Międzygwiezdny. Nauka od kuchni” – książka dla niezadowolonych z filmu

2024 Autor: Malcolm Clapton | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2023-12-17 04:07

Lifehacker publikuje fragment książki Kipa Thorne'a, amerykańskiego fizyka teoretycznego, autora pomysłu na film Interstellar. W fabułę obrazu wpleciono wiele nowoczesnych teorii fizycznych i pomysłów, których wyjaśnienie w większości okazało się zakulisowe. Dlatego jesteśmy pewni, że książka przypadnie do gustu zarówno miłośnikom kina, jak i osobom zainteresowanym fizyką.

Lot międzygwiezdny

Na pierwszym spotkaniu profesor Brand opowiada Cooperowi o wyprawach Łazarza, aby znaleźć nowy dom dla ludzkości. Cooper odpowiada: „W Układzie Słonecznym nie ma planet nadających się do zamieszkania, a najbliższa gwiazda jest oddalona o tysiąc lat. Jest to, delikatnie mówiąc, bezcelowe. Więc gdzie je wysłałeś, profesorze? Dlaczego jest to bezcelowe (jeśli nie ma pod ręką tunelu czasoprzestrzennego), jasne jest, jeśli pomyślisz o tym, jak duże są odległości do najbliższych gwiazd.

Odległości do najbliższych gwiazd

Najbliższą (nie licząc Słońca) gwiazdą w układzie, w której można znaleźć planetę nadającą się do życia, jest Tau Ceti. Znajduje się 11,9 lat świetlnych od Ziemi; czyli podróżując z prędkością światła, będzie można ją osiągnąć za 11,9 lat. Teoretycznie mogą istnieć planety nadające się do życia, które są nam bliższe, ale niewiele.

Aby ocenić, jak daleko od nas jest Tau Ceti, użyjmy analogii na znacznie mniejszą skalę. Wyobraź sobie, że jest to odległość z Nowego Jorku do Perth w Australii – mniej więcej połowa obwodu Ziemi. Najbliższą nam gwiazdą (znowu nie licząc Słońca) jest Proxima Centauri, 4, 24 lata świetlne od Ziemi, ale nie ma dowodów na to, że obok niej mogą znajdować się planety nadające się do zamieszkania. Jeśli odległość do Tau Ceti to Nowy Jork - Perth, to odległość do Proxima Centauri to Nowy Jork - Berlin. Trochę bliżej niż Tau Ceti! Ze wszystkich bezzałogowych statków kosmicznych wystrzelonych przez ludzi w przestrzeń międzygwiezdną, Voyager 1, który jest teraz 18 godzin świetlnych od Ziemi, dotarł do najdalszego. Jego podróż trwała 37 lat. Jeśli odległość do Tau Ceti jest odległością z Nowego Jorku do Perth, to odległość od Ziemi do Voyager 1 wynosi tylko trzy kilometry: tak jak od Empire State Building do południowego krańca Greenwich Village. To znacznie mniej niż z Nowego Jorku do Perth.

Z Ziemi jest jeszcze bliżej Saturna - 200 metrów, dwie przecznice od Empire State Building do Park Avenue. Z Ziemi na Marsa – 20 metrów, a z Ziemi na Księżyc (największa odległość, jaką ludzie do tej pory przebyli) – tylko 7 centymetrów! Porównaj siedem centymetrów z półokrągłą podróżą dookoła świata! Czy rozumiesz teraz, jaki skok musi nastąpić w technologii, aby ludzkość mogła podbić planety poza Układem Słonecznym?

Prędkość lotu w XXI wieku

Voyager 1 (przyspieszony grawitacyjnie wokół Jowisza i Saturna) oddala się od Układu Słonecznego z prędkością 17 kilometrów na sekundę. W Interstellar statek kosmiczny Endurance podróżuje z Ziemi na Saturna w ciągu dwóch lat ze średnią prędkością około 20 kilometrów na sekundę. Najwyższa prędkość, jaką można osiągnąć w XXI wieku przy użyciu silników rakietowych w połączeniu z grawitacyjnymi procami, będzie moim zdaniem wynosić około 300 kilometrów na sekundę. Jeśli polecimy do Proxima Centauri z prędkością 300 kilometrów na sekundę, lot potrwa 5 000 lat, a lot do Tau Ceti 13 000 lat. Coś za długie. Aby szybciej dotrzeć na taki dystans z technologiami XXI wieku, potrzebujesz czegoś w rodzaju tunelu czasoprzestrzennego.

