Повний гайд міжзоряних подорожей: “омолоджувальна” швидкість світла, антиматеріальний рушій і червоточини

1977 року людство запустило за межі Сонячної системи свою найамбітнішу місію. Два ідентичні апарати Voyager 1 та Voyager 2 вирушили у найдовшу в історії космічних досліджень подорож. І хоча їхньою первісною місією було вивчення зовнішніх планет Сонячної системи, наразі обидва зонди вже перетнули межі геліосфери та увійшли у міжзоряний простір, ставши найбільш далекими штучними космічними апаратами з коли-небудь запущених людством. 

У це складно повірити, але рухаючись із колосальною для нас швидкістю — майже 61 500 км/год (Voyager 1) та 55 000 км/год (Voyager 2), вони подолали лише ≈0,02% дистанції до найближчої до нас зоряної системи — Альфа Центавра. Якби обидва космічні апарати вирушили цілеспрямовано саме туди, на те щоб дістатися свого кінцевого пункту призначення, їм знадобилося б понад 73 000 років.

Досвід Voyager спонукає змиритися, що найімовірніше нам ніколи не підкоряться міжзоряні подорожі. Втім, у нашому Всесвіті існують парадокси, використання яких, теоретично, може допомогти долати космічні відстані значно швидше. Сьогодні ми склали для вас найбільш повний путівник мандрів між зорями.

Фундамент міжзоряних подорожей: Ейнштейнівські парадокси

Міжзоряні подорожі, за уявленнями наукової фантастики, вимагають подолання величезних відстаней і часу. Коли йдеться про польоти до інших зір, стає очевидним, що звична для нашої планети ньютонівська фізика, на яку впродовж 300 років спиралися всі механічні розрахунки на Землі, більше не працює: для космологічних відстаней слід було її повністю переосмислити. Ньютонівська фізика стверджувала, що орбіти обертання планет у Сонячній системі мають бути стабільними, натомість впродовж тривалих астрономічних спостережень Меркурій поводився доволі дивно, кожне століття зміщуючи свою орбіту на 43 кутові секунди.

На початку минулого сторіччя дослідити загадку прецесії перигелію Меркурія взявся німецький фізик — Альберт Ейнштейн. Винайдена ним нова фізика, наведена у Спеціальній теорії відносності, оприлюдненій у 1905-му, і доповнена 1915 року в Загальній теорії відносності, повністю змінила розуміння людства про природу простору та часу. 

На відміну від Ньютона, який вважав гравітацію силою, що миттєво діє на об’єкти на відстані, Ейнштейн припустив, що гравітація є викривленням тканини простору-часу, яка немов “прогинається” під впливом надмасивних об’єктів, таких як планети, зорі тощо. А оскільки Меркурій був найближчою планетою до Сонця, Ейнштейн зрозумів, що саме маса зорі має впливати на відхилення його орбіти. Застосувавши свої рівняння, він спромігся розрахувати точний кут відхилення перигелію Меркурія, який, на подив багатьох фізиків, склав саме 43 кутові секунди. Одну з найбільших загадок астрономії початку ХХ сторіччя було вирішено — орбіти планет не є стабільними, вони постійно корегуються гравітацією масивніших об’єктів. 

Нова фізика Альберта Ейнштейна наочно продемонструвала, що ані час, ані простір не є абсолютними поняттями, а залежать від сукупності факторів, зокрема від швидкості руху спостерігача, що стежить за ними. Спеціальна теорія відносності спробувала описати не тільки кругові орбітальні траєкторії, але й рух прямою лінією з постійною швидкістю. Її два основних принципи ґрунтувалися на двох базисах: 

1. Закони фізики однакові для всіх спостерігачів, що перебувають у стані рівномірного руху один відносно іншого. 
2. Швидкість світла у вакуумі однакова для всіх спостерігачів, незалежно від руху джерела світла. 

Відкриття цих принципів передбачало наслідки, такі як уповільнення часу та скорочення дистанції у просторі. Ейнштейн зрозумів, що коли об’єкт наближається до швидкості світла, з ним мають відбуватися дивні речі. Час відносно нерухомого спостерігача для об’єкта сповільнюється, а його довжина скорочується в напрямку руху. Відкриті ефекти були не просто теоретичними цікавинками — вони є фундаментальною частиною тканини Всесвіту. На сьогодні явища, описані Ейнштейном у Теорії відносності, багаторазово підтверджені: від поведінки субатомних частинок у прискорювачах (під час експериментів у адронному колайдері) до коректного функціонування супутників GPS, геопозиціонування яких узгоджене зі встановленими на них надточними атомними годинниками.

