ईथन से पूछें: प्रकाश की गति कितनी तेज हो सकती है?

प्रकाश की गति के करीब गति प्राप्त करने के लिए, एक मल्टी-स्टेज रॉकेट को गति के बढ़ने के साथ अपने द्रव्यमान का हिस्सा गिराना होगा, जैसा कि सुपर हास रॉकेट ने दिखाया है

मान लीजिए कि आप एक अंतरतारकीय यात्रा पर जाना चाहते हैं और जितनी जल्दी हो सके अपने गंतव्य तक पहुंच सकते हैं। आप कल तक ऐसा करने में सक्षम नहीं हो सकते हैं, लेकिन यदि आपके पास सभी आवश्यक उपकरण और प्रौद्योगिकियां हैं, साथ ही आइंस्टीन के सापेक्षता से थोड़ी मदद मिलती है, तो क्या आप एक साल में वहां पहुंच सकते हैं? प्रकाश की गति के करीब पहुंचने के बारे में क्या? इस सप्ताह हमारा पाठक यही प्रश्न पूछता है:

मैंने हाल ही में एक पुस्तक पढ़ी थी जिसके लेखक ने 20 साल तक 1 जी के त्वरण के साथ उड़ने वाले एक अंतरिक्ष यान की कल्पना करके जुड़वां विरोधाभास को समझाने की कोशिश की, और फिर वापस लौट आए। क्या ऐसे समय में इस तरह की तेजी को बनाए रखना संभव है? यदि, उदाहरण के लिए, आप एक नए साल के पहले दिन की यात्रा शुरू करते हैं और 9.8 मीटर प्रति सेकंड प्रति सेकंड के त्वरण के साथ उड़ान भरते हैं, तो गणना के अनुसार, प्रकाश की गति वर्ष के अंत तक पहुँच सकती है। फिर आगे कैसे बढ़ेगा?

सितारों की यात्रा के लिए इस तरह के त्वरण को बनाए रखना अत्यावश्यक है।


1992 में कोलंबिया अंतरिक्ष यान के इस प्रक्षेपण से पता चलता है कि रॉकेट तुरंत गति नहीं करता है - त्वरण में लंबा समय लगता है

मानव जाति द्वारा बनाए गए सबसे उन्नत रॉकेट और जेट प्रणोदन प्रणाली ऐसे कार्य के लिए पर्याप्त शक्तिशाली नहीं हैं, क्योंकि वे इतना त्वरण नहीं प्राप्त करते हैं। वे प्रभावशाली हैं क्योंकि वे काफी लंबे समय तक एक विशाल द्रव्यमान में तेजी लाते हैं। लेकिन सैटर्न 5, एटलस, फाल्कन और सोयूज जैसी मिसाइलों का त्वरण किसी भी स्पोर्ट्स कार के त्वरण से अधिक नहीं है: 1 से 2 ग्राम तक, जहां जी प्रति सेकंड 9.8 मीटर है। रॉकेट और स्पोर्ट्स कार में क्या अंतर है? कार अपनी सीमा 9 सेकंड में लगभग 320 किमी / घंटा तक पहुंच जाएगी। एक रॉकेट इतनी तेजी से बढ़ सकता है - एक सेकंड या मिनट नहीं, बल्कि एक घंटे का एक चौथाई।


नासा केप कैनेडी स्पेस सेंटर से अपोलो 4 रॉकेट लॉन्च करने वाला पहला था। हालाँकि वह स्पोर्ट्स कार की तरह ही तेज थी, लेकिन उसकी सफलता की कुंजी इस त्वरण का निरंतर समर्थन था।

