Three ways to travel faster than light (and why physics says they are impossible)

Nobody took the idea of warp drive seriously until 1994, when a theoretical physicist Miguel Alcubierre proposed a method that could, within the realm of known physics, warp space to travel faster than light.

Alcubierrův objev vyvolal mezi teoretickými fyziky pozdvižení. Mohlo by být nadsvětelné cestování možné?

Zajímala se o to dokonce i NASA.

Předpokládejme, že chci udělat něco „jednoduchého“, například vyslat robotickou sondu na Alfu Centauri, aby ji prozkoumala a podala o tom zprávu. Alfa Centauri je vzdálená asi 4,37 světelného roku. Udělejme z toho pro jednoduchost čtyři. Takže paprsek světla se tam ze Země dostane za 4 roky. Pokud nedokážu letět rychleji než světlo, je cesta tam a zpět nejméně 8 let! A to letím rychlostí světla, nepočítaje čas potřebný ke zrychlení na tuto rychlost a zpomalení u Alfy Centauri. Naše nejrychlejší sonda všech dob, Parkerova sluneční sonda NASA vypuštěná v roce 2018, dosáhne maximální rychlosti pouze 200 kilometrů za sekundu. Rychlost světla je 1500krát vyšší!“

Přiblížit sondu byť jen k této rychlosti by bylo působivé, ale pokud se mi podaří letět rychleji než světlo, možná mnohem rychleji, mohl bych dobu zpáteční cesty zkrátit na měsíce nebo i méně.

Takovou možností se v rámci fyzikální komunity zabývali již před desítkami let při výzkumu tzv. červích děr. Stejně jako Alcubierrova myšlenka jsou červí díry deformací prostoru, ale místo bubliny, kterou s sebou nese loď, jsou to průchody prostorem, které vás mohou přenést z jednoho bodu do druhého za mnohem kratší dobu než cesta normálním prostorem, podobně jako vysokorychlostní železnice.

Červí díry byly objeveny v roce 1916, pouhý rok poté, co Einstein zveřejnil svou teorii gravitace nazvanou obecná relativita. Ve srovnání s teorií warpového pohonu jsou sice staré, ale rozhodně ne méně exotické.

Večerní díry se objevují i ve Star Treku, ale s výjimkou té, kterou sestrojili mimozemšťané v DS9, jsou považovány za nestabilní. Ve sci-fi seriálu Hvězdná brána, který se více blíží budoucnosti, jsou však de rigueur způsobem cestování k jiným hvězdám a galaxiím.

Pro ty z nás, kteří si představují budoucí lidstvo cestující ke hvězdám nadsvětelnou rychlostí, je palčivou otázkou: Co je pravděpodobnější, že se stane skutečností? Pohon podobný warp pohonu Alcubierre nebo hvězdné brány?

Podívejme se na rozdíly:

Pohon Alcubierre deformuje prostor tak, že cokoli uvnitř jeho bubliny bude urychlováno nikoli pomocí pohonných prostředků, ale stlačováním samotného prostoru. To je jako miniforma toho, jak se rozpíná vesmír, ale v opačném směru a lokálně v bublině. Protože deformuje prostor a necestuje prostorem, může letět rychleji než světlo.

Za posledních 26 let bylo na adresu Alcubierrova nápadu publikováno velké množství kritických poznámek: Bude potřebovat vesmírnou energii. Bude generovat intenzivní záření ničící jak to, co je uvnitř warp bubliny, tak to, co je před ní. Znemožní její ovládání, protože nelze posílat zprávy ze zadní části lodi do přední, aniž by se překročila rychlost světla. Bude potřebovat bublinu tak tenkou, že by se vymykala známé fyzice.

Všechny tyto problémy se přesto zdály být inženýrské nebo alespoň potenciálně řešitelné. Chytrý inženýr v budoucnosti by jistě dokázal navrhnout způsob, jak je obejít. Vyrobit chytřejší bublinu, která bude potřebovat méně energie. Použít Alcubierrovy warp bubliny k posílání zpráv do přední části lodi. Možná by se dala vyvinout nějaká ochrana proti záření nebo by se dalo nějak odklonit či odsát. A kdo říká, že nemůžeme vytvořit supertenkou bublinu? Přesto jsou možná červí díry jednodušší cestou ke hvězdám.

