Wyścig ze światłem
20 mar, 13:48
Paweł Franczak / Wiedza i Życie
NASA zamierza zgrzeszyć. W jej laboratoriach właśnie rozpoczęto prace nad napędem do statków kosmicznych, który ma złamać "jedenaste przykazanie w dekalogu fizyki" brzmiące: "Nie będziesz podróżował z prędkością większą niż prędkość światła".
W pierwszym odcinku pierwszej serii serialu „Star Trek” kapitan James T. Kirk wydaje swojemu sternikowi, Hikaru Sulu, pamiętny rozkaz: „Warp 1, panie Sulu!”. Oznacza to, że dowodzony przez Kirka USS Enterprise NCC-1701 ma osiągnąć prędkość światła, czyli 300 tys. km/s w próżni. Co prawda, gdybyśmy przyjrzeli się sprawie bliżej, to podróżowanie przy „warp 1” nie miałoby dla załogi większego sensu. Jeśli USS Enterprise przy okazji jakiejś misji miałby dostać się z Ziemi do centrum galaktyki, to przy „warp 1” leciałby 30 tys. lat i z pewnością byłby to najnudniejszy odcinek w historii telewizji. Dlatego też przeciętnie USS Enterprise osiągał prędkość „warp 8” (szacowaną na 800 lub tysiąc razy większą niż prędkość światła). Było to możliwe głównie za sprawą dwulitium – kryształu spotykanego na niektórych planetach.
Tyle fikcja. Niestety, w nieserialowej rzeczywistości nic nie wiadomo o kryształach obdarzonych równie niezwykłymi właściwościami. Mimo to NASA na serio rozważa konstrukcję napędu „warp”. Po co? Cóż, może wydaje nam się, że jesteśmy zaawansowaną cywilizacją, ale w dziedzinie podróży międzyplanetarnych nie dotarliśmy jeszcze do przedszkola. Owszem, wysłaliśmy ludzi na Księżyc, ale ten jest od Ziemi oddalony ledwie ponad 384 tys. kilometrów. Najszybszy zbudowany przez ludzkość pojazd, bezzałogowa sonda kosmiczna Voyager 1, osiąga obecnie 0,006% prędkości światła – załoga kapitana Kirka uśmiałaby się do rozpuku. Gdyby Voyager 1 miał dotrzeć do naszego najbliższego sąsiada poza Układem Słonecznym, układu Alfa Centauri, zajęłoby mu to 75 tys. lat.
Zresztą, nie tylko w czasie podróży tkwi problem. W latach 70. Brytyjskie Towarzystwo Międzyplanetarne postanowiło sprawdzić, czego trzeba, by w ciągu 50 lat dostać się do Gwiazdy Barnarda, czerwonego karła w gwiazdozbiorze Wężownika, oddalonego o około 6 lat świetlnych od Ziemi. Okazało się, że statek zdolny tego dokonać musiałby ważyć 54 tys. ton, z czego 92% stanowiłoby paliwo. Byłby tym samym stukrotnie cięższy niż Międzynarodowa Stacja Kosmiczna.
Okazuje się jednak, że nie wszyscy naukowcy są pesymistami w sprawie dalekich kosmicznych wędrówek. Pracujący dla specjalnego zespołu NASA dr Harold „Sonny” White zdradził w październiku ubiegłego roku, że laboratorium Eagleworks w Centrum Lotów Kosmicznych imienia Lyndona B. Johnsona w Houston rozpoczęło prace „nad fizyczną i matematyczną stroną” nowej technologii, która mogłaby nam umożliwić dotarcie w jakikolwiek punkt kosmosu w mgnieniu oka. Badacze z Eagleworks próbują rozwinąć koncepcję napędu warp (warp w języku angielskim oznacza „wykrzywiać się, wyginać”) autorstwa Miguela Alcubierre’a z 1994 r. Taki napęd umożliwiłby podróż szybszą niż światło, nie naruszając zasad fizyki, a sprytnie je obchodząc. A co ciekawe, wszystko to właśnie dzięki serialowi „Star Trek”.
