Oamenii au visat întotdeauna să călătorească prin spațiu, fascinați de lumi necunoscute și de dorința de a explora galaxii îndepărtate. Cel mai mare obstacol în călătoria spațială sunt distanțele enorme. În acest articol, abordăm imensele distanțe din spațiu și timpul necesar pentru a ajunge la stele și obiecte îndepărtate folosind nave spațiale la diverse viteze. Pentru a ilustra cât de vast este spațiul, am calculat cât timp ar dura să ajungem la unele obiecte cerești folosind o mașină și cele mai rapide nave spațiale construite de omenire. De asemenea, am calculat cât de departe am putea călători la viteza luminii. Chiar dacă viteza luminii nu este suficientă pentru a călători departe în spațiu, ne-am îndreptat spre seria de science fiction Star Trek, unde navele spațiale ating viteze mult mai rapide decât lumina folosind motorul fictiv Warp.
O mașină care călătorește constant cu 130 km/h (80 mph)
Să ne imaginăm că am putea călători prin spațiu cu o mașină. În multe țări din întreaga lume, viteza maximă permisă pe autostrăzi este de 130 km/h sau 80 mph, așa că am folosit această viteză pentru calculele noastre. O mașină ar putea ajunge în cele din urmă pe Lună, făcând aproximativ 123 de zile pentru a ajunge acolo. Călătoria spre Marte ar dura o lungă perioadă de 48 de ani atunci când este cel mai aproape de Pământ și până la 352 de ani când este la cea mai mare distanță. Sonda spațială New Horizons a durat 9.5 ani pentru a ajunge la Pluto, o planetă pitică de la marginea sistemului solar. Cu o mașină, această călătorie ar dura cel puțin 3.750 de ani. Proxima Centauri este cea mai apropiată stea de Pământ, aflată la 4.24 ani-lumină distanță. Ar dura 35 de milioane de ani pentru a ajunge la această stea cu o mașină.
Compoziție Colorată a lui Pluto. Credite: NASA/Universitatea Johns Hopkins Laboratorul de Fizică Aplicată/Institutul de Cercetare din Sud-Vest
Voyager 1 – Cea mai rapidă navă spațială construită de om care călătorește prin spațiu
Voyager 1, lansată în 1977, este cea mai rapidă navă spațială creată vreodată de omenire, călătorind prin spațiu cu o viteză de aproximativ 61.000 km/h (aproximativ 38.000 de mile pe oră). Cu toate acestea, Voyager 1 nu este cea mai rapidă navă spațială construită vreodată. Parker Solar Probe atinge viteze de 700.000 km/h (aproximativ 430.000 de mile pe oră), dar această viteză este obținută doar atunci când trece cel mai aproape de Soare, folosind gravitația Soarelui pentru a accelera. Pe de altă parte, Voyager 1 călătorește prin spațiu și este în prezent cel mai îndepărtat obiect creat de om.
Concept artistic al Voyager 1 intrând în spațiul interstelar. Credite: NASA/JPL-Caltech
Așadar, cât de repede este Voyager 1 și cât timp ar dura să parcurgă distanțe cosmice vaste? Voyager 1 ar putea ajunge pe Lună în aproximativ 6 ore la viteza sa actuală. De la Pământ la Marte ar dura o perioadă acceptabilă de 37 de zile când Marte este cel mai aproape de Pământ, iar călătoria către Pluto, mai îndepărtat, ar dura opt ani. Pentru a ajunge la Proxima Centauri, cea mai apropiată stea de Pământ, ar dura o uimitoare 75.000 de ani. Din aceste calcule, capacitățile noastre tehnologice actuale sunt abia suficiente pentru a explora sistemul solar și doar fără o echipaj uman. Poate în viitorul apropiat, putem trimite o echipaj pe Marte, planeta cea mai apropiată de Pământ. Deocamdată, tehnologia noastră nu este suficient de avansată pentru a trimite sonde către cele mai apropiate stele.
Călătorind cu Viteza Luminii
Viteza luminii în vid este de aproximativ 299.792 km/s (aproximativ 186.282 mile/s), echivalent cu aproximativ 1,08 miliarde km/h (aproximativ 671 milioane mile pe oră). Conform legilor fizicii, așa cum este descris în teoria relativității a lui Einstein, aceasta este cea mai mare viteză posibilă.
