Ľudia vždy snívali o cestovaní vesmírom, fascinovaní neznámymi svetmi a túžbou objavovať vzdialené galaxie. Najväčšou prekážkou vesmírneho cestovania sú obrovské vzdialenosti. V tomto článku sa zaoberáme obrovskými vzdialenosťami vo vesmíre a časom potrebným na dosiahnutie vzdialených hviezd a objektov pomocou kozmických lodí pri rôznych rýchlostiach. Aby sme ilustrovali, aký rozsiahly je vesmír, vypočítali sme, ako dlho by trvalo dosiahnuť niektoré nebeské objekty pomocou auta a najrýchlejšej kozmickej lode, akú ľudstvo postavilo. Vypočítali sme aj to, ako ďaleko by sme mohli cestovať rýchlosťou svetla. Aj keď rýchlosť svetla nie je dostatočná na to, aby sme sa dostali ďaleko do vesmíru, obrátili sme sa na vedecko-fantastický seriál Star Trek, kde kozmické lode dosahujú rýchlosti oveľa rýchlejšie ako svetlo pomocou fiktívneho Warp pohonu.
Ako auto nepretržite cestujúce rýchlosťou 130 km/h (80 mph)
Predstavme si, že by sme mohli cestovať vesmírom v aute. V mnohých krajinách po celom svete je maximálna povolená rýchlosť na diaľniciach 130 km/h alebo 80 mph, takže sme túto rýchlosť použili na naše výpočty. Auto by nakoniec mohlo dosiahnuť Mesiac, pričom by tam cesta trvala približne 123 dní. Na Mars by cesta trvala dlhých 48 rokov, keď je najbližšie k Zemi, a až 352 rokov, keď je na najväčšej vzdialenosti. Koľajová sonda New Horizons dosiahla Pluto, trpasličiu planétu na okraji slnečnej sústavy, za 9,5 rokov. V aute by táto cesta trvala najmenej 3 750 rokov. Proxima Centauri je najbližšia hviezda k Zemi, ktorá je vzdialená 4,24 svetelných rokov. Cesta k tejto hviezde autom by trvala 35 miliónov rokov.
Pluto Farebná Kompozícia. Zdroje: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute
Voyager 1 – Najrýchlejšia kozmická loď vyrobená ľudstvom cestujúca vesmírom
Voyager 1, vypustený už v roku 1977, je najrýchlejšia kozmická loď, akú kedy ľudstvo vytvorilo, ktorá cestuje vesmírom rýchlosťou približne 61 000 km/h (asi 38 000 míľ za hodinu). Avšak Voyager 1 nie je najrýchlejšia kozmická loď, aká bola kedy postavená. Parker Solar Probe dosahuje rýchlosti 700 000 km/h (približne 430 000 míľ za hodinu), ale túto rýchlosť dosahuje iba pri najbližšom prechode okolo Slnka, pričom využíva gravitačnú silu Slnka na zrýchlenie. Na druhej strane Voyager 1 cestuje vesmírom a je v súčasnosti najvzdialenejší objekt vyrobený ľudstvom.
Voyager 1 vstupuje do medzihviezdneho priestoru - umelecká koncepcia. Kredity: NASA/JPL-Caltech
Ako rýchlo letí Voyager 1 a ako dlho by trvalo prekonať obrovské kozmické vzdialenosti? Voyager 1 by mohol dosiahnuť Mesiac za približne 6 hodín pri svojej súčasnej rýchlosti. Cesta zo Zeme na Mars by trvala prijateľných 37 dní, keď je Mars najbližšie k Zemi, a cesta k vzdialenému Plutu by trvala osem rokov. Na dosiahnutie Proximy Centauri, najbližšej hviezdy k Zemi, by to trvalo ohromujúcich 75 000 rokov. Z týchto výpočtov vyplýva, že naše súčasné technologické schopnosti sú sotva dostatočné na prieskum slnečnej sústavy a to len bez posádky. Možno v dohľadnej budúcnosti budeme môcť poslať posádku na Mars, najbližšiu planétu k Zemi. Zatiaľ naša technológia nie je dostatočne pokročilá na to, aby posielala sondy k najbližším hviezdam.
Cestovanie rýchlosťou svetla
Rýchlosť svetla vo vákuu je približne 299 792 km/s (asi 186 282 míľ/s), čo zodpovedá približne 1,08 miliardy km/h (asi 671 miliónov míľ za hodinu). Podľa zákonov fyziky, ako je popísané v Einsteinovej teórii relativity, je to najvyššia možná rýchlosť.
