Demandez à Ethan: à quelle vitesse la vitesse de la lumière peut-elle être atteinte?

Pour atteindre une vitesse proche de la vitesse de la lumière, une fusée à plusieurs étages devrait perdre une partie de sa masse à mesure que la vitesse augmente, comme le fait la fusée Super Haas illustrée ici.

Supposons que vous souhaitiez faire un voyage interstellaire et arriver à destination le plus rapidement possible. Vous ne pourrez peut-être pas le faire avant demain, mais si vous aviez tous les outils et technologies nécessaires, ainsi qu'un peu d'aide de la relativité d'Einstein, pourriez-vous y arriver dans un an? Qu'en est-il de l'approche de la vitesse de la lumière? Voici ce que notre lecteur pose sa question cette semaine:

J'ai récemment lu un livre dont l'auteur a tenté d'expliquer le paradoxe des jumeaux en imaginant un vaisseau spatial volant pendant 20 ans avec une accélération de 1 g, puis en revenant. Est-il possible de maintenir une telle accélération pendant un tel temps? Si, par exemple, vous commencez un voyage le premier jour d'une nouvelle année et que vous volez avec une accélération de 9,8 mètres par seconde par seconde, alors, selon les calculs, la vitesse de la lumière peut être atteinte d'ici la fin de l'année. Comment alors accélérer encore?

Pour voyager vers les étoiles, il est impératif de maintenir une telle accélération.


Ce lancement du vaisseau spatial Columbia en 1992 montre que la fusée n'accélère pas instantanément - l'accélération prend beaucoup de temps

Les fusées et les systèmes de propulsion à réaction les plus avancés créés par l'humanité ne sont pas assez puissants pour une telle tâche, car ils n'accélèrent pas tellement. Ils sont impressionnants car ils accélèrent une énorme masse pendant assez longtemps. Mais l'accélération de missiles tels que Saturne 5, Atlas, Falcon et Soyouz ne dépasse pas l'accélération de toute voiture de sport: de 1 à 2 g, où g est de 9,8 mètres par seconde au carré. Quelle est la différence entre une fusée et une voiture de sport? La voiture atteindra sa limite en 9 secondes, à environ 320 km / h. Une fusée peut accélérer beaucoup plus longtemps - pas une seconde ou une minute, mais un quart d'heure.


La NASA a été la première à lancer une fusée Apollo 4 depuis le Cape Kennedy Space Center. Bien qu'elle ait accéléré comme une voiture de sport, sa clé du succès a été le soutien continu de cette accélération.

C'est ainsi que nous pouvons surmonter l'attraction gravitationnelle de la Terre et entrer en orbite, atteindre d'autres mondes de notre système solaire, ou même sortir de l'attraction solaire. Mais à un moment donné, nous atteindrons la limite - vous pouvez accélérer pendant un temps limité en raison de restrictions sur la quantité de carburant transporté. Le carburant de fusée que nous utilisons, malheureusement, est extrêmement inefficace. Vous avez vu la célèbre équation d'Einstein, E = mc ² , qui décrit la masse comme une forme d'énergie, et cette énergie peut être stockée sous forme de matière. Notre merveilleux carburant pour fusée est terriblement inefficace.


Le premier lancement test du moteur SpaceX Raptor début 2016

Grâce à des réactions chimiques, le carburant ne convertit pas plus de 0,001% de sa masse en énergie, ce qui limite considérablement la vitesse maximale disponible pour l'engin spatial. Et c'est précisément pourquoi une fusée pesant 500 tonnes est nécessaire pour lancer 5 tonnes de charge utile en orbite géostationnaire. Les fusées nucléaires seraient plus efficaces et convertiraient environ 0,5% de leur masse en énergie, mais le résultat idéal serait le carburant de la matière et de l'antimatière, atteignant 100% d'efficacité dans la conversion de E = mc ² . Si vous aviez une fusée d'une certaine masse, quoi qu'il en soit, et que seulement 5% de cette masse serait contenue dans l'antimatière (et encore 5% - dans la matière jetable), l'annihilation dans le temps pourrait être contrôlée. En conséquence, vous obtiendrez une accélération constante et régulière de 1 g sur une période beaucoup plus longue que tout autre carburant ne vous donnerait.


