Umbrele pot călători mai repede decât lumina, dar nu pot transporta materie sau informații

Este posibil zborul superluminal?

Secțiunile din acest articol au subtitluri și vă puteți referi la fiecare secțiune separat.

Exemple simple de călătorie FTL

1. Efectul Cherenkov

Când vorbim despre mișcarea superluminală, ne referim la viteza luminii în vid. c(299 792 458 m/s). Prin urmare, efectul Cherenkov nu poate fi considerat un exemplu de mișcare superluminală.

2. Al treilea observator

Dacă racheta A zboară departe de mine cu viteză 0,6c spre vest, iar racheta B zboară departe de mine cu viteză 0,6c est, apoi văd că distanța dintre Ași B crește cu viteza 1.2c. Privind rachetele zburând Ași B din exterior, al treilea observator vede că viteza totală de îndepărtare a rachetelor este mai mare decât c .

in orice caz viteza relativa nu este egală cu suma vitezelor. viteza rachetei A referitor la rachetă B este viteza cu care crește distanța până la rachetă A, care este văzut de un observator care zboară pe o rachetă B. Viteza relativă trebuie calculată folosind formula de adunare a vitezei relativiste. (Vezi Cum se adaugă viteze în relativitatea specială?) În acest exemplu, viteza relativă este aproximativă 0,88c. Deci, în acest exemplu nu am primit FTL.

3. Lumină și umbră

Gândește-te cât de repede se poate mișca umbra. Dacă lampa este aproape, atunci umbra degetului de pe peretele îndepărtat se mișcă mult mai repede decât se mișcă degetul. Când deplasați degetul paralel cu perete, viteza umbrei intră D/d ori mai mare decât viteza unui deget. Aici d este distanța de la lampă la deget și D- de la lampă la perete. Viteza va fi și mai mare dacă peretele este înclinat. Dacă peretele este foarte departe, atunci mișcarea umbrei va rămâne în urma mișcării degetului, deoarece lumina durează timp pentru a ajunge la perete, dar viteza umbrei care se mișcă de-a lungul peretelui va crește și mai mult. Viteza unei umbre nu este limitată de viteza luminii.

Un alt obiect care poate călători mai repede decât lumina este un punct de lumină de la un laser îndreptat spre lună. Distanța până la Lună este de 385.000 km. Puteți calcula singur viteza de mișcare a punctului de lumină de pe suprafața Lunii, cu mici fluctuații ale indicatorului laser în mână. S-ar putea să vă placă și exemplul unui val care lovește o linie dreaptă a plajei la un unghi ușor. Cu ce ​​viteză se poate deplasa punctul de intersecție al valului și țărmului de-a lungul plajei?

Toate aceste lucruri se pot întâmpla în natură. De exemplu, un fascicul de lumină de la un pulsar poate rula de-a lungul unui nor de praf. O explozie puternică poate crea unde sferice de lumină sau radiații. Când aceste unde se intersectează cu o suprafață, pe acea suprafață apar cercuri de lumină și se extind mai repede decât lumina. Un astfel de fenomen se observă, de exemplu, atunci când un impuls electromagnetic de la un fulger trece prin atmosfera superioară.

4. Corp solid

Dacă ai o lansetă lungă și rigidă și lovești un capăt al lansetei, celălalt capăt nu se mișcă imediat? Nu este aceasta o modalitate de transmitere superluminală a informațiilor?

Așa ar fi corect dacă erau corpuri perfect rigide. În practică, impactul este transmis de-a lungul tijei cu viteza sunetului, care depinde de elasticitatea și densitatea materialului tijei. În plus, teoria relativității limitează vitezele posibile ale sunetului într-un material prin valoare c .

Același principiu se aplică dacă țineți o sfoară sau o tijă vertical, o eliberați și aceasta începe să cadă sub influența gravitației. Capătul superior pe care îl lăsați începe să cadă imediat, dar capătul inferior se va mișca abia după un timp, deoarece pierderea forței de reținere este transmisă în jos tijei cu viteza sunetului din material.

Formularea teoriei relativiste a elasticității este destul de complicată, dar ideea generală poate fi ilustrată folosind mecanica newtoniană. Ecuația mișcării longitudinale a unui corp ideal elastic poate fi derivată din legea lui Hooke. Indicați densitatea liniară a tijei ρ , modulul Young Y. Decalaj longitudinal X satisface ecuația de undă

ρ d 2 X/dt 2 - Y d 2 X/dx 2 = 0

Soluția de undă plană se deplasează cu viteza sunetului s, care se determină din formulă s 2 = Y/ρ. Ecuația undei nu permite perturbațiilor mediului să se miște mai repede decât cu viteza s. În plus, teoria relativității oferă o limită pentru cantitatea de elasticitate: Y< ρc 2 . În practică, niciun material cunoscut nu se apropie de această limită. De asemenea, rețineți că, chiar dacă viteza sunetului este aproape de c, atunci materia în sine nu se mișcă neapărat cu viteză relativistă.

Deși nu există corpuri solide în natură, există mișcarea corpurilor rigide, care poate fi folosit pentru a depăși viteza luminii. Acest subiect aparține secțiunii deja descrise de umbre și puncte de lumină. (Vezi Foarfecele superluminale, Discul rotativ rigid în relativitate).

5. Viteza fazei

ecuația de undă
d 2 u/dt 2 - c 2 d 2 u/dx 2 + w 2 u = 0

are o soluție în formă
u \u003d A cos (ax - bt), c 2 a 2 - b 2 + w 2 \u003d 0

Acestea sunt unde sinusoidale care se propagă cu viteza v
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

Dar este mai mult de c. Poate aceasta este ecuația pentru tahioni? (vezi secțiunea de mai jos). Nu, aceasta este ecuația relativistă obișnuită pentru o particulă cu masă.

Pentru a elimina paradoxul, trebuie să faceți distincția între „viteza de fază” v ph și „viteza grupului” v gr, și
v ph v gr = c 2

Soluția sub formă de undă poate avea dispersie în frecvență. În acest caz, pachetul de undă se mișcă cu o viteză de grup mai mică decât c. Folosind un pachet de unde, informațiile pot fi transmise numai la viteza grupului. Undele dintr-un pachet de undă se mișcă cu viteza de fază. Viteza de fază este un alt exemplu de mișcare FTL care nu poate fi folosită pentru a comunica.

6. Galaxii superluminale

7. Racheta relativista

Lăsați un observator de pe Pământ să vadă o navă spațială care se îndepărtează cu o viteză 0,8c Conform teoriei relativității, el va vedea că ceasul navei spațiale funcționează de 5/3 ori mai încet. Dacă împărțim distanța până la navă la timpul zborului în funcție de ceasul de la bord, obținem viteza 4/3c. Observatorul ajunge la concluzia că, folosind ceasul său de bord, pilotul navei va stabili și că zboară cu o viteză superluminală. Din punctul de vedere al pilotului, ceasul lui merge normal, iar spațiul interstelar s-a micșorat cu un factor de 5/3. Prin urmare, zboară distanțele cunoscute dintre stele mai repede, cu o viteză 4/3c .

Dar încă nu este un zbor superluminal. Nu puteți calcula viteza folosind distanța și timpul definite în diferite cadre de referință.

8. Viteza gravitației

Unii insistă că viteza gravitației este mult mai mare c sau chiar infinit. Vedeți Gravitația călătorește cu viteza luminii? și Ce este radiația gravitațională? Perturbațiile gravitaționale și undele gravitaționale se propagă cu o viteză c .

9. Paradoxul EPR

10. Fotoni virtuali

11. Efect de tunel cuantic

LA mecanica cuantică efectul tunel permite particulei să depășească bariera, chiar dacă energia sa nu este suficientă pentru aceasta. Este posibil să se calculeze timpul de tunel printr-o astfel de barieră. Și se poate dovedi a fi mai puțin decât ceea ce este necesar pentru ca lumina să depășească aceeași distanță la o viteză c. Poate fi folosit pentru a trimite mesaje mai repede decât lumina?

Electrodinamica cuantică spune „Nu!” Cu toate acestea, a fost efectuat un experiment care a demonstrat transmiterea superluminală a informațiilor folosind efectul de tunel. Printr-o bariera de 11,4 cm latime la viteza de 4,7 c A fost prezentată Simfonia a 40-a de Mozart. Explicația pentru acest experiment este foarte controversată. Majoritatea fizicienilor cred că cu ajutorul efectului de tunel este imposibil de transmis informație mai rapid decat lumina. Dacă ar fi posibil, atunci de ce să nu trimiteți un semnal către trecut prin plasarea echipamentului într-un cadru de referință care se mișcă rapid.

17. Teoria câmpului cuantic

Cu excepția gravitației, toate fenomenele fizice observate corespund „Modelului standard”. Modelul standard este o teorie relativistică a câmpului cuantic care explică forțele electromagnetice și nucleare și toate particulele cunoscute. În această teorie, orice pereche de operatori corespunzători observabilelor fizice separate printr-un interval spațial de evenimente „commută” (adică se poate schimba ordinea acestor operatori). În principiu, acest lucru implică faptul că în Modelul Standard forța nu poate călători mai repede decât lumina, iar aceasta poate fi considerată echivalentul câmpului cuantic al argumentului energiei infinite.

