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.

Odkrycie Alcubierre’a poruszyło fizyków teoretycznych. Czy podróże FTL mogą być możliwe?

Nawet NASA się tym zainteresowała.

Załóżmy, że chcę zrobić coś „prostego”, jak wysłanie zrobotyzowanej sondy do Alfy Centauri, by ją sprawdzić i złożyć raport. Alfa Centauri jest oddalona o około 4,37 roku świetlnego. Dla uproszczenia niech to będzie cztery. Zatem wiązka światła potrzebuje 4 lat, by dotrzeć tam z Ziemi. Jeśli nie potrafię poruszać się szybciej niż światło, podróż w obie strony zajmie mi co najmniej 8 lat! I to lecąc z prędkością światła, nie licząc czasu potrzebnego na rozpędzenie się do tej prędkości i zwolnienie w Alfa Centauri. Nasza najszybsza sonda w historii, Parker Solar Probe NASA, wystrzelona w 2018 roku, osiągnie maksymalną prędkość 200 kilometrów na sekundę. Prędkość światła jest 1500 razy większa!

Uzyskanie sondy nawet zbliżonej do tej prędkości byłoby imponujące, ale gdybym mógł poruszać się szybciej niż światło, a może nawet dużo szybciej, mógłbym skrócić czas podróży w obie strony do miesięcy lub nawet mniej.

Taka możliwość pojawiła się w środowisku fizyków już kilkadziesiąt lat wcześniej dzięki badaniom nad tym, co powszechnie nazywa się „tunelami czasoprzestrzennymi”. Podobnie jak pomysł Alcubierre’a, tunele czasoprzestrzenne są zniekształceniem przestrzeni, ale zamiast być bańką, którą statek przewozi ze sobą, są przejściami przez przestrzeń, które mogą zabrać cię z jednego punktu do drugiego w znacznie krótszym czasie niż przejście przez normalną przestrzeń, jak szybka kolej.

Pętle czasoprzestrzenne zostały odkryte w 1916 roku, zaledwie rok po tym, jak Einstein opublikował swoją teorię grawitacji zwaną Ogólną Teorią Względności. W porównaniu z teorią napędu warp, są one starożytne, ale nie mniej egzotyczne.

Wormhole pojawiają się także w Star Treku, ale, z wyjątkiem tych skonstruowanych przez obcych w DS9, są one uważane za niestabilne. W bliższej przyszłości franczyzie Sci-Fi, Stargate, są one jednak de rigueur sposobem na podróż do innych gwiazd i galaktyk.

Dla tych z nas, którzy wyobrażają sobie przyszłą ludzkość podróżującą do gwiazd z prędkościami FTL, palące pytanie brzmi: co jest bardziej prawdopodobne, że stanie się rzeczywistością? Napęd warp w stylu napędów Alcubierre’a czy Gwiezdne Wrota?

Spójrzmy na różnice:

Napęd Alcubierre’a wypacza przestrzeń tak, że wszystko wewnątrz jego bańki będzie przyspieszane nie przez napęd, ale przez kompresję samej przestrzeni. Jest to jakby mini forma tego, jak wszechświat się rozszerza, ale w odwrotnym kierunku i lokalnie w bańce. Ponieważ zniekształca przestrzeń, a nie podróżuje przez przestrzeń, może poruszać się szybciej niż światło.

W ciągu ostatnich 26 lat opublikowano wiele krytycznych uwag na temat pomysłu Alcubierre’a: Będzie potrzebował wszechświata energii. Będzie generować intensywne promieniowanie niszczące zarówno to, co jest wewnątrz bańki, jak i to, co jest przed nią. Uniemożliwi kontrolę nad nim, ponieważ nie można przesyłać wiadomości z tyłu statku do przodu bez przekroczenia prędkości światła. Będzie potrzebował bańki, która jest tak cienka, że wykracza poza znaną fizykę.

Wszystkie te problemy wydawały się być problemami inżynieryjnymi lub przynajmniej potencjalnie rozwiązywalnymi. Z pewnością sprytny inżynier w przyszłości mógłby zaprojektować sposób na ich obejście. Stworzyć bardziej inteligentną bańkę, która potrzebuje mniej energii. Wykorzystać bańki warp Alcubierre’a do wysyłania wiadomości na przód statku. Być może dałoby się opracować jakąś ochronę przed promieniowaniem, albo można by je jakoś odchylić lub odessać. A kto powiedział, że nie da się stworzyć supercienkiej bańki? Mimo to, być może tunele czasoprzestrzenne są łatwiejszą drogą do gwiazd.