Katastrofa hviezd v centre galaxie. Kredit: NASA/JPL-Caltech
Podľa relativity je teoreticky nemožné, aby objekty s hmotnosťou, ako sú kozmické lode alebo ľudia, cestovali rýchlosťou svetla. Ako sa rýchlosť objektu zvyšuje, jeho hmotnosť efektívne rastie, čo si vyžaduje stále viac energie na ďalšie zrýchlenie. Na to, aby sa hmotný objekt dostal na rýchlosť svetla, by bola potrebná nekonečná energia, čo robí takúto cestu nemožnou podľa súčasného vedeckého chápania.
Na chvíľu ignorujme zákony fyziky a predpokladajme, že cestovanie rýchlosťou svetla je možné. Ak by ľudstvo malo kozmickú loď schopnú cestovať rýchlosťou svetla, ako ďaleko by sme mohli ísť do vesmíru? Bolo by celé vesmír v našom dosahu? Tu sú naše výpočty.
Pri rýchlosti svetla by trvalo len 1,28 sekundy dosiahnuť Mesiac, 3 minúty na Mars a 4 hodiny na Pluto. Rýchlosť svetla by bola ideálna na rýchlu cestu v rámci slnečnej sústavy. Ale je rýchlosť svetla dostatočná na interstelárne cestovanie? Proxima Centauri, najbližšia hviezda k nám, je vzdialená 4,24 svetelných rokov. To znamená, že svetlo potrebuje 4,24 rokov na to, aby dosiahlo Proximu Centauri, a cesta späť by trvala rovnaký čas. Takéto cesty by mohli byť možné s ľudskými posádkami, ale pasažieri na takej kozmickej lodi by museli stráviť významnú časť svojho života vo vesmíre.
Existuje približne 50 hviezd v okruhu asi 15 svetelných rokov od Zeme. Kozmická loď schopná cestovať rýchlosťou svetla by umožnila prieskum tejto časti vesmíru, pravdepodobne s bezpilotnými sondami. Môžeme uzavrieť, že rýchlosť svetla je dostatočná na cestovanie k najbližším hviezdam, ale cestovanie do vzdialených zákutí našej Mliečnej dráhy alebo iných galaxií by bolo nemožné kvôli času, ktorý by takéto cesty vyžadovali.
Napríklad najbližšia čierna diera, V616 Monocerotis, je vzdialená 3 300 svetelných rokov od Zeme, takže by nám trvalo rovnako veľa rokov, aby sme sa k nej dostali rýchlosťou svetla. Je jasné, že takáto cesta nie je realizovateľná ani zmysluplná.
Na dosiahnutie centra našej galaxie by nám to trvalo 26 000 rokov, a cesta do Andromedy, najbližšej spirálovej galaxie, by trvala ohromujúcich 2,537 milióna rokov.
Cestovanie rýchlejšie ako svetlo
V celosvetovo známej sci-fi franšíze Star Trek vesmírne lode cestujú rýchlosťami oveľa rýchlejšími ako rýchlosť svetla. To je možné vďaka fiktívnemu warp pohonu. Warp pohon v Star Trek umožňuje hviezdnym lodiam cestovať rýchlejšie ako svetlo vytváraním "bubliny", ktorá deformuje časopriestor okolo lode. Týmto spôsobom loď porušuje zákon o cestovaní rýchlejšie ako svetlo v rámci priestoru, ale pohybuje časopriestorom okolo seba. Hoci je tento pohon fiktívny, vedci vyvinuli teoretický model pohonu založený na podobnej myšlienke.
Alcubierre pohon je teoretický koncept, ktorý navrhuje metódu pre cestovanie rýchlejšie ako svetlo deformovaním časopriestoru. Podľa tejto myšlienky by vesmírna loď v skutočnosti necestovala rýchlejšie ako svetlo, ale vytvorila by "bublinu" okolo seba, ktorá zmršťuje časopriestor pred loďou a rozširuje ho za ňou. Týmto spôsobom by loď efektívne prechádzala časopriestorom, zatiaľ čo by zostávala v pokoji vzhľadom na priestor vnútri bubliny. Aby to fungovalo, teória naznačuje potrebu exotickej hmoty s negatívnou energiou, ktorú vedci zatiaľ nenašli ani nevytvorili. Viac informácií o Alcubierre pohone si môžete prečítať tu.
Star Trek a Warp pohon
Aj keď vedci zatiaľ nevyriešili všetky prekážky pri výstavbe Alcubierre pohonu, vráťme sa k Star Trek a cestovaniu warp rýchlosťou. V Star Trek hviezdne lode cestovali pomocou warp pohonov. Ako technológia pokročila, warp rýchlosti sa stali rýchlejšími. Warp 1 sa rovná rýchlosti svetla, Warp 2 je desaťkrát rýchlejší ako rýchlosť svetla, Warp 3 je 39-krát rýchlejší a tak ďalej. Vybrali sme tri slávne hviezdne lode z Star Trek, pre ktoré sú dostupné údaje o ich maximálnej rýchlosti. Hoci hviezdne lode v sérii nemohli nepretržite cestovať na maximálnom warp, pre účely našich výpočtov použijeme maximálne rýchlosti, ktorých sú schopné.
