فیزیکدانان شانس سفرهای فضایی سریعتر از نور را تقویت می کنند


سریعتر از سفر نور تنها راهی است که انسان می تواند در مدت زمان معقولی به ستاره های دیگر برسد.  <a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wormhole_travel_as_envisioned_by_Les_Bossinas_for_NASA.jpg" rel="نوفالو نواپنر" هدف ="_جای خالی" data-ylk="slk:Bossinas/NASA/Wikimedia Commons" کلاس="ارتباط دادن ">Bossinas/NASA/Wikimedia Commons</a>” src=”https://s.yimg.com/ny/api/res/1.2/Mff_5NfOTasFvL0NOJwKzA–/YXBwaWQ9aGlnaGxhbmRlcjt3PTcwNTtoPTUwNw–/https://media.zenfs.com/en/the_conversation_us_articles_815/070372a6974c56e74272b666d830568c” data-src=”https://s.yimg.com/ny/api/res/1.2/Mff_5NfOTasFvL0NOJwKzA–/YXBwaWQ9aGlnaGxhbmRlcjt3PTcwNTtoPTUwNw–/https://media.zenfs.com/en/the_conversation_us_articles_815/070372a6974c56e74272b666d830568c”/></div>
</div>
</div>
</figure>
<p>نزدیکترین ستاره به زمین پروکسیما قنطورس است.  حدود 4.25 سال نوری از ما یا حدود 25 تریلیون مایل (40 تریلیون کیلومتر) فاصله دارد.  سریعترین فضاپیمای تاریخ، کاوشگر خورشیدی پارکر که اکنون در فضا است، به حداکثر سرعت 450000 مایل در ساعت خواهد رسید.  تنها 20 ثانیه طول می کشد تا از لس آنجلس به شهر نیویورک با این سرعت برود، اما کاوشگر خورشیدی حدود 6633 سال طول می کشد تا به نزدیک ترین منظومه شمسی همسایه زمین برسد.</p>
<p>اگر بشریت بخواهد به راحتی بین ستاره ها سفر کند، مردم باید سریعتر از نور حرکت کنند.  اما تا اینجای کار، سفر سریعتر از نور فقط در داستان های علمی تخیلی امکان پذیر است.</p>
<p>در مجموعه بنیاد Issac Asimov، بشریت می‌تواند با استفاده از درایوهای پرش از سیاره‌ای به سیاره، ستاره به ستاره یا در سراسر جهان سفر کند.  در کودکی تا جایی که می توانستم از آن داستان ها بخوانم.  من اکنون یک فیزیکدان نظری هستم و در زمینه فناوری نانو تحصیل می کنم، اما هنوز مجذوب روش هایی هستم که بشریت می تواند روزی در فضا سفر کند.</p>
<p>برخی از شخصیت‌ها – مانند فضانوردان در فیلم‌های «میان ستاره‌ای» و «ثور» – از کرم‌چاله‌ها برای سفر بین منظومه‌های شمسی در چند ثانیه استفاده می‌کنند.  روش دیگری که برای طرفداران «پیشتازان فضا» آشناست، فناوری Warp Drive است.  درایوهای Warp از نظر تئوری امکان پذیر هستند اگر هنوز فناوری دور از ذهنی وجود داشته باشد.  دو مقاله اخیر در ماه مارس زمانی که محققان ادعا کردند بر یکی از چالش‌های متعددی که بین تئوری درایوهای تار و واقعیت وجود دارد، غلبه کرده‌اند، تیتر خبرها شدند.</p>
<p>اما واقعاً این درایوهای Warp نظری چگونه کار می کنند؟  و آیا انسان ها به این زودی ها به سرعت تاب خواهند خورد؟</p>
<figure class=
این نمایش دو بعدی حباب مسطح و بدون تاب از فضازمان را در مرکز نشان می‌دهد که در آن یک درایو تار محصور شده توسط فضازمان فشرده به سمت راست (منحنی رو به پایین) و فضازمان منبسط شده به سمت چپ (منحنی رو به بالا) احاطه شده است.  <a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Alcubierre.png#/media/File:Alcubierre.png" rel="نوفالو نواپنر" هدف ="_جای خالی" data-ylk="slk:AllenMcC/Wikimedia Commons" کلاس="ارتباط دادن ">AllenMcC/Wikimedia Commons</a>” data-src=”https://s.yimg.com/ny/api/res/1.2/k6EjMXeU3sV03UULuqzuOg–/YXBwaWQ9aGlnaGxhbmRlcjt3PTcwNTtoPTMyNw–/https://media.zenfs.com/en/the_conversation_us_articles_815/c4a9cb386845683b18980393767096d3″/><noscript><img alt=AllenMcC/Wikimedia Commons” src=”https://s.yimg.com/ny/api/res/1.2/k6EjMXeU3sV03UULuqzuOg–/YXBwaWQ9aGlnaGxhbmRlcjt3PTcwNTtoPTMyNw–/https://media.zenfs.com/en/the_conversation_us_articles_815/c4a9cb386845683b18980393767096d3″ class=”caas-img”/>
این نمایش دو بعدی حباب مسطح و بدون تاب از فضازمان را در مرکز نشان می‌دهد که در آن یک درایو تار محصور شده توسط فضازمان فشرده به سمت راست (منحنی رو به پایین) و فضازمان منبسط شده به سمت چپ (منحنی رو به بالا) احاطه شده است. AllenMcC/Wikimedia Commons

