Student World

Dostáváme se do třetí a poslední části mé práce. Zde se budu zabývat hypotetickými "nadsvětelnými" koncepty pohonu, které jsou založené na obecné teorii relativity – na manipulaci se samotným časoprostorem. V dnešním dílu se dozvíte, jak to s tím "nadsvětelným" cestováním skutečně je. Termín "nadsvětelný" totiž není v uvozovkách jen tak pro nic za nic. Věnovat se dnes budeme díky žánru science-fiction proslulému "warpovému pohonu".

Cestovat ke hvězdám je pradávným snem lidstva. Ale ani dnes,
když se lety do vesmíru staly téměř rutinní záležitostí, nejsme tomuto
snu o moc blíže než v dobách Julia Verna. Máme sice technologii umožňující
nám cesty do našeho nejbližšího vesmírného okolí, ale ani její sebelepší
zdokonalení v podobě budoucích pokročilých pohonných systémů, ať už elektrických,
nukleárních, termonukleárních, či dokonce anihilačních, nám neumožní tento
dávný sen naplnit. Některé z pokročilých pohonných systémů sice mají potenciál
umožnit i cesty mimo naši sluneční soustavu, ale dostat se s nimi jen
k našim nejbližším hvězdným sousedům, tj. Proximě a Alfě Centauri, by
bylo otázkou desítek, možná i stovek let. I kdyby ve vzdálené budoucnosti
díky genetice a kryogenním hybernačním technologiím bylo možno tyto cesty
podnikat, z lidského i čistě vědeckého hlediska je to podle mě přinejmenším
nevýhodné, ne-li zcela zbytečné. Mohlo by se tedy zdát, že Einsteinova
speciální teorie relativity a z ní plynoucí absolutní rychlostní limit
daný rychlostí šíření elektromagnetických vln (tedy i světla) ve vakuu,
nás omezuje na naši Sluneční soustavu, či v nejlepším případě na nejbližší
hvězdy, ale není tomu tak.

Pro hrdiny nejrůznějších vědeckofantastických knih, či filmů není překonávání
mezihvězdných vzdáleností žádným oříškem. Pro mnohé z nich je to dokonce
každodenní rutinní záležitostí. Červí díry, warpový pohon, hyperprostor
a tachyony. To vše pomáhá hrdinům science fiction vypořádat se s nekonečnými
mezihvězdnými vzdálenostmi, a tak se stalo nepostradatelným inventářem
prakticky všech soudobých sci-fi. Každý, kdo by si myslel že jde o pouhé
výmysly důmyslných autorů, by se však hluboce mýlil. Všechny tyto termíny
mají reálný základ v soudobé teoretické fyzice a matematice. Je sice pravda,
že k cestování ve science fiction tak často používaný hyperprostor je
pouhou fikcí a s hyperprostorem známým z reálné vědy nemá moc společného,
a že tachyony, hypotetické částice pohybující se nadsvětelnou rychlostí
využívané v některých sci-fi k nadsvětelné komunikaci, by se ve skutečnosti
(pokud by vůbec existovaly) ke komunikaci zřejmě ani nedaly využít, ale
jedno je jisté. Warpový pohon a červí díry by alespoň teoreticky k „nadsvětelnému“
pohonu a komunikaci i v realitě použitelné byly.

