„Panie Sulu, obrać kurs, prędkość warp to dwa” - te słowa być może zna każdy miłośnik science fiction. Należą do Jamesa Kirka, kapitana Starship Enterprise z legendarnej serii Star Trek. Zgodnie z fabułą bohaterowie poruszają się po Galaktyce setki razy szybciej niż światło dzięki napędowi warp, który zakrzywia otaczającą przestrzeń.
W odległych latach 60., kiedy serial trafiał na ekrany, postrzegano go jako niemożliwą fantazję. Ale dziś wielu naukowców i inżynierów poważnie mówi o możliwości stworzenia takiego silnika, a ponadto są już konkretne propozycje.
Ograniczenie prędkości we wszechświecie
Nasz Układ Słoneczny znajduje się na dość cienkiej części Drogi Mlecznej, z małą gęstością gromad gwiazd. Najbliższy układ gwiazd, Alfa Centauri, znajduje się 4,36 lat świetlnych od Słońca. Na nowoczesnych rakietach, rozwijających prędkość 10-15 kilometrów na sekundę, astronauci musieliby latać do niego przez ponad 70 000 lat!
I to pomimo faktu, że całkowita średnica naszej Galaktyki wynosi 100 000 lat świetlnych. Jeśli nie jesteśmy w stanie pokonać nawet tak niewielkiej odległości według standardów Wszechświata, to nie powinniśmy nawet jąkać się o kolonizacji i eksploracji kosmosu.
Na drodze do gwiazd jest jeszcze jedna, poważniejsza przeszkoda. Znajduje to odzwierciedlenie w teorii względności Einsteina. Zanim pojawiła się teoria w 1905 roku, mechanika niebieska Newtona królowała w fizyce. Według niej prędkość światła zależała od prędkości poruszania się obserwatora. To znaczy, jeśli udało ci się dogonić światło i poruszać się z nim, po prostu by się zatrzymało. Później Maxwell dał tej teorii podstawę matematyczną.
Jeszcze jako student Albert Einstein nie mógł zaakceptować tego postulatu - czuł, że gdzieś jest błąd. W końcu znalazł odpowiedź na dręczące go pytanie. Udowodnił, że prędkość światła jest stała i w żaden sposób nie zależy od zewnętrznego obserwatora.
Film promocyjny:
Okazało się, że nie da się dogonić światła. Bez względu na to, jak szybko się poruszasz, światło nadal będzie przed tobą. Słynny wzór Einsteina E = ms², w którym energia ciała jest równa jego masie pomnożonej przez prędkość światła do kwadratu, brzmi dosłownie: aby przyspieszyć obiekt do prędkości światła, wymagana jest nieskończona ilość energii, co oznacza, że obiekt musi mieć nieskończoną masę. W rzeczywistości rakieta, która chce rozpędzić się do prędkości światła, waży tyle, co cały wszechświat!
Oczywiście w prawdziwym życiu jest to absolutnie niemożliwe, prędkość światła to swego rodzaju uniwersalny inspektor DPS, który raz na zawsze ustala ograniczenie prędkości.
Wydawać by się mogło, że to koniec marzenia ludzkości o lataniu do odległych gwiazd. Jednak dziesięć lat po opublikowaniu szczególnej teorii względności pojawiła się ogólna teoria względności, w której podano bardziej obszerne komentarze i uzupełnienia.
W ogólnej teorii względności Einstein połączył przestrzeń i czas. Wcześniej uważano je za różne koncepcje fizyczne. Dla lepszej ilustracji porównał czasoprzestrzeń do płótna. W pewnych warunkach to płótno może poruszać się znacznie szybciej niż światło. Nie dało to jednak odpowiedzi na główne pytanie: jak w końcu wyprzedzić światło?
Przez prawie 70 lat wielu badaczy zastanawiało się nad tą tajemnicą. Pewnego pięknego dnia pewien młody naukowiec włączył telewizor i przełączając kanały, natknął się na fantastyczny serial. Oglądając go, nagle dotarło do niego, i zdał sobie sprawę, jak rozwinąć prędkość ponadświetlną bez naruszania praw fizyki. Ten naukowiec nazywa się Miguel Alcubierre.
Napęd Warp
Następnie, w 1994 roku, Alcubierre studiował teorię względności na Uniwersytecie w Cardiff (Walia, Wielka Brytania). W telewizji obejrzał serial „Star Trek”. Naukowiec zwrócił uwagę na fakt, że bohaterowie poruszają się w kosmosie za pomocą silnika do deformacji przestrzeni, czyli napędu warp.
Tak jak jabłko, które spadło na głowę Newtona, zainspirowało go kiedyś do stworzenia niebiańskiej mechaniki, tak serial zainspirował Miguela do stworzenia teorii, która może raz na zawsze położyć kres szybkiej „dyskryminacji” Wszechświata.
Alcubierre przystąpił do obliczeń i wkrótce opublikował wyniki. Jako podstawę przyjął ogólną teorię względności, która mówi, że jeśli zastosujesz określoną ilość energii lub masy, możesz sprawić, że przestrzeń porusza się szybciej niż światło.
Aby to zrobić, musisz stworzyć wokół statku specjalny bąbelek lub pole deformacji. To pole warp zmniejszy przestrzeń przed statkiem i rozszerzy się za nim. Okazuje się, że statek właściwie nigdzie się nie porusza, sama przestrzeń wygina się i popycha statek w określonym kierunku.