فشرده سازی و انبساط

درک فعلی فیزیکدانان از فضازمان از نظریه نسبیت عام آلبرت انیشتین ناشی می شود. نسبیت عام بیان می کند که فضا و زمان در هم آمیخته شده اند و هیچ چیز نمی تواند سریعتر از سرعت نور حرکت کند. نسبیت عام همچنین توضیح می‌دهد که جرم و انرژی چگونه فضازمان را منحنی می‌کنند – اجرام سنگینی مانند ستاره‌ها و سیاه‌چاله‌ها فضازمان را در اطراف خود منحنی می‌کنند. این انحنا چیزی است که شما به عنوان جاذبه احساس می کنید و چرا بسیاری از قهرمانان فضاپیما نگران «گیر کردن» یا «سقوط در» چاه جاذبه هستند. جان کمپبل و آسیموف، نویسندگان اولیه داستان های علمی تخیلی، این تاب برداشتن را راهی برای دور زدن محدودیت سرعت می دانستند.

اگر یک سفینه فضایی بتواند فضای جلوی خود را فشرده کند در حالی که فضازمان را در پشت خود گسترش دهد چه؟ «پیشتازان فضا» این ایده را گرفت و نام آن را درایو تار گذاشت.

در سال 1994، میگل آلکوبیر، فیزیکدان نظری مکزیکی، نشان داد که فشرده سازی فضازمان در جلوی سفینه فضایی در حالی که آن را در پشت انبساط می دهد، از نظر ریاضی در قوانین نسبیت عام امکان پذیر است. بنابراین، این به چه معناست؟ تصور کنید فاصله بین دو نقطه 10 متر (33 فوت) است. اگر در نقطه A ایستاده اید و می توانید یک متر در ثانیه سفر کنید، 10 ثانیه طول می کشد تا به نقطه B برسید. با این حال، فرض کنید می توانید فضای بین خود و نقطه B را به نحوی فشرده کنید تا فاصله اکنون فقط یک متر باشد. . سپس با حرکت در فضازمان با حداکثر سرعت یک متر در ثانیه، می‌توانید در حدود یک ثانیه به نقطه B برسید. از نظر تئوری، این رویکرد با قوانین نسبیت در تضاد نیست زیرا شما در فضای اطرافتان سریعتر از نور حرکت نمی کنید. Alcubierre نشان داد که حرکت تار از “Star Trek” در واقع از نظر تئوری امکان پذیر است.

پروکسیما قنطورس آمدیم، درست است؟ متأسفانه روش Alcubierre برای فشرده سازی فضازمان یک مشکل داشت: نیاز به انرژی منفی یا جرم منفی دارد.

این نمایش دو بعدی نشان می دهد که چگونه جرم مثبت فضازمان (سمت چپ، زمین آبی) و جرم منفی فضازمان را در جهت مخالف (سمت راست، زمین قرمز) منحنی می کند.  <a href="https://commons.wikimedia.org/wiki/File:One-sided_spacetime_curvatures.png#/media/File:One-sided_spacetime_curvatures.png" rel="نوفالو نواپنر" هدف ="_جای خالی" data-ylk="slk:Tokamac/Wikimedia Commons" کلاس="ارتباط دادن ">Tokamac/WikimediaCommons</a>، <a href="http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/" rel="نوفالو نواپنر" هدف ="_جای خالی" data-ylk="تصویر: CC BY-SA" کلاس="ارتباط دادن ">CC BY-SA</a>” data-src=”https://s.yimg.com/ny/api/res/1.2/PExJP9588SC2wXz.jtXXuQ–/YXBwaWQ9aGlnaGxhbmRlcjt3PTcwNTtoPTMwNg–/https://media.zenfs.com/en/the_conversation_us_articles_815/5ace55994c244801d95db593e54dfc35″/><noscript><img alt=Tokamac/WikimediaCommons، CC BY-SA” src=”https://s.yimg.com/ny/api/res/1.2/PExJP9588SC2wXz.jtXXuQ–/YXBwaWQ9aGlnaGxhbmRlcjt3PTcwNTtoPTMwNg–/https://media.zenfs.com/en/the_conversation_us_articles_815/5ace55994c244801d95db593e54dfc35″ class=”caas-img”/>
این نمایش دو بعدی نشان می دهد که چگونه جرم مثبت فضازمان (سمت چپ، زمین آبی) و جرم منفی فضازمان را در جهت مخالف (سمت راست، زمین قرمز) منحنی می کند. توکامک/ویکی‌مدیا کامانز، CC BY-SA