Říkáte si jak je to možné? Ne nadarmo jsem pojem „nadsvětelné“ dal do
uvozovek. Hmotné těleso totiž skutečně rychlosti světla (jak již bylo
nesčetněkrát teoreticky i experimentálně prokázáno) dosáhnout (natož ji
překročit) nikdy nemůže. Alespoň ne klasickou cestou. Tak, jak těleso
zrychluje a jeho rychlost se přibližuje rychlosti světla, dochází k relativnímu
zvyšování hmotnosti tělesa a to potřebuje k dalšímu zrychlení čím dál
tím více energie. Ke zrychlení na rychlost světla by bylo potřeba nekonečné
množství energie, což samozřejmě není možné tělesu dodat. Těleso by také
při rychlosti světla dosahovalo nekonečné hmotnosti. Další věcí je diletace
času. Tak, jak by vesmírná loď zrychlovala k rychlostem blízkým rychlosti
světla, docházelo by k relativnímu zpomalení času plynoucího na její palubě.
Extrémním příkladem je situace, kterou jsem uvedl už v úvodu – kdyby vesmírná
loď zrychlovala neustále o 1g, tak by posádce na její palubě k překonání
celé naší Galaxie stačilo pouhých 12 let, ale všude jinde mimo loď by
čas plynul normální rychlostí, takže na Zemi by uplynulo celých 100000
let. Kdyby loď zrychlila na rychlost světla (což samozřejmě není možné),
tak by se čas pro posádku na palubě zcela zastavil. Všechny tyto důsledky
jsou dány Einsteinovou speciální teorií relativity a jeho slavnou rovnicí
E=mc².

Pojem „nadsvětelné“ jsem uvedl do uvozovek z prostého důvodu. Cestování
pomocí červích děr nebo různých typů warpového pohonu se v globálním pohledu
sice jako nadsvětelné jeví, ale v lokálním měřítku nadsvětelné není. Je
to dáno tím, že tyto systémy pohonu využívají možností daných obecnou
teorií relativity a nejnovějšími poznatky z kvantové mechaniky k manipulaci
se samotným časoprostorem.

Dočkáme se někdy těchto pohonných systémů? Na to dnes nelze odpovědět.
Teoreticky sice mohou fungovat, ale v praxi to už tak jednoznačné není.
Dnes neznáme žádnou technologii, která by umožnila vytvoření červí díry
nebo realizaci warpového pohonu. Pokud někdy lidstvo bude disponovat takto
pokročilými pohonnými systémy, bude to zřejmě až v hodně daleké budoucnosti.
Světlou nadějí pro lidstvo může být alespoň to, že NASA vyhlásila už v
roce 1996 program „Průlom ve fyzice vesmírných pohonů“ (Breaktrough Propulsion
Physics Project), který si staví za cíl mimo jiné i zkoumání možností
realizace umělých červích děr a warpového pohonu. Já osobně jsem přesvědčen,
že jednou lidstvo těmito technologiemi (nebo i zcela jinými, o kterých
dnes nemáme ani potuchy) bude disponovat. Bez možností nadsvětelného pohonu
bychom totiž vždy zůstali omezeni jen na průzkum naší Sluneční soustavy,
v lepším případě nejbližších sousedních hvězd. Pokud by ovšem k onomu
průlomu ve fyzice někdy došlo (je jedno, jestli tomu tak bude za 100 let
nebo za 10000 let, ale já věřím, že tomu tak jednou bude) a my bychom
byly schopni některý z těchto nadsvětelných pohonných systémů realizovat,
otevřely by se před námi nové obzory. Nebudu přehánět, když řeknu, že
by nám to doslova otevřelo dveře do širého vesmíru.

b) Warpový pohon

Warpový pohon je asi nejznámějším ze všech nadsvětelných
konceptů pohonu. Jeho slávu mu přinesl věhlasný a dnes již kultovní sci-fi
seriál Star Trek, kde je warpového pohonu používáno k téměř rutinním cestám
nesmírnými nadsvětelnými rychlostmi (v řádu tisícinásobků rychlosti světla).
Právě na počest tohoto seriálu byl tento koncept pohonu pojmenován vědcem,
který ho vymyslel, jako warpový pohon (tento výraz byl totiž v seriálu
používán dávno předtím, než byl vymyšlen reálný koncept warpového pohonu).
Na druhou stranu je to trochu paradoxní, protože warpový pohon tak, jak
je v seriálu prezentován (využívající fiktivního subprostoru), nemá s
tímto skutečným konceptem moc společného.

