Tanya Ethan: Seberapa cepat kecepatan cahaya bisa dicapai?

Untuk mencapai kecepatan mendekati kecepatan cahaya, roket multi-tahap perlu menurunkan sebagian massanya saat kecepatan meningkat, seperti yang ditunjukkan oleh roket Super Haas di sini.

Misalkan Anda ingin melakukan perjalanan antarbintang dan mencapai tujuan Anda secepat mungkin. Anda mungkin tidak dapat melakukan ini sampai besok, tetapi jika Anda memiliki semua alat dan teknologi yang diperlukan, serta sedikit bantuan dari relativitas Einstein, dapatkah Anda sampai di sana dalam setahun? Bagaimana dengan mendekati kecepatan cahaya? Inilah yang pembaca kami ajukan pertanyaannya minggu ini:

Baru-baru ini saya membaca sebuah buku yang penulisnya mencoba menjelaskan paradoks kembar dengan membayangkan pesawat ruang angkasa terbang selama 20 tahun dengan akselerasi 1 g, dan kemudian kembali. Apakah mungkin untuk mempertahankan akselerasi seperti itu pada saat seperti itu? Jika, misalnya, Anda memulai perjalanan pada hari pertama tahun baru dan terbang dengan akselerasi 9,8 meter per detik per detik, maka, menurut perhitungan, kecepatan cahaya dapat dicapai pada akhir tahun. Lalu bagaimana untuk mempercepat lebih lanjut?

Untuk melakukan perjalanan ke bintang-bintang, sangat penting untuk mempertahankan akselerasi tersebut.


Peluncuran pesawat ruang angkasa Columbia pada tahun 1992 ini menunjukkan bahwa roket tidak berakselerasi secara instan - akselerasi membutuhkan waktu yang lama

Sistem roket dan jet propulsi tercanggih yang dibuat oleh manusia tidak cukup kuat untuk tugas seperti itu, karena mereka mencapai akselerasi yang tidak begitu banyak. Mereka mengesankan karena mereka mempercepat massa besar untuk waktu yang cukup lama. Tetapi akselerasi misil seperti Saturn 5, Atlas, Falcon dan Soyuz tidak melebihi akselerasi mobil sport apa pun: dari 1 hingga 2 g, di mana g adalah kuadrat 9,8 meter per detik. Apa perbedaan antara roket dan mobil sport? Mobil akan mencapai batasnya dalam 9 detik, sekitar 320 km / jam. Sebuah roket dapat berakselerasi jauh lebih lama - bukan satu atau dua menit, tetapi seperempat jam.


NASA adalah yang pertama meluncurkan roket Apollo 4 dari Cape Kennedy Space Center. Meskipun dia berakselerasi seperti mobil sport, kunci suksesnya adalah dukungan berkelanjutan dari akselerasi ini.

Ini adalah bagaimana kita dapat mengatasi tarikan gravitasi Bumi dan memasuki orbit, menjangkau dunia lain di tata surya kita, atau bahkan keluar dari tarikan matahari. Tetapi pada titik tertentu kami akan mencapai batas - Anda dapat mempercepat untuk waktu yang terbatas karena pembatasan jumlah bahan bakar yang diangkut. Bahan bakar roket yang kami gunakan, sayangnya, sangat tidak efisien. Anda melihat persamaan Einstein yang terkenal, E = mc ² , yang menggambarkan massa sebagai bentuk energi, dan energi itu dapat disimpan sebagai materi. Bahan bakar roket kami yang luar biasa sangat tidak efisien.


Peluncuran uji pertama mesin SpaceX Raptor pada awal 2016

Menggunakan reaksi kimia, bahan bakar mengubah tidak lebih dari 0,001% massa menjadi energi, sangat membatasi kecepatan maksimum yang tersedia untuk pesawat ruang angkasa. Dan itulah mengapa roket seberat 500 ton diperlukan untuk meluncurkan 5 ton muatan ke orbit geostasioner. Roket nuklir akan lebih efisien, dan akan mengubah sekitar 0,5% massa menjadi energi, tetapi hasil yang ideal adalah bahan bakar dari materi dan antimateri, mencapai efisiensi 100% dalam konversi E = mc ² . Jika Anda memiliki roket dengan massa tertentu, apa pun yang terjadi, dan hanya 5% dari massa ini akan terkandung dalam antimateri (dan 5% lainnya - dalam materi sekali pakai), Anda dapat mengendalikan penghancuran tepat waktu. Sebagai hasilnya, Anda akan mendapatkan akselerasi 1 g yang konstan dan mantap selama periode waktu yang jauh lebih lama daripada yang diberikan bahan bakar lainnya.