इस तरह से हम पृथ्वी के गुरुत्वाकर्षण आकर्षण को पार कर सकते हैं और कक्षा में प्रवेश कर सकते हैं, हमारे सौर मंडल में अन्य दुनिया तक पहुंच सकते हैं, या यहां तक ​​कि सौर आकर्षण से बाहर निकल सकते हैं। लेकिन कुछ बिंदु पर हम सीमा तक पहुंच जाएंगे - परिवहन ईंधन की मात्रा पर प्रतिबंध के कारण आप सीमित समय के लिए तेजी ला सकते हैं। रॉकेट ईंधन, जिसका हम उपयोग करते हैं, दुर्भाग्य से, बेहद अक्षम है। आपने आइंस्टीन के प्रसिद्ध समीकरण, E = mc ² को देखा, जो ऊर्जा के रूप में द्रव्यमान का वर्णन करता है, और उस ऊर्जा को पदार्थ के रूप में संग्रहीत किया जा सकता है। हमारे अद्भुत रॉकेट ईंधन बहुत अक्षम हैं।


2016 की शुरुआत में स्पेसएक्स रैप्टर इंजन का पहला परीक्षण लॉन्च

रासायनिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग करते हुए, ईंधन अपने द्रव्यमान का 0.001% से अधिक ऊर्जा में परिवर्तित नहीं करता है, जो अंतरिक्ष यान को उपलब्ध अधिकतम गति को गंभीर रूप से सीमित करता है। और यही कारण है कि 5 टन के पेलोड को भूस्थैतिक कक्षा में लॉन्च करने के लिए 500 टन वजन वाले रॉकेट की आवश्यकता होती है। परमाणु रॉकेट अधिक कुशल होंगे, और उनके द्रव्यमान के लगभग 0.5% को ऊर्जा में बदल देंगे, लेकिन आदर्श परिणाम पदार्थ और एंटीमैटर से ईंधन होगा, जो ई = एमसी ² के रूपांतरण में 100% दक्षता तक पहुंच जाएगा। यदि आपके पास एक निश्चित द्रव्यमान का रॉकेट है, तो कोई बात नहीं, और इस द्रव्यमान का केवल 5% एंटीमैटर (और अन्य 5% - डिस्पोजेबल मामले में) में समाहित होगा, आप समय में विनाश को नियंत्रित कर सकते हैं। नतीजतन, आपको किसी भी अन्य ईंधन की तुलना में बहुत अधिक समय तक 1 ग्राम का निरंतर और स्थिर त्वरण मिलेगा।


एंटीमैटर का उपयोग करके प्रतिक्रियाशील गति प्रणाली के कलाकार का विचार। पदार्थ / एंटीमैटर का सर्वनाश सभी ज्ञात पदार्थों की भौतिक ऊर्जा का उच्चतम घनत्व देता है

यदि आपको निरंतर त्वरण की आवश्यकता है, तो द्रव्यमान / एंटीमैटर का सर्वनाश, जो कुल द्रव्यमान का कुछ प्रतिशत है, आपको लगातार कई महीनों तक उस गति से गति प्रदान करने की अनुमति देगा। इस तरह, आप एंटीमैटर के निर्माण पर पूरे अमेरिकी बजट को खर्च करने पर प्रकाश की गति का 40% तक लाभ प्राप्त कर सकते हैं, और 100 किलोग्राम पेलोड में तेजी लाएंगे। यदि आपको और भी तेजी लाने की आवश्यकता है, तो आपको अपने साथ ले जाने वाले ईंधन की मात्रा बढ़ाने की आवश्यकता है। और जितना अधिक आप गति करते हैं, आप प्रकाश की गति के जितने करीब होते हैं, उतना ही आप सापेक्ष प्रभावों को नोटिस करेंगे।


समय के साथ आपकी गति कैसे बढ़ती है, यदि आप कई दिनों, महीनों, वर्षों या एक दशक के लिए 1 ग्राम का त्वरण रखते हैं

1 जी के त्वरण के साथ दस दिनों की उड़ान के बाद, आप सौरमंडल के अंतिम ग्रह नेप्च्यून को बायपास करेंगे। कुछ महीनों के बाद, आपको समय में सुस्ती और दूरी में कमी दिखाई देने लगेगी। एक वर्ष में आप प्रकाश की गति का 80% प्राप्त करेंगे; 2 वर्षों के बाद, आप प्रकाश की गति का 98% भाग लेंगे; 1 जी के त्वरण के साथ 5 साल की उड़ान के बाद, आप प्रकाश की गति की 99.99% की गति से आगे बढ़ेंगे। और जितनी देर तुम गति करते हो, उतने करीब तुम प्रकाश की गति को पा लेते हो। लेकिन आप उस तक कभी नहीं पहुंच पाएंगे। इसके अलावा, समय के साथ, इसके लिए अधिक से अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होगी।


