Ljudje so vedno sanjali o potovanju skozi vesolje, očarani nad neznanimi svetovi in željo po raziskovanju oddaljenih galaksij. Največja ovira za vesoljska potovanja so ogromne razdalje. V tem članku se ukvarjamo z ogromnimi razdaljami v vesolju in časom, potrebnim za dosego oddaljenih zvezd in predmetov z vesoljskimi plovili pri različnih hitrostih. Da bi ponazorili, kako obsežen je vesolje, smo izračunali, koliko časa bi potrebovali, da dosežemo nekatere nebesne objekte z avtomobilom in najhitrejšim vesoljskim plovilom, ki ga je človeštvo zgradilo. Prav tako smo izračunali, kako daleč bi lahko potovali s hitrostjo svetlobe. Čeprav hitrost svetlobe ni dovolj, da bi potovali daleč v vesolje, smo se obrnili na znanstvenofantastično serijo Star Trek, kjer vesoljska plovila dosegajo hitrosti, ki so veliko hitrejše od svetlobe, z uporabo izmišljenega Warp pogona.
Avtomobil, ki nenehno potuje s 130 km/h (80 mph)
Predstavljajmo si, da bi lahko potovali skozi vesolje z avtomobilom. V mnogih državah po svetu je največja dovoljena hitrost na avtocestah 130 km/h ali 80 mph, zato smo to hitrost uporabili za naše izračune. Avtomobil bi lahko na koncu dosegel Luno, potovanje pa bi trajalo približno 123 dni. Do Marsa bi potovanje trajalo dolge 48 let, ko je najbližje Zemlji, in do 352 let, ko je na največji razdalji. Vesoljska sonda New Horizons je potrebovala 9,5 leta, da je dosegla Pluton, pritlikavo planet na robu Osončja. V avtomobilu bi to potovanje trajalo vsaj 3.750 let. Proxima Centauri je najbližja zvezda Zemlji, ki je oddaljena 4,24 svetlobnih let. Dosego te zvezde z avtomobilom bi trajalo 35 milijonov let.
Pluton Barvna Kompozicija. Avtor: NASA/Johns Hopkins University Applied Physics Laboratory/Southwest Research Institute
Voyager 1 – Najhitrejše človeško izdelano vesoljsko plovilo, ki potuje skozi vesolje
Voyager 1, ki je bil izstreljen že leta 1977, je najhitrejše vesoljsko plovilo, ki ga je človeštvo kdajkoli ustvarilo, saj potuje skozi vesolje s hitrostjo približno 61.000 km/h (približno 38.000 milj na uro). Vendar Voyager 1 ni najhitrejše vesoljsko plovilo, ki je bilo kdaj zgrajeno. Parker Solar Probe doseže hitrosti 700.000 km/h (približno 430.000 milj na uro), toda ta hitrost je dosežena le, ko se najbližje približa Soncu, pri čemer uporablja gravitacijo Sonca za pospeševanje. Po drugi strani pa Voyager 1 potuje skozi vesolje in je trenutno najoddaljenji človeški objekt.
Voyager 1 Vstop v medzvezdni prostor - umetniška zasnova. Avtor: NASA/JPL-Caltech
Torej, kako hiter je Voyager 1 in koliko časa bi trajalo, da prekrije ogromne kozmične razdalje? Voyager 1 bi lahko dosegel Luno v približno 6 urah pri svoji trenutni hitrosti. Od Zemlje do Marsa bi trajalo sprejemljivih 37 dni, ko je Mars najbližje Zemlji, pot do oddaljenega Plutona pa bi trajala osem let. Dosego Proksime Centauri, najbližje zvezde Zemlji, bi trajalo osupljivih 75.000 let. Iz teh izračunov je razvidno, da so naše trenutne tehnološke sposobnosti komaj zadostne za raziskovanje Osončja in to le brez človeške posadke. Morda bomo v bližnji prihodnosti lahko poslali posadko na Mars, planet, ki je najbližje Zemlji. Zaenkrat naša tehnologija ni dovolj napredna, da bi lahko poslali sonde do najbližjih zvezd.
Potovanje s hitrostjo svetlobe
Hitrost svetlobe v vakuumu je približno 299.792 km/s (približno 186.282 milj/s), kar ustreza približno 1,08 milijarde km/h (približno 671 milijonov milj na uro). Po zakonih fizike, kot jih opisuje Einsteinova teorija relativnosti, je to najvišja možna hitrost.
