajmie osiem lat. Dotarcie do Proximy Centauri, najbliższej gwiazdy do Ziemi, zajmie oszałamiające 75 000 lat. Z tych obliczeń wynika, że nasze obecne możliwości technologiczne są ledwie wystarczające do eksploracji Układu Słonecznego i to tylko bez załogi ludzkiej. Być może w przewidywalnej przyszłości będziemy mogli wysłać załogę na Marsa, planetę najbliższą Ziemi. Na razie nasza technologia nie jest wystarczająco zaawansowana, aby wysyłać sondy do najbliższych gwiazd.
Podróżowanie z prędkością światła
Prędkość światła w próżni wynosi około 299 792 km/s (około 186 282 mil/s), co odpowiada mniej więcej 1,08 miliarda km/h (około 671 milionów mil na godzinę). Zgodnie z prawami fizyki, opisanymi przez teorię względności Einsteina, jest to najwyższa możliwa prędkość.
Kocioł Gwiazd w Centrum Galaktyki. Źródło: NASA/JPL-Caltech
Zgodnie z teorią względności teoretycznie niemożliwe jest, aby obiekty z masą, takie jak statki kosmiczne czy ludzie, podróżowały z prędkością światła. W miarę jak prędkość obiektu rośnie, jego masa efektywnie wzrasta, co wymaga coraz więcej energii do dalszego przyspieszania. Przyspieszenie masywnego obiektu do prędkości światła wymagałoby nieskończonej energii, co czyni taką podróż niemożliwą według obecnego stanu wiedzy naukowej.
Na chwilę zignorujmy prawa fizyki i załóżmy, że podróżowanie z prędkością światła jest możliwe. Gdyby ludzkość posiadała statek kosmiczny zdolny do podróżowania z prędkością światła, jak daleko moglibyśmy dotrzeć w kosmosie? Czy cały wszechświat byłby wtedy w naszym zasięgu? Oto, co obliczyliśmy.
Przy prędkości światła dotarcie na Księżyc zajmie tylko 1,28 sekundy, 3 minuty na Marsa i 4 godziny na Plutona. Prędkość światła byłaby idealna do szybkiej podróży w obrębie Układu Słonecznego. Ale czy prędkość światła jest wystarczająca do podróży międzygwiezdnych? Proxima Centauri, najbliższa gwiazda do nas, znajduje się w odległości 4,24 roku świetlnego. Oznacza to, że światło potrzebuje 4,24 lat, aby dotrzeć do Proximy Centauri, a podróż powrotna zajmie ten sam czas. Takie podróże mogłyby być możliwe z załogami ludzkimi, ale pasażerowie takiego statku kosmicznego musieliby spędzić znaczną część swojego życia w kosmosie.
W promieniu około 15 lat świetlnych od Ziemi znajduje się około 50 gwiazd. Statek kosmiczny zdolny do podróżowania z prędkością światła umożliwiłby eksplorację tej części przestrzeni, najprawdopodobniej za pomocą bezzałogowych sond. Możemy więc stwierdzić, że prędkość światła jest wystarczająca do podróży do najbliższych gwiazd, ale podróż do odległych zakątków naszej Drogi Mlecznej czy innych galaktyk byłaby niemożliwa z powodu czasu, jaki takie podróże zajmowałyby.
Na przykład najbliższa czarna dziura, V616 Monocerotis, znajduje się w odległości 3300 lat świetlnych od Ziemi, więc dotarcie do niej zająłoby nam tyle samo lat, poruszając się z prędkością światła. Oczywiście taka podróż nie jest wykonalna ani sensowna.
Aby dotrzeć do centrum naszej galaktyki, zajmie nam to 26 000 lat, a podróż do Andromedy, najbliższej galaktyki spiralnej, zajmie oszałamiające 2,537 miliona lat.
Podróż Szybsza Od Światła
W najsłynniejszej na świecie franczyzie science fiction Star Trek, statki kosmiczne poruszają się z prędkościami znacznie przekraczającymi prędkość światła. Umożliwia to fikcyjny napęd warp. Napęd warp w Star Trek pozwala statkom kosmicznym podróżować szybciej niż światło, tworząc "bąbel", który zakrzywia czasoprzestrzeń wokół statku. W ten sposób statek nie łamie prawa podróżowania szybciej niż światło w przestrzeni, ale porusza czasoprzestrzenią wokół siebie. Chociaż ten napęd jest fikcyjny, naukowcy opracowali teoretyczny model napędu oparty na podobnej idei.
Napęd Alcubierre to teoretyczna koncepcja, która proponuje metodę podróży szybszej od światła poprzez zakrzywienie czasoprzestrzeni. Zgodnie z tą ideą, statek kosmiczny nie podróżowałby faktycznie szybciej niż światło, ale tworzyłby "bąbel" wokół siebie, który kurczy czasoprzestrzeń przed statkiem i rozszerza ją za nim. W ten sposób statek skutecznie poruszałby się przez czasoprzestrzeń, pozostając w spoczynku względem przestrzeni wewnątrz bąbla. Aby to zadziałało, teoria sugeruje potrzebę egzotycznej materii z negatywną energią, której naukowcy jeszcze nie znaleźli ani nie stworzyli. Możesz przeczytać więcej o Napędzie Alcubierre tutaj.