Та для потенційного космічного мандрівника дивовижні ефекти нової фізики Ейнштейна стали палицею з двома кінцями. З одного боку, вони робили можливим подолання величезних космологічних відстаней впродовж одного людського життя, навіть якщо ці відстані займають тисячі років з погляду спостерігача на Землі. Однак поряд із цим з’являлася і часова розбіжність, через яку мандрівник, який би рухався достатньо довго у космічному просторі зі швидкістю, наближеною до швидкості світла, повертаючись на Землю, потрапляє вже у майбутнє, де всі, кого він знав, давно померли (це явище описує парадокс близнюків, про який ми нижче докладно ще поговоримо). 

Уповільнення часу та скорочення простору є наслідком того, що наш Всесвіт не є тривимірним простором з окремим часом, а є єдиним чотиривимірним континуумом, який варто сприймати як спарений простір-час, в якому перше нерозривно пов’язане із другим. Сама природа Всесвіту породжує дивовижний взаємозв’язок: швидкість, з якою ми рухаємося через простір, впливає на швидкість, з якою ми рухаємося через час. Таким чином, якщо людство колись матиме можливість здійснити міжзоряну подорож, воно має прийняти той факт, що ця мандрівка буде не просто фізичним переміщенням з точки А в точку Б, а разом із тим ще й повноцінним стрибком у часі.

“Омолоджувальна” подорож до Альфа Центавра та парадокс близнюків

Давайте розглянемо приклад з подорожжю до найближчої до нашого Сонця зоряної системи — Альфа Центавра, розташованої на відстані приблизно 4,37 світлового року. Світловий рік є мірою не часу, а відстані, яка означає, що для того щоб дістатися Проксима Центавра, світлу, що рухається у космічному вакуумі із постійною швидкістю 299 792 458 м/с, слід буде витратити ≈4,37 земного року. Саме стільки часу мине для спостерігача цієї міжзоряної подорожі, який залишиться на Землі, однак для самого космічного корабля і його екіпажу все буде зовсім інакше.

Річ у тім, що ближчою швидкість космічного корабля буде до швидкості світла, то сильніше стискатиметься простір у напрямку його руху, та тим дужче сповільнюватиметься час для нього. Ці два явища називають релятивістським скороченням довжини (або скороченням Лоренца) та уповільненням часу (time dilation). Завдяки їм для екіпажу космічного корабля подорож до зоряної системи Альфа Центавра триватиме значно менше, ніж для землян. Це станеться, оскільки простір між мандрівником і пунктом призначення скорочуватиметься, а позаяк швидкість світла є константою (постійною величиною), така подорож забере менше часу.

Попри те, що подібний феномен складно навіть уявити в масштабі нашого макросвіту, він передбачений рівняннями Ейнштейна. Сама космічна подорож для міжзоряного мандрівника відбуватиметься звично: його годинник цокатиме з усталеною швидкістю, і час для нього спливатиме, як і завжди. Парадокс стане очевидним лише тоді, коли він повернеться додому і виявить, що упродовж його міжзоряної мандрівки час на Землі не йшов у ногу з його власним. 

Альберт Ейнштейн у своїй статті від 1905 року назвав це явище парадоксом годинників. Але 1911 року французький фізик Поль Ланжевен розширив цей уявний експеримент, використавши для наочної ілюстрації ефекту двох близнюків. 

Уявіть, що один із двох братів-близнюків вирушає в космічний вояж на кораблі зі швидкістю, близькою до швидкості світла, а інший залишається на Землі. Коли мандрівник повернеться, він буде значно молодшим за свого брата, що чекав його вдома. Розв’язання парадоксу полягає в тому, що мандрівник перебуває не в інерційній системі відліку протягом усієї подорожі. Він має прискорюватися на початку, рухається певний час із цим прискоренням у космосі, а наприкінці починає сповільнюватися. Саме це порушує симетрію між близнюками та спричиняє розбіг у часі. Близнюк на Землі залишається в інерційній (відносно сталій) системі відліку, тоді як близнюк-мандрівник переживає періоди прискорення й уповільнення. В таких різних умовах будь-яке поняття одночасності втрачатиме свій сенс.

