السفر بسرعة الضوء: عندما يتحدى الخيال العلمي العلماء
هل سيكون السفر بسرعة أكبر من سرعة الضوء ممكنًا على الإطلاق؟ هذه الفكرة ، التي تم استكشافها لعقود من قبل كتاب الخيال العلمي ، تمت دراستها من قبل علماء الفيزياء - من الناحية النظرية فقط ...
لا شيء يمكن أن يذهب أسرع من الضوء في الفراغ. إنه ثابت فيزيائي حدد فهمنا للكون منذ نهاية القرن العشرين . تعود دراسة سرعتها إلى العصور القديمة وإلى التجارب الفكرية الأولى ، وهي طريقة تجعل من الممكن إيجاد تفسير لظاهرة ، هنا جسدية ، بالوسائل الوحيدة للخيال.
بعد عدة قرون من النقاش ، كان أول رومر ، عالم الفلك الدنماركي من القرن السابع عشر ، أول من أظهر أن سرعة الضوء محدودة ، مما يعني أنه يمكن حسابها. تم تحديد قيمته الدقيقة عند 299،792،458 مترًا في الثانية (قيمة 300000 كيلومتر في الثانية هي معيار دولي). ينطبق هذا على أي جسم يصدر ضوءًا: سرعة الضوء المنبعث من نجم وسرعة ذلك المنبعث من المصباح هي نفسها.
توضح ماري كريستين أنغونين ، الأستاذة في جامعة بيير وماري كوري ونائبة رئيس مرصد باريس: "سرعة الضوء هي السرعة القصوى التي يمكننا الوصول إليها في الزمكان الذي نعيش فيه". "سرعة الضوء هي في الواقع السرعة التي تنتقل بها الطاقة ، بغض النظر عن هذا النوع من الطاقة. »
لا تسمح معرفتنا الحالية لأي جسم بالتحرك أسرع من 300000 كيلومتر في الثانية. "لتتمكن من الوصول إلى هذه السرعة القصوى ، يجب أن يتلقى الجسيم الهائل ، إذا اتبعنا النسبية العامة ، كمية غير محدودة من الطاقة. يجب أن تتفكك لتصبح نشطة بحتة. عندها ستكون قادرة على السير بسرعة الضوء "تدعم ماري كريستين أنغونين.
لكن دعونا نعترف للحظة ، كما يفعل كتاب الخيال العلمي منذ عقود ، أن ذلك ممكن. دعنا نتجاهل العدد الذي لا يحصى من التحديات المادية التي قد يمثلها هذا ، ونسهب في الحديث عن الحلين اللذين يتخيلهما الخيال العلمي للسفر بسرعة الضوء وما وراءهما: الفضاء الزائد والتفاف ، اللذان تم تصويرهما في العديد من الإنتاجات ، من Star Trek إلى Star Wars إلى أحدثها. على سبيل المثال ، Buzz Lightyear، أحدث أفلام Disney Pixar *. في بداية الفيلم ، يعود Buzz Lightyear ، رئيسه وطاقم مؤلف من أكثر من ألف عالم وفني من مهمة فضائية. على بعد حوالي 4.2 مليون سنة ضوئية من الأرض ، ينبههم نظام الملاحة في سفينتهم إلى أنهم بالقرب من كوكب غير مستكشف يحتمل أن يكون غنيًا بالموارد. بسبب خطأ في التقدير ، قاموا بإتلاف سفينتهم بشدة ووجدوا أنفسهم عالقين على هذا الكوكب ، والتي تسمى T'Kani Prime. لذلك يعمل فريق العلماء على تطوير وقود فائق السرعة. ومع كل محاولة ، تخوض شخصية Buzz معركة مجنونة ضد الوقت: أربع دقائق من أول رحلة تجريبية له تساوي أربع سنوات على T'Kani Prime ،
HYPERSPACE ، تبرير سردي
للانتقال من عالم إلى آخر بسهولة ، تسافر شخصيات أعمال الخيال العلمي المتنوعة مثل Dune و Star Wars بسرعات فائقة. نادرًا ما يتم شرح هذه العملية بالتفصيل ، مما يجعل من الممكن تبرير السفر بين النجوم أو بين المجرات على المقاييس الزمنية البشرية. ضرورة أساسية لبناء قصة يمكن للقارئ أو المتفرج التعرف عليها. لا يزال من الضروري أن تبدو عناصر التفسير ذات مصداقية.