Cu toate acestea, nu există dovezi impecabil de riguroase în teoria câmpului cuantic a modelului standard. Nimeni nu a dovedit încă că această teorie este consecventă intern. Cel mai probabil, nu este. În orice caz, nu există nicio garanție că nu există particule sau forțe încă nedescoperite care să nu se supună interdicției de mișcare superluminală. Nu există nicio generalizare a acestei teorii, inclusiv gravitația și relativitatea generală. Mulți fizicieni care lucrează în domeniul gravitației cuantice se îndoiesc că conceptele simple de cauzalitate și localitate vor fi generalizate. Nu există nicio garanție că într-o teorie viitoare mai completă viteza luminii va păstra sensul vitezei limită.

18. Paradoxul bunicului

În relativitatea specială, o particulă care călătorește mai repede decât lumina într-un cadru de referință se deplasează înapoi în timp într-un alt cadru de referință. Călătoria FTL sau transmiterea de informații ar face posibilă călătoria sau trimiterea unui mesaj în trecut. Dacă o astfel de călătorie în timp ar fi posibilă, atunci ai putea să te întorci în timp și să schimbi cursul istoriei ucigându-ți bunicul.

Acesta este un argument foarte puternic împotriva posibilității de a călători cu FTL. Adevărat, rămâne o posibilitate aproape improbabilă ca o călătorie superluminală limitată să fie posibilă, ceea ce nu permite o întoarcere în trecut. Sau poate că călătoria în timp este posibilă, dar cauzalitatea este încălcată într-un mod consistent. Toate acestea sunt foarte puțin plauzibile, dar dacă discutăm despre FTL, este mai bine să fim pregătiți pentru idei noi.

Este adevărat și invers. Dacă am putea călători înapoi în timp, am putea depăși viteza luminii. Poți să te întorci în timp, să zbori undeva cu viteză mică și să ajungi acolo înainte să sosească lumina transmisă în modul obișnuit. Consultați Călătoria în timp pentru detalii despre acest subiect.

Întrebări deschise de călătorie FTL

În această ultimă secțiune, voi descrie câteva idei serioase despre posibilele călătorii mai rapide decât lumina. Aceste subiecte nu sunt adesea incluse în Întrebări frecvente, deoarece sunt mai mult ca o mulțime de întrebări noi decât răspunsuri. Ele sunt incluse aici pentru a arăta că se fac cercetări serioase în această direcție. Se face doar o scurtă introducere a subiectului. Detalii pot fi găsite pe Internet. Ca și în cazul tuturor celor de pe internet, fii critic cu ei.

19. Tahioane

Tahionii sunt particule ipotetice care călătoresc mai repede decât lumina local. Pentru a face acest lucru, trebuie să aibă o valoare de masă imaginară. În acest caz, energia și impulsul tahionului sunt cantități reale. Nu există niciun motiv să credem că particulele superluminale nu pot fi detectate. Umbrele și luminile pot călători mai repede decât lumina și pot fi detectate.

Până acum, tahionii nu au fost găsiți, iar fizicienii se îndoiesc de existența lor. Au existat afirmații că în experimentele de măsurare a masei neutrinilor produse de degradarea beta a tritiului, neutrinii erau tahioni. Acest lucru este îndoielnic, dar nu a fost încă infirmat definitiv.

Există probleme în teoria tahionilor. Pe lângă posibila încălcare a cauzalității, tahionii fac, de asemenea, vidul instabil. Este posibil să ocolim aceste dificultăți, dar nici atunci nu vom putea folosi tahioni pentru transmiterea superluminală a mesajelor.

Majoritatea fizicienilor cred că apariția tahionilor într-o teorie este un semn al unor probleme cu această teorie. Ideea de tahioane este atât de populară în rândul publicului pur și simplu pentru că sunt adesea menționate în literatura fantastică. Vezi Tahioni.

20. Găuri de vierme

Cea mai faimoasă metodă de călătorie globală FTL este utilizarea „găurilor de vierme”. O gaură de vierme este o fantă în spațiu-timp de la un punct al universului la altul, care vă permite să ajungeți de la un capăt la altul al găurii mai repede decât calea obișnuită. Găurile de vierme sunt descrise de teoria generală a relativității. Pentru a le crea, trebuie să schimbați topologia spațiu-timpului. Poate că acest lucru va deveni posibil în cadrul teoriei cuantice a gravitației.

Pentru a menține o gaură de vierme deschisă, aveți nevoie de zone de spațiu cu energii negative. C.W.Misner și K.S.Thorne au propus să folosească efectul Casimir pe scară largă pentru a crea energie negativă. Visser a sugerat să folosească șiruri cosmice pentru asta. Acestea sunt idei foarte speculative și s-ar putea să nu fie posibile. Poate că forma necesară de materie exotică cu energie negativă nu există.

Am fost învățați de la școală că este imposibil să depășim viteza luminii și, prin urmare, mișcarea unei persoane în spațiul cosmic este o mare problemă insolubilă (cum să zbori către cel mai apropiat sistem solar dacă lumina poate depăși această distanță doar în câteva minute). o mie de ani?). Poate că oamenii de știință americani au găsit o modalitate de a zbura la superviteze, nu numai fără a înșela, ci și urmând legile fundamentale ale lui Albert Einstein. În orice caz, așa spune Harold White, autorul proiectului motorului de deformare a spațiului.

Noi, cei de la redacție, am considerat știrea absolut fantastică, așa că astăzi, în ajunul Zilei Cosmonauticii, publicăm un raport al lui Konstantin Kakaes pentru revista Popular Science despre un proiect fenomenal NASA, dacă va avea succes, o persoană va putea depăși. sistemul solar.

În septembrie 2012, câteva sute de oameni de știință, ingineri și pasionați de spațiu s-au reunit pentru cea de-a doua întâlnire publică a grupului numită 100 Year Starship. Grupul este condus de fostul astronaut May Jemison și fondat de DARPA. Scopul conferinței este „a face posibilă călătoria umană dincolo de sistemul solar către alte stele în următoarele sute de ani”. Majoritatea participanților la conferință recunosc că progresul în explorarea spațiului cu echipaj este prea mic. În ciuda miliardelor de dolari cheltuite în ultimele trimestre, agențiile spațiale pot face aproape cât au putut în anii 1960. De fapt, 100 Year Starship este convocată pentru a rezolva toate acestea.

Dar mai la obiect. După câteva zile de conferință, participanții săi au ajuns la cele mai fantastice subiecte: regenerarea organelor, problema religiei organizate la bordul navei etc. Una dintre cele mai interesante prezentări de la întâlnirea Starship 100 Year a fost numită Warp Field Mechanics 102 și a fost susținută de Harold „Sonny” White de la NASA. Veteran al agenției, White conduce Programul Advanced Pulse la Centrul Spațial Johnson (JSC). Împreună cu cinci colegi, a creat „Foaia de parcurs pentru sistemele de propulsie spațială”, care subliniază obiectivele NASA pentru viitoarele călătorii în spațiu. Planul enumeră tot felul de proiecte de propulsie, de la rachete chimice avansate până la dezvoltări de anvergură precum antimaterie sau mașini nucleare. Dar aria de cercetare a lui White este cea mai futuristă dintre toate: se referă la motorul space warp.

așa este de obicei înfățișată bula lui Alcubierre

Conform planului, un astfel de motor va asigura mișcarea în spațiu cu o viteză care depășește viteza luminii. Este în general acceptat că acest lucru este imposibil, deoarece este o încălcare clară a teoriei relativității a lui Einstein. Dar White argumentează contrariul. Ca confirmare a cuvintelor sale, el face apel la așa-numitele bule Alcubierre (ecuații derivate din teoria lui Einstein, conform căreia un corp din spațiul cosmic este capabil să atingă viteze superluminale, spre deosebire de un corp în condiții normale). În prezentare, el a povestit cum a reușit recent să obțină rezultate teoretice care duc direct la crearea unui adevărat motor spațial warp.

Este clar că toate acestea sună absolut fantastic: astfel de evoluții reprezintă o adevărată revoluție care va dezlega mâinile tuturor astrofizicienilor din lume. În loc să petrecem 75.000 de ani călătorind la Alpha Centauri, cel mai apropiat sistem stelar de al nostru, astronauții de pe o navă cu un astfel de motor ar putea face călătoria în câteva săptămâni.

Având în vedere închiderea programului de navetă și rolul în creștere al zborurilor private către orbita joasă a Pământului, NASA spune că se reorientează asupra unor planuri de anvergură, mult mai îndrăznețe, care depășesc cu mult călătoria pe Lună. Aceste obiective pot fi atinse doar prin dezvoltarea de noi sisteme de propulsie - cu cât mai devreme, cu atât mai bine. La câteva zile după conferință, șeful NASA, Charles Bolden, a făcut ecou cuvintele lui White: „Vrem să călătorim mai repede decât viteza luminii și fără oprire pe Marte”.

