מסע בחלל במהירות האור: מתי זה יהפוך למציאות?

הרעיון של נסיעה במהירות האור ריתק לא רק סופרי מדע בדיוני אלא גם מדענים במשך שנים רבות. האור נע במהירות מדהימה של 299,792,458 מטר לשנייה. במהירות זו, אתה יכול להקיף את כדור הארץ יותר משבע פעמים בשנייה אחת בלבד, ובני אדם יוכלו סוף סוף לחקור את היקום מעבר למערכת השמש שלנו. ב-1947, בני האדם עלו לראשונה על מהירות הקול (שהיא הרבה יותר איטית, אגב), וסללו את הדרך למטוסים מסחריים כמו הקונקורד ומטוסים על-קוליים אחרים. אבל האם אי פעם נוכל לנסוע במהירות האור?

בהתבסס על ההבנה הנוכחית שלנו בפיזיקה וגבולות העולם הטבעי, התשובה היא למרבה הצער לא. לפי זה של אלברט איינשטיין תורת היחסות המיוחדת, המתוארת על ידי המשוואה המפורסמת E=mc², מהירות האור (c) פועלת כמעין מגבלת מהירות קוסמית שאי אפשר לעבור אותה. לפיכך, נסיעה במהירות האור או מהירה ממנה היא בלתי אפשרית פיזית, במיוחד עבור כל דבר שיש לו מסה, כגון חלליות ובני אדם.

אפילו עבור דברים זעירים מאוד, כמו חלקיקים תת-אטומיים, כמות האנרגיה (E) הנדרשת כדי להתקרב למהירות האור מהווה אתגר משמעותי. מאיץ ההדרונים הגדול (LHC), מאיץ החלקיקים הגדול והחזק ביותר על פני כדור הארץ, האיץ פרוטונים קרוב ככל האפשר למהירות האור. עם זאת, אפילו פרוטון זעיר ידרוש אנרגיה כמעט אינסופית כדי להגיע למהירות האור, ובני האדם עדיין לא הבינו מה בעצם המשמעות של "אנרגיה כמעט אינסופית".

עם זאת, פיזיקאים וחובבים בטוחים שאין חוק בסיסי בפיזיקה האוסר על בני אדם לנסוע בחלל - זה פשוט מאוד מאוד קשה. אז היום, בואו נדון בכמה שיטות פוטנציאליות למסע בין כוכבי, מהפחות ועד הסביר ביותר, כפי שראו מומחים בתחום.

קרא גם: האם אוזניות מבטלות רעש מזיקות? תובנות של אודיולוגים

נוסע מהר יותר ממהירות האור

לעולם לא תוכל לנסוע מהר יותר ממהירות האור. לפחות, זה מה שאנחנו מבינים בזכות תורת היחסות הפרטית של איינשטיין – תיאוריה מהפכנית שמיזגה מרחב וזמן, והפכה אותם למקושרים ביניהם. למרות שקל לומר שהתקדמות עתידית בפיזיקה יכולה להתגבר על מגבלה זו, יישום מושג כזה בפועל יכול להיות הרבה יותר מורכב.

תורת היחסות הפרטית היא אחת התיאוריות שנבדקו ביסודיות בכל הפיסיקה. הסיבה לכך היא שזו לא רק תיאוריה; זה א meta-תֵאוֹרִיָה. זוהי קבוצה של הוראות שעוזרת לנו לבנות תיאוריות פיזיקליות אחרות. תורת היחסות הפרטית מלמדת אותנו כיצד מרחב וזמן קשורים זה בזה באופן בסיסי. אופיו של חיבור זה קובע את מהירות האור כמגבלת מהירות בסיסית. זה לא רק על אור או אפילו תנועה; זה קשור לסיבתיות עצמה.

תיאוריה זו מניחה את הבסיס לחיבור בין העבר, ההווה והעתיד. במילים אחרות, נסיעה מהירה מהאור יכולה לאפשר מסע בזמן, מה שנראה בלתי אפשרי ביקום שלנו. מכיוון שכל שאר התיאוריות הפיזיקליות המודרניות בנויות על תורת היחסות, בכל פעם שאנו בודקים אחת מהן, אנו בודקים גם את תורת היחסות. למרות שאנו אולי טועים לגבי המבנה הבסיסי של מרחב-זמן, אין סיכוי שמגבלת מהירות האור תתהפך.