Парадокс близнюків демонструє глибокий взаємозв’язок між простором і часом, та наочно свідчить, що наше, “земне” сприйняття часу не є універсальною константою, а нерозривно пов’язане з рухом нашої планети в космосі. Дві події, які здаються одночасними для спостерігача на Землі, відбуватимуться в різний час для мандрівника. Космічна подорож крізь величезний простір — на близьких до світлових швидкостях — схожа на керування самим потоком часу, що створює нове майбутнє, яке відрізняється від того, що залишилося позаду, на Землі.

Експериментальне підтвердження в CERN

Важливо розуміти, що парадокс близнюків — не просто теоретичне припущення, а доведений факт, перевірений експериментально Європейською організацією ядерних досліджень (Conseil Europeen pour la Recherche Nucleaire, CERN) на Великому адронному колайдері (Large Hadron Collider, LHC), що зведений на кордоні між Швейцарією та Францією, неподалік Женеви. Велетенська споруда адронного колайдера є кільцевим прискорювачем субатомних частинок, тунелі якого простяглися на 27 км. Саме там, у підземних тунелях LHC, фізики на практиці можуть спостерігати безперечні докази того, що час і простір дійсно не є сталими.

Під час цих експериментів протони в LHC розганяють до 99,9999991% від швидкості світла. Нерухомим спостерігачам, якими виступають учені-експериментатори, здається, що розігнані протони за лічені секунди долають відстань у кілька десятків кілометрів, але для самих протонів це 27-кілометрове кільце колайдера насправді стискається до кількох метрів, являючи собою вражаючий приклад релятивістського скорочення простору (скорочення Лоренца). Та й це не є головною цікавинкою проведених експериментів. 

Неймовірна швидкість розігнаних протонів починає впливати не тільки на простір, а й на час. Причому це гальмування часу, яке відбувається для протонів, настільки значне, що їхні “внутрішні годинники” сповільнюються у тисячі разів. Це означає, що якби ми порівняли два протони — один у LHC, а інший нерухомий, — то протон у колайдері “старів” би набагато повільніше, всупереч тому, що для них обох плин часу відчувається однаково.

Іще один дивовижний наслідок Теорії відносності, який ми бачимо завдяки CERN, пов’язаний із масою. Одна з ключових формул Теорії відносності — E=mc² — постулює, що енергія (E) тіла еквівалентна його масі (m), помноженій на квадрат швидкості світла (c). Простіше кажучи, енергія й маса є взаємозамінними. Коли вчені в LHC витрачають величезні обсяги енергії на прискорення протонів, ця енергія перетворюється на масу частинок. 

На швидкостях, близьких до швидкості світла, релятивістська маса протона збільшується в тисячі разів. Саме цей ефект робить протони ще важчими для подальшого прискорення. А це свідчить, що абсолютна (100%) швидкість світла недосяжна для будь-якого тіла з масою, навіть для найменших елементарних частинок, маса яких становить 1,67262192369 × 10⁻²⁷ кг. Тож, якщо розігнати до швидкості світла неможливо навіть такі легкі частинки, чи виправдані сподівання людини на те, що міжзоряні подорожі із релятивістськими швидкостями насправді можливі? 

Технічна реалізація: протон-протонний реактор, антиматеріальний космічний рушій і лазерні вітрила

Як ми вже зазначили вище, Теорія відносності стверджує, що для будь-якого об’єкта, що має масу, досягти швидкості світла неможливо. Що ближче швидкість тіла до швидкості світла, то більше зростатиме його релятивістська маса. На практиці це вимагає наявності дедалі більших обсягів енергії для подальшого прискорення. Однак, якщо ми говоримо про космічний корабель, зрозуміло, що там запас енергії завжди буде обмежений його силовою установкою або запасом палива. Отже, для досягнення абсолютної швидкості світла космічному кораблю знадобилася б нескінченна кількість енергії, що неможливо реалізувати на поточному етапі розвитку сучасних енергетичних установок.

Проте в контексті міжзоряних подорожей ми можемо хоча би спробувати досягти певних відсотків від повної швидкості світла. Одним із найбільш перспективних методів розігнати космічний корабель до таких швидкостей є використання стабільної реакції термоядерного синтезу. На відміну від сучасних ядерних реакторів на електростанціях, які отримують енергію через поділ атомного ядра, термоядерний синтез пропонує отримувати її за допомогою злиття ядер.