Balonowa czasoprzestrzeń
E=mc2. Najbardziej znane równanie na świecie to odpowiednik nadruków na koszulkach z wizerunkiem Che Guevary: widział je każdy, ale nie każdy wie, o co chodzi. A to właśnie ten wzór ogranicza nasze marzenia o wojażach z zawrotnymi prędkościami. Ze słynnego „wzoru Einsteina” wynika nie tylko, że energia i masa są równoważne. Jego konsekwencją jest też matematyczny hamulec dla każdego obiektu, który chce ścigać się z promieniami światła. Einstein dowiódł, że energia utrudnia wzrost prędkości każdego ciała, bo wnosi wkład do jego masy. Stephen Hawking w bestsellerze „Krótka historia czasu” tłumaczył, że przy małych prędkościach nie ma to większego znaczenia. Podróżowanie przy prędkości równej 10% prędkości światła zwiększa masę poruszającego się obiektu jedynie o 0,5%. Ale już przy 90% prędkości światła masa rośnie dwukrotnie. Do samej prędkości światła nie dociągniemy nigdy: masa musiałaby być nieskończona.
Jest jednak pewne „ale”, które profesor Lawrence M. Krauss, kosmolog i fizyk, autor książki „Fizyka podróży międzygwiezdnych. Wędrówka po świecie Star Trek” opisał prosto: „Owszem, nie możesz poruszać się w przestrzeni z prędkością większą niż światło, ale sama przestrzeń może robić, co się jej żywnie podoba”.
Najlepszym przykładem są narodziny Wszechświata – Wielki Wybuch.
– Postulat, że prędkość światła w próżni jest maksymalną prędkością, z jaką mogą się poruszać cząstki materialne, jest jednym z fundamentów szczególnej teorii względności Einsteina. Nigdy nie został naruszony – wyjaśnia specjalista z dziedziny fizyki teoretycznej dr hab. Andrzej Łukasik z Zakładu Ontologii i Teorii Poznania Instytutu Filozofii UMCS. – Ale to dotyczy obiektów w przestrzeni. Weźmy jednak teorię Wielkiego Wybuchu uzupełnioną o standardowy model inflacji. Okaże się, że w chwili wybuchu wszechświat rozprzestrzeniał się miliardy razy szybciej niż prędkość światła – dodaje.
I Lawrence M. Krauss, i Andrzej Łukasik są fanami science fiction (z tym, że ten drugi nad „Star Trek” przedkłada Stanisława Lema). Jest nim także Miguel Alcubierre, 49-letni fizyk z Universidad Nacional Autónoma de México. Alcubierre pewnego dnia oglądał „Star Trek” i pomyślał, że musi być jakiś sposób, by skopiować fascynującą ideę napędu warp. Natychmiast zabrał się do obliczeń. W 1994 r. opublikował w piśmie „Classical and Quantum Gravity” artykuł, z którego wynikało, że do podróży z prędkością większą niż światła nie trzeba – jak sugerowano wcześniej – ani tuneli czasoprzestrzennych, ani nieznanych kryształów. Trzeba po prostu triku.
Statek kosmiczny wyprawiający się tam, „gdzie żaden człowiek jeszcze nie dotarł”, cytując serial „Star Trek”, startowałby z Ziemi klasycznie – dzięki starym, dobrym silnikom rakietowym. W pewnej odległości od naszej planety załoga włączałaby coś, co Alcubierre nazwał „bąblem czasoprzestrzeni”, otaczającym wehikuł. Całą robotę odwalałaby czasoprzestrzeń poza bąblem. Czasoprzestrzeń (znane z teorii względności połączenie czasu plus trzech wymiarów fizycznych: szerokości, wysokości i głębokości) ma bowiem zdolność zniekształcania się, np. pod wpływem wielkich mas, a zniekształcenie to może dokonywać się z dowolną prędkością. Czasoprzestrzeń nie zna limitów, „może robić, co się jej żywnie podoba”, jak chciał Krauss. Wystarczy tak nią manipulować, by rozepchać ją za „bąblem” i skurczyć przed nim, przemieszczając tym samym statek. Gdy będzie się zbliżał do celu, bańka zostanie wyłączona, a samo lądowanie odbędzie się w konwencjonalny sposób.