קרא גם: השתמש בזה או לאבד את זה: כיצד AI משנה את החשיבה האנושית

חורי תולעת

מגבלת מהירות האור קשורה גם לחוסר האפשרות לכאורה של חורי תולעת. חורי תולעת הם קיצורי דרך בחלל המחברים כל שתי נקודות ביקום. העצמים המוזרים הללו הם תחזית טבעית של תורת היחסות הכללית של איינשטיין, שמסבירה כיצד כוח המשיכה נובע מהעקמומיות והעיוות של המרחב-זמן.

תורת היחסות הכללית מאפשרת חורי תולעת על ידי עיוות מרחב-זמן בצורה מאוד מוזרה. עם זאת, יש אזהרה קטנה: חפצים אלה אינם יציבים בצורה קטסטרופלית. ברגע שמשהו, אפילו פוטון בודד, מנסה לעבור דרך הגרון של חור תולעת, הוא נקרע מיד. הדרך הידועה היחידה לייצב חור תולעת היא על ידי החדרת חוט של חומר אקזוטי לתוכו. לחומר הזה יש מסה שלילית, שכמו מסע בזמן, נראה שאסור ביקום שלנו.

זה בהחלט אפשרי שצאצאינו העתידיים יגלו דרך חלופית לייצב חורי תולעת ולהפוך את המסע בין כוכבי למציאות. עם זאת, הזמן שעשוי לקחת כדי לחשוף את פריצות הדרך הנחוצות בפיזיקה עשוי להתגלות כארוך יותר מהמסע אל הכוכבים עצמם.

קרא גם: 6 עובדות מרתקות על גלי כבידה ו-LIGO

ספינות של דורות

אמנם שליחת חללית לכוכב אחר עשויה לא להוות בעיה פיזיקלית מהותית, אך היא מציגה אתגרים הנדסיים רבים. אחד הרעיונות המרתקים לטיולים בין כוכבים כרוך ביצירת ספינות דור - ספינות גדולות ואיטיות שבהן רוב הנוסעים לא יגורו כדי להגיע ליעדם. במקום זאת, הם יחיו במשך דורות על סיפונה של ספינת עיר המקיימת את עצמה, שבסופו של דבר תגיע לכוכב אחר.

מבחינה טכנית, האנושות היא כבר מין בין-כוכבי. לפני שנים רבות, חללית וויאג'ר 1 חצתה את ההליופאוזה, גבול מערכת השמש שלנו, ונכנסה לחלל הבין-כוכבי. החדשות הטובות הן שלקח רק כמה עשורים עד שההישג הזה יושג. החדשות הרעות, לעומת זאת, הן שזו רק ההתחלה. אפילו במהירות מדהימה של למעלה מ-57,940 קמ"ש, אם וויאג'ר 1 הייתה פונה לכיוון פרוקסימה קנטאורי (אם כי היא לא), הכוכב השכן הקרוב ביותר שלנו במרחק של כ-4.2 שנות אור, ייקח לחללית בערך 40,000 שנים להגיע ליעדה. טווח זמן זה קדם להתפתחות הערים הראשונות ולהופעת החקלאות. החדשות הטובות, לעומת זאת, הן שה-Parker Solar Probe, הודות לתמרוני סיוע בכוח הכבידה, מחזיקה כיום את המהירות הגבוהה ביותר של 700,000 קמ"ש. אם זה היה הולך לפרוקסימה קנטאורי, זה היה לוקח בערך 6,500 שנים להגיע. ההתקדמות ניכרת.

אז, "ספינת דור" היא לא רק קומץ דורות, אלא מאות מהם, כולם צריכים לחיות באופן עצמאי בריק שבין הכוכבים, ללא מקורות נוספים של מים, דלק, מזון או חלקי חילוף. כי אפילו 6,500 שנה הם פרק זמן עצום.