Kotliček z zvezd v središču galaksije. Avtor: NASA/JPL-Caltech
Po relativnosti je teoretično nemogoče, da bi objekti z maso, kot so vesoljska plovila ali ljudje, potovali s hitrostjo svetlobe. Ko se hitrost objekta povečuje, se njegova masa dejansko povečuje, kar zahteva vedno več energije za nadaljnje pospeševanje. Da bi masiven objekt pospešili na hitrost svetlobe, bi potrebovali neskončno energijo, kar bi takšno potovanje naredilo nemogoče glede na trenutno znanstveno razumevanje.
Poglejmo za trenutek mimo zakonov fizike in predpostavimo, da je potovanje s hitrostjo svetlobe mogoče. Če bi človeštvo imelo vesoljsko plovilo, sposobno potovati s hitrostjo svetlobe, kako daleč bi lahko šli v vesolju? Bi bil takrat vesolje na dosegu naše roke? Tukaj so naši izračuni.
Pri hitrosti svetlobe bi do Lune prispeli v le 1,28 sekunde, do Marsa v 3 minutah in do Plutona v 4 urah. Hitrost svetlobe bi bila idealna za hitro potovanje znotraj Osončja. Toda ali je hitrost svetlobe zadostna za medzvezdno potovanje? Proksima Centauri, najbližja zvezda, je oddaljena 4,24 svetlobnih let. To pomeni, da svetloba potrebuje 4,24 let, da doseže Proksimo Centauri, in povratna pot bi trajala enako dolgo. Takšna potovanja bi morda bila mogoča s človeškimi posadkami, vendar bi morali potniki na takem vesolju preživeti pomemben del svojega življenja v vesolju.
Obstaja približno 50 zvezd v radiju približno 15 svetlobnih let od Zemlje. Vesoljsko plovilo, sposobno potovati s hitrostjo svetlobe, bi omogočilo raziskovanje tega dela vesolja, najverjetneje z brezpilotnimi sondami. Lahko zaključimo, da je hitrost svetlobe zadostna za potovanje do najbližjih zvezd, vendar bi bilo potovanje do oddaljenih delov naše Galaksije ali drugih galaksij nemogoče zaradi časa, ki bi ga takšna potovanja zahtevala.
Na primer, najbližja črna luknja, V616 Monocerotis, je oddaljena 3.300 svetlobnih let od Zemlje, zato bi nam trajalo prav toliko let, da bi jo dosegli s svetlobno hitrostjo. Očitno takšno potovanje ni izvedljivo ali smiselno.
Da bi dosegli središče naše galaksije, bi potrebovali 26.000 let, potovanje do Andromede, najbližje spiralne galaksije, pa bi trajalo neverjetnih 2,537 milijona let.
Potovanje hitreje od svetlobe
V svetovno znanem znanstvenofantastičnem franšiznem delu Star Trek vesoljska plovila potujejo s hitrostmi, ki so veliko hitrejše od svetlobne hitrosti. To omogoča izmišljeni warp pogon. Warp pogon v Star Trek omogoča zvezdnim ladjam, da potujejo hitreje od svetlobe tako, da ustvarijo "mehurček", ki ukrivlja prostor-čas okoli ladje. Na ta način ladja ne krši zakona o potovanju hitreje od svetlobe v prostoru, ampak premika prostor-čas okoli sebe. Čeprav je ta pogon izmišljen, so znanstveniki razvili teoretični model pogona, ki temelji na podobni ideji.
Alcubierrejev pogon je teoretični koncept, ki predlaga metodo za potovanje hitreje od svetlobe z ukrivljanjem prostor-časa. Po tej ideji vesoljsko plovilo ne bi dejansko potovalo hitreje od svetlobe, ampak bi ustvarilo "mehurček" okoli sebe, ki bi skrčil prostor-čas pred ladjo in ga razširil za njo. Na ta način bi ladja učinkovito premikala skozi prostor-čas, medtem ko bi ostala nepremična v primerjavi s prostorom znotraj mehurčka. Da bi to delovalo, teorija predlaga potrebo po eksotični snovi z negativno energijo, ki je znanstveniki še niso našli ali ustvarili. Več o Alcubierrejevem pogonu lahko preberete tukaj.