Taki koncept to nie lada wyzwanie dla ludzkiej wyobraźni, więc żeby zobrazować cały proces, można wykonać w domu prosty eksperyment. Czasoprzestrzenią niech będzie nadmuchany balon. Po jego przeciwnych stronach malujemy kilka kropek. To planety lub układy gwiazd. Pośrodku nalepiamy jeszcze naklejkę symbolizującą nasz pojazd w bańce. Spróbujmy teraz nacisnąć balon (byle delikatnie, nie chcemy kosmicznej katastrofy) z jednej strony. Co się stanie? „Balonowa czasoprzestrzeń” skurczy się z jednej i rozszerzy z drugiej strony, sprawiając, że naklejony statek zbliży się do jednego z końców balonu. Tym samym będzie podróżował, sam się nie poruszając.
To właśnie ten pomysł chce wprowadzić w życie NASA w laboratorium Eagleworks. Główny cel badań: zakrzywienie czasoprzestrzeni w obszarze o średnicy jednego centymetra. Rozmiary nie brzmią może efektownie, ale przecież to na razie próby. Lepiej wyobraźmy sobie konsekwencje. „Zgodnie z obliczeniami taki napęd pozwoliłby nam dolecieć do Alfa Centauri w dwa tygodnie, wedle naszego ziemskiego czasu. Zegar na pokładzie statku pokazywałby tę samą godzinę co ten umieszczony w Houston”, opowiada White.Wszystko pięknie. Tyle że diabeł tkwi w szczegółach.
Egzotyka dla fizyka
Na papierze koncepcja Alcubierre’a wygląda bez zarzutu. O jej sprawdzenie poprosiliśmy dr. Nikodema Popławskiego z Wydziału Fizyki na Indiana University, który zdobył światowy rozgłos po publikacji dowodzącej, że możemy żyć we Wszechświecie znajdującym się wewnątrz czarnej dziury. Pisma „National Geographic” i „Science” w 2010 r. zaliczyły teorię Popławskiego do 10 największych odkryć roku.– Pomysł Alcubierre’a bardzo mi się podoba. Przetestowałem obliczenia z jego artykułu w „Classical and Quantum Gravity” i wygląda na to, że są poprawne. Dodatkowo koncept jest prosty, co jest zaletą. Więc wygląda na to, że taki napęd warp może działać – chwali dr Popławski, ale zauważa też, że „zbudowanie napędu nie będzie łatwe”.
Delikatnie ujęte. Elegancja i prostota teorii to jedno, kryteria techniczne – drugie. Pierwszym warunkiem do stworzenia bańki jest specyficzny kształt wehikułu. Musi on przypominać piłkę do futbolu amerykańskiego. To akurat nie problem. Gorzej, że, jak mówi White, „czasoprzestrzeń jest raczej sztywna”. By ją zakrzywić, powinniśmy otoczyć statek energią w
kształcie, ni mniej, ni więcej, tylko pączka.
Łatwiej powiedzieć, niż zrobić. Nie możemy bowiem wykorzystać pierwszej lepszej energii. Ta, której potrzebujemy, musiałaby mieć zadziwiającą właściwość: negatywną masę. Krótkie wytłumaczenie: wszelka znana nam masa zachowuje się, jak Newton przykazał. Jeśli ją popchniemy, grzecznie przyspieszy w kierunku pchnięcia. Co innego negatywna masa. Pchniesz taką, a ta przyspieszy w twoją stronę. Stawia to prawa fizyki na głowie, więc energia z negatywną masą jest zaliczana do kategorii „materia egzotyczna”. Egzotyczna nie bez powodu.
– Egzotyczna materia to wielka zagadka współczesnej kosmologii – komentuje dr Łukasik. – Okazuje się, że „zawartość” Wszechświata znamy w niewielkim stopniu. Cała, nazwijmy to, zwykła materia, z której jesteśmy zbudowani my i przedmioty wokół nas, łącznie z gwiazdami i planetami, to jakieś 4% Wszechświata. Tak wskazują obliczenia. Reszta to materia, o której wiemy mało, wręcz nic.