קרא גם: הכול על Microsoft"S Majorana 1 מעבד קוונטי: פריצת דרך או אבולוציה?

ספינה מאוד מאוד מהירה

חובבים אחרים טוענים שכדי להגיע לכוכבים אחרים מהר יותר, לא צריך ספינה ענקית ומסורבלת. במקום זאת, זה צריך להיות קטן ככל האפשר. בדרך זו, רקטות או סוגים אחרים של דלק יכולים להגיע למהירויות גבוהות יותר, ולקצר את הנסיעה. בנוסף, תורת היחסות עוזרת במהירויות גבוהות. בשל קביעות מהירות האור, התנועה במרחב שונה מתנועה בזמן. ככל שעצם נע מהר יותר בחלל, כך הוא נע לאט יותר בזמן. ככל שהמהירות מתקרבת למהירות האור, שנה עבור הנוסע עלולה להתכווץ לחודשים, ימים ואפילו דקות.

למרבה הצער, ההשפעות הרלטיביסטיות הללו מתחילות רק כאשר חפץ מגיע ליותר מ-90% ממהירות האור, אבן דרך שהאנושות עדיין לא השיגה. עם זאת, מאיצי חלקיקים מאיצים חלקיקים באופן קבוע למהירויות של כמעט אור, כך שזה בהחלט לא בלתי אפשרי.

האתגר טמון בעובדה שאנו מתמודדים עם חלקיקים זעירים, לא חלליות מסיביות. כדי להאיץ משהו בגודל של אדם ל-90% ממהירות האור, זה עשוי לדרוש יותר אנרגיה ממה שהשמש מפיקה בעוד אלף שנים. אבל זו יותר בעיה הנדסית מאשר מגבלה פיזית בסיסית.

קרא גם: שינויים טקטוניים ב-AI: האם Microsoft הימורים על DeepSeek?

קונספט כונן עיוות מסורתי

תפיסת המדע הבדיוני המסורתית של כונן עיוות כרוכה בעיוות של המרחב בזמן בצורה מאוד ספציפית: דחיסתו לפני הספינה והרחבתו מאחור. תיאורטית, זה יאפשר לחללית לנוע ביעילות מהר יותר מהאור מבלי לחרוג ממש מהמהירות המקומית. עם זאת, מחקר מוקדם יותר על רעיון זה העלה כי יש צורך בצורות אקזוטיות של חומר עם "צפיפות אנרגיה שלילית" כדי לאפשר זאת. החומרים האקזוטיים הללו הם תיאורטיים בלבד ולא נצפו, והם מציבים אתגרים משמעותיים במונחים של יצירתם וייצובם.

בחוויה היומיומית שלנו, אנרגיה תמיד נתפסת כחיובית. אפילו בוואקום, יש כמות קטנה של אנרגיה חיובית המכונה "אנרגיית ואקום" או "אנרגיית נקודת אפס". זה נובע מ עקרון אי הוודאות של הייזנברג במכניקת הקוונטים, הקובעת שתמיד יש תנודות אנרגיה במערכת, אפילו במצב האנרגיה הנמוך ביותר האפשרי.

קיומה של צפיפות אנרגיה שלילית הוא ספקולטיבי ובעייתי ביותר במסגרת הפיזיקה המוכרת. נראה כי חוקי התרמודינמיקה ותנאי האנרגיה בתורת היחסות הכללית אוסרים על קיומה של כמויות גדולות של צפיפות אנרגיה שלילית. כמה תיאוריות, כגון אפקט קזימיר ותיאוריות שדות קוונטיות מסוימות, מציעות נוכחות של כמויות קטנות של צפיפות אנרגיה שלילית בתנאים ספציפיים. עם זאת, השפעות אלו הן בדרך כלל קטנות מאוד ומוגבלות לסולמות מיקרוסקופיים.

כאן נכנס לתמונה מחקר חדש. חוקרים בפיזיקה יישומית זיהו גישה חדשה שיכולה יום אחד להפוך את טכנולוגיית ה-Wep Drive לאפשרית. הצוות הציג את המושג "מנוע עיוות במהירות קבועה", בהתאם לעקרונות היחסות.