مشکل انرژی منفی

درایو چرخشی Alcubierre با ایجاد حبابی از فضازمان مسطح در اطراف سفینه فضایی و انحنای فضازمان در اطراف آن حباب برای کاهش فواصل کار می کند. درایو تار برای کار کردن به جرم منفی – نوعی ماده تئوری‌شده – یا حلقه‌ای با چگالی انرژی منفی نیاز دارد. فیزیکدانان هرگز جرم منفی را مشاهده نکرده اند، بنابراین انرژی منفی را تنها گزینه باقی می گذارد.

برای ایجاد انرژی منفی، یک درایو تاب از مقدار زیادی جرم برای ایجاد عدم تعادل بین ذرات و پادذرات استفاده می کند. به عنوان مثال، اگر یک الکترون و یک آنتی الکترون در نزدیکی درایو تار ظاهر شوند، یکی از ذرات توسط جرم به دام می‌افتد و این منجر به عدم تعادل می‌شود. این عدم تعادل منجر به چگالی انرژی منفی می شود. رانش تار Alcubierre از این انرژی منفی برای ایجاد حباب فضازمان استفاده می کند.

اما برای اینکه یک درایو تار بتواند انرژی منفی کافی تولید کند، به مقدار زیادی ماده نیاز دارید. Alcubierre تخمین زد که یک درایو چرخشی با یک حباب 100 متری به جرم کل جهان مرئی نیاز دارد.

در سال 1999، فیزیکدان کریس ون دن بروک نشان داد که انبساط حجم داخل حباب اما ثابت نگه داشتن سطح سطح، انرژی مورد نیاز را به طور قابل توجهی کاهش می دهد و تقریباً به جرم خورشید می رسد. یک پیشرفت قابل توجه، اما هنوز بسیار فراتر از همه احتمالات عملی.

آینده علمی تخیلی؟

دو مقاله اخیر – یکی از الکسی بوبریک و جیانی مارتیره و دیگری توسط اریک لنتز – راه حل هایی را ارائه می دهند که به نظر می رسد درایوهای پیچ و تاب را به واقعیت نزدیکتر می کند.

Bobrick و Martire متوجه شدند که با تغییر فضازمان در حباب به روشی خاص، می‌توانند نیاز به استفاده از انرژی منفی را از بین ببرند. با این حال، این راه حل یک درایو تاب تولید نمی کند که بتواند سریعتر از نور حرکت کند.

[Over 100,000 readers rely on The Conversation’s newsletter to understand the world. Sign up today.]

لنتز به طور مستقل راه حلی را نیز پیشنهاد کرد که به انرژی منفی نیاز ندارد. او از یک رویکرد هندسی متفاوت برای حل معادلات نسبیت عام استفاده کرد و با انجام این کار متوجه شد که درایو چرخشی نیازی به استفاده از انرژی منفی ندارد. راه حل لنتز به حباب اجازه می دهد تا سریعتر از سرعت نور حرکت کند.

ذکر این نکته ضروری است که این پیشرفت های هیجان انگیز مدل های ریاضی هستند. به عنوان یک فیزیکدان، تا زمانی که اثبات تجربی نداشته باشیم، به طور کامل به مدل ها اعتماد نخواهم کرد. با این حال، علم درایوهای Warp در حال ظهور است. من به عنوان یک طرفدار داستان های علمی تخیلی، از این همه تفکر نوآورانه استقبال می کنم. به قول کاپیتان پیکارد، همه چیز تا زمانی غیرممکن است که نباشد.

این مقاله از سایت خبری غیرانتفاعی The Conversation که به اشتراک گذاری نظرات کارشناسان دانشگاهی اختصاص دارد، بازنشر شده است. گفتگو دارای انواع خبرنامه های رایگان جذاب است.

نوشته شده توسط: ماریو بوروندا، دانشگاه ایالتی اوکلاهما.

بیشتر بخوانید:

ماریو بوروندا برای هیچ شرکت یا سازمانی که از این مقاله منتفع می‌شود کار نمی‌کند، مشورت نمی‌کند، سهام دارد یا از آن کمک مالی دریافت نمی‌کند و هیچ وابستگی مرتبطی را فراتر از انتصاب دانشگاهی خود فاش نکرده است.



منبع