Hviezdny koráb kapitána Jonathana Archera z Star Trek: Enterprise
Tento koráb má označenie NX-01. Je to prvý koráb v sérii Enterprise, ktorý je kľúčový pri objavovaní vesmíru a položení základov pre budúcu Federáciu. Jeho maximálna rýchlosť je Warp 5, čo je 214-krát rýchlejšie ako rýchlosť svetla. S týmto Enterprise by cesta na Pluto z Zeme trvala iba minútu a pol. Cesta k najbližšej hviezde, Proxima Centauri, by trvala sedem dní a 15 rokov by trvalo dosiahnuť najbližšiu čiernu dieru, V616. Cesta do stredu našej galaxie by trvala ohromných 121 rokov a na cestu do Andromedy by bolo potrebných neuveriteľných 11,853,271 rokov.
Tento koráb by prekonal približne 17 svetelných rokov pri maximálnej rýchlosti za 30 dní. V rámci 17 svetelných rokov od Zeme sa nachádza približne 50–60 hviezdnych systémov s približne 100 hviezdami.
Hviezdny koráb kapitána Jean-Luca Picarda z Star Trek: The Next Generation
Hviezdny koráb kapitána Jean-Luca Picarda z Star Trek: The Next Generation sa volal USS Enterprise (NCC-1701-D). Bol to piaty koráb v rade, ktorý niesol názov Enterprise a je jedným z najznámejších korábov vo franšíze Star Trek. Jeho maximálna rýchlosť je Warp 9.6, čo je 1,909-krát rýchlejšie ako rýchlosť svetla.
Picardova Enterprise by dosiahla Proxima Centauri za iba 19 hodín a 28 minút a trvalo by to približne jeden rok a deväť mesiacov, aby sa dostala k čiernej diere V616 Monocerotis. Cesta do stredu našej galaxie by trvala 13 rokov a sedem mesiacov a cesta do Andromedy by trvala 1,328 rokov.
Za 30 dní by tento koráb mohol prekonať 156 svetelných rokov. V rámci polomeru 156 svetelných rokov od Zeme sa nachádza približne 40,000 až 60,000 hviezd.
Hviezdny koráb kapitána Kathryn Janewayovej z Star Trek: Voyager
Hviezdny koráb kapitána Kathryn Janewayovej z Star Trek: Voyager sa volá USS Voyager (NCC-74656). Je to loď triedy Intrepid známa svojou misiou v Delta kvadrante. Jeho maximálna rýchlosť je Warp 9.975, čo je 5,126-krát rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Voyager by dosiahol Proxima Centauri za iba 7 hodín. Trvalo by sedem mesiacov, aby sa dostal k čiernej diere V616 a päť rokov, aby sa dostal do stredu našej galaxie. Andromeda je stále mimo dosahu a tomuto hviezdnemu korábu by trvalo 495 rokov, aby sa tam dostal.
Pri maximálnej rýchlosti by tento hviezdny koráb mohol prekonať 421 svetelných rokov za 30 dní. V rámci polomeru 421 svetelných rokov od Zeme sa nachádza približne 1,25 milióna hviezd.
Budúcnosť vesmírneho cestovania
Rozsiahlosť vesmíru je obmedzujúcim faktorom pre vesmírne cestovanie. Ko spacecrafty, ktoré momentálne stavíme, môžu dosiahnuť vzdialené časti slnečnej sústavy a objekty ako Pluto za 10 alebo viac rokov. Cestovanie medzi hviezdami je v súčasnosti neuskutočniteľné, pretože by trvalo našim najrýchlejším spacecraftom 150 000 rokov, aby dosiahli najbližšiu hviezdu a vrátili sa. Zatiaľ sme obmedzení na cestovanie v rámci našej slnečnej sústavy. Na cestovanie medzi hviezdami by naša technológia musela dosiahnuť aspoň 20 % rýchlosti svetla, aby sonda mohla dosiahnuť najbližšiu hviezdu za približne 20 rokov. Existujú plány na stavbu takého spacecraftu, ktorý by sa zrýchľoval pomocou výkonných laserov zo Zeme, ale museli by sme čakať ďalšie štyri roky na údaje, ktoré by taká sonda získala.