W eksperymencie dla NASA White postawił na jedną z kandydatek na egzotyczną materię – tajemniczą energię próżniową, która rozpycha Wszechświat. Tak przynajmniej przypuszczają naukowcy, choć nie wszyscy. Bądźmy jednak optymistami: załóżmy, że wkrótce wszelkie enigmatyczne energie będziemy znać jak własną kieszeń. Ile będziemy takiej energii potrzebować? Wedle pierwszych wyliczeń, żeby statek przemieszczał się dziesięć razy szybciej niż światło, potrzeba by
energii odpowiadającej masie całego znanego nam Wszechświata, a przypuszczalnie i to byłoby za mało. Komu właśnie zakręciło się w głowie, tego powinny uspokoić wykonane później, oszczędniejsze wyliczenia. Najpierw mówiono, że wyprodukowanie bąbla o średnicy 10 m wymaga, bagatela, tyle masy, ile ma Jowisz. W końcu stanęło na masie znanego nam już Voyagera 1, to jest 825 kg.
Ponieważ laboratoryjny bąbelek ma być dużo, dużo mniejszy, NASA zamierza zużyć niewiele energii. Badacze muszą jednak jakoś ją stworzyć, w końcu coś tę nieszczęsną „sztywną czasoprzestrzeń” musi zakrzywić. Spróbują zrobić to za pomocą eksperymentalnego silnika plazmowego, tzw. Q-Thrustera, nad którym pracuje laboratorium Eagleworks. Jeśli wszystko się powiedzie, zakrzywienie zostanie wykryte za pomocą przyrządu przystosowanego do pomiaru prędkości światła, interferometru Michelsona-Morleya (na jego bazie działają tomografy optyczne, służące np. do badania siatkówki
oka).
Nawet jeśli eksperyment zakończy się sukcesem, z pewnością nie rozwiąże wszystkich tajemnic i wątpliwości związanych z podróżą szybszą niż światło. Ba! Wręcz pomnoży pytania. Na przykład: jak kontrolować czasoprzestrzeń z pokładu statku? Odpowiedź: nie wiadomo. Skoro bąble czasoprzestrzeni będą symetryczne, w którą stronę będą się poruszać? Odpowiedź: nie wiadomo. Jak wyłączyć taki bąbel, żeby go opuścić? Odpowiedź… tak, taka sama.
Czy to znaczy, że działania NASA nie mają większego sensu?
– W USA jest wiele finansowanych przez rząd badań, które na razie nie przyniosły efektów. Od niemal 40 lat naukowcy badają choćby teorię strun. Idą na to duże pieniądze, a do niczego praktycznego te badania nie doprowadziły – dowodzi dr Popławski. – Może NASA uznała, że odkrycie egzotycznej materii jest bardziej prawdopodobne niż np. dodatkowych wymiarów? Moim zdaniem stworzenie takiego małego bąbla z zakrzywieniem czasoprzestrzeni byłoby równie doniosłe co stworzenie przez naukowców małej czarnej dziury.
Wtóruje mu dr hab. Łukasik: – Jeśli marzymy o podróżach międzygwiezdnych, to sposób podróżowania za pomocą manipulowania czasoprzestrzenią wydaje mi się jedynym sensownym rozwiązaniem.
Trzeba jednak uczciwie przyznać, że doświadczenia z warpem mogą też sprawić nowe kłopoty, niewystępujące w przypadku bardziej banalnych sposobów podróżowania. Żeby nie być gołosłownym: na wieść o pracach NASA naukowcy z University of Sydney opublikowali swoje kalkulacje, z których wynika, że w trakcie podróży w bańkę czasoprzestrzeni mogłyby się zaplątać istniejące w kosmosie masywne cząsteczki. Po dezaktywacji bańki musiałyby gdzieś znaleźć ujście, wystrzeliłyby więc strumieniem, niszcząc wszystko, co napotkają na swojej drodze: planety, gwiazdy, układy gwiazd.
NASA będzie musiała rozwiązać tę drobną niedogodność, bo notoryczne obracanie w pył celów wojaży to mało elegancki sposób podróżowania. Na pewno niegodny miłośników przygód załogi USS Enterprise.
Autor: Paweł Franczak
Źródło: Wiedza i Życie
Więcej w miesięczniku „Wiedza i Życie” nr 4/2013