Саме за таким принципом має працювати протон-протонний реактор для міжзоряних рушіїв. Його концепція базується на процесі, який живить наше Сонце та інші зорі — ядерному синтезі, яким можна скористатися як джерелом енергії для космічних кораблів. Злиття ядер — технологічний процес, значно складніший за їхнє розділення, адже для стабільної реакції термоядерного синтезу потрібно досягти величезних температур і тиску, оскільки протони, маючи однаковий позитивний заряд, сильно відштовхуються один від одного. Утім, подібний протон-протонний реактор матиме значно більшу енергоефективність, що робить цю концепцію ідеальною для досягнення релятивістських швидкостей.

Та проблема використання протон-протонного реактора в контексті міжзоряних подорожей полягає не стільки в можливості вироблення велетенської кількості енергії, скільки в організації процесу її ефективного перетворення на тягу космічного корабля. Традиційні ракетні двигуни покладаються на викид маси для створення тяги, а на релятивістських швидкостях необхідна кількість маси сягала б астрономічних величин. 

Серед інших теоретичних концепцій двигунів для міжзоряних кораблів також представлені антиматеріальні двигуни й сонячні (або лазерні) вітрила. Станом на зараз концепції двигунів на основі антиматерії пропонують вироблення тяги за рахунок злиття матерії з антиматерією. Під час цієї “зустрічі” обидва типи речовини анігілюють, вивільняючи величезну кількість енергії. Найчастіше концепти антиматеріальних рушіїв пропонують використання пари водень/антиводень, адже саме водень є найпростішим і найпоширенішим елементом у Всесвіті.

Наразі процес анігіляції матерії та антиматерії є одним із найефективніших відомих джерел отримання енергії, оскільки під час нього всі 100% маси пари водень/антиводень перетворюються на енергію. Варто наголосити, що це не означає, що коефіцієнт корисної дії (ККД) подібного антиматерільного двигуна дорівнюватиме 100%, а лишень свідчить, що вся маса речовини буде перетворюватися в енергію, чого не відбувається ані під час реакції спалювання хімічного палива, ані за ядерного синтезу. 

Отже, навіть невеликої кількості антиматерії було б достатньо для розгону корабля до близьких до швидкості світла швидкостей. Разом із цим антиматеріальні двигуни поки що є й найфантастичнішою концепцією міжзоряного рушія, адже головна проблема полягає у виробництві та накопиченні такої великої кількості антиводню. Нинішні експериментальні установки в CERN дозволяють отримати та зберігати незначні обсяги даної антиматерії, яка до того ж є украй вибухонебезпечною субстанцією.

Остання з концепцій міжзоряних рушіїв, про яку поговоримо сьогодні, пропонує розробку лазерних вітрил. Ці надзвичайно великі легкі вітрила (їх можна виготовити з метаматеріалів або графену) набувають прискорення уловлюванням фотонів, що надходять на вітрила, за допомогою розташованих на Землі надпотужних лазерних установок. Тиск цих фотонів хоча й виявляється мізерним, утім, створює постійну тягу, яка дозволить космічному кораблю безперервно прискорюватись в умовах космічного вакууму, позбавленого спротиву зовнішнього середовища. 

Сучасні розробки, такі як проєкт Breakthrough Starshot, пропонують використовувати потужні лазери на Землі для “штовхання” вітрил, щоб сприяти розгону до 20% від швидкості світла. Це допомогло б дістатися Проксима Центавра всього за 20 років, на відміну від 73 000 років, як це відбувається із обома Voyager.

Вирішальну роль у концепції міжзоряних перельотів за допомогою сонячних вітрил грає маса космічного апарата. Замість того щоб відправляти до інших зоряних систем великі космічні кораблі або зонди, Breakthrough Starshot пропонує запускати крихітні високотехнологічні кубсати вагою всього кілька грамів, розміром як поштова марка. Вкрай мала маса такого зонда-розвідника матиме позитивний вплив на прискорення, і до того ж стане значно дешевшим рішенням, аніж будівництво великих космічних кораблів. 