המודל החדש מבטל את הצורך באנרגיה אקזוטית, במקום זאת משתמש בשילוב מורכב של שיטות כבידה מסורתיות וחדשניות כדי ליצור בועת עיוות המסוגלת להעביר עצמים במהירויות גבוהות בגבולות הפיזיקה המוכרת. "המחקר הזה משנה את ההבנה שלנו לגבי כונני עיוות", אמר המחבר הראשי ד"ר פוקס. "על ידי הדגמת המודל הראשון מסוגו, הראינו שכונני עיוות אינם נדחקים למדע בדיוני."

המודל התיאורטי של הסוג החדש של בועת עיוות משתמש בשיטות כבידה מסורתיות וחדשניות, המתאפשרות על ידי הכלי הזמין לציבור שלהם, Warp Factory. פתרון זה מאפשר הובלת עצמים במהירויות גבוהות, אך תת-אורות, ללא צורך במקורות אנרגיה אקזוטיים. זה מושג על ידי תכנון כונן עיוות החלל בזמן להתנהג בצורה כבידה כמו חומר רגיל, מה שמסמן את הפתרון הראשון מסוגו.

"למרות שתכנון כזה עדיין ידרוש כמות משמעותית של אנרגיה, הוא מוכיח שניתן להשיג השפעות עיוות ללא צורות אקזוטיות של חומר", הוסיף ד"ר כריסטופר הלמריך, מחבר שותף במחקר. "ממצאים אלה סוללים את הדרך להפחתה עתידית בדרישות האנרגיה עבור כונני עיוות."

בניגוד למטוסים או רקטות, נוסעים על סיפונה של ספינת עיוות לא יחוו כוחות כבידה. זה בניגוד מוחלט לכמה תיאורי מדע בדיוני. המחקר של הצוות מדגים כיצד ניתן לבנות ספינה כזו באמצעות חומר רגיל. "למרות שאנחנו עדיין לא אורזים לנסיעות בין-כוכביות, ההישג הזה מסמן עידן חדש של אפשרויות", הסביר ג'יאני מרטייר, מנכ"ל המחלקה לפיזיקה שימושית. "אנחנו ממשיכים להתקדם באופן קבוע כשהאנושות נכנסת לעידן של נסיעות עיוות."

צוות הפיזיקה השימושית מתמקד כעת בטיפול באתגרים הללו, ממשיך לשכלל את המודלים שלהם ולשתף פעולה עם דיסציפלינות ומוסדות שונים כדי להפוך את מה שהיה פעם חלום פנטסטי למציאות.

קרא גם: חידושי הרובוטיקה המרתקים ביותר של 2024

מסקנות

בעודנו עומדים על סף עידן חדש בחקר החלל, הסיכוי ליצור כונני עיוות מפתה מתמיד. עם כל גילוי ופריצת דרך חדשה, אנו מתקרבים צעד אחד אל הכוכבים ואל ההזדמנויות הבלתי מוגבלות שמחכות לנו במרחב העצום של החלל. בזמן שהאנושות יוצאת למסע אחר נסיעה מהירה מהאור, פוטנציאלית באמצעות כונני עיוות, אנחנו יכולים רק לדמיין את ההרפתקאות והתגליות המדהימות שהיקום מצפה לנו.

בעתיד הרחוק, בהנחה שההבנה הנוכחית שלנו בפיזיקה מתקיימת (לפחות במונחים של נסיעה מהירה מהאור וחורי תולעת), סביר להניח שהאנושות תשלח רק קומץ משימות צנועות לכוכבים אחרים ולכוכבי לכת שניתן למגורים. עם זאת, בתוך מערכת השמש שלנו, ישנם אינספור מקומות - מאות ירחים ואלפי אסטרואידים - שיום אחד יכול להיקרא בית. זהו חלל עצום, מלא בתעלומות שטרם נחשפו.

אין כמו בבית.

קרא גם:

• ביומימיקה: איך הטבע מעורר השראה למהנדסים לחדש
• פסולת גרעינית: מה זה וכיצד היא מסולקת