Dziura czasoprzestrzenna jest jak tunel, ale ma o jeden wymiar więcej niż zwykle. Składa się z dwóch otworów w kształcie kuli, oddzielonych od siebie w przestrzeni. W przeciwieństwie do przedstawień w Gwiezdnych Wrotach i Star Treku, otwór nie jest dwuwymiarowym dyskiem, ale kulą, do której można wejść z dowolnego kierunku. Dwie kule są połączone otworem zwanym „gardłem”, które jest powierzchnią kuli istniejącej poza normalną przestrzenią. Sfera ta jest analogiczna do okrągłego złącza między dwiema rurami, ale w jeszcze jednym wymiarze.

Jak wchodzisz do jednej kuli, nie przechodzisz przez zwykły tunel. Wchodzisz raczej do zniekształconej przestrzeni, gdzie zamiast przejść przez kulę i wyjść po drugiej stronie, kierunek, w którym się poruszasz, jest zagięty poza normalną przestrzenią. To wygięcie powoduje, że przechodzisz przez gardziel i wychodzisz przez drugą kulę. Nigdy nie widzisz „ścian” tunelu, ponieważ ściany są trójwymiarowe, a ty spędzasz cały czas „na” ścianie, jak mrówka pełzająca wewnątrz klepsydry. (Możesz nawet wysłać sygnał w linii prostej ze środka, a on zatoczy koło i wróci do ciebie). Trudno to sobie zwizualizować i pewnie dlatego science fiction rzadko kiedy robi to dobrze.

Wcześniejsze rozwiązania równań Einsteina, w tym to, które sam Einstein odkrył w latach 30-tych XX wieku, były niemożliwe do przebycia, ponieważ „gardło” tunelu było ściśnięte szybciej, niż nawet światło mogło przez nie podróżować. Dopiero w 1973 roku Homer Ellis odkrył, że w równaniach Einsteina można znaleźć „przejezdny” tunel, przez który można podróżować.

Podobnie jak napęd warp, zbudowanie tunelu czasoprzestrzennego również okazałoby się nie lada wyzwaniem. Aby stworzyć tak duże zniekształcenie czasoprzestrzeni, należałoby połączyć dwie czarne dziury (po jednej na każdym końcu). Aby to zrobić, należy połączyć dwie osobliwości czarnych dziur, zachowując jednocześnie osobne czarne dziury. Następnie trzeba wysadzić połączoną osobliwość z punktu w kulistą gardziel dla otworu.

Teoria kwantowa może w tym pomóc poprzez „splątanie”, gdzie obiekty mogą być połączone razem na odległość. Inni zasugerowali, że naturalnie powstające dziury kwantowe mogą pojawić się w próżni kosmicznej w subatomowej sferze zwanej pianką kwantową i być zachęcane do powiększania się, aby coś mogło przez nie przejść. Jak dotąd żaden z tych mechanizmów nie okazał się fizycznie możliwy do wykonania w rozmiarze potrzebnym do przejścia czegokolwiek klasycznego, np. sondy. Trzecia metoda, której jeszcze nie widziałem w fantastyce naukowej, to rura Krasnikowa. Pomysł ten został zaproponowany w 1995 roku jako alternatywa dla napędu Alcubierre. W tym rozwiązaniu statek zniekształcałby przestrzeń podczas podróży z prędkością podświetlną od jednej gwiazdy do drugiej. Zamiast skracać podróż jak tunel czasoprzestrzenny, tuba jest wehikułem czasu.

Zobaczmy, jak to działa:

Załóżmy, że moja zrobotyzowana sonda kosmiczna zmierza z prędkością 99% prędkości światła do Alfy Centauri. Przebycie 4 lat świetlnych z tą prędkością to dla nas 4,04 roku, ale dla sondy to tylko 7 miesięcy. Powód ma związek z względnością i paradoksem bliźniąt. Widzisz tę zasadę w serii książek Ender autorstwa Orsona Scotta Carda. Ender i jego siostra podróżują tak dużo, że żyją tysiące lat w czasie ziemskim.

Tuba Krasnikowa jest zaprojektowana tak, aby zniekształcać czas za sondą, aby ludzie na Ziemi nie musieli czekać tak długo na powrót sondy. Kiedy sonda osiągnie swój cel i jest gotowa do powrotu, wchodzi do tuby i wraca tą samą drogą, którą przybyła. Jedyna różnica polega na tym, że podczas podróży czas biegnie w odwrotnym kierunku. Dzięki temu sonda dociera na miejsce krótko po tym, jak je opuściła!