آیا سفر در فضا با سرعت نور امکان‌پذیر است؟

جهانی که ما در آن زندگی می‌کنیم آن‌قدر عظیم است که تنها با رسیدن به سرعت‌هایی بسیار بالا در حد سرعت نور و یا فراتر از آن می‌توانیم به سیاره‌ها و کهکشان‌های دوردست سفر کنیم. از این رو اگر انسان بخواهد به رویای سفر به نقاط دیگر این کیهان برسد، می‌بایست به فناوری‌هایی دست یابد که چنین سرعت‌هایی را برای او فراهم می‌کنند.

از سویی بسیاری از ما انسان‌ها شیفته سرعت هستیم و در زندگی خود لوازم و تجهیزاتی می‌سازیم که بتوانیم با استفاده از آن‌ها با سرعتی بالا حرکت کنیم؛ امری که البته در موضوع حمل‌ونقل بسیار حائز اهمیت است. اما صحبت از سرعت برای سفر به اعماق فضا دیگر نه صرفا به عنوان یک هیجان یا سرعت انتقال بالاتر محموله یا انسان از یک نقطه به نقطه دیگر، بلکه به عنوان نیازی ضروری مطرح می‌شود.

وقتی صحبت از سفر در اعماق فضا و فواصلی است که با واحد سال نوری بیان می‌شوند، این موضوع اهمیتی اساسی پیدا می‌کند. آیا می‌دانید سال نوری چگونه محاسبه می‌شود؟ مقاله ما را در این باره بخوانید.

رکورد فعلی سرعت انسان مربوط به ماموریت آپولو-۱۰ ناسا در سال ۱۹۶۹ می‌شود که فضاپیمای حامل فضانوردان در راه بازگشت از مدار ماه به سرعت ۳۹۸۹۷ کیلومتر در ساعت نسبت به سیاره زمین رسید. احتمالا انسان‌ها صد سال پیش تصور نمی‌کردند که روزی یک انسان بتواند با چنین سرعتی در فضا حرکت کند؛ از همین رو بعید هم نیست که در آینده بتوان به سرعت‌هایی بسیار بالاتر دست یافت تا رویای سفرهای بین ستاره‌ای با سرعت فوتون‌های نور تحقق یابد.

اما اصلا رسیدن به سرعت امواج نور یا حتی بالاتر از آن با در نظر گرفتن علم امروز ممکن است؟ برای پاسخ به این پرسش ابتدا باید برخی موارد مقدماتی را بررسی کنیم، سپس به پاسخی درخور برای این سوال برسیم.

سرعت نور چیست؟

بالاترین سرعتی که در جهان وجود دارد مربوط به فوتون‌های نور می‌شود که البته در محیط‌های مختلف متفاوت است. سرعت استانداردی که برای این فوتون‌ها در نظر می‌گیرند، در شرایط خلا بوده که در ادامه به بررسی آن می‌پردازیم.

سرعت نور در خلا چقدر است؟

سرعت نور چقدر است؟ نظریه نسبیت خاص نشان داد که سرعت نور در خلا معادل ۲۹۹۷۹۲۴۵۸ متر در ثانیه است. این عدد را برای راحتی استفاده، معمولا حدود ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه در نظر می‌گیرند؛ سرعتی که دستیابی به آن بسیار دشوار بوده و فراتر رفتن از آن در چنین محیطی غیرممکن است.

با این حال، در سراسر فضا، از سیاهچاله ها گرفته تا محیط نزدیک به زمین، ذرات به سرعت‌های باورنکردنی می‌رسند و حتی برخی از آن‌ها با سرعت ۹۹.۹ درصد سرعت نور حرکت می‌کنند. اما در موضوع دستیابی به سرعت نور، همواره اصل نسبیت خاص اینشتین مورد توجه است.

اندازه‌گیری سرعت نور

سرعت نور چگونه اندازه‌گیری شد؟ سرعت نور را می توان با تقسیم قطر مدار زمین بر اختلاف زمانی (Time Difference) پیدا کرد. دانشمند هلندی کریستیان هویگنس (Christiaan Huygens)، دانشمند هلندی، برای اولین بار این محاسبات را انجام داد و به مقدار تقریبی ۲۱۰ هزار کیلومتر بر ثانیه رسید که بعدها این مقدار با دقت بالاتری محاسبه شد و اکنون عدد دقیق آن را می‌دانیم.