DE CUM ȘTIM DESPRE ACEST MOTOR

Prima utilizare populară a termenului „space warp drive” datează din 1966, când Star Trek a fost lansat de Jen Roddenberry. În următorii 30 de ani, acest motor a existat doar ca parte a acestei serii fantastice. Un fizician pe nume Miguel Alcubierre a vizionat un episod al serialului exact în timp ce lucra la doctoratul în relativitate generală și se întreba dacă este posibil să creeze o unitate warp în realitate. În 1994, a publicat o lucrare în care stabilește această poziție.

Alcubierre și-a imaginat o bulă în spațiu. În partea din față a bulei, spațiul-timp se micșorează, iar în spate se extinde (cum a fost la Big Bang, conform fizicienilor). Deformarea va face ca nava să alunece lin prin spațiul cosmic, ca și cum ar fi navigat pe un val, în ciuda zgomotului din jur. În principiu, o bula deformată se poate mișca arbitrar rapid; limitările în viteza luminii, conform teoriei lui Einstein, se aplică numai în contextul spațiu-timpului, dar nu și în astfel de distorsiuni ale spațiului-timp. În interiorul bulei, a prezis Alcubierre, spațiu-timp nu s-ar schimba și călătorii în spațiu nu vor fi afectați.

Ecuațiile lui Einstein în relativitatea generală sunt dificil de rezolvat într-o singură direcție, dând seama cum materia curbează spațiul, dar este realizabil. Folosindu-le, Alcubierre a stabilit că distribuția materiei este o condiție necesară pentru crearea unei bule deformate. Singura problemă este că soluțiile au condus la o formă nedefinită de materie numită energie negativă.

În termeni simpli, gravitația este forța de atracție dintre două obiecte. Fiecare obiect, indiferent de dimensiunea lui, exercită o anumită forță de atracție asupra materiei înconjurătoare. Potrivit lui Einstein, această forță este o curbură a spațiului-timp. Energia negativă este însă negativă gravitațional, adică respingătoare. În loc să conecteze timpul și spațiul, energia negativă le respinge și le separă. În linii mari, pentru ca acest model să funcționeze, Alcubierra are nevoie de energie negativă pentru a extinde spațiul-timp din spatele navei.

În ciuda faptului că nimeni nu a măsurat vreodată în mod specific energia negativă, conform mecanicii cuantice, aceasta există, iar oamenii de știință au învățat cum să o creeze în laborator. O modalitate de a o recrea este prin efectul Kazimirov: două plăci conductoare paralele plasate una lângă cealaltă creează o anumită cantitate de energie negativă. Punctul slab al modelului Alcubierre este că implementarea lui necesită o cantitate uriașă de energie negativă, cu câteva ordine de mărime mai mare decât, conform oamenilor de știință, poate fi produsă.

White spune că a găsit o cale de a ocoli această limitare. Într-o simulare computerizată, White a modificat geometria câmpului warp, astfel încât, teoretic, să poată produce o bula deformată folosind de milioane de ori mai puțină energie negativă decât a estimat Alcubierra necesară și poate suficient de puțină pentru ca o navă spațială să-și poată transporta mijloacele de producție. . „Descoperirile”, spune White, „schimbă metoda lui Alcubierre de la nepractică la destul de plauzibilă”.

RAPORT DE LA LAB WHITE

Centrul Spațial Johnson este situat lângă lagunele Houston, de unde se deschide calea către Golful Galveston. Centrul este un pic ca un campus de colegiu suburban, având ca scop doar formarea astronauților. În ziua vizitei mele, White mă întâlnește la Clădirea 15, un labirint cu mai multe etaje de coridoare, birouri și laboratoare de testare a motoarelor. White poartă un tricou polo Eagleworks, așa cum își numește experimentele cu motorul, brodat cu un vultur care plutește deasupra unei nave spațiale futuriste.

White și-a început cariera ca inginer făcând cercetări ca parte a unui grup robotic. De-a lungul timpului, el a preluat comanda întregii aripi robotice a ISS în timp ce își termina doctoratul în fizica plasmei. Abia în 2009 și-a mutat atenția către studiul mișcării, iar acest subiect l-a captat suficient pentru a deveni principalul motiv pentru care a plecat să lucreze pentru NASA.

„Este o persoană destul de neobișnuită”, spune șeful său, John Applewhite, care conduce divizia de sisteme de propulsie. - Este cu siguranță un mare visător, dar în același timp un inginer talentat. Știe cum să-și transforme fanteziile într-un adevărat produs de inginerie.” Cam în aceeași perioadă în care sa alăturat NASA, White a cerut permisiunea de a-și deschide propriul laborator dedicat sistemelor avansate de propulsie. El însuși a venit cu numele Eagleworks și chiar a cerut NASA să creeze un logo pentru specialitatea sa. Apoi a început această lucrare.

White mă conduce la biroul lui, pe care îl împarte cu un coleg care caută apă pe Lună, apoi mă conduce în jos la Eagleworks. Pe drum, îmi povestește despre cererea lui de a deschide un laborator și îl numește „un proces lung și dificil de găsire a unei mișcări avansate care să-l ajute pe om să exploreze spațiul”.

White îmi arată obiectul și îmi arată funcția lui centrală, ceva pe care el îl numește „Quantum Vacuum Plasma Thruster” (QVPT). Acest dispozitiv arată ca o gogoașă uriașă de catifea roșie, cu fire împletite strâns în jurul miezului. Aceasta este una dintre cele două inițiative Eagleworks (cealaltă este motorul warp). Este, de asemenea, o dezvoltare secretă. Când întreb ce este, White îmi răspunde că nu poate decât să spună că această tehnologie este chiar mai rece decât motorul warp). Potrivit unui raport NASA din 2011 scris de White, ambarcațiunea folosește ca sursă de combustibil fluctuațiile cuantice din spațiul gol, ceea ce înseamnă că o navă spațială alimentată cu QVPT nu necesită combustibil.

Motorul folosește fluctuațiile cuantice din spațiul gol ca sursă de combustibil,
ceea ce înseamnă navă spațială
alimentat de QVPT, nu necesită combustibil.

Când dispozitivul funcționează, sistemul lui White arată perfect cinematografic: culoarea laserului este roșie, iar cele două fascicule sunt încrucișate ca săbiile. În interiorul inelului sunt patru condensatoare ceramice din titanat de bariu, pe care White îl încarcă până la 23.000 de volți. White și-a petrecut ultimii doi ani și jumătate dezvoltând experimentul și spune că condensatoarele arată o energie potențială extraordinară. Cu toate acestea, când întreb cum să creez energia negativă necesară pentru spațiu-timp deformat, el se sustrage de la răspuns. El explică că a semnat un acord de confidențialitate și, prin urmare, nu poate dezvălui detalii. Întreb cu cine a făcut aceste înțelegeri. El spune: „Cu oamenii. Ei vin și vor să vorbească. Nu vă pot da mai multe detalii.”

OPOZITII IDEEI DE MOTOR

Până acum, teoria călătoriei deformate este destul de intuitivă - deformarea timpului și a spațiului pentru a crea o bulă în mișcare - și are câteva defecte semnificative. Chiar dacă White reduce semnificativ cantitatea de energie negativă pe care o cere Alcubierra, va necesita totuși mai mult decât pot produce oamenii de știință, spune Lawrence Ford, un fizician teoretician la Universitatea Tufts, care a scris numeroase lucrări pe tema energiei negative în ultimii 30 de ani. . Ford și alți fizicieni susțin că există limitări fizice fundamentale și nu este vorba atât de imperfecțiuni de inginerie, ci de faptul că o astfel de cantitate de energie negativă nu poate exista într-un loc mult timp.

O altă complicație: pentru a crea o minge warp care se mișcă mai repede decât lumina, oamenii de știință vor trebui să genereze energie negativă în jur. nava spatiala inclusiv deasupra lui. White nu crede că aceasta este o problemă; el răspunde destul de vag că cel mai probabil motorul va funcționa din cauza unor „aparate existente care creează condițiile necesare”. Cu toate acestea, crearea acestor condiții în fața navei ar însemna furnizarea unui aport constant de energie negativă care călătorește mai repede decât viteza luminii, contrazicând din nou relativitatea generală.

În cele din urmă, motorul space warp ridică o întrebare conceptuală. În relativitatea generală, călătoria FTL este echivalentă cu călătoria în timp. Dacă un astfel de motor este real, White creează o mașină a timpului.

Aceste obstacole dau naștere unor îndoieli serioase. „Nu cred că fizica pe care o cunoaștem și legile ei ne permit să presupunem că va realiza ceva cu experimentele sale”, spune Ken Olum, fizician la Universitatea Tufts, care a participat și la dezbaterea despre mișcarea exotică la Starship 100th. Întâlnire aniversară.” Noah Graham, un fizician la Middlebury College, care a citit două dintre lucrările lui White la cererea mea, mi-a trimis un e-mail: „Nu văd nicio dovadă științifică valoroasă în afară de referințe la lucrările sale anterioare”.