كان على المؤلفين أن يجدوا بسرعة نظريات "مقبولة علميًا" ومفهومة من قبل أكبر عدد - ومن ثم غياب التفاصيل. على الرغم من أن وسائل السفر بين النجوم تختلف من عمل إلى آخر ، إلا أن معظمها يتضمن مفاهيم من نظريات النسبية العامة والخاصة ، مثل ثقوب ويلر-ميسنر الدودية أو جسر أينشتاين. الثقب الدودي كما تخيله تشارلز دبليو ميسنر وجون إيه ويلر يحدد الروابط الافتراضية بين منطقتين متميزتين من الزمكان. يوجد ثقب أسود على جانب واحد ، وعلى الجانب الآخر ثقب أبيض . وبالتالي فإن الثقب الدودي سيشكل اختصارًا في الزمكان.
بالنسبة لأينشتاين ومساعده الفيزيائي ناثان روزين ، يمكن تفسير الطبيعة الذرية للمادة ، إذا دفع المرء بحل شوارزشيلد ، على أنها وجود جسر بين صفحتين من الزمكان. تشكل هذه النظرية في الواقع أولى التكهنات الجادة حول الاختصارات المحتملة في الزمكان أو الممرات بين الأكوان المتوازية.
"يعتبر حل شوارزشيلد كتلة متناظرة كرويًا ، ونحن خارج هذه الكتلة ، والتي يمكن أن تكون الشمس ، والأرض ، وثقب أسود ... وهناك تشويه للزمكان الذي يصنع ثقبًا. من اللحظة التي يكون لدينا فيها ثقب ، يمكننا أن نتخيل أنه مصنوع في مكانين في الكون وأنه يسبب انحناءًا "توضح ماري كريستين أنغونين. تكمن المشكلة في أنه إذا تخيل حل شوارزشيلد وجود ثقوب دودية ، أو حتى أزمنة فضاء منحنية بالفعل ، عند دخول الثقب الأسود ، فمن غير المرجح أن ينجح في الخروج عبر الثقب الأبيض. كنا نسقط على جانب أو آخر ، كما لو كنا عالقين في وعاء.
رسم تخطيطي لثقب دودي ذو كتلة سالبة ومساحة زائدة.
"الآن ، إذا أضفنا شحنة ، والتي من شأنها أن تنتج طاقة كهربائية بالإضافة إلى طاقة الجاذبية ، فإنها ستلتف على هذه المشكلة وتدفع للخلف [إلى الجانب الآخر من الثقب الدودي]. مثل المغناطيس العملاق ، سوف ينجذبنا إلى القطب الشمالي ثم يصعدنا القطب الجنوبي. بمجرد القيام بذلك ، لا يمكنك العودة إلى الاتجاه الآخر. في سياق الروايات التي تنص على رحلة العودة ، فإن هذا الاختصار الأولي سيجعل بالتأكيد من الممكن التحرك بسرعة ، لكنه سيجبرنا على التجول في الكون للعودة إلى نقطة البداية. "يبدو الأمر كما لو كنت تأخذ طريقا مختصرا للذهاب إلى الكنيسة ولكن لكي تعود إلى المنزل ، كان عليك أن تتجول في القرية" صورة ماري كريستين أنغونين.
لتكون قادرًا على السفر ذهابًا وإيابًا عبر الثقب الدودي ، كما في Interstellar ، يتطلب طاقة ذات كثافة أقل من الفراغ ، وهي كتلة يمكن أن تدفعنا إلى الخلف نحو ثقب أبيض عند الاقتراب منه. "من أجل ذلك ، يجب أن يكون لدينا كتلة سالبة في مكان ما ،" تلاحظ ماري كريستين أنغونين. "سيكون مضادًا للجاذبية ، أي مكان يتم رفضنا منه بدلاً من الانجذاب إليه. مضاد الجاذبية موجود جدًا في الخيال العلمي ، لكن في الحياة اليومية ، لم يتم تسليط الضوء عليه أبدًا ، حتى في الطاقات الفراغية. »المفاهيم التي يصعب تفسيرها من قبل المبتدئين ، قد يكونون من عشاق الخيال العلمي. هذا هو السبب في تطوير التبرير السردي للفضاء الزائد. تمر السفن التي تقودها الشخصيات الخيالية بين طرفي ثقب دودي بسرعة أكبر من سرعة الضوء ، مما يبرر حركة سريعة لا تؤخر الحبكة. لاحظ أن الفضاء الفائق في الخيال العلمي يستعير فقط مصطلحات معينة من العلم ، لكنه لا يتوافق مع أي نظرية علمية.
