Podróże międzygwiezdne
Autor: Tomasz Jędrzejewski
Podstawą marzeń o kosmosie jest założenie, że kiedyś grupka odważnych ludzi wsiądzie na pokład najbardziej zaawansowanego pojazdu, jaki kiedykolwiek udało się zbudować, i ruszy w jego wnętrzu ku innym planetom krążącym wokół obcych słońc. W świecie literatury lub filmu podróże do gwiazd wydają się być banalnie proste, ot ustawiamy bardzo wysoką prędkość i lecimy. Rzeczywistość jest o wiele bardziej złożona, bowiem na dobrą sprawę naukowcy nie są dotąd nawet pewni, czy w warunkach ziemskich możliwe jest stworzenie odpowiedniego napędu. Głównym wrogiem człowieka są kosmiczne odległości. Aby uzmysłowić sobie, z jakiego rzędu wielkościami mamy do czynienia, uczyńmy pewne porównanie. Wyobraźmy sobie, że nasza Ziemia ma wielkość jabłka. W takiej skali księżyc leżałby w odległości 3 metrów od niej. Słońce znajdowałoby się od nas w odległości kilometra, a najbliższą nam gwiazdę Alpha Centauri trzeba by ulokować na tym prawdziwym Księżycu. Choć patrząc w niebo wydaje się, że pełno tam rozmaitych obiektów, w rzeczywistości głównym budulcem kosmosu jest próżnia, fotony i neutrina. Do zobrazowania ilości materii we Wszechświecie także posłużymy się porównaniem pochodzącym od Isaaca Asimova: „jest tak, jakby cała materia Wszechświata była ziarnkiem piasku umieszczonym w samym środku pustego pokoju o boku 30 kilometrów”. Wobec takich dystansów osiągnięcie nawet pobliskich gwiazd wydaje się niemożliwością, biorąc pod uwagę długość ludzkiego życia.
Ograniczenia fizyki
Główną przeszkodą w szybkim podboju kosmosu są nieubłagane prawa fizyki. Ze Szczególnej Teorii Względności Einsteina wiemy, że żaden materialny obiekt nie może poruszać się w przestrzeni szybciej, niż wynosi prędkość światła, czyli 300 000 km/s. Chociaż dla przeciętnego człowieka wielkość ta jest niewyobrażalnie duża, musielibyśmy w hipotetycznej rakiecie lecieć z nią przez 4,3 roku, by dotrzeć do Alpha Centauri. Na Ziemi czteroletnia podróż to nic niezwykłego. Wielu historycznych podróżników bywało poza domem i dłużej. Jednak przy dużych prędkościach znów daje znać o sobie fizyka. Osobie żyjącej na powierzchni naszej planety wydaje się, że czas płynie wszędzie z jednakową prędkością, a jeżeli długość jakiegoś obiektu wynosi 100 metrów, to tak jest w istocie. Jest to tylko złudzenie. Wspomniana wyżej teoria przewiduje, że światło w próżni porusza się ze stałą prędkością ok. 300 000 km/s we wszystkich kierunkach i niezależnie od układu inercjalnego. Szczególnie interesująca jest końcówka tego zdania, ponieważ mówi ona, że jeśli takowy układ się porusza, czas i przestrzeń ulegają odpowiedniemu skróceniu lub wydłużeniu tak, aby wymieniona prędkość światła pozostała niezmienna. Błędny pogląd utrzymywał się przez tysiąclecia jedynie dlatego, że dla małych prędkości, jakie spotykamy na co dzień, owe zmiany są w zasadzie niewykrywalne i dążą do zera. Wyobraźmy sobie kosmiczną rakietę lecącą z połową prędkości światła. Jeśli podstawimy tę wartość do odpowiednich wzorów matematycznych, odkryjemy, że dla jej załogi czas płynie znacznie wolniej, niż dla mieszkańców planety, z której wyruszyli. Lecąc tak przez pięć lat, ich pozostawione na macierzystym globie rodziny postarzeją się o kilkanaście lat. Stanowi to poważny problem dla społeczeństwa. Jego skutki znakomicie zobrazował polski pisarz Stanisław Lem w swej powieści pt. „Powrót z gwiazd”.
O wiele istotniejszy dla podróży międzygwiezdnych wniosek płynący z teorii względności jest taki, że szybkości nie można zwiększać w nieskończoność. Istnieje pewne fizyczne ograniczenie i jest nim właśnie prędkość światła, od którego nie może poruszać się szybciej żaden obiekt w kosmosie. Co więcej, wraz ze wzrostem szybkości, rośnie także masa, a w pobliżu wartości granicznych dąży ona wręcz do nieskończoności. Nie trzeba wyjaśniać, że statek kosmiczny, nieważne jak wytrzymały, w żadnym wypadku nie podołałby takiej próbie i uległ zniszczeniu.