Alcubierre, acum fizician la Universitatea Națională Autonomă din Mexic, are propriile îndoieli. „Chiar dacă stau pe o navă spațială și am energie negativă disponibilă, nu am cum să o pot pune acolo unde este nevoie”, îmi spune el la telefon din casa lui din Mexico City. - Nu, ideea este magică, îmi place, am scris-o singur. Dar are câteva defecte serioase pe care le văd deja de-a lungul anilor și nu știu o singură modalitate de a le remedia.”

VIITORUL SUPERSPEED-urilor

În stânga porții principale a Centrului de Știință Johnson, o rachetă Saturn-B se află pe o parte, cu etapele decuplate pentru a-și dezvălui conținutul. Este gigantic - dimensiunea unuia dintre multele motoare este de dimensiunea unei mașini mici, iar racheta în sine este cu câțiva metri mai lungă decât un teren de fotbal. Aceasta, desigur, este o dovadă destul de elocventă a particularităților navigației spațiale. În plus, ea are 40 de ani și timpul pe care îl reprezintă - când NASA făcea parte dintr-un plan național uriaș de a trimite un bărbat pe Lună - a trecut de mult. JSC astăzi este doar un loc care a fost cândva grozav, dar de atunci a părăsit avangarda spațială.

O descoperire în trafic ar putea însemna o nouă eră pentru JSC și NASA și, într-o oarecare măsură, o parte a acelei ere este deja la început. Sonda Dawn ("Dawn"), lansată în 2007, studiază inelul asteroizilor folosind motoare ionice. În 2010, japonezii au pus în funcțiune Icarus, prima navă interplanetară alimentată de o velă solară, un alt tip de propulsie experimentală. Și în 2016, oamenii de știință intenționează să testeze VASMIR, un sistem alimentat cu plasmă creat special pentru propulsie înaltă la ISS. Dar atunci când aceste sisteme pot duce astronauți pe Marte, ei tot nu vor putea să-i ducă în afara sistemului solar. Pentru a realiza acest lucru, a spus White, NASA va trebui să își asume proiecte mai riscante.

Warp Drive este, probabil, cel mai înverșunat dintre eforturile NASA de proiectare a mișcării. Comunitatea științifică spune că White nu-l poate crea. Experții spun că funcționează împotriva legilor naturii și fizicii. În ciuda acestui fapt, NASA este în spatele proiectului. „Nu este subvenționat la nivel guvernamental înalt, ar trebui să fie”, spune Applewhite. - Cred că conducerea are un interes deosebit ca el să-și continue munca; este unul dintre acele concepte teoretice care, dacă au succes, schimbă complet jocul”.

În ianuarie, White și-a asamblat interferometrul warp și a trecut la următoarea sa țintă. Eagleworks și-a depășit propria casă. Noul laborator este mai mare și, așa cum afirmă el cu entuziasm, „izolat seismic”, ceea ce înseamnă că este protejat de vibrații. Dar poate cel mai bun lucru despre noul laborator (și cel mai impresionant) este că NASA i-a oferit lui White aceleași condiții pe care le-au avut Neil Armstrong și Buzz Aldrin pe Lună. Ei bine, să vedem.

Dar s-a dovedit că este posibil; acum ei cred că niciodată nu vom putea călători mai repede decât lumina... ". Dar, de fapt, nu este adevărat că cineva a crezut cândva că este imposibil să călătorească mai repede decât sunetul. Cu mult înainte de apariția aeronavelor supersonice, era deja cunoscut. că gloanțele zboară mai repede decât sunetul. gestionate zbor supersonic și asta a fost greșeala. Mișcarea SS este o chestiune complet diferită. A fost clar de la început că zborul supersonic a fost îngreunat de probleme tehnice care trebuiau pur și simplu rezolvate. Dar este complet neclar dacă problemele care împiedică mișcarea SS vor putea fi vreodată rezolvate. Teoria relativității are multe de spus despre asta. Dacă călătoria SS sau chiar transmiterea semnalului este posibilă, atunci cauzalitatea va fi încălcată și din aceasta vor decurge concluzii absolut incredibile.

Vom discuta mai întâi cazuri simple de mișcare CC. Le menționăm nu pentru că sunt interesante, ci pentru că reapar iar și iar în discuțiile despre mișcarea STS și, prin urmare, trebuie să fie tratate. Apoi vom discuta despre ceea ce considerăm a fi cazuri dificile de mișcare sau comunicare STS și vom analiza câteva dintre argumentele împotriva lor. În cele din urmă, vom lua în considerare cele mai serioase presupuneri despre mișcarea STS reală.

Mișcare simplă SS

1. Fenomenul radiației Cherenkov

O modalitate de a vă deplasa mai repede decât lumina este să încetiniți mai întâi lumina în sine! :-) În vid, lumina se deplasează cu o viteză c, iar această valoare este o constantă mondială (vezi întrebarea Este viteza luminii constantă), iar într-un mediu mai dens, cum ar fi apa sau sticla, încetinește până la viteza c/n, Unde n este indicele de refracție al mediului (1,0003 pentru aer; 1,4 pentru apă). Prin urmare, particulele se pot mișca mai repede în apă sau în aer decât lumina acolo. Ca urmare, apare radiația Vavilov-Cherenkov (vezi întrebarea ).

Dar când vorbim despre mișcarea SS, ne referim, desigur, la depășirea vitezei luminii în vid. c(299 792 458 m/s). Prin urmare, fenomenul Cherenkov nu poate fi considerat un exemplu de mișcare SS.

2. Terț

Dacă racheta DAR zboară departe de mine cu o viteză 0,6c vest și celălalt B- de la mine cu viteză 0,6c est, apoi distanța totală dintre DARși Bîn cadrul meu de referință crește cu viteza 1.2c. Astfel, o viteză relativă aparentă mai mare decât c poate fi observată „de la un terț”.

Cu toate acestea, această viteză nu este ceea ce înțelegem de obicei prin viteză relativă. Viteza reală a rachetei DAR referitor la rachetă B- aceasta este rata de creștere a distanței dintre rachete, care este observată de observatorul din rachetă B. Două viteze trebuie adăugate conform formulei relativiste de adunare a vitezelor (vezi întrebarea Cum se adună viteze în special relativitatea). În acest caz, viteza relativă este de aproximativ 0,88c, adică nu este superluminală.

3. Umbre și iepurași

Gândiți-vă cât de repede se poate mișca umbra? Dacă creați o umbră pe un perete îndepărtat de la degetul de la o lampă din apropiere și apoi mișcați degetul, atunci umbra se mișcă mult mai repede decât degetul. Dacă degetul se mișcă paralel cu perete, atunci viteza umbrei va fi D/d ori viteza degetului, unde d este distanța de la deget până la lampă și D- distanta de la lampa la perete. Și puteți obține și mai multă viteză dacă peretele este situat într-un unghi. Dacă peretele este foarte departe, atunci mișcarea umbrei va rămâne în urma mișcării degetului, deoarece lumina va trebui să zboare de la deget la perete, dar totuși viteza umbrei va fi de atâtea ori. mai mare. Adică, viteza umbrei nu este limitată de viteza luminii.

Pe lângă umbre, iepurașii se pot mișca și mai repede decât lumina, de exemplu, o pată de la un fascicul laser îndreptat către lună. Știind că distanța până la Lună este de 385.000 km, încearcă să calculezi viteza iepurașului dacă miști ușor laserul. De asemenea, vă puteți gândi la un val de mare care lovește malul oblic. Cu ce ​​viteză se poate mișca punctul în care se sparge valul?

Lucruri similare se pot întâmpla în natură. De exemplu, un fascicul de lumină de la un pulsar poate trece printr-un nor de praf. Un bliț strălucitor generează o înveliș de lumină sau alte radiații în expansiune. Când traversează suprafața, creează un inel de lumină care crește mai repede decât viteza luminii. În natură, acest lucru se întâmplă atunci când un impuls electromagnetic de la fulger ajunge în atmosfera superioară.

Toate acestea erau exemple de lucruri care se mișcau mai repede decât lumina, dar care nu erau corpuri fizice. Cu ajutorul unei umbre sau al unui iepuraș, nu poți transmite un mesaj CC, așa că comunicarea mai rapidă decât lumina nu este posibilă. Și din nou, se pare că nu este ceea ce vrem să înțelegem prin mișcare CC, deși devine clar cât de dificil este să stabilim exact de ce avem nevoie (vezi întrebarea Foarfece FTL).