Та якими б не були майбутні розробки міжзоряних рушіїв, основна проблема таких подорожей полягатиме в тому, що поступове зростання маси космічного корабля під час прискорення сильно впливатиме на його інерцію, чим ускладнить йому зміну напрямку або швидкості. До того ж кожна зустріч із міжзоряним газом чи пилом на таких релятивістських швидкостях стане фатальною для космічного корабля. Навіть крихітні частинки матерії набудуть величезної кінетичної енергії через релятивістську масу. Перспектива невідворотного зіткнення визначена найбільшою небезпекою при плануванні будь-якої міжзоряної подорожі на релятивістських швидкостях.

Але якщо подорожі на швидкості, близькій до швидкості світла, настільки складні, чи існують інші способи коли-небудь потрапити до інших зір? Сучасна астрофізика не виключає, що в нашому Всесвіті можуть міститися об’єкти, здатні миттєво переміщувати тіла крізь простір-час. 

Кротові нори: оминаючи простір-час

Однією з найкрасивіших гіпотез, яка може зробити міжзоряні подорожі значно легшими, є так звані кротові нори, також відомі як червоточини (wormhole). У фізичному сенсі ці космологічні об’єкти є своєрідними тунелями крізь простір-час, які забезпечують миттєве переміщення між двома віддаленими точками космосу (зоряними системами, галактиками або навіть іншими версіями Всесвіту). І хоча фізичні властивості червоточини, здатні розірвати саму тканину простору-часу, межують із науковою фантастикою, кротові нори є розв’язаннями рівнянь Загальної теорії відносності Ейнштейна і з математичної точки зору можуть існувати у нашому Всесвіті, відтак цей феномен нарекли мостом Ейнштейна — Розена. 

Для того щоб космічна кротова нора була стабільною й придатною для міжзоряних подорожей, її має заповнювати екзотична матерія з негативною щільністю енергії. Цей різновид матерії створюватиме відштовхувальну гравітацію, що не дозволить червоточині скластися під власною вагою, як це сталося б зі звичайною матерією. Окрім наявності досі не відкритої екзотичної матерії, для стабільного проходження крізь простір-час космічному кораблю знадобляться надзвичайно потужні джерела власної енергії і технології для маніпулювання простором-часом. Однією з ідей є використання антиматерії, оскільки її анігіляція з матерією вивільняє найбільшу кількість енергії. Ця енергія стала б у пригоді для того, щоб підтримувати стабільність кротової нори у разі потрапляння всередину неї космічного корабля.

Як і переміщення у просторі зі швидкістю, близькою до швидкості світла, подорож крізь кротову нору може призвести до утворення часових парадоксів. Якщо припустити, що кротова нора веде не тільки в інше місце, а й у інший час, це може потягнути за собою парадокс дідуся, який полягає у тому, що мандрівник, який через червоточину потрапив у минуле, потенційно здатний убити свого власного дідуся, що гіпотетично має унеможливити його появу в теперішньому часі.

Серед інших припущень, що протирічать причинно-наслідковому зв’язку, розглядаються повідомлення самому собі в минуле, здатні змінити майбутнє. Наявність подібних парадоксів змусила б деяких видатних фізиків відкинути можливість існування червоточин, що ведуть у минуле. Зокрема, Стівен Гокінг висунув свою гіпотезу про захист хронології, яка стверджує, що наші закони фізики не сприяють утворенню кротячих нір, які б дозволили подорожувати в минуле.

Отже, кротові нори залишаються дуже захопливою, але суто теоретичною концепцією. Хоча вони пропонують ідеальне рішення для міжзоряних подорожей, їхня реалізація вимагає існування екзотичної матерії, а також технологій, які наразі поза межами наших можливостей. Поки що фізичне існування червоточин не підтверджене ані астрономічними спостереженнями, ані лабораторними експериментами.

Та яким би не був кінцевий спосіб міжзоряних подорожей, що винайде людство в майбутньому (а ми не станемо сумніватися в цьому), він зіткнеться з серйозними етичними викликами. Пілотована місія, що вирушить до іншої зорі, неодмінно назавжди залишить усіх землян, прирікши їх переживати стрімке старіння (відносно мандрівників), тоді як самі мандрівники старітимуть значно повільніше (для землян). Деякі фантастичні припущення навіть описують сценарії, за яких мандрівники можуть повернутися в надрозвинене або, навпаки, сильно деградоване земне суспільство, де просто почуватимуться чужинцями.