Mliečna dráha a susedná galaxia Andromeda. Kredit: NASA Goddard
Aby sme úspešne preskúmali najbližšie hviezdy, potrebovali by sme rýchlosť blízku rýchlosti svetla. To by sprístupnilo približne 50 hviezd v rámci 15 svetelných rokov od Zeme na vedecký výskum, hoci takéto cesty by boli veľmi dlhé a trvalo by niekoľko desaťročí, kým by sme dostali údaje zo sond. Vesmír je tak rozsiahly, že aj spacecrafty schopné cestovať rýchlosťou svetla by nám umožnili preskúmať iba najbližšie hviezdy.
Ak je rýchlosť svetla nemožné dosiahnuť a cestovanie rýchlejšie ako svetlo nie je uskutočniteľné, pravdepodobnosť, že niekedy narazíme na pokročilú mimozemskú civilizáciu, je extrémne nízka. Vesmír môže byť plný života, ale obrovské vzdialenosti vo vesmíre robia kontakt medzi civilizáciami takmer nemožným, aspoň v našej časti vesmíru. Výnimkou by mohli byť hviezdy v hviezdnych klastroch, ako sú guľové klastre, kde môžu byť hviezdy vzdialené len 0,1 svetelného roka. Avšak aj taká malá vzdialenosť je neuveriteľne veľká pre civilizáciu, akou sme my. Voyager 1 by potreboval približne 1 769 rokov na to, aby dosiahol hviezdu, ktorá je vzdialená 0,1 svetelného roka.
Je možné cestovanie rýchlejšie ako svetlo?
Teoreticky je cestovanie rýchlejšie ako svetlo fascinujúce, ale podľa súčasných vedeckých zákonov, najmä Einsteinovej teórie relativity, je nemožné, aby objekty s hmotnosťou sa pohybovali rýchlejšie ako svetlo. Existuje však niekoľko teoretických myšlienok, ktoré naznačujú možnosť "obídenia" tohto obmedzenia:
Alcubierreho pohon
Tento koncept, ktorý navrhol fyzik Miguel Alcubierre v roku 1994, je založený na vytvorení "bubliny" okolo spacecraftu, v ktorej zostáva časopriestor neporušený. Bublina by zmršťovala priestor pred loďou a rozširovala ho za ňou, čo by efektívne umožnilo cestovanie rýchlejšie ako svetlo. Spacecraft by sa v skutočnosti nepohyboval cez priestor rýchlejšie ako svetlo, ale priestor okolo neho by bol zdeformovaný. Problém je v tom, že by to vyžadovalo použitie exotickej hmoty s negatívnou energiou, ktorá ešte nebola dokázaná ani objavená.
Červie diery
Červie diery sú hypotetické tunely cez časopriestor, ktoré by mohli spojiť vzdialené body vo vesmíre. Cestovanie cez červiu dieru by mohlo umožniť efektívny "skrat" cez priestor, čo znamená, že cestovateľ by nemusel prechádzať celou vzdialenosťou medzi dvoma bodmi.
Aj keď sú červie diery matematicky možné v rámci všeobecnej relativity, neexistujú dôkazy o tom, že by existovali alebo by zostali stabilné dostatočne dlho na praktické využitie. Okrem toho by ich údržba mohla vyžadovať exotickú hmotu.
Tachyony
Podľa teórie sú tachyony hypotetické častice, ktoré sa vždy pohybujú rýchlejšie ako svetlo. Ich existencia však nebola dokázaná. Keby tachyony existovali, porušovali by niektoré základné zákony fyziky, ako je kauzalita, čo by mohlo viesť k paradoxom, ako je cestovanie späť v čase.
Warp pohon
V Star Trek sa warp pohon používa na koncept podobný Alcubierre pohonu, kde vesmírna loď necestuje rýchlejšie ako svetlo v tradičnom zmysle, ale namiesto toho deformuje časopriestor okolo seba. Aj keď je to fiktívne, táto myšlienka inšpirovala skutočných fyzikov, aby preskúmali možnosti deformácie časopriestoru.
Kvazikrystalové priestory alebo vyššie dimenzie
V niektorých teóriách, ako je teória strún, má vesmír viac dimenzií, ako dokážeme vnímať. Cestovanie cez vyššie dimenzie by mohlo umožniť "skraty" v trojrozmernom priestore. Táto myšlienka je stále veľmi špekulatívna, ale teoreticky zaujímavá.
Aj keď sú tieto myšlienky zaujímavé, väčšina z nich je stále v oblasti teórie a vedeckej fikcie. V súčasnosti nemáme technológiu ani materiály potrebné na realizáciu cestovania rýchlejšieho ako svetlo, ale prebiehajúci výskum exotickej hmoty, časopriestoru a kvantovej fyziky naďalej ponúka nové možnosti pre budúcnosť.