لتحقيق سرعة قريبة من سرعة الضوء ، يحتاج صاروخ متعدد المراحل إلى إسقاط جزء من كتلته مع زيادة السرعة ، كما يفعل صاروخ سوبر هاس الموضح هناافترض أنك تريد الذهاب في رحلة بين النجوم والوصول إلى وجهتك في أسرع وقت ممكن. قد لا تتمكن من القيام بذلك حتى الغد ، ولكن إذا كان لديك جميع الأدوات والتقنيات اللازمة ، بالإضافة إلى القليل من المساعدة من النسبية النسبية لأينشتاين ، هل يمكنك الوصول إلى هناك في غضون عام؟ ماذا عن الاقتراب من سرعة الضوء؟ هذا ما يطرحه قارئنا هذا الأسبوع:
قرأت مؤخرًا كتابًا حاول مؤلفه شرح المفارقة المزدوجة من خلال تخيل سفينة فضائية تطير لمدة 20 عامًا مع تسارع 1 جم ، ثم العودة. هل من الممكن الحفاظ على هذا التسارع خلال هذا الوقت؟ إذا قمت ، على سبيل المثال ، ببدء رحلة في اليوم الأول من العام الجديد وسافرت بسرعة 9.8 متر في الثانية في الثانية ، عندئذٍ ، وفقًا للحسابات ، يمكن الوصول إلى سرعة الضوء بنهاية العام. ثم كيف تسريع أكثر؟
للسفر إلى النجوم ، لا بد من الحفاظ على هذا التسارع.
يُظهر هذا الإطلاق لمركبة كولومبيا الفضائية في عام 1992 أن الصاروخ لا يتسارع على الفور - فالتسارع يستغرق وقتًا طويلاًأكثر الصواريخ تقدمًا وأنظمة الدفع النفاثة التي أنشأتها البشرية ليست قوية بما يكفي لمثل هذه المهمة ، لأنها لا تحقق تسارعًا كبيرًا. إنها مثيرة للإعجاب لأنها تسرع كتلة ضخمة لفترة طويلة. لكن تسارع الصواريخ مثل Saturn 5 و Atlas و Falcon و Soyuz لا يتجاوز تسارع أي سيارة رياضية: من 1 إلى 2 جم ، حيث g هي 9.8 متر في الثانية المربعة. ما الفرق بين الصاروخ والسيارة الرياضية؟ ستصل السيارة إلى الحد الأقصى لها في 9 ثوانٍ ، حوالي 320 كم / ساعة. يمكن أن يتسارع الصاروخ لفترة أطول - ليس ثانية أو دقيقة ، ولكن ربع ساعة.
كانت وكالة ناسا أول من أطلق صاروخ أبولو 4 من مركز كيب كينيدي للفضاء. على الرغم من تسارعها تمامًا مثل السيارات الرياضية ، إلا أن مفتاح نجاحها كان الدعم المستمر لهذا التسارع.هذه هي الطريقة التي يمكننا بها التغلب على جاذبية الأرض ودخول المدار ، والوصول إلى عوالم أخرى في نظامنا الشمسي ، أو حتى الخروج من الجذب الشمسي. ولكن في مرحلة ما سنصل إلى الحد الأقصى - يمكنك التسريع لفترة محدودة بسبب القيود المفروضة على كمية الوقود المنقولة. لسوء الحظ ، فإن وقود الصواريخ الذي نستخدمه غير فعال للغاية. لقد رأيت معادلة آينشتاين الشهيرة ، E = mc
2 ، التي تصف الكتلة بأنها شكل من أشكال الطاقة ، ويمكن تخزين تلك الطاقة على أنها مادة. وقود الصاروخ الرائع لدينا غير فعال بشكل رهيب.
أول اختبار تجريبي لمحرك SpaceX Raptor في أوائل عام 2016باستخدام التفاعلات الكيميائية ، لا يحول الوقود أكثر من 0.001٪ من كتلته إلى طاقة ، مما يحد بشدة من السرعة القصوى المتاحة للمركبة الفضائية. وهذا هو بالضبط السبب وراء الحاجة إلى صاروخ يزن 500 طن لإطلاق 5 أطنان من الحمولة في المدار الثابت بالنسبة للأرض. ستكون الصواريخ النووية أكثر كفاءة ، وستحول حوالي 0.5 ٪ من كتلتها إلى طاقة ، ولكن النتيجة المثالية ستكون الوقود من المادة والمادة المضادة ، لتصل إلى كفاءة 100 ٪ في تحويل E = mc
2 . إذا كان لديك صاروخ بكتلة معينة ، بغض النظر عن أي شيء ، و 5 ٪ فقط من هذه الكتلة ستحتوي في المادة المضادة (و 5 ٪ أخرى - في المواد التي يمكن التخلص منها) ، يمكن التحكم في الإبادة في الوقت المناسب. ونتيجة لذلك ، ستحصل على تسارع ثابت وثابت بمقدار 1 جم خلال فترة زمنية أطول بكثير من أي وقود آخر يمنحك.