Un Căldăruș de Stele în Centrul Galaxiei. Credit: NASA/JPL-Caltech
Conform relativității, este teoretic imposibil ca obiectele cu masă, cum ar fi navele spațiale sau oamenii, să călătorească cu viteza luminii. Pe măsură ce viteza unui obiect crește, masa sa crește efectiv, necesitând din ce în ce mai multă energie pentru a accelera în continuare. A accelera un obiect masiv la viteza luminii ar necesita energie infinită, făcând o astfel de călătorie imposibilă conform înțelegerii științifice actuale.
Să ignorăm legile fizicii pentru un moment și să presupunem că călătoria cu viteza luminii este posibilă. Dacă umanitatea ar deține o navă spațială capabilă să călătorească cu viteza luminii, cât de departe am putea ajunge în spațiu? Ar fi întregul univers atunci la îndemâna noastră? Iată ce am calculat.
La viteza luminii, ar dura doar 1,28 secunde pentru a ajunge pe Lună, 3 minute pentru a ajunge pe Marte și 4 ore pentru a ajunge pe Pluto. Viteza luminii ar fi ideală pentru călătorii rapide în cadrul sistemului solar. Dar este viteza luminii suficientă pentru călătoria interstelară? Proxima Centauri, cea mai apropiată stea de noi, se află la 4,24 ani-lumină distanță. Aceasta înseamnă că lumina ia 4,24 ani pentru a ajunge la Proxima Centauri, iar călătoria de întoarcere ar dura același timp. Astfel de călătorii ar putea fi posibile cu echipaje umane, dar pasagerii de pe o astfel de navă spațială ar trebui să petreacă o parte semnificativă din viața lor în spațiu.
Există aproximativ 50 de stele într-un raion de aproximativ 15 ani-lumină de Pământ. O navă spațială capabilă să călătorească cu viteza luminii ar permite explorarea acestei părți a spațiului, cel mai probabil cu sonde fără echipaj. Putem concluziona că viteza luminii este suficientă pentru a călători către cele mai apropiate stele, dar călătoria către colțurile îndepărtate ale Căii Lactee sau ale altor galaxii ar fi imposibilă din cauza timpului pe care astfel de călătorii l-ar necesita.
De exemplu, cea mai apropiată gaură neagră, V616 Monocerotis, se află la 3.300 de ani-lumină distanță de Pământ, așa că ne-ar lua exact atâția ani să ajungem acolo cu viteza luminii. Clar, o astfel de călătorie nu este fezabilă sau rațională.
Pentru a ajunge la centrul galaxiei noastre, ne-ar lua 26.000 de ani, iar o călătorie către Andromeda, cea mai apropiată galaxie spirală, ar dura o uimitoare 2,537 milioane de ani.
Călătorii mai rapide decât lumina
În celebra franciză de science fiction Star Trek, navele spațiale călătoresc cu viteze mult mai mari decât viteza luminii. Acest lucru este posibil datorită motorului fictiv warp. Motorul warp din Star Trek permite navelor stelare să călătorească mai repede decât lumina, creând o "bula" care deformează spațiu-timpul în jurul navei. Astfel, nava nu încalcă legea de a călători mai repede decât lumina în spațiu, ci mișcă spațiu-timpul în jurul ei. Deși acest motor este fictiv, oamenii de știință au dezvoltat un model teoretic al unui motor bazat pe o idee similară.
Motorul Alcubierre este un concept teoretic care propune o metodă de călătorie mai rapidă decât lumina prin deformarea spațiu-timpului. Conform acestei idei, o navă spațială nu ar călători efectiv mai repede decât lumina, ci ar crea o "bula" în jurul ei care contractă spațiu-timpul în fața navei și îl extinde în spate. Astfel, nava ar putea efectiv să se miște prin spațiu-timp în timp ce rămâne staționară în raport cu spațiul din interiorul bulei. Pentru ca acest lucru să funcționeze, teoria sugerează necesitatea unei materii exotice cu energie negativă, pe care oamenii de știință încă nu au găsit-o sau creat-o. Puteți citi mai multe despre motorul Alcubierre aici.
Star Trek și Motorul Warp
Deși oamenii de știință nu au rezolvat încă toate obstacolele pentru construirea unui motor Alcubierre, să ne întoarcem la Star Trek și călătoriile cu viteză warp. În Star Trek, navele stelare călătoreau folosind motoare warp. Pe măsură ce tehnologia a avansat, vitezele warp au devenit mai rapide. Warp 1 este egal cu viteza luminii, Warp 2 este de zece ori mai rapidă decât viteza luminii, Warp 3 este de 39 de ori mai rapidă și așa mai departe. Am ales trei nave stelare celebre din Star Trek pentru care sunt disponibile date despre viteza lor maximă. Deși navele stelare din serie nu puteau călători continuu la viteza maximă warp, în scopul calculelor noastre, vom folosi vitezele maxime de care sunt capabile.