التشوه و مقياس الكوبيير
في عام 1994 ، طور الفيزيائي المكسيكي ميغيل ألكوبيير وسيلة نظرية للحركة الفائقة اللمعان لا تنتهك المبدأ الفيزيائي القائل بأن لا شيء يمكن أن يسافر أسرع من سرعة الضوء في الفراغ. متري Alcubierre ، من الناحية النظرية متوافق مع نظرية النسبية الخاصة ، يتخيل إمكانية ثني الزمكان. لا تتحرك المركبة الفضائية بنفسها أسرع من الضوء ، ولكنها عالقة في "فقاعة" تسمح لها بالتحرك من النقطة أ إلى النقطة ب أسرع من الضوء. تتكون الفقاعة المذكورة من تمدد المساحة خلف الوعاء من جهة ، وتقلص المساحة أمام الوعاء من جهة أخرى.
هنا فقط ، إذا كانت هذه النظرية تحترم مسبقًا قوانين الفيزياء ، فإن ثني الزمكان للسفر أسرع من الضوء يتطلب أيضًا طاقة أقل كثافة من الفراغ. ومع ذلك ، فإن مبدأ الكتلة السالبة ، الذي تخيله أينشتاين ، لا يزال حتى اليوم مجرد فرضية لم يتم التحقق منها ويصعب التحقق منها.
تقول ماري كريستين أنغونين: "المشكلة هي أن الجسيم الذي يسير أسرع من الضوء سيبقى دائمًا أسرع من الضوء ، لأن إبطائه يتطلب طاقة غير محدودة". وعلى العكس من ذلك ، فإن إحضار جسم ضخم إلى سرعة الضوء يتطلب طاقة لا متناهية. وهذه ليست لانهائية نظرية ، فقد تم إثباتها من خلال التجربة. لهذا السبب ، في مسرعات الجسيمات ، لا يتم إرسال مكعبات من المادة ، بل يتم إرسال جسيم واحد ، لأن هناك حاجة بالفعل إلى كمية هائلة من الطاقة حتى تكون مجرد نسبية. »
من الممكن نظريًا وجود فقاعات في الزمكان تنتقل بسرعة الضوء ، أو حتى أسرع من الضوء. لكن المشكلة الرئيسية هي وضع سفينة في إحدى هذه الفقاعات. "سيتعين علينا إيقاف الفقاعة ، وجعلها تتحرك بسرعة أبطأ من سرعة الضوء ، وهذا غير ممكن. من الناحية الفنية ، لا توجد طريقة فيزيائية لعبور هذا الحاجز لسرعة الضوء "يدعم ماري كريستين أنغونين.
ولكن بعد ذلك ، إذا اعتبرنا أن "محركات التشويه" - التي نظّرها كتاب سيناريو ستار تريك لفترة طويلة - لا يمكن تطويرها بسبب الحاجة إلى الطاقة السلبية ، فهل لن تكون أبدًا سوى خيال؟ ليس بالضرورة. نُشر بحث أجرته مجموعة دولية من العلماء حول فئات أخرى من "محركات التشويه" في عام 2021 في مجلة كلاسيكال أند كوانتوم جرافتي .
العلماء في هذه المجموعة ، المسماة الفيزياء التطبيقية ، نظروا في "محرك تشويه" نظري لا يتطلب كتلة سالبة. لكي يكون هذا ممكنًا ماديًا ، كما يقولون ، يجب أن تبدو السفينة وكأنها درع ، مسطحة من الأمام والخلف. تتميز مظاهراتهم ، على الرغم من عدم اكتمالها ، بميزة إظهار أنه من وجهة نظر رياضية ، يمكن بناء محرك الاعوجاج.
"كان مقياس Alcubierre فكرة غير واقعية ومن المستحيل تمامًا تنفيذها في الفيزياء اليومية لأسباب متعددة. [...] ما أظهره هؤلاء العلماء هو أن مقياس Alcubierre هو أحد الحلول من بين العديد من الحلول الأخرى ، والتي يسهل تنفيذها ، إذا جاز التعبير. إنه أمر مثير للاهتمام ، لكن هذا لا يعني أنه يمكن القيام به ، "تؤكد ماري كريستين أنغونين. "إذا أخذنا في الاعتبار تقلبات الفراغ ، فإن هذا النوع من التجارب لن يكون موجودًا إلا في نظرية الزمكان الكمومي مع طاقات صغيرة جدًا وبالتالي بجزيئات صغيرة جدًا. إن مركبة فضائية بسرعة الضوء غير واقعية على الإطلاق في الوقت الحاضر. »
على الرغم من اهتمام العلماء بهذه الأسئلة لسنوات عديدة ، فإن السفر الفائق اللمعان يجب أن يظل ، لفترة طويلة ، من صلاحيات مؤلفي الخيال العلمي.
https://www.nationalgeographic.fr/espace/voyager-a-la-vitesse-de-la-lumiere-quand-la-science-fiction-met-les-scientifiques-au-defi?fbclid=IwAR17KfJW70jkH9lp4kjO7DtigZVmx9YPKrwxqRXwGJIVxcE6GzJrYTkACf4cientifiques au défi