Červí díra je jako tunel, ale má o jeden rozměr více než obvykle. Skládá se ze dvou kulovitých otvorů oddělených v prostoru. Na rozdíl od vyobrazení ve Hvězdné bráně a Star Treku není otvor dvourozměrný disk, ale koule, do které můžete vstoupit z libovolného směru. Obě koule jsou spojeny otvorem zvaným „hrdlo“, což je povrch koule, který existuje mimo normální prostor. Tato koule je obdobou kruhové spojky mezi dvěma trubkami, ale v jednom rozměru navíc.

Při vstupu do jedné koule neprocházíte běžným tunelem. Spíše vstupujete do deformovaného prostoru, kde místo toho, abyste prošli koulí a vyšli na druhé straně, je směr, kterým cestujete, ohnutý mimo normální prostor. Toto ohnutí způsobí, že projdete hrdlem a vyjdete druhou koulí. Nikdy nevidíte „stěny“ tunelu, protože stěny jsou trojrozměrné, a celou dobu trávíte „na“ stěně jako mravenec lezoucí uvnitř přesýpacích hodin. (Dokonce můžete zevnitř vyslat signál v přímém směru a on vás oběhne a vrátí se k vám). Je těžké si to představit, což je pravděpodobně důvod, proč se to sci-fi málokdy podaří.

Dřívější řešení Einsteinových rovnic červími dírami, včetně té, kterou sám Einstein objevil ve 30. letech 20. století, nebylo možné projít, protože „hrdlo“ červí díry bylo sevřeno rychleji, než mohlo projít i světlo. Teprve v roce 1973 objevil Homer Ellis v Einsteinových rovnicích „průchozí“ červí díru, tedy takovou, kterou lze skutečně cestovat.

Stejně jako warpový pohon se i sestrojení červí díry ukáže jako výzva. K vytvoření tak velké deformace časoprostoru byste museli propojit dvě černé díry (na každém konci jednu). K tomu je třeba spojit obě singularity černých děr a zároveň zachovat samotné černé díry oddělené. Pak musíte sloučenou singularitu z bodu vyhodit do sférického hrdla pro otvor.

Kvantová teorie by s tím mohla pomoci prostřednictvím „provázání“, kdy lze objekty propojit na dálku. Jiní navrhli, že přirozeně se vyskytující kvantové červí díry by se mohly objevit ve vakuu vesmíru v subatomární sféře zvané kvantová pěna a mohly by být podněcovány k tomu, aby se zvětšily a umožnily něčemu projít. Zatím se neprokázalo, že by některý z těchto mechanismů byl fyzikálně možný v takové velikosti, aby jím mohlo projít něco klasického jako sonda. Ukazuje se, že červí díry jsou oříšek.

Třetí metodou, kterou jsem zatím ve sci-fi neviděl, je Krasnikovova trubice. Tato myšlenka byla navržena v roce 1995 jako alternativa k Alcubierrovu pohonu. V něm by loď deformovala prostor, když by se podsvětelnou rychlostí dostávala od jedné hvězdy ke druhé. Místo toho, aby cestu zkracovala jako červí díra, je trubice strojem času.

Podívejme se, jak to funguje:

Předpokládejme, že moje robotická sonda letí 99 % rychlostí světla k Alfě Centauri. Uletět touto rychlostí 4 světelné roky je pro nás 4,04 roku, ale pro sondu je to jen 7 měsíců. Důvod souvisí s relativitou a paradoxem dvojčat. Tento princip můžete vidět v sérii knih Ender od Orsona Scotta Carda. Ender a jeho sestra cestují tak dlouho, že žijí tisíce let pozemského času.

Krasnikovova trubice je navržena tak, aby zkreslovala čas za sondou a lidé na Zemi nemuseli čekat tak dlouho na návrat sondy. Jakmile sonda dosáhne svého cíle a je připravena k návratu, vstoupí do trubice a cestuje zpět stejnou cestou, jakou přišla. Jediný rozdíl je v tom, že při cestě běží čas opačně. To má za následek, že sonda dorazí krátce poté, co odešla!