فكرة الفنان عن نظام الحركة التفاعلية باستخدام المادة المضادة. إن إبادة المادة / المادة المضادة تعطي أعلى كثافة للطاقة الفيزيائية لجميع المواد المعروفةإذا كنت بحاجة إلى تسارع مستمر ، فإن إبادة المادة / المادة المضادة ، والتي تمثل نسبة مئوية قليلة من إجمالي الكتلة ، ستسمح لك بالتسارع بهذه السرعة لعدة أشهر متتالية. بهذه الطريقة ، يمكنك الحصول على ما يصل إلى 40٪ من سرعة الضوء إذا أنفقت ميزانية الولايات المتحدة بأكملها على إنشاء المادة المضادة ، وستسرع 100 كجم من الحمولة. إذا كنت بحاجة إلى التسريع لفترة أطول ، فأنت بحاجة إلى زيادة كمية الوقود التي تأخذها معك. وكلما زادت سرعتك ، كلما اقتربت من سرعة الضوء ، كلما لاحظت التأثيرات النسبية.
كيف تزيد سرعتك بمرور الوقت ، إذا حافظت على تسارع 1 جم لعدة أيام أو شهور أو سنوات أو عقدبعد عشرة أيام من الطيران مع تسارع 1 جم ، ستتجاوز نبتون ، آخر كوكب في النظام الشمسي. بعد بضعة أشهر ، ستبدأ في ملاحظة تباطؤ في الوقت وتقليص المسافة. في عام ستحصل على 80٪ من سرعة الضوء ؛ بعد عامين ، ستقترب من 98٪ من سرعة الضوء ؛ بعد 5 سنوات من الطيران مع تسارع 1 جم ، ستتحرك بسرعة 99.99٪ من سرعة الضوء. وكلما زادت السرعة ، كلما اقتربت من سرعة الضوء. لكنك لن تصل إليه أبداً. علاوة على ذلك ، بمرور الوقت ، سيتطلب هذا المزيد والمزيد من الطاقة.
يوضح المقياس اللوغاريتمي أنه كلما زادت السرعة ، كلما اقتربت من سرعة الضوء ، لكنك لن تصل إليها أبدًا. حتى بعد 10 سنوات ، ستحصل على 99.9999999٪ من سرعة الضوء ، لكنك لن تصل إليهاستتطلب الدقائق العشر الأولى من التسارع قدرًا معينًا من الطاقة ، وبحلول نهاية هذه الفترة ستتحرك بسرعة 6 كم / ثانية. بعد 10 دقائق أخرى ، ستضاعف السرعة إلى 12 كم / ثانية ، لكن هذا سيتطلب طاقة أكبر بثلاث مرات. بعد عشر دقائق أخرى ، ستتحرك بسرعة 18 كم / ثانية ، ولكن هذا سيتطلب طاقة أكبر بخمس مرات من الدقائق العشر الأولى. هذا المخطط سيستمر في العمل أكثر. في غضون عام ، ستستخدم بالفعل طاقة أكثر من 100،000 مرة مما كانت عليه في البداية! بالإضافة إلى ذلك ، ستزيد السرعة أقل وأقل.
يتم تقصير الأطوال ، ويمتد الوقت. يُظهر الرسم البياني كيف يمكن لسفينة متحركة تتحرك بتسارع 1 جم لمائة عام أن تنتقل تقريبًا إلى أي نقطة من الكون المرئي وتعود من هناك ، على مدار حياة إنسان واحد. ولكن بحلول الوقت الذي سيعود فيه ، سيمر وقت إضافي على الأرضإذا كنت تريد تسريع سفينة تزن 100 كجم خلال العام عند 1 جم ، فستحتاج إلى 1000 كجم من المادة و 1000 كجم من المادة المضادة. في عام ستتحرك بسرعة 80٪ من سرعة الضوء ، لكنك لن تتجاوزها أبدًا. حتى لو كان لديك كمية لا حصر لها من الطاقة. يتطلب التسارع المستمر زيادة مستمرة في الجر ، وكلما زادت سرعة تحركك ، زادت إنفاق طاقتك على التأثيرات النسبية. وحتى نكتشف كيفية التحكم في تشوه الفضاء ، ستبقى سرعة الضوء هي الحد الأقصى للكون. كل شيء له كتلة لا يمكنه تحقيقه ، ناهيك عن تجاوزه. ولكن إذا بدأت اليوم ، فستجد نفسك في غضون عام حيث لا يوجد شيء مجهري حتى الآن!
إيثان سيغل - فيزيائي فلكي ، مروج للعلوم ، مؤلف كتاب "يبدأ بانفجار!" كتب كتب "ما وراء المجرة" [ ما وراء المجرة ] و "Tracknology: علم ستار تريك" [ Treknology ].