Navața căpitanului Jonathan Archer din Star Trek: Enterprise
Această navă are desemnarea NX-01. Este prima navă din seria Enterprise, crucială în explorarea spațiului și în stabilirea fundației pentru viitoarea Federație. Viteza sa maximă este Warp 5, ceea ce este de 214 ori mai rapid decât viteza luminii. Cu această Enterprise, atingerea lui Pluto de pe Pământ ar dura doar un minut și jumătate. Ar dura șapte zile pentru a ajunge la cea mai apropiată stea, Proxima Centauri, și 15 ani pentru a ajunge la cea mai apropiată gaură neagră, V616. Atingerea centrului galaxiei noastre ar dura un impresionant 121 de ani, iar călătoria către Andromeda ar dura incredibil de mult, 11,853,271 de ani.
Această navă ar acoperi aproximativ 17 ani-lumină la viteza maximă în 30 de zile. În interiorul a 17 ani-lumină de Pământ, există aproximativ 50–60 de sisteme stelare cu aproximativ 100 de stele.
Nava căpitanului Jean-Luc Picard din Star Trek: The Next Generation
Nava căpitanului Jean-Luc Picard din Star Trek: The Next Generation se numea USS Enterprise (NCC-1701-D). A fost a cincea navă din linia care poartă numele Enterprise și este una dintre cele mai celebre nave din franciza Star Trek. Viteza sa maximă este Warp 9.6, ceea ce este de 1,909 ori mai rapid decât viteza luminii.
Enterprise-ul lui Picard ar ajunge la Proxima Centauri în doar 19 ore și 28 de minute, iar ar dura aproximativ un an și nouă luni pentru a ajunge la gaura neagră V616 Monocerotis. Atingerea centrului galaxiei noastre ar dura 13 ani și șapte luni, iar călătoria către Andromeda ar dura 1,328 de ani.
În 30 de zile, această navă ar putea acoperi 156 de ani-lumină. Într-un raion de 156 de ani-lumină de Pământ, există aproximativ 40,000 până la 60,000 de stele.
Nava căpitanului Kathryn Janeway din Star Trek: Voyager
Nava căpitanului Kathryn Janeway din Star Trek: Voyager se numește USS Voyager (NCC-74656). Este o navă de clasă Intrepid cunoscută pentru misiunea sa în Quadrantul Delta. Viteza sa maximă este Warp 9.975, ceea ce este de 5,126 ori mai rapid decât viteza luminii. Voyager ar ajunge la Proxima Centauri în doar 7 ore. Ar dura șapte luni pentru a ajunge la gaura neagră V616 și cinci ani pentru a ajunge la centrul galaxiei noastre. Andromeda este încă inaccesibilă, iar această navă ar avea nevoie de 495 de ani pentru a ajunge acolo.
La viteza maximă, în 30 de zile, această navă ar putea acoperi 421 de ani-lumină. Într-un raion de 421 de ani-lumină de Pământ, există aproximativ 1,25 milioane de stele.
Viitorul Călătoriilor Spațiale
Vastitatea spațiului este un factor limitativ pentru călătoriile spațiale. Navele spațiale pe care le construim în prezent pot ajunge în părți îndepărtate ale sistemului solar și la obiecte precum Pluto în 10 sau mai mulți ani. Călătoria interstelară este în prezent imposibilă, deoarece ar dura navei noastre spațiale cele mai rapide 150.000 de ani pentru a ajunge la cea mai apropiată stea și a se întoarce. Deocamdată, suntem restricționați la călătorii în cadrul sistemului nostru solar. Pentru călătoria interstelară, tehnologia noastră ar trebui să atingă cel puțin 20% din viteza luminii pentru ca o sondă să poată ajunge la cea mai apropiată stea în aproximativ 20 de ani. Există planuri pentru construirea unei astfel de nave spațiale care ar accelera folosind lasere puternice de pe Pământ, dar ar trebui să așteptăm încă patru ani pentru datele pe care o astfel de sondă le-ar aduna.