Star Trek i Napęd Warp
Chociaż naukowcy jeszcze nie rozwiązali wszystkich przeszkód w budowie Napędu Alcubierre, wróćmy do Star Trek i podróży z prędkością warp. W Star Trek statki kosmiczne podróżowały, używając napędów warp. W miarę postępu technologii prędkości warp stawały się szybsze. Warp 1 to prędkość światła, Warp 2 jest dziesięć razy szybszy od prędkości światła, Warp 3 to 39 razy szybciej, i tak dalej. Wybraliśmy trzy słynne statki kosmiczne z Star Trek, dla których dostępne są dane na temat ich maksymalnej prędkości. Chociaż statki kosmiczne w serii nie mogły nieprzerwanie podróżować z maksymalną prędkością warp, dla celów naszych obliczeń użyjemy maksymalnych prędkości, jakie są w stanie osiągnąć.
Statek kosmiczny kapitana Jonathana Archera z Star Trek: Enterprise
Ten statek nosi oznaczenie NX-01. Jest to pierwszy statek w serii Enterprise, kluczowy w eksploracji przestrzeni i kładzeniu fundamentów pod przyszłą Federację. Jego maksymalna prędkość to Warp 5, co oznacza, że porusza się 214 razy szybciej niż prędkość światła. Z tym Enterprise dotarcie z Ziemi na Plutona zajmie tylko półtorej minuty. Dotarcie do najbliższej gwiazdy, Proxima Centauri, zajmie siedem dni, a do najbliższej czarnej dziury, V616, 15 lat. Dotarcie do centrum naszej galaktyki zajmie oszałamiające 121 lat, a podróż do Andromedy zajmie niewiarygodne 11 853 271 lat.
Ten statek pokona około 17 lat świetlnych przy maksymalnej prędkości w ciągu 30 dni. W promieniu 17 lat świetlnych od Ziemi znajduje się około 50–60 systemów gwiezdnych z około 100 gwiazdami.
Statek kosmiczny kapitana Jean-Luca Picarda z Star Trek: Następne Pokolenie
Statek kosmiczny kapitana Jean-Luca Picarda z Star Trek: Następne Pokolenie nazywał się USS Enterprise (NCC-1701-D). Był to piąty statek noszący nazwę Enterprise i jest jednym z najsłynniejszych statków w franczyzie Star Trek. Jego maksymalna prędkość to Warp 9.6, co oznacza, że porusza się 1 909 razy szybciej niż prędkość światła.
Enterprise Picarda dotarłby do Proxima Centauri w zaledwie 19 godzin i 28 minut, a dotarcie do czarnej dziury V616 Monocerotis zajmie około roku i dziewięciu miesięcy. Dotarcie do centrum naszej galaktyki zajmie 13 lat i siedem miesięcy, a podróż do Andromedy zajmie 1 328 lat.
W ciągu 30 dni ten statek mógłby pokonać 156 lat świetlnych. W promieniu 156 lat świetlnych od Ziemi znajduje się około 40 000 do 60 000 gwiazd.
Statek kosmiczny kapitana Kathryn Janeway z Star Trek: Voyager
Statek kosmiczny kapitana Kathryn Janeway z Star Trek: Voyager nazywa się USS Voyager (NCC-74656). Jest to statek klasy Intrepid, znany ze swojej misji w kwadrancie Delta. Jego maksymalna prędkość to Warp 9.975, co oznacza, że porusza się 5 126 razy szybciej niż prędkość światła. Voyager dotarłby do Proxima Centauri w zaledwie 7 godzin. Dotarcie do czarnej dziury V616 zajmie siedem miesięcy, a do centrum naszej galaktyki pięć lat. Andromeda wciąż pozostaje poza zasięgiem, a dotarcie do niej zajmie temu statkowi 495 lat.
Przy maksymalnej prędkości, w ciągu 30 dni, ten statek kosmiczny mógłby pokonać 421 lat świetlnych. W promieniu 421 lat świetlnych od Ziemi znajduje się około 1,25 miliona gwiazd.
Przyszłość podróży kosmicznych
Ogrom przestrzeni jest czynnikiem ograniczającym podróże kosmiczne. Statki kosmiczne, które obecnie budujemy, mogą dotrzeć do odległych części Układu Słonecznego i obiektów takich jak Pluton w 10 lub więcej lat. Podróże międzygwiezdne są obecnie niemożliwe, ponieważ naszym najszybszym statkom kosmicznym zajmie 150 000 lat dotarcie do najbliższej gwiazdy i powrót. Na razie jesteśmy ograniczeni do podróży w obrębie naszego Układu Słonecznego. Aby zrealizować podróże międzygwiezdne, nasza technologia musiałaby osiągnąć przynajmniej 20% prędkości światła, aby sonda mogła dotrzeć do najbliższej gwiazdy w około 20 lat. Istnieją plany budowy takiego statku kosmicznego, który mógłby przyspieszać za pomocą potężnych laserów z Ziemi, ale musielibyśmy poczekać jeszcze cztery lata na dane, które taka sonda mogłaby zebrać.