4. Corpuri rigide

Dacă iei un băț lung și dur și împingi un capăt al acestuia, celălalt capăt se mișcă imediat sau nu? Este posibil să se efectueze transmisia SS a mesajului în acest mod?

da, a fost ar ar putea fi făcut dacă ar exista astfel de corpuri solide. În realitate, influența unei lovituri la capătul unui băț se propagă de-a lungul acestuia cu viteza sunetului într-o anumită substanță, iar viteza sunetului depinde de elasticitatea și densitatea materialului. Relativitatea impune o limită absolută a posibilei durități a oricăror corpuri, astfel încât viteza sunetului în ele să nu depășească c.

Același lucru se întâmplă dacă vă aflați în câmpul de atracție și țineți mai întâi sfoara sau stâlpul vertical de capătul superior, apoi eliberați-l. Punctul pe care îl lăsați va începe să se miște imediat, iar capătul inferior nu poate începe să cadă până când influența eliberării va ajunge la el cu viteza sunetului.

Este dificil de formulat o teorie generală a materialelor elastice în termeni de relativitate, dar ideea de bază poate fi arătată și folosind exemplul mecanicii newtoniene. Ecuația pentru mișcarea longitudinală a unui corp perfect elastic poate fi obținută din legea lui Hooke. În variabile masa pe unitatea de lungime pși modulul lui Young Y, deplasare longitudinală X satisface ecuația de undă.

Soluția de undă plană se mișcă cu viteza sunetului s, și s 2 = A/p. Această ecuație nu presupune posibilitatea ca o influență cauzală să se propagă mai rapid s. Astfel, relativitatea impune o limită teoretică a cantității de elasticitate: Y < pc2. Practic, nu există materiale nici măcar aproape de el. Apropo, chiar dacă viteza sunetului în material este aproape de c, materia în sine nu este necesară să se miște cu viteză relativistă. Dar de unde știm că, în principiu, nu poate exista nicio substanță care să depășească această limită? Răspunsul este că toate substanțele sunt formate din particule, interacțiunea dintre care se supune modelului standard al particulelor elementare, iar în acest model nicio interacțiune nu se poate propaga mai repede decât lumina (vezi mai jos despre teoria câmpului cuantic).

5. Viteza fazei

Priviți această ecuație de undă:

Are solutii precum:

Aceste soluții sunt unde sinusoidale care se mișcă cu o viteză

Dar aceasta este mai rapidă decât lumina, așa că avem în mâini ecuația câmpului tahionic? Nu, aceasta este doar ecuația relativistă obișnuită a unei particule scalare masive!

Paradoxul va fi rezolvat dacă înțelegem diferența dintre această viteză, numită și viteza de fază vph de la o altă viteză, numită viteza de grup v gr care este dat de formula,

Dacă soluția de undă are o răspândire a frecvenței, atunci va lua forma unui pachet de undă, care se mișcă cu o viteză de grup care nu depășește c. Doar crestele valurilor se misca cu viteza de faza. Este posibil să transmitem informații folosind o astfel de undă doar cu o viteză de grup, astfel încât viteza de fază ne oferă un alt exemplu de viteză superluminală, care nu poate transporta informații.

7. Racheta relativista

Un controler de pe Pământ urmărește o navă spațială care pleacă cu o viteză de 0,8 c. Conform teoriei relativității, chiar și după ce ține cont de deplasarea Doppler a semnalelor de la navă, va vedea că timpul de pe navă este încetinit și ceasurile de acolo merg mai încet cu un factor de 0,6. Dacă calculează câtul dintre distanța parcursă de navă împărțit la timpul scurs măsurat de ceasul navei, va obține 4/3 c. Aceasta înseamnă că pasagerii navei călătoresc prin spațiul interstelar cu o viteză efectivă mai mare decât viteza luminii pe care ar avea-o dacă ar fi măsurat. Din perspectiva pasagerilor navei, distanțele interstelare sunt supuse contracției lorentziane cu același factor de 0,6, ceea ce înseamnă că și ei trebuie să admită că acoperă distanțe interstelare cunoscute cu o rată de 4/3. c.

Acesta este un fenomen real și, în principiu, poate fi folosit de călătorii în spațiu pentru a depăși distanțe uriașe de-a lungul vieții. Dacă accelerează cu o accelerație constantă egală cu accelerația gravitației de pe Pământ, atunci nu numai că vor avea gravitația artificială ideală pe navă, dar vor avea totuși timp să traverseze Galaxia în doar 12 dintre ani! (Vezi întrebarea Care sunt ecuațiile unei rachete relativiste?)

Totuși, aceasta nu este o adevărată mișcare SS. Viteza efectivă este calculată din distanță într-un cadru de referință și timp în altul. Aceasta nu este viteza reală. Doar pasagerii navei beneficiază de această viteză. Dispecerul, de exemplu, nu va avea timp în viața lui să vadă cum zboară pe o distanță gigantică.

Cazuri dificile de mișcare SS

9. Paradoxul lui Einstein, Podolsky, Rosen (EPR)

10. Fotoni virtuali

11. Tunnel cuantic

Candidați adevărați pentru călătorii SS

Această secțiune conține ipoteze speculative, dar serioase cu privire la posibilitatea călătoriei FTL. Acestea nu vor fi genul de lucruri care sunt de obicei puse într-o Întrebări frecvente, deoarece ridică mai multe întrebări decât răspund. Ele sunt prezentate aici în principal pentru a arăta că se fac cercetări serioase în această direcție. Se face doar o scurtă introducere în fiecare direcție. Informații mai detaliate pot fi găsite pe Internet.

19. Tahioane

Tahionii sunt particule ipotetice care călătoresc local mai repede decât lumina. Pentru a face acest lucru, trebuie să aibă o masă imaginară, dar energia și impulsul lor trebuie să fie pozitive. Uneori se crede că astfel de particule CC ar trebui să fie imposibil de detectat, dar, de fapt, nu există niciun motiv să credem asta. Umbrele și iepurașii ne spun că stealth nu rezultă din CC-ul mișcării.

Tahionii nu au fost niciodată observați și majoritatea fizicienilor se îndoiesc de existența lor. S-a afirmat odată că au fost efectuate experimente pentru a măsura masa neutrinilor emiși în timpul dezintegrarii tritiului și că acești neutrini erau tahioni. Acest lucru este foarte îndoielnic, dar încă nu este exclus. Există probleme cu teoriile tahionice, deoarece în ceea ce privește posibilele încălcări ale cauzalității, acestea destabilizază vidul. Este posibil să ocolim aceste probleme, dar atunci va fi imposibil să folosim tahioni în mesajul SS de care avem nevoie.

Adevărul este că majoritatea fizicienilor consideră tahionii un semn al unei erori în teoriile lor de domeniu, iar interesul față de ei din partea publicului larg este alimentat în principal de science fiction (vezi articolul Tahioni).

20. Găuri de vierme

Cea mai cunoscută posibilitate presupusă a călătoriei STS este utilizarea găurilor de vierme. Găurile de vierme sunt tuneluri în spațiu-timp care leagă un loc din univers de altul. Ele se pot deplasa între aceste puncte mai repede decât ar urma lumina pe calea obișnuită. Găurile de vierme sunt un fenomen al relativității generale clasice, dar pentru a le crea, trebuie să schimbați topologia spațiului-timp. Posibilitatea acestui lucru poate fi cuprinsă în teoria gravitației cuantice.

Sunt necesare cantități uriașe de energie negativă pentru a menține găurile de vierme deschise. Misnerși Ghimpe a sugerat că efectul Casimir pe scară largă poate fi folosit pentru a genera energie negativă și Visser a propus o soluție folosind corzi cosmice. Toate aceste idei sunt foarte speculative și pot fi pur și simplu nerealiste. Este posibil ca o substanță neobișnuită cu energie negativă să nu existe în forma necesară pentru fenomen.

Thorne a descoperit că, dacă ar putea fi create găuri de vierme, acestea ar putea crea bucle de timp închise care ar face posibilă călătoria în timp. De asemenea, s-a sugerat că interpretarea multivariată a mecanicii cuantice sugerează că călătoria în timp nu va provoca paradoxuri și că evenimentele se vor desfășura pur și simplu diferit atunci când intri în trecut. Hawking spune că găurile de vierme pot fi pur și simplu instabile și, prin urmare, inutilizabile în practică. Dar subiectul în sine rămâne un domeniu fructuos pentru experimente de gândire, permițându-vă să vă dați seama ce este posibil și ce nu este posibil, pe baza atât a legilor cunoscute, cât și a celor presupuse ale fizicii.
refs:
W. G. Morris și K. S. Thorne, Jurnalul American de Fizică 56 , 395-412 (1988)
W. G. Morris, K. S. Thorne și U. Yurtsever, Phys. Rev. scrisori 61 , 1446-9 (1988)
Matt Visser, Revista fizică D39, 3182-4 (1989)
vezi, de asemenea, „Găurile negre și deformarea timpului” Kip Thorn, Norton & co. (1994)
Pentru o explicație a multiversului vezi, „The Fabric of Reality” David Deutsch, Penguin Press.