سرعت نور در محیط‌های مختلف

همان‌طور که گفتیم سرعت فوتون‌های نور در هر محیطی متفاوت است، درست مانند سرعت صوت. سرعت نور در هوا ۱.۰۰۰۳ برابر کندتر از سرعت آن در خلا است؛ یعنی از ۲۹۹۷۹۲۴۵۸ متر در ثانیه به ۲۹۹۷۰۲۵۴۷ متر در ثانیه کاهش می‌یابد. میزان این کاهش ۸۹۹۱۱ متر در ثانیه است که ظاهرا بسیار زیاد به نظر می‌رسد، اما فقط سه ده هزارم سرعت نور است!

ضریب شکست سرعت فوتون‌های نور در خلا ۱ است، اما میزان آن در آب ۱.۳ است و در نتیجه سرعت نور در آب به حدودا ۲۲۵ هزار کیلومتر در ثانیه کاهش می‌یابد. این میزان در شیشه به دلیل ضریب شکست بالاتر یعنی ۱.۵ به عدد تقریبی ۲۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه می‌رسد.

شاید برخی بپرسند چرا سرعت نور ثابت است؟ مطابق نظریه نسبیت اینشتین، نسبت فضا به زمان باید ثابت باشد و فقط در این شرایط امکان ثابت ماندن سرعت امواج نور وجود دارد. در واقع اینشتین می‌گوید سرعت امواج نور حتی زمانی که منبع نور در حال حرکت است، تغییر نمی‌کند.

اصل نسبیت خاص و سرعت نور

فرمول سرعت نور چیست؟ حدود یک قرن پیش نظریه نسبیت خاص اینشتین انقلابی در نحوه درک ما از نور ایجاد کرد و تا به امروز به عنوان راهنمایی برای درک چگونگی حرکت ذرات در فضا از آن استفاده می‌شود. با بهره‌گیری از دو اصل نسبیت خاص و تلفیق آن‌ها با دیگر قوانین فیزیک می‌توان به هم‌ارزی جرم و انرژی بر اساس اصل هم‌ارزی جرم و انرژی (E = mc²) دست یافت که در آن c معادل سرعت نور در خلا است.

با در نظر گرفتن این همبستگی، انرژی یک جسم به علت حرکت آن، جرمش را افزایش می‌دهد؛ در واقع هر چه یک جسم با سرعت بیشتری حرکت کند، جرم آن نیز بیشتر می‌شود. البته این امر زمانی قابل توجه است که یک شی واقعا با سرعتی بسیار بالا حرکت کند.

اگر آن جسم فقط با سرعتی معادل ۱۰ درصد سرعت نور در حرکت باشد، جرم آن تنها نیم درصد از حد معمول بیشتر خواهد شد، اما اگر سرعت آن ۹۰ درصد سرعت فوتون‌های نور باشد، جرم آن نیز دو برابر می‌شود. حال سوال اصلی این است که آیا امکان سفر در فضا با سرعت نور برای انسان وجود دارد؟

عجایب سرعت نور

آیا سرعت‌هایی بالاتر از سرعت نور قابل دستیابی هستند؟

بر اساس درک فعلی ما از فیزیک و محدودیت‌هایی که در عالم خلقت وجود دارد، پاسخ منفی است. با توجه به نظریه نسبیت خاص اینشتین، سرعت نور چیزی شبیه حداکثر میزان سرعت کیهانی است و نمی‌توان از آن فراتر رفت. بنابراین، سفر با سرعت نور یا سفر سریع‌تر از سرعت نور، از نظر فیزیکی غیرممکن هستند؛ به ویژه برای هر چیزی که جرم دارد، مانند فضاپیما و انسان. آیا می‌دانید تفاوت گذر زمان در زمین و فضا چگونه است؟

حتی برای چیزهای بسیار کوچک مانند ذرات زیر اتمی، مقدار انرژی (E) مورد نیاز جهت رسیدن به میزان سرعتی نزدیک به سرعت نور، چالش مهمی برای امکان انجام سفرهای فضایی تقریبا با سرعت نور محسوب می‌شود. برخورددهنده هادرونی بزرگ (LHC)، بزرگترین و پرانرژی‌ترین شتاب‌دهنده ذرات روی زمین، سرعت پروتون‌ها (ذرات درون اتم‌ها) را تا حد بسیار زیادی افزایش می‌دهد.