Ide artis tentang sistem gerak reaktif menggunakan antimateri. Penghancuran materi / antimateri memberikan kepadatan tertinggi energi fisik dari semua zat yang dikenal

Jika Anda membutuhkan akselerasi konstan, penghancuran materi / antimateri, yang merupakan beberapa persen dari total massa, akan memungkinkan Anda untuk mempercepat pada kecepatan itu selama beberapa bulan berturut-turut. Dengan cara ini, Anda dapat memperoleh hingga 40% dari kecepatan cahaya jika Anda menghabiskan seluruh anggaran AS untuk pembuatan antimateri, dan akan mempercepat 100 kg muatan. Jika Anda perlu berakselerasi lebih lama, Anda perlu menambah jumlah bahan bakar yang Anda bawa. Dan semakin Anda mempercepat, semakin dekat Anda dengan kecepatan cahaya, semakin Anda akan melihat efek relativistik.


Bagaimana kecepatan Anda meningkat seiring waktu, jika Anda mempertahankan akselerasi 1 g selama beberapa hari, bulan, tahun atau satu dekade

Setelah sepuluh hari terbang dengan akselerasi 1 g, Anda akan melewati Neptunus, planet terakhir tata surya. Setelah beberapa bulan, Anda akan mulai melihat perlambatan waktu dan pengurangan jarak. Dalam setahun Anda akan mendapatkan 80% dari kecepatan cahaya; setelah 2 tahun, Anda akan mendekati 98% dari kecepatan cahaya; setelah 5 tahun penerbangan dengan akselerasi 1 g, Anda akan bergerak dengan kecepatan 99,99% dari kecepatan cahaya. Dan semakin lama Anda berakselerasi, semakin dekat Anda dengan kecepatan cahaya. Tetapi Anda tidak akan pernah mencapainya. Selain itu, seiring waktu, ini akan membutuhkan lebih banyak energi.


Skala logaritmik menunjukkan bahwa semakin lama Anda berakselerasi, semakin dekat Anda dengan kecepatan cahaya, tetapi Anda tidak akan pernah mencapainya. Bahkan setelah 10 tahun, Anda akan mendapatkan 99,9999999% dari kecepatan cahaya, tetapi Anda tidak akan mencapainya

Percepatan sepuluh menit pertama akan membutuhkan sejumlah energi, dan pada akhir periode ini Anda akan bergerak dengan kecepatan 6 km / detik. Setelah 10 menit lagi, Anda akan menggandakan kecepatan menjadi 12 km / s, tetapi ini akan membutuhkan energi tiga kali lebih banyak. Setelah sepuluh menit lagi, Anda akan bergerak dengan kecepatan 18 km / s, tetapi ini akan membutuhkan energi 5 kali lebih banyak daripada dalam sepuluh menit pertama. Skema ini akan terus bekerja lebih lanjut. Dalam setahun, Anda sudah akan menggunakan 100.000 kali lebih banyak energi daripada di awal! Selain itu, kecepatan akan meningkat semakin sedikit.


Panjangnya dipersingkat, dan waktu diregangkan. Grafik menunjukkan bagaimana pesawat ruang angkasa yang bergerak dengan akselerasi 1 g selama seratus tahun dapat melakukan perjalanan ke hampir setiap titik di Alam Semesta yang terlihat dan kembali dari sana, selama satu kehidupan manusia. Tetapi pada saat dia kembali, waktu ekstra akan berlalu di Bumi

Jika Anda ingin mempercepat kapal seberat 100 kg selama tahun ini pada 1 g, Anda akan membutuhkan 1000 kg materi dan 1000 kg antimateri. Dalam setahun Anda akan bergerak dengan kecepatan 80% dari kecepatan cahaya, tetapi Anda tidak akan pernah bisa melampauinya. Bahkan jika Anda memiliki energi yang tak terbatas. Akselerasi konstan membutuhkan peningkatan traksi yang konstan, dan semakin cepat Anda bergerak, semakin banyak energi Anda dihabiskan untuk efek relativistik. Dan sampai kita mengetahui bagaimana mengendalikan deformasi ruang, kecepatan cahaya akan tetap menjadi batasan utama alam semesta. Segala sesuatu yang memiliki massa tidak dapat mencapainya, apalagi melampauinya. Tetapi jika Anda mulai hari ini, maka dalam setahun Anda akan menemukan diri Anda di mana belum ada objek makroskopis yang tercapai!

Ethan Siegel - astrofisika, sains popularizer, penulis buku Starts With A Bang! Dia menulis buku-buku "Beyond the Galaxy" [ Beyond The Galaxy ], dan "Tracknology: the science of Star Trek" [ Treknology ].