21. Motoare deformatoare

[Nu am idee cum să traduc asta! Unitatea warp originală. - aprox. traducător
tradus prin analogie cu articolul despre Membrane]

Urzeala ar putea fi un mecanism de răsucire a spațiului-timp, astfel încât un obiect să poată călători mai repede decât lumina. Miguel Alcabière a devenit faimos pentru că a dezvoltat geometria care descrie un astfel de deformator. Distorsiunea spațiu-timp face posibil ca un obiect să călătorească mai repede decât lumina, rămânând pe o curbă asemănătoare timpului. Obstacolele sunt aceleași ca atunci când se creează găuri de vierme. Pentru a crea un deformator, aveți nevoie de o substanță cu o densitate de energie negativă u. Chiar dacă o astfel de substanță este posibilă, încă nu este clar cum poate fi obținută și cum să o folosești pentru a face ca deformatorul să funcționeze.
ref M. Alcubierre, Gravitația clasică și cuantică, 11 , L73-L77, (1994)

Concluzie

În primul rând, nu a fost ușor de definit în general ce înseamnă o călătorie SS și un mesaj SS. Multe lucruri, precum umbrele, fac CC să se miște, dar în așa fel încât să nu poată fi folosit, de exemplu, pentru a transmite informații. Există însă și posibilități serioase de mișcare SS reale, care sunt propuse în literatura științifică, dar implementarea lor este încă imposibilă din punct de vedere tehnic. Principiul incertitudinii Heisenberg face imposibilă utilizarea mișcării CC aparente în mecanica cuantică. În relativitatea generală, există mijloace potențiale de propulsie SS, dar este posibil să nu fie posibilă utilizarea lor. Pare extrem de puțin probabil ca în viitorul previzibil, sau deloc, tehnologia să poată crea nave spațiale cu motoare SS, dar este curios că fizica teoretică, așa cum o știm acum, nu închide definitiv ușa propulsiei SS. Mișcarea SS în stilul romanelor științifico-fantastice este aparent complet imposibilă. Pentru fizicieni, întrebarea este interesantă: „de ce, de fapt, este imposibil acest lucru și ce se poate învăța din asta?”

Drepturi de autor pentru imagine Thinkstock

Actualul record de viteză în spațiu este deținut de 46 de ani. Corespondentul s-a întrebat când va fi bătut.

Noi, oamenii, suntem obsedați de viteză. Așadar, abia în ultimele luni s-a știut că studenții din Germania au stabilit un record de viteză pentru o mașină electrică, iar Forțele Aeriene ale SUA intenționează să îmbunătățească aeronavele hipersonice în așa fel încât să dezvolte viteze de cinci ori mai mari decât viteza sunetului, adică. peste 6100 km/h.

Astfel de avioane nu vor avea echipaj, dar nu pentru că oamenii nu se pot deplasa cu o viteză atât de mare. De fapt, oamenii s-au mișcat deja la viteze care sunt de câteva ori mai mari decât viteza sunetului.

Cu toate acestea, există o limită dincolo de care corpurile noastre care se grăbesc rapid nu vor mai putea rezista la supraîncărcări?

Recordul actual de viteză este deținut în egală măsură de trei astronauți care au participat la misiunea spațială Apollo 10 - Tom Stafford, John Young și Eugene Cernan.

În 1969, când astronauții au zburat în jurul Lunii și s-au întors înapoi, capsula în care se aflau a atins o viteză care pe Pământ ar fi egală cu 39,897 km/h.

„Cred că cu o sută de ani în urmă cu greu ne-am fi putut imagina că o persoană ar putea călători în spațiu cu o viteză de aproape 40.000 de kilometri pe oră”, spune Jim Bray de la concernul aerospațial Lockheed Martin.

Bray este directorul proiectului modulului locuibil pentru promițătoarea navă spațială Orion, care este dezvoltat de Agenția Spațială SUA NASA.

Așa cum a fost concepută de dezvoltatori, nava spațială Orion - multifuncțională și parțial reutilizabilă - ar trebui să ducă astronauții pe orbita joasă a Pământului. Este posibil ca cu ajutorul lui să se poată doborî recordul de viteză stabilit pentru o persoană în urmă cu 46 de ani.

Noua rachetă super-grea, parte a Sistemului de Lansare Spațială, este programată să facă primul zbor cu echipaj în 2021. Acesta va fi un zbor al unui asteroid pe orbită lunară.

O persoană obișnuită poate gestiona aproximativ cinci G înainte de a leșina.

Apoi ar trebui să urmeze expediții de câteva luni pe Marte. Acum, potrivit designerilor, viteza maximă obișnuită a lui Orion ar trebui să fie de aproximativ 32.000 km/h. Cu toate acestea, viteza pe care a dezvoltat-o ​​Apollo 10 poate fi depășită chiar dacă se menține configurația de bază a navei spațiale Orion.

„Orionul este proiectat să zboare către o varietate de ținte de-a lungul vieții sale”, spune Bray. „Ar putea fi mult mai rapid decât ceea ce plănuim în prezent”.

Dar nici „Orion” nu va reprezenta vârful potențialului vitezei umane. „Practic, nu există altă limită pentru viteza cu care putem călători, în afară de viteza luminii”, spune Bray.

Viteza luminii este de un miliard de km/h. Există vreo speranță că vom putea reduce decalajul dintre 40.000 km/h și aceste valori?

În mod surprinzător, viteza ca mărime vectorială care indică viteza de mișcare și direcția de mișcare nu este o problemă pentru oameni în sens fizic, atâta timp cât este relativ constantă și direcționată într-o singură direcție.

Prin urmare, oamenii – teoretic – se pot deplasa în spațiu doar puțin mai lent decât „limita de viteză a universului”, adică. viteza luminii.

Drepturi de autor pentru imagine NASA Legendă imagine Cum se va simți o persoană într-o navă care zboară cu viteza aproape de lumină?

Dar chiar și presupunând că depășim obstacolele tehnologice semnificative asociate cu construirea de nave spațiale rapide, corpurile noastre fragile, în mare parte de apă, se vor confrunta cu noi pericole din cauza efectelor vitezei mari.

Ar putea exista, deocamdată, doar pericole imaginare dacă oamenii ar putea călători mai repede decât viteza luminii prin exploatarea lacunelor din fizica modernă sau prin descoperiri care sparg tiparul.

Cum să reziste la suprasarcină

Totuși, dacă ne propunem să călătorim cu viteze care depășesc 40.000 km/h, va trebui să ajungem la el și apoi să încetinim, încet și cu răbdare.

Accelerația rapidă și decelerația la fel de rapidă sunt pline de pericol de moarte pentru corpul uman. Acest lucru este dovedit de gravitatea vătămărilor corporale rezultate în urma accidentelor de mașină, în care viteza scade de la câteva zeci de kilometri pe oră la zero.

Care este motivul pentru aceasta? În acea proprietate a Universului, care se numește inerție sau capacitatea unui corp fizic cu masă de a rezista la schimbarea stării sale de repaus sau de mișcare în absența sau compensarea influențelor externe.

Această idee este formulată în prima lege a lui Newton, care spune: „Fiecare corp continuă să fie menținut în starea sa de repaus sau în mișcare uniformă și rectilinie, până și în măsura în care este forțat de forțele aplicate să schimbe această stare”.

Noi, oamenii, suntem capabili să suportăm forțe G uriașe fără răni grave, totuși, doar pentru câteva momente.

„Starea de odihnă și mișcare cu o viteză constantă este normală pentru corpul uman, - explică Bray. - Ar trebui să ne îngrijorăm mai degrabă cu privire la starea persoanei în momentul accelerării.”

Cu aproximativ un secol în urmă, dezvoltarea aeronavelor durabile care puteau manevra cu viteză i-a determinat pe piloți să raporteze simptome ciudate cauzate de schimbările de viteză și direcție de zbor. Aceste simptome au inclus pierderea temporară a vederii și o senzație fie de greutate, fie de imponderabilitate.

Motivul este forțele g, măsurate în unități de G, care sunt raportul dintre accelerația liniară și accelerația căderii libere pe suprafața Pământului sub influența atracției sau gravitației. Aceste unități reflectă efectul accelerației căderii libere asupra masei, de exemplu, a corpului uman.

O suprasarcină de 1 G este egală cu greutatea unui corp care se află în câmpul gravitațional al Pământului și este atras de centrul planetei cu o viteză de 9,8 m/sec (la nivelul mării).

Forțele G pe care o persoană le experimentează vertical din cap până în picioare sau invers sunt o veste cu adevărat proastă pentru piloți și pasageri.

Cu suprasarcini negative, de ex. încetinind, sângele curge de la degetele de la picioare la cap, există o senzație de suprasaturare, ca într-o poziție de mână.

Drepturi de autor pentru imagine SPL Legendă imagine Pentru a înțelege câte G pot rezista astronauții, aceștia sunt antrenați într-o centrifugă.

„Valul roșu” (sentimentul pe care îl experimentează o persoană când sângele iese în cap) apare atunci când pleoapele inferioare translucide și umflate de sânge se ridică și închid pupilele ochilor.

