Fyzik používa teóriu všeobecnej relativity a geometriu na vysvetlenie konceptu sci-fi.
Mário Borunda je docentom fyziky na Oklahoma State University. Tento príbeh pôvodne vystupoval vKonverzácia.
Najbližšia hviezda k Zemi je Proxima Centauri. Je vzdialená asi 4,25 svetelných rokov alebo asi 25 biliónov míľ (40 biliónov km). Najrýchlejšia vesmírna loď všetkých čias, teraz vo vesmíre Slnečná sonda Parker dosiahne maximálnu rýchlosť 450 000 mph. Cesta z Los Angeles do New Yorku by takou rýchlosťou trvala len 20 sekúnd, no slnečnej sonde by trvalo približne 6 633 rokov, kým by dosiahla najbližšiu susednú slnečnú sústavu Zeme.
Ak chce ľudstvo niekedy ľahko cestovať medzi hviezdami, ľudia budú musieť ísť rýchlejšie ako svetlo. Cestovanie rýchlejšie ako svetlo je však zatiaľ možné len v sci-fi.
U Issaca Asimova Séria základov, ľudstvo môže cestovať z planéty na planétu, z hviezdy na hviezdu alebo cez vesmír pomocou skokových pohonov. Ako dieťa som čítal toľko príbehov, koľko sa mi dostalo pod ruku. Teraz som teoretický fyzik a študujem nanotechnológiu, no stále ma fascinujú spôsoby, akými by ľudstvo jedného dňa mohlo cestovať vo vesmíre.
Niektoré postavy – ako astronauti vo filmoch Interstellar a Thor-použitie červími dierami cestovať medzi slnečnými sústavami v sekundách. Iný prístup – známy Star Trek ventilátory – je technológia warp pohonu. Warp disky sú teoreticky možné, ak sú stále pritiahnuté za vlasy. Dva najnovšie články sa dostali na titulky v marci kedy tvrdili výskumníci do prekonali jedna z mnohých výziev, ktoré stoja medzi teóriou warpových pohonov a realitou.
Ale ako tieto teoretické warp pohony skutočne fungujú? A urobia ľudia v blízkej dobe skok na rýchlosť warpu?
Kompresia a expanzia
Súčasné chápanie časopriestoru fyzikmi pochádza z Všeobecná teória relativity Alberta Einsteina. Všeobecná relativita tvrdí, že priestor a čas sú spojené a že nič nemôže cestovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla. Všeobecná relativita tiež opisuje, ako hmota a energia deformujú objemné objekty v časopriestore, ako sú hviezdy a čierne diery, okolo seba zakrivujú časopriestor. Toto zakrivenie je to, čo cítite ako gravitáciu a prečo sa mnohí vesmírni hrdinovia obávajú, že „uviaznu“ alebo „spadnú“ do gravitačnej studne. Raní spisovatelia sci-fi John Campbell a Asimov videl toto deformovanie ako spôsob, ako obísť rýchlostný limit.
Čo ak by hviezdna loď mohla stlačiť priestor pred sebou a zároveň rozšíriť časopriestor za sebou? Star Trek vzal tento nápad a pomenoval ho warpový pohon.
V roku 1994 Miguel Alcubierre, mexický teoretický fyzik, ukázal, že stláčanie časopriestoru pred kozmickou loďou a jej rozširovanie za matematicky možné v rámci zákonov všeobecnej relativity. Takže, čo to znamená? Predstavte si, že vzdialenosť medzi dvoma bodmi je 10 metrov (33 stôp). Ak stojíte v bode A a dokážete prejsť jeden meter za sekundu, cesta do bodu B by trvala 10 sekúnd. Povedzme však, že by ste mohli nejakým spôsobom stlačiť priestor medzi vami a bodom B tak, že interval je teraz len jeden meter. Potom, pohybom v časopriestore pri maximálnej rýchlosti jeden meter za sekundu, by ste boli schopní dosiahnuť bod B asi za jednu sekundu. Teoreticky tento prístup nie je v rozpore so zákonmi relativity, pretože sa v priestore okolo vás nepohybujete rýchlejšie ako svetlo. Alcubierre ukázal, že warpový pohon zo „Star Treku“ bol v skutočnosti teoreticky možný.
Alcubierre odhadol, že warpový pohon so 100-metrovou bublinou by si vyžadoval hmotnosť celého viditeľného vesmíru.
Proxima Centauri, prichádzame, však? Bohužiaľ, Alcubierrova metóda stláčania časopriestoru mala jeden problém: vyžaduje negatívnu energiu alebo negatívnu hmotnosť.
Problém s negatívnou energiou
Alcubierrov warp pohon by fungoval vytvorením bubliny plochého časopriestoru okolo vesmírnej lode a zakrivením časopriestoru okolo tejto bubliny, aby sa zmenšili vzdialenosti. Warpový pohon by na fungovanie vyžadoval buď zápornú hmotnosť – teoretický typ hmoty – alebo prstenec zápornej hustoty energie. Fyzici nikdy nepozorovali negatívnu hmotnosť, takže negatívna energia zostáva ako jediná možnosť.
Na vytvorenie negatívnej energie by warpový pohon spotreboval obrovské množstvo hmoty na vytvorenie nerovnováhy medzi časticami a antičasticami. Napríklad, ak sa elektrón a antielektrón objavia v blízkosti warp pohonu, jedna z častíc by bola zachytená hmotou, čo má za následok nerovnováhu. Táto nerovnováha má za následok negatívnu hustotu energie. Alcubierrov warp pohon by túto negatívnu energiu využil na vytvorenie časopriestorovej bubliny.
Ale aby warpový pohon generoval dostatok negatívnej energie, potrebovali by ste veľa hmoty. Alcubierre odhadol, že warpový pohon so 100-metrovou bublinou áno vyžadujú hmotnosť celého viditeľného vesmíru.
V roku 1999 fyzik Chris Van Den Broeck ukázal, že zväčšovanie objemu vnútri bubliny, ale udržiavanie konštantnej plochy povrchu by výrazne znížiť energetické nároky, približne na hmotnosť slnka. Výrazné zlepšenie, no stále ďaleko za všetkými praktickými možnosťami.
Sci-fi budúcnosť?
Dva nedávne články – jeden Alexey Bobrick a Gianni Martire a ďalší od Erik Lentz—poskytujú riešenia, ktoré zdanlivo približujú warpové pohony realite.
Bobrick a Martire si uvedomili, že úpravou časopriestoru v bubline určitým spôsobom môžu odstrániť potrebu používať negatívnu energiu. Toto riešenie však nevytvára warp pohon, ktorý môže ísť rýchlejšie ako svetlo.
Lentz nezávisle od seba tiež navrhol riešenie, ktoré nevyžaduje negatívnu energiu. Na vyriešenie rovníc všeobecnej relativity použil iný geometrický prístup a zistil, že warpový pohon nebude musieť používať negatívnu energiu. Lentzovo riešenie by umožnilo bubline cestovať rýchlejšie ako rýchlosť svetla.
Je dôležité zdôrazniť, že tento vzrušujúci vývoj sú matematické modely. Ako fyzik nebudem úplne dôverovať modelom, kým nebudeme mať experimentálny dôkaz. Napriek tomu sa veda o warp pohonoch dostáva do povedomia. Ako fanúšik sci-fi všetko toto inovatívne myslenie vítam. Slovami kapitána Picarda, veci sú nemožné, kým nie sú.