L'idée de l'artiste d'un système de mouvement réactif utilisant l'antimatière. L'anéantissement de la matière / antimatière donne la densité d'énergie physique la plus élevée de toutes les substances connues

Si vous avez besoin d'une accélération constante, l'annihilation de la matière / antimatière, qui représente quelques pour cent de la masse totale, vous permettra d'accélérer à cette vitesse pendant plusieurs mois d'affilée. De cette façon, vous pouvez gagner jusqu'à 40% de la vitesse de la lumière si vous dépensez tout le budget américain pour la création d'antimatière, et accélérerez 100 kg de charge utile. Si vous devez accélérer encore plus longtemps, vous devez augmenter la quantité de carburant que vous emportez avec vous. Et plus vous accélérez, plus vous êtes proche de la vitesse de la lumière, plus vous remarquerez les effets relativistes.


Comment votre vitesse augmente-t-elle au fil du temps, si vous gardez l'accélération de 1 g pendant plusieurs jours, mois, années ou décennie

Après dix jours de vol avec une accélération de 1 g, vous contournerez Neptune, la dernière planète du système solaire. Après quelques mois, vous commencerez à remarquer un ralentissement dans le temps et une réduction de la distance. En un an, vous gagnerez 80% de la vitesse de la lumière; après 2 ans, vous approcherez 98% de la vitesse de la lumière; après 5 ans de vol avec une accélération de 1 g, vous vous déplacerez à une vitesse de 99,99% de la vitesse de la lumière. Et plus vous accélérez, plus vous vous rapprochez de la vitesse de la lumière. Mais vous ne l'atteindrez jamais. De plus, au fil du temps, cela nécessitera de plus en plus d'énergie.


L'échelle logarithmique montre que plus vous accélérez, plus vous vous rapprochez de la vitesse de la lumière, mais vous ne l'atteindrez jamais. Même après 10 ans, vous atteindrez 99,9999999% de la vitesse de la lumière, mais vous ne l'atteindrez pas

Les dix premières minutes d'accélération nécessiteront une certaine quantité d'énergie et à la fin de cette période, vous vous déplacerez à une vitesse de 6 km / s. Après encore 10 minutes, vous doublerez la vitesse à 12 km / s, mais cela nécessitera trois fois plus d'énergie. Après encore dix minutes, vous vous déplacerez à une vitesse de 18 km / s, mais cela nécessitera 5 fois plus d'énergie que dans les dix premières minutes. Ce programme continuera de fonctionner. En un an, vous utiliserez déjà 100 000 fois plus d'énergie qu'au début! De plus, la vitesse augmentera de moins en moins.


Les longueurs sont raccourcies et le temps est allongé. Le graphique montre comment un vaisseau spatial se déplaçant avec une accélération de 1 g pendant cent ans peut se déplacer vers presque n'importe quel point de l'Univers visible et revenir de là, au cours d'une vie humaine. Mais au moment où il reviendra, du temps supplémentaire passera sur Terre

Si vous souhaitez accélérer un navire pesant 100 kg dans l'année à 1 g, vous aurez besoin de 1000 kg de matière et 1000 kg d'antimatière. En un an, vous vous déplacerez à une vitesse de 80% de la vitesse de la lumière, mais vous ne la dépasserez jamais. Même si vous aviez une quantité infinie d'énergie. Une accélération constante nécessite une augmentation constante de la traction, et plus vous vous déplacez rapidement, plus votre énergie est dépensée en effets relativistes. Et jusqu'à ce que nous trouvions comment contrôler la déformation de l'espace, la vitesse de la lumière restera la limitation ultime de l'univers. Tout ce qui a de la masse ne peut pas l'atteindre, encore moins le dépasser. Mais si vous commencez aujourd'hui, dans un an, vous vous retrouverez là où aucun objet macroscopique n'a encore atteint!

Ethan Siegel - astrophysicien, vulgarisateur scientifique, auteur de Starts With A Bang! Il a écrit les livres «Beyond the Galaxy» [ Beyond The Galaxy ] et «Tracknology: the science of Star Trek» [ Treknology ].