Galaktyka Drogi Mlecznej i sąsiednia galaktyka Andromedy. Źródło: NASA Goddard
Aby skutecznie zbadać najbliższe gwiazdy, potrzebowalibyśmy prędkości bliskiej prędkości światła. Umożliwiłoby to dostęp do około 50 gwiazd w promieniu 15 lat świetlnych od Ziemi w celach badań naukowych, chociaż takie podróże byłyby bardzo długie, a otrzymanie danych z sond zajmie kilka dziesięcioleci. Przestrzeń jest tak ogromna, że nawet statki kosmiczne zdolne do podróżowania z prędkością światła pozwoliłyby nam jedynie zbadać najbliższe gwiazdy.
Jeśli osiągnięcie prędkości światła jest niemożliwe, a podróże szybsze od światła nie są wykonalne, prawdopodobieństwo napotkania zaawansowanej cywilizacji pozaziemskiej jest ekstremalnie niskie. Wszechświat może być pełen życia, ale ogromne odległości w przestrzeni sprawiają, że kontakt między cywilizacjami jest niemal niemożliwy, przynajmniej w naszej części wszechświata. Wyjątkiem mogą być gwiazdy w gromadach gwiazd, takich jak gromady kuliste, gdzie gwiazdy mogą być oddalone od siebie o zaledwie 0,1 roku świetlnego. Jednak nawet taka mała odległość jest niezwykle duża dla cywilizacji takiej jak nasza. Voyager 1 potrzebowałby około 1 769 lat, aby dotrzeć do gwiazdy oddalonej o 0,1 roku świetlnego.
Czy podróże szybsze od światła są możliwe?
Teoretycznie, podróże szybsze od światła są fascynujące, ale według obecnych praw naukowych, szczególnie teorii względności Einsteina, niemożliwe jest, aby obiekty o masie poruszały się szybciej niż światło. Istnieje jednak kilka teoretycznych pomysłów sugerujących możliwość "obejścia" tego ograniczenia:
Napęd Alcubierre'a
Koncept ten, zaproponowany przez fizyka Miguela Alcubierre'a w 1994 roku, opiera się na stworzeniu "bąbla" wokół statku kosmicznego, w którym czasoprzestrzeń pozostaje nienaruszona. Bąbel skurczyłby przestrzeń przed statkiem i rozszerzył ją za nim, co efektywnie pozwoliłoby na podróże szybsze od światła. Statek kosmiczny nie poruszałby się rzeczywiście przez przestrzeń szybciej niż światło, ale przestrzeń wokół niego byłaby zakrzywiona. Problem polega na tym, że wymagałoby to użycia egzotycznej materii o ujemnej energii, która nie została jeszcze udowodniona ani odkryta.
Wormhole
Wormhole to hipotetyczne tunele przez czasoprzestrzeń, które mogą łączyć odległe punkty we wszechświecie. Podróż przez wormhole mogłaby umożliwić skuteczny "skróty" przez przestrzeń, co oznacza, że podróżnik nie musiałby pokonywać całej odległości między dwoma punktami.
Chociaż wormhole są matematycznie możliwe w ramach ogólnej teorii względności, nie ma dowodów na to, że istnieją lub że pozostaną stabilne wystarczająco długo do praktycznego użycia. Dodatkowo, ich utrzymanie mogłoby wymagać egzotycznej materii.
Tachiony
Zgodnie z teorią, tachiony to hipotetyczne cząstki, które zawsze poruszają się szybciej niż światło. Jednak ich istnienie nie zostało udowodnione. Gdyby tachiony istniały, naruszałyby niektóre fundamentalne prawa fizyki, takie jak przyczynowość, co mogłoby prowadzić do paradoksów, takich jak podróż wstecz w czasie.
Napęd Warp
W Star Trek napęd warp wykorzystuje koncepcję podobną do napędu Alcubierre'a, gdzie statek kosmiczny nie porusza się szybciej niż światło w tradycyjnym sensie, lecz zamiast tego zakrzywia czasoprzestrzeń wokół siebie. Chociaż fikcyjna, ta idea zainspirowała fizyków w rzeczywistości do badania możliwości zakrzywiania czasoprzestrzeni.
Przestrzenie Quasicrystaliczne lub Wyższe Wymiary
W niektórych teoriach, takich jak teoria strun, wszechświat ma więcej wymiarów, niż jesteśmy w stanie dostrzec. Podróżowanie przez wyższe wymiary mogłoby umożliwić "skróty" w przestrzeni trójwymiarowej. Ta idea jest nadal wysoce spekulacyjna, ale teoretycznie intrygująca.
Chociaż te pomysły są interesujące, większość z nich nadal znajduje się w sferze teorii i science fiction. Obecnie nie mamy technologii ani materiałów potrzebnych do zrealizowania podróży szybszej niż światło, ale trwające badania nad egzotyczną materią, czasoprzestrzenią i fizyką kwantową wciąż oferują nowe możliwości na przyszłość.