Flotylle międzygwiezdnych statków kosmicznych od dziesięcioleci przemierzają kosmos, a Ziemianie raz po raz bohatersko odpierają ataki agresywnych kosmitów. Wszystko to ma miejsce na kartach powieści i w filmach scince fiction. Czy istnieje szansa, by w przyszłości ludzie swobodnie podróżowali chociażby po naszej Galaktyce? Co na temat podróży międzygwiezdnych mówi współczesna fizyka? Jakie ograniczenia i jakie możliwości dają teoria względności i fizyka kwantowa?

Co łączy kojota z bajki „Struś Pędziwiatr” ze statkiem Enterprise?

Może się wydawać, że na tak postawione pytanie jest tylko jedna odpowiedź: kompletnie nic. Kojot to postać z kreskówki dla dzieci, a Enterprise to przemierzający kosmos statek z filmu „Star Trek”. Trudno o dwóch bardziej różnych bohaterów, mają oni jednak pewną cechę wspólną: przyspieszają do ogromnych prędkości wbrew podstawowym prawom fizyki. Kojot w pogoni za pędzącym z ogromną prędkością Strusiem Pędziwiatrem wymyśla najróżniejsze sposoby, by móc poruszać się równie szybko. A to przyczepi się do rakiety, a to wystrzeli z procy lub katapulty, jego pomysłowość wydaje się być nieograniczona. Oglądając „Star Treka”, widzimy natomiast, jak statek odpala swoje potężne silniki i w mgnieniu oka znika w bezmiarze kosmosu. O ile łamanie zasad przeczących zdrowemu rozsądkowi w bajkach dla dzieci nie powinno nikogo razić, to takie podejście w gatunku sci fi, który ma w nazwie słowo „nauka”, wymaga co najmniej kilku słów wyjaśnienia.

Co to jest przeciążenie?

Cóż takiego niepokojącego jest w gwałtownym przyspieszaniu? Każdy z nas zna uczucie wgniatania w fotel podczas jazdy samochodem, gdy kierowca mocno wciska pedał gazu. Podobny efekt, ale dużo silniejszy, odczuwają np. piloci myśliwców w czasie wykonywania gwałtownych manewrów. Zjawisko to nosi nazwę przeciążenia. Im wyższe przyspieszenie, tym większe przeciążenie. Z punktu widzenia fizyki nie ma znaczenia, czy pojazd przyspiesza, czy zwalnia – przeciążenia w obu wypadkach są identyczne, różnią się jedynie kierunkiem działającej siły.

Dlaczego przeciążenia są groźne, możemy sobie uzmysłowić, analizując przypadek spadochroniarza, który zapomniał zabrać ze sobą spadochron. Dopóki spadochroniarz spada w kierunku ziemi, nic mu nie grozi, bowiem porusza się z przyspieszeniem ziemskim (pomniejszonym przez opór powietrza), które nie jest groźne dla zdrowia. W momencie kontaktu z ziemią jego prędkość zostaje zmniejszona do zera na odcinku kilkudziesięciu centymetrów – innymi słowy spadochroniarz poddany jest ogromnemu przeciążeniu i w efekcie odnosi poważne obrażenia lub ginie.

Podobnie nieprzyjemne będzie dla pasażera szybko przyspieszającego statku kosmicznego uczucie wgniatania w fotel. Przy odpowiednio dużym przyspieszeniu, siła nacisku fotela działająca na plecy kosmonauty doprowadzi do zmiażdżenia jego ciała. Gwałtowne przyspieszenie statku Enterprise musiałby skończyć się śmiercią całej załogi!

Łagodnie znaczy zdrowo

By uniknąć tak przykrych skutków kosmicznej podróży, nasz pojazd musi przyspieszać bardzo łagodnie. Długotrwałe przyspieszenie nie powinno przekraczać wartości 30 m/s², co mniej więcej odpowiada maksymalnemu przyspieszeniu startującego wahadłowca. Problem w tym, że osiągnięcie dużej prędkości, jaką bez trudu może osiągnąć Enterprise, np. połowę prędkości światła, zajęłoby prawie 58 dni. Jest to jednak jeden z mniejszych problemów dotykających potencjalnych międzygwiezdnych podróżników. Odległości w kosmosie są tak ogromne, że nawet dwumiesięczne przyspieszenie stanowiłoby tylko niewielki ułamek czasu niezbędny na dotarcie do najbliższej nawet gwiazdy.

Nieprzekraczalna bariera

Jeden z postulatów teorii względności głosi, że wraz ze wzrostem prędkości rośnie masa poruszającego się obiektu. Innymi słowy im szybciej się poruszamy, tym więcej ważymy. W życiu codziennym nie dostrzegamy tego efektu, ponieważ zmiany prędkości naszych ciał są niewielkie i przyrost masy jest zaniedbywalnie mały. Aby miał on praktycznie znaczenie, prędkość obiektu musi być znaczącym ułamkiem prędkości światła. Oczywiście obecnie osiąganie prędkości podświetlnych jest nierealne.

Wzór opisujący relatywistyczny przyrost masy szybko poruszającego się obiektu przedstawia zamieszczona poniżej rycina.

W tym wzorze m₀ to masa obiektu w spoczynku, v jest prędkością obiektu, a c prędkością światła. Łatwo sprawdzić, że masa obiektu zaczyna znacząco rosnąć dopiero po osiągnięciu prędkości bliskiej prędkości światła. I tak przy prędkości 0,1 c wzrost masy wynosi zaledwie 0,5%. Gdy rozpędzimy się do połowy prędkości światła, nasza masa wzrośnie o około 15%. Gdy prędkość wzrośnie do 90% prędkości światła, będziemy ważyć już ponad dwukrotnie więcej niż w stanie spoczynku. Im bardziej będziemy się zbliżać do prędkości światła, tym szybciej będzie rosła nasza masa. A czy możliwe jest osiągnięcie prędkości światła lub przekroczenie tej granicy? Ze wzoru wynika, że nasza masa w momencie osiągnięcia prędkości światła osiągnie nieskończoną wartość. Przyspieszenie ciała o nieskończonej masie wymagałoby nieskończonej energii, a tyle jej nie ma nawet w całym Wszechświecie. Stąd prosty wniosek: osiągnięcie prędkości światła (nie mówiąc już o jego przekroczeniu) jest niemożliwe.

Z tym ograniczeniem wiąże się poważny problem: odległości w kosmosie. Odległości w kosmosie są ogromne, a skoro nie możemy poruszać się szybciej od światła, potrzebujemy mnóstwo czasu na pokonanie dużego dystansu. Podróż do najbliższej gwiazdy zajęłaby co najmniej 4,22 lat, powrót tyle samo, więc cała podróż będzie trwała nie krócej niż ok 8,5 roku. Wyprawa na drugą stronę Galaktyki to już czas rzędu 100 000 lat, podróż do Galaktyki Andromedy – ponad 2 mln lat.

Teoria względności pozostawia jednak jedną otwartą furtkę do pokonywania odległości z prędkościami większymi niż prędkość światła. Jaką? O tym niebawem…

Tekst: Piotr Michałek

Autor i źródło ilustracji:

Ryc. Pictr73, https://www.flickr.com/