Napędy konwencjonalne
Na dzień dzisiejszy problem stanowi rozwinięcie zaledwie jednej tysięcznej prędkości światła. Rekord szybkości kosmicznej ustanowionej przez ziemski pojazd wynosi na dzień dzisiejszy 252 792 km/h, co daje zaledwie 70 km/s. Należy on jednak do orbitującego wokół Słońca satelity, natomiast rakiety kosmiczne z silnikiem odrzutowym, jakimi dysponujemy, są w stanie rozpędzić nas maksymalnie do 40 000 km/h. Jest to stanowczo za mało, aby myśleć o utrzymywaniu ścisłego kontaktu nawet z pobliskimi planetami i do podróży międzygwiezdnych stanowczo należy opracować inne technologie.
24 października 1998 roku w kosmos poleciała amerykańska sonda Deep Space 1, w której po raz pierwszy zastosowano eksperymentalny napęd jonowy, który jest około dziesięciokrotnie wydajniejszy od innych, jakie dotąd użyto w kosmosie. Zasada jego funkcjonowania polega na wyrzucaniu w przestrzeń dodatnich jonów jakiegoś gazu (współcześnie wykorzystuje się ksenon), które w polu elektromagnetycznym przyspieszają aż do 36 km/s. Ponieważ masa wyrzucanego gazu jest niewielka, silnikiem jonowym nie da się wykonywać żadnych gwałtowniejszych przyspieszeń – w początkowym etapie swej pracy nadaje on napędzanemu pojazdowi prędkość liczoną wręcz w milimetrach. Prawdziwe efekty wyrzutu jonów widoczne są dopiero po pewnym czasie.
Zainteresowanie uczonych budzi antymateria. Badania prowadzone pod koniec lat dwudziestych XX wieku doprowadziły naukowców do wniosku, że każda cząstka elementarna posiada swoją antycząstkę. Obie mają identyczne masy, lecz przeciwne wszystkie opisujące je liczby kwantowe oraz ładunki elektryczne; przykładowo protony mają ładunek dodatni, antyprotony – ujemny. Wielbiciele Dana Browna po lekturze „Aniołów i demonów” wiedzą, że w momencie kontaktu ze sobą materia i antymateria ulegają anihilacji, czyli przemianie w czystą energię promieniowania elektromagnetycznego. Anihilacja zaledwie 1 kilograma antymaterii wyzwala ilość energii równą eksplozji 43 milionów ton TNT. Wprawdzie ponad 50% jest „zabierane” przez neutrina, lecz i tak do wykorzystania pozostaje pokaźny zapas, w dodatku bez żadnych zanieczyszczeń. Z pojazdami kosmicznymi napędzanymi antymaterią wiązane są duże nadzieje. Do uzyskania znacznie wyższych prędkości wystarczą mikroskopijne ilości paliwa, które bardzo łatwo jest przetransportować na orbitę, w przeciwieństwie do ogromnych cystern zasilających współczesne rakiety chemiczne.
Wielkie odkrycia geograficzne na Ziemi dokonały się dzięki żaglowcom. Istnieją realne szanse, że żaglowce, niczym w filmie animowanym „Planeta skarbów”, podbiją również wszechświat. Oczywiście nie będą to takie statki, jakie znamy ze zdjęć i wyobrażeń, ponieważ opierać się one będą na bardziej złożonych zjawiskach fizycznych. Kosmiczny żagiel, zamiast wiatru, chwytać ma samo światło i wykorzystywać jego ciśnienie do rozpędzania się. Naukowcy twierdzą, że taki pojazd jest w stanie, przy niemal zerowym zużyciu paliwa, rozpędzić się po odpowiednio długim czasie nawet do 1/10 prędkości światła. Co ciekawsze, technologia ta wyszła już poza poziom naukowej spekulacji, ponieważ NASA przeprowadziła już orbitalne testy niewielkich żagli i stwierdziła, że faktycznie ta koncepcja się sprawdza.
Na pograniczu fikcji i rzeczywistości
Opisane dotąd technologie, choć znajdują się już na drodze planów i projektów, nie umożliwią człowiekowi podboju kosmosu na skalę galaktyki z powodu przytoczonych na początku artykułu przyczyn. Ich stosowanie może ograniczać się do pojedynczych układów planetarnych lub niewielkich dystansów. Dalsza kolonizacja wymaga jeszcze wielu dekad badań w dziedzinie fizyki i rozstrzygnięcia szeregu fundamentalnych problemów dotyczących budowy wszechświata. Idea napędów, jakie mogą być owocem tych prac, może być streszczona w prostym wyrażeniu: „Jeśli twój statek nie jest w stanie polecieć do sąsiedniej galaktyki, niech galaktyka przyleci do niego”. Słowo „napęd” użyte jest tutaj w przenośni, ponieważ nowe wynalazki, zamiast pchać pojazd przez pustkę kosmosu, będą ingerowały bezpośrednio w strukturę czasoprzestrzeni do osiągnięcia zamierzonego rezultatu.