Galaxia Calea Lactee și galaxia vecină Andromeda. Credit: NASA Goddard
Pentru a explora cu succes cele mai apropiate stele, am avea nevoie de o viteză apropiată de viteza luminii. Acest lucru ar face accesibile pentru cercetare științifică aproximativ 50 de stele aflate la 15 ani-lumină de Pământ, deși astfel de călătorii ar fi foarte lungi și ar dura câteva decenii pentru a primi date de la sonde. Spațiul este atât de vast încât chiar și navele spațiale capabile să călătorească cu viteza luminii ne-ar permite să explorăm doar cele mai apropiate stele.
Dacă viteza luminii este imposibil de atins și călătoria mai rapidă decât lumina nu este fezabilă, probabilitatea de a întâlni vreodată o civilizație extraterestră avansată este extrem de scăzută. Universul poate fi un întreg plin de viață, dar distanțele imense din spațiu fac contactul între civilizații aproape imposibil, cel puțin în partea noastră a universului. Excepția ar putea fi stelele din clustere stelare, cum ar fi clusterele globulare, unde stelele pot fi la o distanță de doar 0,1 ani-lumină una de cealaltă. Cu toate acestea, chiar și o astfel de distanță mică este incredibil de mare pentru o civilizație ca a noastră. Voyager 1 ar dura aproximativ 1.769 de ani pentru a ajunge la o stea care este la 0,1 ani-lumină distanță.
Călătoriile Mai Rapide Decât Lumina Sunt Posibile?
Teoretic, călătoria mai rapidă decât lumina este fascinantă, dar conform legilor științifice actuale, în special teoriei relativității a lui Einstein, este imposibil pentru obiectele cu masă să se miște mai repede decât lumina. Cu toate acestea, mai multe idei teoretice sugerează posibilitatea de a "o ocoli" această limitare:
Propulsia Alcubierre
Această conceptie, propusă de fizicianul Miguel Alcubierre în 1994, se bazează pe crearea unei "bule" în jurul unei nave spațiale, în interiorul căreia spațiu-timpul rămâne intact. Bula ar contracta spațiul în fața navei și l-ar extinde în spate, permițând astfel călătoria mai rapidă decât lumina. Nava spațială nu s-ar mișca de fapt prin spațiu mai repede decât lumina, dar spațiul din jurul ei ar fi distorsionat. Problema este că acest lucru ar necesita utilizarea materiei exotice cu energie negativă, care nu a fost încă dovedită sau descoperită.
Găuri de vierme
Găurile de vierme sunt tuneluri ipotetice prin spațiu-timp care ar putea conecta puncte îndepărtate în univers. Călătoria printr-o gaură de vierme ar putea permite un "scurtătură" eficientă prin spațiu, ceea ce înseamnă că un călător nu ar trebui să parcurgă întreaga distanță dintre două puncte.
Deși găurile de vierme sunt matematic posibile în cadrul relativității generale, nu există dovezi că ele există sau că ar rămâne stabile suficient de mult pentru utilizare practică. În plus, întreținerea lor ar putea necesita materie exotică.
Tachioni
Conform teoriei, tachionii sunt particule ipotetice care se mișcă întotdeauna mai repede decât lumina. Cu toate acestea, existența lor nu a fost dovedită. Dacă tachionii ar exista, ar încălca unele legi fundamentale ale fizicii, cum ar fi cauzalitatea, ceea ce ar putea duce la paradoxuri, cum ar fi călătoria înapoi în timp.
Propulsie Warp
În Star Trek, propulsia warp folosește un concept similar cu Alcubierre Drive, unde nava spațială nu călătorește mai repede decât lumina în sensul tradițional, ci deformează spațiu-timpul din jurul ei. Deși ficțional, această idee a inspirat fizicieni din lumea reală să exploreze posibilitățile deformării spațiu-timpului.
Spatii Quasicristal sau Dimensiuni Superioare
În unele teorii, cum ar fi teoria corzilor, universul are mai multe dimensiuni decât putem percepe. Călătoria prin dimensiuni superioare ar putea permite "scurtături" în spațiul tridimensional. Această idee este încă foarte speculativă, dar teoretic intrigantă.
Deși aceste idei sunt interesante, majoritatea lor se află încă în domeniul teoriei și al științei ficționale. În prezent, nu avem tehnologia sau materialele necesare pentru a realiza călătoria mai rapidă decât lumina, dar cercetările în curs de desfășurare asupra materiei exotice, spațiu-timp și fizicii cuantice continuă să ofere noi posibilități pentru viitor.