În schimb, în ​​timpul accelerării sau al forțelor g pozitive, sângele se scurge de la cap la picioare, ochii și creierul încep să experimenteze o lipsă de oxigen, deoarece sângele se acumulează în extremitățile inferioare.

La început, vederea devine tulbure, adică. are loc o pierdere a vederii culorii și se rostogolește, după cum se spune, un „voal gri”, apoi apare o pierdere completă a vederii sau un „voal negru”, dar persoana rămâne conștientă.

Supraîncărcările excesive duc la pierderea completă a conștienței. Această afecțiune se numește sincopă indusă de congestie. Mulți piloți au murit din cauza faptului că un „voal negru” le-a căzut peste ochi – și s-au prăbușit.

O persoană obișnuită poate gestiona aproximativ cinci G înainte de a leșina.

Piloții, îmbrăcați în salopete speciale anti-G și antrenați într-un mod special pentru a tensiona și relaxa mușchii trunchiului, astfel încât sângele să nu se scurgă din cap, sunt capabili să controleze aeronava cu supraîncărcări de aproximativ nouă G.

După ce ating o viteză de croazieră constantă de 26.000 km/h pe orbită, astronauții nu experimentează mai multă viteză decât pasagerii companiilor aeriene comerciale.

„Pentru perioade scurte de timp, corpul uman poate rezista la forțe G mult mai mari decât nouă G”, spune Jeff Sventek, director executiv al Asociației de Medicină Aerospațială, cu sediul în Alexandria, Virginia.

Noi, oamenii, suntem capabili să suportăm forțe G enorme fără răni grave, dar doar pentru câteva momente.

Recordul de anduranță pe termen scurt a fost stabilit de căpitanul forțelor aeriene americane Eli Bieding Jr. la baza forțelor aeriene Holloman din New Mexico. În 1958, la frânarea pe o sanie specială propulsată de rachete, după ce a accelerat la 55 km/h în 0,1 secunde, a experimentat o suprasarcină de 82,3 G.

Acest rezultat a fost înregistrat de un accelerometru atașat la piept. Ochii lui Beeding au fost acoperiți de asemenea cu un „voal negru”, dar a scăpat doar cu vânătăi în timpul acestei demonstrații remarcabile a rezistenței corpului uman. Adevărat, după sosire, a petrecut trei zile în spital.

Și acum în spațiu

Astronauții, în funcție de vehicul, au experimentat și ei forțe G destul de mari - de la trei până la cinci G - în timpul decolărilor și, respectiv, în timpul reintrării în atmosferă.

Aceste forțe G sunt relativ ușor de suportat, mulțumită ideii inteligente de a lega călătorii în spațiu pe scaune într-o poziție înclinată în fața direcției de zbor.

Odată ce ating o viteză de croazieră constantă de 26.000 km/h pe orbită, astronauții nu experimentează mai multă viteză decât pasagerii de pe zborurile comerciale.

Dacă supraîncărcările nu vor fi o problemă pentru expedițiile pe termen lung pe nava spațială Orion, atunci cu roci spațiale mici - micrometeoriți - totul este mai dificil.

Drepturi de autor pentru imagine NASA Legendă imagine Orion va avea nevoie de un fel de armură spațială pentru a se proteja împotriva micrometeoriților

Aceste particule de mărimea unui bob de orez pot atinge viteze impresionante, dar distructive, de până la 300.000 km/h. Pentru a asigura integritatea navei și siguranța echipajului său, Orion este echipat cu un strat de protecție extern, a cărui grosime variază de la 18 la 30 cm.

În plus, sunt prevăzute scuturi suplimentare de ecranare, precum și plasarea ingenioasă a echipamentelor în interiorul navei.

„Pentru a nu pierde sistemele de zbor care sunt vitale pentru întreaga navă spațială, trebuie să calculăm cu precizie unghiurile de apropiere ale micrometeoriților”, spune Jim Bray.

Fiți siguri că micrometeoriții nu sunt singurul obstacol în calea misiunilor spațiale, în timpul cărora vitezele mari de zbor ale oamenilor în spațiul fără aer vor juca un rol din ce în ce mai important.

În timpul expediției pe Marte, vor trebui rezolvate și alte sarcini practice, de exemplu, aprovizionarea echipajului cu hrană și contracararea riscului crescut de cancer din cauza efectelor radiațiilor cosmice asupra corpului uman.

Reducerea timpului de călătorie va reduce gravitatea unor astfel de probleme, astfel încât viteza de deplasare va deveni din ce în ce mai dorită.

Zborul spațial de generație următoare

Această nevoie de viteză va pune noi obstacole în calea călătorilor în spațiu.

Noua navă spațială NASA care amenință să doboare recordul de viteză Apollo 10 va continua să se bazeze pe sisteme chimice de propulsie a rachetelor testate în timp, folosite încă de la primele zboruri în spațiu. Dar aceste sisteme au limite severe de viteză datorită eliberării de cantități mici de energie pe unitatea de combustibil.

Cea mai preferată, deși evazivă, sursă de energie pentru o navă spațială rapidă este antimateria, un geamăn și un antipod al materiei obișnuite.

Prin urmare, pentru a crește semnificativ viteza de zbor pentru oamenii care merg pe Marte și nu numai, oamenii de știință recunosc că sunt necesare abordări complet noi.

„Sistemele pe care le avem astăzi sunt destul de capabile să ne ducă acolo”, spune Bray, „dar cu toții am dori să asistăm la o revoluție a motoarelor”.

Eric Davis, un fizician cercetător senior la Institutul pentru Studii Avansate din Austin, Texas, și membru al Programului NASA Breakthrough Motion Physics, un proiect de cercetare de șase ani care sa încheiat în 2002, a identificat trei dintre cele mai promițătoare instrumente, dintr-un instrument convențional. fizică, capabilă să ajute omenirea să atingă viteze rezonabile suficiente pentru călătoriile interplanetare.

Pe scurt, vorbim despre fenomenele de eliberare a energiei în timpul divizării materiei, fuziunea termonucleară și anihilarea antimateriei.

Prima metodă este fisiunea atomică și este utilizată în reactoare nucleare comerciale.

A doua, fuziunea termonucleară, este crearea de atomi mai grei din atomi mai simpli, genul de reacții care alimentează soarele. Aceasta este o tehnologie care fascinează, dar nu este dată mâinilor; până când este „întotdeauna 50 de ani distanță” – și va fi mereu, așa cum spune vechiul motto al acestei industrii.

„Acestea sunt tehnologii foarte avansate”, spune Davis, „dar se bazează pe fizica tradițională și s-au stabilit ferm încă de la începutul erei atomice”. Potrivit estimărilor optimiste, sistemele de propulsie bazate pe conceptele de fisiune atomică și fuziune termonucleară, în teorie, sunt capabile să accelereze o navă până la 10% din viteza luminii, adică. până la o viteză foarte demnă de 100 de milioane de km/h.

Drepturi de autor pentru imagine Forțele aeriene americane Legendă imagine Zborul la viteze supersonice nu mai este o problemă pentru oameni. Un alt lucru este viteza luminii, sau cel puțin aproape de ea...

Cea mai preferată, deși evazivă, sursă de energie pentru o navă spațială rapidă este antimateria, geamăna și antipodul materiei obișnuite.

Când două tipuri de materie intră în contact, se anihilează reciproc, rezultând eliberarea de energie pură.

Tehnologiile de producere și stocare - până acum extrem de mici - cantități de antimaterie există deja astăzi.

În același timp, producția de antimaterie în cantități utile va necesita noi capacități speciale de ultimă generație, iar ingineria va trebui să intre într-o cursă competitivă pentru a crea o navă spațială adecvată.

Dar, spune Davies, o mulțime de idei grozave sunt deja pe planșele de desen.

Navele spațiale propulsate de energia antimateriei vor putea să accelereze luni și chiar ani și să atingă procente mai mari ale vitezei luminii.

În același timp, supraîncărcările de la bord vor rămâne acceptabile pentru locuitorii navelor.

În același timp, astfel de viteze fantastice noi vor fi pline de alte pericole pentru corpul uman.

grindină energetică

La viteze de câteva sute de milioane de kilometri pe oră, orice fir de praf din spațiu, de la atomi de hidrogen dispersați la micrometeoriți, devine inevitabil un glonț de înaltă energie capabil să străpungă corpul unei nave.

„Când te miști cu o viteză foarte mare, înseamnă că particulele care zboară spre tine se mișcă cu aceleași viteze”, spune Arthur Edelstein.

Împreună cu regretatul său tată, William Edelstein, profesor de radiologie la Școala de Medicină a Universității Johns Hopkins, a lucrat la o lucrare științifică care a examinat efectele atomilor de hidrogen cosmic (asupra oamenilor și a echipamentelor) în timpul călătoriilor ultrarapide în spațiu în spațiu.

Hidrogenul va începe să se descompună în particule subatomice, care vor pătrunde în interiorul navei și vor expune atât echipajul, cât și echipamentul la radiații.