Czas i przestrzeń wewnątrz bańki nie ulegają deformacji i zniekształceniu. Dlatego załoga statku nie doświadcza żadnych dodatkowych przeciążeń i może się wydawać, że nic się nie zmieniło. W takim przypadku nie tylko astronauci, którzy przeszli specjalną selekcję medyczną i szkolenie, ale także zwykli ludzie będą mogli latać w kosmos.
Gdybyś był na mostku statku podczas jego ruchu z prędkością ponadświetlną i patrzył na przestrzeń wokół siebie, gwiazdy zamieniłyby się w długie pociągnięcia. Ale jeśli spojrzysz wstecz, zobaczysz tylko nieprzeniknioną ciemność, ponieważ światło nie może cię dogonić.
Alcubierre obliczył, że napęd warp pozwoliłby osiągnąć prędkość 10 razy większą niż światło, jednak jego zdaniem nic nie stoi na przeszkodzie zwiększeniu mocy silnika i przyspieszeniu do wyższych prędkości.
Jednak zapoznając się z teorią Alcubierre, Siergiej Krasnikow z Głównego Obserwatorium Astronomicznego w Pułkowie ujawnił jedną cechę. Faktem jest, że pilot nie będzie mógł dowolnie zmieniać trajektorii statku. To znaczy, jeśli na przykład lecisz z Ziemi do Syriusza i nagle przypomnisz sobie, że nie wyłączyłeś żelazka w domu, to nie będziesz mógł wrócić. Najpierw będziesz musiał polecieć do celu, a następnie wrócić.
Co więcej, nie będziesz mógł również skontaktować się z nikim, ponieważ pole warp całkowicie izoluje statek od świata zewnętrznego i blokuje wszelkie sygnały. Dlatego Kraśnikow porównał podróż takim statkiem do podróży metrem. Nazwał to „metrem FTL”.
Ale to nie jest główny problem. Samo pole deformacji musi mieć ładunek ujemny. Aby go stworzyć, potrzebna jest energia ujemna, o której istnieniu dyskutuje się od wielu lat.
Co nie może być
Jeśli grawitacja jest energią przyciągania, to energia ujemna powinna mieć przeciwne właściwości i odpychać od siebie ciała obce. Ale skąd czerpiesz taką energię?
W 1933 roku holenderski fizyk Hendrik Casimir zasugerował, że jeśli weźmiesz dwie identyczne metalowe płytki i umieścisz je idealnie równolegle do siebie w minimalnej możliwej odległości, zaczną się przyciągać. Jakby niewidzialna siła popycha ich ku sobie.
Zgodnie z mechaniką kwantową próżnia nie jest absolutnie pustym miejscem; nieustannie pojawiają się w niej pary materii i cząstek antymaterii, które natychmiast zderzają się i anihilują. Ten proces zajmuje dosłownie miliardowe części sekundy. Kiedy zderzają się, uwalniana jest mikroskopijna ilość energii, która wytwarza niezerowe ciśnienie całkowite w „pustej” próżni.
Ważne jest, aby płytki były jak najbliżej siebie, wtedy objętość cząstek na zewnątrz znacznie przekroczy ich liczbę w szczelinie między płytami. W rezultacie ciśnienie z zewnątrz będzie ściskało płyty, a ich energia z kolei spadnie poniżej zera, czyli ujemne. W 1948 roku w eksperymencie udało się zmierzyć energię ujemną. Do historii przeszedł pod nazwą „efekt Kazimierza”.
W 1996 roku, po 15 latach eksperymentów i badań, Steve Lamoreau z Los Alamos National Laboratory, wraz z Umarem Mohidinem i Anushri Royem z University of California w Riverside, zdołali dokładnie zmierzyć efekt Casimira. Był równy ładunkowi erytrocytów - czerwonych krwinek.
Niestety, to jest po prostu potwornie małe, aby stworzyć pole deformacji, potrzeba miliardów razy więcej. Dopóki nie będzie możliwe generowanie ujemnej energii na skalę przemysłową, napęd warp pozostanie na papierze.
Przez trudy do gwiazd
Pomimo wszystkich trudności w tworzeniu, napęd warp jest najbardziej prawdopodobnym kandydatem do pierwszego międzygwiezdnego lotu. Alternatywne projekty, takie jak żagiel słoneczny lub silnik termojądrowy, mogą osiągać prędkości tylko pod światło, a takie jak tunele czasoprzestrzenne lub wrota są zbyt skomplikowane i ich ukończenie zajmuje tysiące lat.
Dziś NASA najaktywniej rozwija prototyp napędu warp, którego specjaliści są przekonani, że jest to bardziej problem techniczny niż teoretyczny. Zespół inżynierów już to robi w Johnson Space Center, gdzie kiedyś przygotowywano pierwszy załogowy lot na Księżyc.
Według wielu ekspertów pierwsze próbki technologii deformacji kosmosu pojawią się najprawdopodobniej nie wcześniej niż 100 lat później, pod warunkiem dostępności stałego finansowania.
Powiedz, fantastycznie? Ale może warto pamiętać, że kilka lat przed tym, jak bracia Wright wzbili się w powietrze, wybitny angielski fizyk William Thomson powiedział, że nic cięższego od powietrza nie może latać. A 60 lat później pierwszy kosmonauta Ziemi uśmiechnął się i powiedział: „Chodźmy!..”
Adilet URAIMOV