Naukowcy snują wizję wykorzystania do przemieszczania się po wszechświecie tuneli czasoprzestrzennych. Wyobraźmy sobie, że przestrzeń jest ogromną kartką papieru. Aby przedostać się z punktu w lewym górnym rogu w okolice prawego dolnego, normalnie trzeba poświęcić czas na pokonanie całego dystansu. Jeśli jednak kartkę papieru zwiniemy tak, by oba interesujące nas rogi znalazły się tuż obok siebie, będziemy mogli dokonać w mgnieniu oka jednego prostego skoku, całkowicie ignorując rzeczywistą odległość. Identyczną zasadę działania prezentuje tunel czasoprzestrzenny. Dokonuje on takiego zwinięcia przestrzeni, aby punkt startowy i docelowy zostały połączone krótkim pomostem, którym tradycyjne statki kosmiczne przelecą, jak przez drzwi. Teoria względności nie wyklucza istnienia takich tuneli, jednak dotychczasowe badania wskazują, że są to twory wysoce niestabilne i natychmiast ulegają zamknięciu. Aby utrzymać tunel na tyle długo, by przesłać nim cokolwiek na drugą stronę, musielibyśmy dysponować ujemną energią, a raczej sposobem na jej produkowanie. Istnieją poważne przypuszczenia, iż taka energia faktycznie może istnieć, a wniosek ten płynie z badania czarnych dziur, które (jak się okazuje) emitują promieniowanie.
Tunel czasoprzestrzenny to poważna ingerencja w otaczającą nas przestrzeń. Oprócz problemów stricte fizycznych, nie wiemy też, jak można by „adresować” miejsce docelowe, aby zaprowadził on nas tam, gdzie chcemy. Trudno sobie przecież wyobrazić losowe przekłuwanie przestrzeni w nadziei natrafienia na coś interesującego. Okazuje się jednak, że teoria względności pozostawia nam kolejną furtkę. Wiemy z niej, że zegary pozostające w spoczynku względem swego otoczenia odmierzają ten sam czas. Możemy więc oczekiwać, że umieszczając dwa takie urządzenia w dwóch przeciwległych krańcach wszechświata, będą one działać dokładnie tak samo. Ale przecież wszechświat się rozszerza i oba punkty oddalają się od siebie, lecz pomimo tego wzory fizyczne nie zmieniają się z tego powodu. Okazuje się, że ograniczenie prędkości dotyczy obiektów i zjawisk znajdujących się w przestrzeni, lecz sama przestrzeń może odkształcać się dowolnie szybko (światło oraz układy odniesienia poruszają się wraz z nią i prawa fizyki nie są łamane). Fizyk Miguel Alcubierre z Uniwersytetu Walijskiego wykazał, że można uzyskać taką konfigurację czasoprzestrzeni, w której można przemieścić się między dwoma punktami w dowolnie krótkim czasie, i to bez desynchronizacji zegarów, jaka ma miejsce przy tradycyjnym przyspieszaniu. Sztuczka polega na skurczaniu przestrzeni przed statkiem, a rozszerzaniu jej za nim. Pojazd kosmiczny będzie tu niesiony przez bańkę czasoprzestrzenną i może on być wyposażony nawet w klasyczny silnik rakietowy. Jednak jej wytworzenia również potrzebujemy ujemnych energii!
Ludzkość dysponuje obecnie odpowiednimi modelami, potrafi również dowieść, że za ich pomocą można podróżować z prędkościami nadświetlnymi. Jednak do wyjaśnienia pozostało, czy prawa fizyki zezwalają na ich realizację lub czy jesteśmy w stanie zbudować odpowiednie urządzenia.
Zagrożenia
Podróż do innych gwiazd rodzi nie tylko problemy techniczne. Człowiek musi sobie zadać pytanie, jak ekspansja do innych planet wpłynie na sam gatunek ludzki. Czy odległe kolonie posiadające słaby kontakt z macierzystą Ziemią nie utracą go w końcu całkowicie? Odkrycie sposobu zapobieżenia rozpadu ludzkiej cywilizacji na szereg niezależnych bytów jest konieczne, abyśmy w przyszłości uniknęli wyniszczających wojen kosmicznych już nie między poszczególnymi stronnictwami, ale wręcz gatunkami humanoidów. Także ustawodawstwo ziemskie wymagać będzie wprowadzenia stosownych ustaleń dotyczących kolonizacji, aby grupa najsilniejszych mocarstw nie zawłaszczyła sobie kosmosu na wyłączność, przykuwając resztę świata na zawsze do skał rodzimego globu.
Zakończenie
Zanim do gwiazd ruszą pierwsze statki, upłyną setki, a może i tysiące lat. Aktualnie mamy trudności nawet z utrzymaniem stałej placówki na powierzchni Księżyca położonego od nas w odległości zaledwie jednej sekundy świetlnej, a na sąsiednich planetach lądowały dotąd tylko bezzałogowe próbniki. Przed naukowcami ciągnie się jeszcze daleka droga.