Motorul Alcubierre te va purta ca un surfer pe creasta unui val Eric Davies, cercetător în fizică

La 95% viteza luminii, expunerea la astfel de radiații ar însemna moarte aproape instantanee.

Nava va fi încălzită la temperaturi de topire pe care niciun material imaginabil nu le poate rezista, iar apa conținută în corpurile membrilor echipajului va fierbe imediat.

„Toate acestea sunt probleme extrem de urâte”, remarcă Edelstein cu umor sumbru.

El și tatăl său au estimat că, pentru a crea un sistem ipotetic de ecranare magnetică, capabil să protejeze nava și oamenii săi de o ploaie mortală de hidrogen, o navă ar putea călători cu o viteză care să nu depășească jumătate din viteza luminii. Atunci oamenii de la bord au șansa de a supraviețui.

Mark Millis, un fizician translațional și fost șef al Programului Breakthrough Motion Physics al NASA, avertizează că această limită potențială de viteză pentru zborurile spațiale rămâne o problemă pentru viitorul îndepărtat.

"Pe baza cunoștințelor fizice acumulate până în prezent, putem spune că va fi extrem de dificil să dezvoltați o viteză peste 10% din viteza luminii", spune Millis. "Nu suntem încă în pericol. O simplă analogie: de ce să vă faceți griji. că ne putem îneca dacă nici nu am intrat încă în apă”.

Mai rapid decat lumina?

Dacă presupunem că, ca să spunem așa, am învățat să înotăm, vom putea atunci să stăpânim planarea prin spațiu-timp - dacă vom dezvolta această analogie în continuare - și să zburăm cu viteză superluminală?

Ipoteza unei abilități înnăscute de a supraviețui într-un mediu superluminal, deși îndoielnică, nu este lipsită de anumite scăpări de iluminare educată în întunericul total.

Unul dintre aceste moduri de călătorie interesante se bazează pe tehnologii similare cu cele folosite în „warp drive” sau „warp drive” de la Star Trek.

Cunoscut sub numele de „Motor Alcubierre”* (numit după fizicianul teoretician mexican Miguel Alcubierre), acest sistem de propulsie funcționează permițând navei să comprima spațiu-timp normal descris de Albert Einstein în fața sa și să-l extindă în spatele meu.

Drepturi de autor pentru imagine NASA Legendă imagine Recordul actual de viteză este deținut de trei astronauți Apollo 10 - Tom Stafford, John Young și Eugene Cernan.

În esență, nava se mișcă într-un anumit volum de spațiu-timp, un fel de „bulă de curbură”, care se mișcă mai repede decât viteza luminii.

Astfel, nava rămâne staționară în spațiu-timp normal în această „bulă” fără a fi deformată și evitând încălcările limitei universale de viteză a luminii.

„În loc să plutească în coloana de apă a spațiu-timp normal”, spune Davis, „motorul Alcubierre te va purta ca un surfer pe o placă pe creasta unui val”.

Există și un anumit truc aici. Pentru a implementa această idee, este nevoie de o formă exotică de materie, care are o masă negativă pentru a comprima și extinde spațiu-timp.

„Fizica nu conține contraindicații cu privire la masa negativă”, spune Davis, „dar nu există exemple în acest sens și nu am văzut-o niciodată în natură”.

Există un alt truc. Într-o lucrare publicată în 2012, cercetătorii de la Universitatea din Sydney au speculat că „bula de urzeală” ar acumula particule cosmice de înaltă energie, deoarece în mod inevitabil începea să interacționeze cu conținutul universului.

Unele dintre particule vor intra în bula însăși și vor pompa nava cu radiații.

Blocat la viteze sub-lumină?

Suntem cu adevărat sortiți să rămânem blocați în stadiul de viteză sub-lumină din cauza biologiei noastre delicate?!

Nu este vorba atât despre stabilirea unui nou record mondial (galactic?) de viteză pentru o persoană, cât despre perspectiva transformării omenirii într-o societate interstelară.

La jumătate din viteza luminii - care este limita pe care cercetările lui Edelstein sugerează că corpul nostru poate rezista - o călătorie dus-întors către cea mai apropiată stea ar dura mai mult de 16 ani.

(Efectele dilatării timpului, sub care echipajul unei nave spațiale în sistemul său de coordonate va trece mai puțin timp decât pentru oamenii care rămân pe Pământ în sistemul lor de coordonate, nu vor duce la consecințe dramatice la jumătate din viteza luminii).

Mark Millis este plin de speranță. Având în vedere că omenirea a dezvoltat costume anti-g și protecție împotriva micrometeoriților, permițând oamenilor să călătorească în siguranță în marea distanță albastră și în întunericul spațiului plin de stele, el este încrezător că putem găsi modalități de a supraviețui, indiferent cât de repede ajungem. în viitor.

„Aceleași tehnologii care ne pot ajuta să atingem noi viteze de deplasare incredibile”, gândește Millis, „ne vor oferi capacități noi, încă necunoscute, de a proteja echipajele”.

Notele traducătorului:

*Miguel Alcubierre a venit cu ideea „bulei” sale în 1994. Și în 1995, fizicianul teoretician rus Serghei Krasnikov a propus conceptul unui dispozitiv pentru călătorii în spațiu mai rapid decât viteza luminii. Ideea se numea „țevile lui Krasnikov”.

Aceasta este o curbură artificială a spațiului-timp conform principiului așa-numitei găuri de vierme. Ipotetic, nava se va deplasa în linie dreaptă de la Pământ la o stea dată printr-un spațiu-timp curbat, trecând prin alte dimensiuni.

Conform teoriei lui Krasnikov, călătorul spațial se va întoarce înapoi în același timp în care a pornit.

Secolul XX a fost marcat de cele mai mari descoperiri în domeniul fizicii și cosmologiei. Bazele acestor descoperiri au fost teoriile dezvoltate de o galaxie de fizicieni proeminenti. Cel mai faimos dintre ei este Albert Einstein, pe a cărui lucrare se bazează în mare măsură fizica modernă. Din teoriile oamenilor de știință rezultă că viteza luminii în vid este viteza limită a particulelor și a interacțiunii. Iar paradoxurile timpului care decurg din aceste teorii sunt complet uimitoare: pentru obiectele în mișcare, timpul curge mai lent față de cele aflate în repaus, iar cu cât mai aproape de viteza luminii, cu atât timpul încetinește mai mult. Se pare că pentru un obiect care zboară cu viteza luminii, timpul se va opri complet.

Recomandat

Acest lucru ne dă speranța că, cu nivelul potrivit de tehnologie, teoretic, o persoană este capabilă să ajungă în cele mai îndepărtate colțuri ale Universului în viața unei generații. În același timp, timpul de zbor în cadrul de referință al pământului va fi de milioane de ani, în timp ce pe o navă care zboară cu viteza aproape de lumină, vor trece doar câteva zile... Astfel de posibilități sunt impresionante și, în același timp, apare întrebarea: dacă fizicienii și inginerii viitorului vor accelera cumva nava spațială la valori enorme, chiar și teoretic până la viteza luminii (deși fizica noastră neagă o astfel de posibilitate), vom reuși să ajungem nu numai la cele mai îndepărtate galaxii și stele, dar și marginea Universului nostru, pentru a privi dincolo de granița necunoscutului, despre care oamenii de știință habar nu au?

Știm că Universul s-a format cu aproximativ 13,79 miliarde de ani în urmă și s-a extins continuu de atunci. S-ar putea presupune că raza sa în acest moment ar trebui să fie de 13,79 miliarde de ani lumină, iar diametrul, respectiv, de 27,58 miliarde de ani lumină. Și acest lucru ar fi adevărat dacă universul s-ar extinde uniform cu viteza luminii - cea mai rapidă viteză posibilă. Dar datele obținute ne spun că universul se extinde cu accelerație.

Observăm că galaxiile cele mai îndepărtate de noi se îndepărtează de noi mai repede decât cele din apropiere - spațiul lumii noastre se extinde constant. În același timp, există o parte a Universului care se îndepărtează de noi mai repede decât viteza luminii. În același timp, nu sunt încălcate postulate și concluzii ale teoriei relativității - în interiorul Universului, obiectele au viteze subluminii. Această parte a Universului nu poate fi văzută - viteza fotonilor emiși de sursele de radiație pur și simplu nu este suficientă pentru a depăși viteza de expansiune a spațiului.

Calculele arată că partea din lume vizibilă pentru noi are un diametru de aproximativ 93 de miliarde de ani lumină și se numește Metagalaxie. Ce este dincolo de această limită și cât de departe se extinde Universul, putem doar ghici. Este logic să presupunem că marginea universului se îndepărtează de noi cel mai repede și depășește cu mult viteza luminii. Și această viteză este în continuă creștere. Devine evident că, chiar dacă un obiect zboară cu viteza luminii, nu va ajunge niciodată la marginea Universului, deoarece marginea Universului se va îndepărta mai repede de el.

Dacă găsiți o eroare, evidențiați o bucată de text și faceți clic Ctrl+Enter.