با این حال، حتی یک پروتون کوچک نیز برای رسیدن به سرعت نور به انرژی تقریبا بی‌نهایت نیاز دارد و انسان هنوز انرژی نزدیک به نامتناهی را کشف نکرده است. گفتنی است پروژه LHC که اولین بار در سپتامبر۲۰۰۸ شروع به کار کرد، از یک حلقه ۲۷ کیلومتری از آهنرباهای ابررسانا با تعدادی ساختار شتاب‌دهنده برای افزایش انرژی ذرات در طول مسیر تشکیل شده است. با این اوصاف می‌توان گفت حداقل در حال حاضر سفر در زمان با سرعت نور امکان‌پذیر نیست.

اما گاهی سخن از فناوری‌هایی به میان می‌آید که برخی گمان می‌کنند با بهره‌گیری از آن‌ها شاید روزی انسان به تحقق رویای سفرهای بین ستاره‌ای با سرعت نور نزدیک شود. از جمله چنین فناوری‌هایی ماشین وارپ (Warp Drive) است.

ماشین وارپ و سفر با سرعت نور

ماشین وارپ یک سامانه پیشران برای فضاپیماست که انسان را قادر می‌سازد با سرعتی بالاتر از سرعت نور در فضا سفر کند و در بسیاری از آثار علمی تخیلی، به ویژه مجموعه فیلم‌های پیشتازان فضا (Star Trek) به آن پرداخته شده است. مفهوم کلی ماشین وارپ اولین بار در سال ۱۹۵۷ توسط جان دبلیو کمپبل (John W. Campbell)، نویسنده آمریکایی، در رمان «جزایر فضا» (Islands of Space) مطرح شد و در مجموعه پیشتازان فضا محبوبیت یافت.

جالب است این را هم بدانید که برخی دانشمندان معتقدند امکان سفر با سرعتی بیشتر از سرعت نور نیز غیرممکن نیست! اریک لنتز (Erik Lentz)، پژوهشگر دانشگاه گوتینگن (University of Gottingen) آلمان، اعتقاد دارد توسعه و پرتاب فضاپیمایی که بتواند بالاتر از سرعت نور حرکت کند، امکان‌پذیر است. به گفته وی، برای ساخت موتوری که چنین امکانی را ایجاد کند به مقدار زیادی ماده فرضی با خصوصیات عجیب مثل تراکم انرژی منفی نیاز است؛ در اینجا بحث جالب توجه پادماده مطرح می‌شود.

برخی مطالعات نشان می‌دهد می‌توان این مسئله را با ایجاد سالیتون‌های (Soliton) فوق سریع به وسیله انرژی دور زد. سالیتون یک موج پایدار بوده که با سرعتی ثابت حرکت می‌کند. بدین ترتیب سفر به پروکسیما قنطورس (Proxima Centauri)، نزدیک‌ترین ستاره به خورشید، در زمانی بسیار سریع‌تر فراهم می‌شود.

البته همه این تئوری‌ها و همین‌طور ماشین وارپ فعلا در حد نظریه مطرح‌اند و دانشمندان همچنان در حال انجام مطالعات روی آن‌ها هستند. با این حال هیچ بعید نیست روزی انسان بتواند با تکیه بر چنین فناوری‌هایی به آرزوی دیرینه خود یعنی سفر در زمان دست یابد و در اعماق فضا به اکتشاف بپردازد.

نظر شما چیست؟ آیا فکر می‌کنید بشر روزی بتواند با سرعت نور یا حتی بیش از سرعت نور در فضا سفر کند؟ دیدگاه‌های خود را در قسمت نظرات با ما در میان بگذارید و سوالاتتان را بپرسید؛ کارشناسان اسپاش به شما پاسخ می‌دهند.