Star Trek in Warp pogon
Medtem ko znanstveniki še niso rešili vseh ovir za gradnjo Alcubierrejevega pogona, se vrnimo k Star Trek in potovanju s hitrostjo warp. V Star Trek so zvezdne ladje potovale z uporabo warp pogonov. Ko se je tehnologija razvijala, so postajale warp hitrosti hitrejše. Warp 1 je enak svetlobni hitrosti, Warp 2 je desetkrat hitrejši od svetlobne hitrosti, Warp 3 je 39-krat hitrejši in tako naprej. Izbrali smo tri znane zvezdne ladje iz Star Trek, za katere so na voljo podatki o njihovi največji hitrosti. Čeprav zvezdne ladje v seriji niso mogle nenehno potovati pri maksimalnem warpu, bomo za potrebe naših izračunov uporabili njihove največje hitrosti, ki jih lahko dosežejo.
Zvezdna ladja kapitana Jonathana Archera iz Star Trek: Enterprise
Ta ladja ima oznako NX-01. Je prva ladja v seriji Enterprise, ki je ključna za raziskovanje vesolja in postavljanje temeljev za prihodnjo Federacijo. Njena največja hitrost je Warp 5, kar je 214-krat hitreje od svetlobne hitrosti. S to Enterprise bi pot do Plutona od Zemlje trajala le minuto in pol. Do najbližje zvezde, Proxime Centauri, bi potrebovali sedem dni, do najbližje črne luknje, V616, pa 15 let. Pot do središča naše galaksije bi trajala neverjetnih 121 let, potovanje do Andromede pa bi trajalo neverjetnih 11,853,271 let.
Ta ladja bi pri največji hitrosti v 30 dneh prepotovala približno 17 svetlobnih let. V radiju 17 svetlobnih let od Zemlje je približno 50–60 zvezdnih sistemov z okoli 100 zvezdami.
Zvezdna ladja kapitana Jean-Luca Picarda iz Star Trek: The Next Generation
Zvezdna ladja kapitana Jean-Luca Picarda iz Star Trek: The Next Generation se imenuje USS Enterprise (NCC-1701-D). Bila je peta ladja v vrsti, ki nosi ime Enterprise, in je ena najbolj znanih ladij v franšizi Star Trek. Njena največja hitrost je Warp 9.6, kar je 1,909-krat hitreje od svetlobne hitrosti.
Picardova Enterprise bi do Proxime Centauri prispela v le 19 urah in 28 minutah, do črne luknje V616 Monocerotis pa bi potrebovali približno eno leto in devet mesecev. Pot do središča naše galaksije bi trajala 13 let in sedem mesecev, potovanje do Andromede pa bi trajalo 1,328 let.
V 30 dneh bi ta ladja lahko prepotovala 156 svetlobnih let. V radiju 156 svetlobnih let od Zemlje je približno 40,000 do 60,000 zvezd.
Zvezdna ladja kapitana Kathryn Janeway iz Star Trek: Voyager
Zvezdna ladja kapitana Kathryn Janeway iz Star Trek: Voyager se imenuje USS Voyager (NCC-74656). Gre za ladjo razreda Intrepid, znano po svoji misiji v Delta Kvadrantu. Njena največja hitrost je Warp 9.975, kar je 5,126-krat hitreje od svetlobne hitrosti. Voyager bi do Proxime Centauri prispela v le 7 urah. Do črne luknje V616 bi potrebovali sedem mesecev, do središča naše galaksije pa pet let. Andromeda je še vedno izven dosega, in tej zvezdni ladji bi trajalo 495 let, da bi prispela tja.
Pri največji hitrosti bi ta zvezdna ladja v 30 dneh lahko prepotovala 421 svetlobnih let. V radiju 421 svetlobnih let od Zemlje je približno 1,25 milijona zvezd.
Prihodnost potovanj v vesolju
Obsežnost vesolja je omejujoč dejavnik za potovanja v vesolju. Vesoljska plovila, ki jih trenutno gradimo, lahko dosežejo oddaljene dele Osončja in objekte, kot je Pluton, v 10 ali več letih. Medzvezdna potovanja so trenutno neizvedljiva, saj bi našemu najhitrejšemu vesoljskemu plovilu trajalo 150.000 let, da doseže najbližjo zvezdo in se vrne. Za zdaj smo omejeni na potovanja znotraj našega Osončja. Za medzvezdna potovanja bi naša tehnologija morala doseči vsaj 20 % hitrosti svetlobe, da bi sonda lahko dosegla najbližjo zvezdo v približno 20 letih. Obstoječi načrti za gradnjo takšnega vesoljskega plovila, ki bi se pospeševalo z močnimi laseri z Zemlje, obstajajo, vendar bi morali počakati še štiri leta na podatke, ki bi jih takšna sonda zbrala.