लॉगरिदमिक पैमाने से पता चलता है कि आप जितनी देर तक गति करेंगे, आप प्रकाश की गति के करीब पहुंचेंगे, लेकिन आप उस तक कभी नहीं पहुंच पाएंगे। 10 साल बाद भी, आपको प्रकाश की गति 99.9999999% तक मिलेगी, लेकिन आप उस तक नहीं पहुंच पाएंगे

त्वरण के पहले दस मिनट के लिए एक निश्चित मात्रा में ऊर्जा की आवश्यकता होगी, और इस अवधि के अंत तक आप 6 किमी / सेकंड की गति से आगे बढ़ेंगे। एक और 10 मिनट के बाद, आप गति को 12 किमी / सेकंड तक दोगुना कर देंगे, लेकिन इसके लिए तीन गुना अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होगी। एक और दस मिनट के बाद, आप 18 किमी / सेकंड की गति से आगे बढ़ेंगे, लेकिन इसके लिए पहले दस मिनट की तुलना में 5 गुना अधिक ऊर्जा की आवश्यकता होगी। यह योजना आगे भी काम करती रहेगी। एक साल में, आप पहले से ही 100,000 गुना अधिक ऊर्जा का उपयोग करेंगे! इसके अलावा, गति कम और कम बढ़ जाएगी।


लंबाई को छोटा किया जाता है, और समय बढ़ाया जाता है। ग्राफ से पता चलता है कि कैसे एक स्पेसशिप एक सौ साल के लिए 1 जी के त्वरण के साथ आगे बढ़ रहा है, दृश्यमान ब्रह्मांड के लगभग किसी भी बिंदु पर यात्रा कर सकता है और एक मानव जीवन के दौरान वहां से लौट सकता है। लेकिन जब तक वह वापस आएगा, तब तक पृथ्वी पर अतिरिक्त समय बीत जाएगा

यदि आप 1 जी में वर्ष के दौरान 100 किलोग्राम वजन वाले जहाज को तेज करना चाहते हैं, तो आपको 1000 किलोग्राम पदार्थ और 1000 किलोग्राम एंटीमैटर की आवश्यकता होगी। एक वर्ष में आप प्रकाश की गति की 80% की गति से आगे बढ़ेंगे, लेकिन आप इसे पार नहीं करेंगे। भले ही आपके पास असीम ऊर्जा हो। लगातार त्वरण के लिए कर्षण में निरंतर वृद्धि की आवश्यकता होती है, और आप जितनी तेज़ी से आगे बढ़ते हैं, आपकी ऊर्जा सापेक्षतावादी प्रभावों पर खर्च होती है। और जब तक हम यह पता नहीं लगा लेते कि अंतरिक्ष की विकृति को कैसे नियंत्रित किया जाए, प्रकाश की गति ब्रह्मांड की अंतिम सीमा बनी रहेगी। जो कुछ द्रव्यमान है वह इसे प्राप्त नहीं कर सकता है, अकेले इसे पार करने दें। लेकिन अगर आप आज शुरू करते हैं, तो एक साल में आप खुद को पाएंगे कि कोई स्थूल वस्तु अभी तक नहीं पहुंची है!

एथन सीगल - खगोल वैज्ञानिक, विज्ञान लोकप्रिय, एक बैंग्स के साथ शुरुआत के लेखक! उन्होंने "बियॉन्ड द गैलेक्सी" [ बियॉन्ड द गैलेक्सी ], और "ट्रैकनोलॉजी: स्टार ट्रेक का विज्ञान" [ ट्रेकोनोलॉजी ] किताबें लिखीं ।