Technologie odległej przyszłości

Sprytni naukowcy i inżynierowie dołożyli wszelkich starań, aby opracować zasady przyszłych technologii, które umożliwiłyby urzeczywistnienie lotu przy słabym świetle. Wystarczająco dużo informacji o takich projektach znajdziesz w Internecie. Ale obawiam się, że minie ponad sto lat, zanim ludzie będą mogli je ożywić. Moim zdaniem jednak przekonują, że dla super rozwiniętych cywilizacji podróżowanie z prędkością jednej dziesiątej prędkości światła i więcej jest całkiem możliwe.

Oto trzy opcje podróży z prawie lekkim obciążeniem, które uważam za szczególnie interesujące*.

Fuzja termojądrowa

Najbardziej popularną z tych trzech opcji jest Fusion. Prace badawczo-rozwojowe nad stworzeniem elektrowni opartych na kontrolowanej syntezie termojądrowej rozpoczęły się w 1950 roku, a projekty te zostaną uwieńczone pełnym sukcesem dopiero w 2050 roku. Stulecie badań i rozwoju!

To mówi coś o skali złożoności. Niech elektrownie termojądrowe pojawią się na Ziemi do 2050 roku, ale co można powiedzieć o lotach kosmicznych z ciągiem termojądrowym? Silniki najbardziej udanych konstrukcji będą mogły osiągać prędkość około 100 kilometrów na sekundę, a do końca tego stulecia przypuszczalnie do 300 kilometrów na sekundę. Jednak w przypadku prędkości zbliżonych do światła wymagana będzie zupełnie nowa zasada wykorzystywania reakcji termojądrowych. Możliwości syntezy termojądrowej można ocenić za pomocą prostych obliczeń. Kiedy dwa atomy deuteru (ciężkiego wodoru) łączą się w atom helu, około 0,0064 ich masy (około jednego procenta) jest przekształcane w energię. Jeśli przeliczymy ją na energię kinetyczną (energię ruchu) atomu helu, to atom uzyska prędkość jednej dziesiątej prędkości światła**.

Dlatego, jeśli uda nam się zamienić całą energię uzyskaną z syntezy paliwa jądrowego (deuteru) na kierunkowy ruch statku kosmicznego, wówczas osiągniemy prędkość około c/10, a jeśli jesteśmy sprytni, nawet nieco wyższą. W 1968 Freeman Dyson, wybitny fizyk, opisał i zbadał prymitywny statek kosmiczny napędzany fuzją, zdolny - w rękach wystarczająco zaawansowanej cywilizacji - do dostarczania prędkości tego rzędu wielkości. Bomby termojądrowe („bomby wodorowe”) eksplodują bezpośrednio za półkulistym amortyzatorem, którego średnica wynosi 20 kilometrów. Eksplozje popychają statek do przodu, przyspieszając go, według najśmielszych szacunków Dysona, do jednej trzydziestej prędkości światła. Bardziej zaawansowany projekt może mieć więcej. W 1968 roku Dyson doszedł do wniosku, że silnik tego typu będzie można zastosować dopiero pod koniec XXII wieku, za 150 lat. Myślę, że ta ocena jest zbyt optymistyczna.

[…]

Choć wszystkie te technologie przyszłości mogą wydawać się atrakcyjne, kluczowe jest tutaj słowo „przyszłość”. Dzięki technologii XXI wieku nie jesteśmy w stanie dotrzeć do innych systemów gwiezdnych w mniej niż tysiące lat. Naszą jedyną upiorną nadzieją na lot międzygwiezdny jest tunel czasoprzestrzenny, jak w Interstellar, lub jakaś inna ekstremalna forma krzywizny czasoprzestrzeni.