Galaksija Mliječna cesta in sosednja galaksija Andromeda. Avtor: NASA Goddard
Za uspešno raziskovanje najbližjih zvezd bi potrebovali hitrost blizu hitrosti svetlobe. To bi omogočilo dostop do približno 50 zvezd v 15 svetlobnih letih od Zemlje za znanstvene raziskave, čeprav bi bile takšne poti zelo dolge in bi trajalo več desetletij, da bi prejeli podatke iz sond. Vesolje je tako obsežno, da bi celo vesoljska plovila, sposobna potovati s hitrostjo svetlobe, omogočila le raziskovanje najbližjih zvezd.
Če je hitrost svetlobe nemogoče doseči in potovanja hitreje od svetlobe niso izvedljiva, je verjetnost, da bi kdajkoli naleteli na napredno zunajzemeljsko civilizacijo, izjemno majhna. Univerzum je morda poln življenja, a ogromne razdalje v vesolju naredijo stik med civilizacijami skoraj nemogoč, vsaj v našem delu vesolja. Izjema bi lahko bile zvezde znotraj zvezdnih grozdov, kot so globularni grozdi, kjer so zvezde lahko oddaljene le 0,1 svetlobne leta. Vendar pa je tudi taka majhna razdalja izjemno velika za civilizacijo, kot je naša. Voyager 1 bi potreboval približno 1.769 let, da doseže zvezdo, ki je oddaljena 0,1 svetlobne leta.
Ali so potovanja hitreje od svetlobe mogoča?
Teoretično so potovanja hitreje od svetlobe fascinantna, vendar je po trenutnih znanstvenih zakonih, zlasti po Einsteinovi teoriji relativnosti, nemogoče, da se objekti z maso premikajo hitreje od svetlobe. Vendar pa več teoretičnih idej nakazuje možnost "obvoda" te omejitve:
Alcubierrejev pogon
Ta koncept, ki ga je predlagal fizik Miguel Alcubierre leta 1994, temelji na ustvarjanju "mehurčka" okoli vesoljskega plovila, znotraj katerega časoprostor ostaja nedotaknjen. Mehurček bi skrčil prostor pred plovilom in ga razširil za njim, kar bi učinkovito omogočilo potovanja hitreje od svetlobe. Vesoljsko plovilo se ne bi dejansko premikalo skozi prostor hitreje od svetlobe, temveč bi bil prostor okoli njega ukrivljen. Težava je v tem, da bi to zahtevalo uporabo eksotične snovi z negativno energijo, ki še ni bila dokazana ali odkrita.
Wormhole
Wormhole so hipotezni predori skozi prostor-čas, ki bi lahko povezovali oddaljene točke v vesolju. Potovanje skozi wormhole bi lahko omogočilo učinkovito "kratko pot" skozi prostor, kar pomeni, da potnik ne bi potreboval prepotovati celotne razdalje med dvema točkama.
Čeprav so wormhole matematično možni v okviru splošne relativnosti, ni dokazov, da dejansko obstajajo ali bi ostali stabilni dovolj dolgo za praktično uporabo. Poleg tega bi njihovo vzdrževanje lahko zahtevalo eksotično snov.
Tahioni
Po teoriji so tahioni hipotezni delci, ki se vedno gibljejo hitreje od svetlobe. Vendar njihovo obstoj ni bil dokazan. Če bi tahioni dejansko obstajali, bi kršili nekatere temeljne zakone fizike, kot je kauzalnost, kar bi lahko vodilo do paradoksov, kot je potovanje nazaj v času.
Warp pogon
V Star Trek warp pogon uporablja koncept podoben Alcubierrejevemu pogonu, kjer vesoljska ladja ne potuje hitreje od svetlobe v tradicionalnem smislu, ampak namesto tega zvija prostor-čas okoli sebe. Čeprav je to fikcija, je ta ideja navdihnila resnične fizike, da raziskujejo možnosti zvijanja prostor-časa.
Kvazikristalni prostori ali višje dimenzije
V nekaterih teorijah, kot je teorija stringov, ima vesolje več dimenzij, kot jih lahko zaznamo. Potovanje skozi višje dimenzije bi lahko omogočilo "kratke poti" v tridimenzionalnem prostoru. Ta ideja je še vedno zelo spekulativna, a teoretično zanimiva.
Čeprav so te ideje zanimive, so večinoma še vedno na področju teorije in znanstvene fantastike. Trenutno nimamo tehnologije ali materialov, potrebnih za uresničitev potovanja hitreje od svetlobe, vendar nadaljnje raziskave eksotične snovi, prostor-časa in kvantne fizike še naprej ponujajo nove možnosti za prihodnost.