A jak warpový pohon funguje? Autor tohoto konceptu, vynikající
teoretický fyzik mexického původu Miguel Alcubierre, publikoval
v roce 1994 list ve kterém vyšel z jeho práce v oboru obecné teorie relativity
a dnešního „standardního modelu“ vesmíru a gravitace. V oné pamětihodné
práci popsal způsob, jak pomocí modifikace časoprostoru umožnit vesmírné
lodi cestovat jakoukoliv rychlostí bez žádných omezení. Před vesmírnou
lodí by byl vesmír kompresován (podobně jako by k tomu docházelo v případě
zániku vesmíru při tzv. „velkém křachu“, opaku velkého třesku – vesmír
by v onom místě de facto zanikal) a za lodí expandován (podobně jako k
tomu docházelo při velkém třesku – vesmír by v onom místě de facto vznikal).
Tak by byl vytvořen jakýsi ostrůvek (či bublina) časoprostoru, který by
se mohl pohybovat neomezenou rychlostí a ve kterém by se loď nacházela.
Na lodi by nedocházelo k žádné diletaci času ani k žádnému nebezpečnému
přetížení. Čas na lodi by plynul stejnou rychlostí jako na Zemi. Je to
dáno tím, že rychlost rozpínání (respektive komprese) samotného časoprostoru
není ničím omezená, ani rychlostí světla (například v době tzv. inflace
v průběhu velkého třesku se celý vesmír také rozpínal nadsvětelnou rychlostí).
Samotná loď přitom neporušuje omezení rychlostí světla dané speciální
teorií relativity – ve svém lokálním rámci vesmíru (tedy v oné warpové
bublině) se loď vůbec nepohybuje, vlastně stojí na místě. Jediné, co se
v rámci celého vesmíru pohybuje (třeba i tisíckrát rychleji než světlo
– rychlost je skutečně libovolná), je onen úsek časoprostoru ve kterém
se loď nachází, ona warpová bublina.

Tento geniální koncept má ale i velké nevýhody. První z nich
je to, že k vytvoření takové deformace časoprostoru (tedy oné warpové
bubliny) je potřeba tzv. negativní energie. Negativní energii
si můžeme představit jako přesný opak normální energie. Ne ve smyslu elektromagnetickém
(jako je tomu v případě antihmoty), ale ve smyslu gravitačním. Například
hypotetická „zvláštní hmota“ (exotic matter) disponující
negativní energií by byla vlastně hmota se zápornou hmotností! Ač se to
může zdát zvláštní, kvantová mechanika zná jevy, při kterých dochází k
projevení negativní energie. Jedním z nich je tzv. Casimirův efekt.
V tomto případě dochází k tomu, že mezi dvěmi nenabitými kovovými pláty
umístěnými těsně vedle sebe dojde k vytvoření regionu s negativní hustotou
energie. Je to dáno tím, že pravé fyzikální vakuum není ve skutečnosti
„prázdné“ – neustále v něm vznikají a zanikají páry „virtuálních“ částic
a antičástic – projevují se tzv. vakuové fluktuace. Vakuum
má tedy určitou hustotu energie. Jenže v prostoru mezi pláty dojde k redukování
počtu vakuových fluktuací (čím je prostor tenčí, tím více vakuových fluktuací
je potlačeno) a tím de facto klesne hustota vakua. Prostor mezi pláty
tak má negativní hustotu energie, což se projeví tím, že tlak okolního
vakua pláty smrskne k sobě. Kromě casimirova efektu zná kvantová mechanika
i další jevy, při kterých dochází k projevům negativní energie – např.
v kvantové optice je to využití destruktivních kvantových interferencí
k potlačení vakuových fluktuací (v angličtině nazýváno jako „squeezed
vakuum“ – tedy doslova „vymačkané“ vakuum). Bohužel, toto všechno
jsou jen nepřímé projevy negativní energie (a přitom v nesmírně malém
množství), kdežto k tomu, abychom mohli zkonstruovat warpový pohon, bychom
museli být schopni přímo manipulovat s negativní energií v ohromném množství
(podle některých propočtů by k vytvoření warpové bubliny o průměru 200
metrů pohybující se 10x rychleji než světlo bylo zapotřebí negativní energie
v množství 10 miliardkrát větším, než je veškerá energie pozorovatelného
vesmíru!). Tato obrovská negativní energie by navíc musela být zkoncentrována
do nesmírně tenkého pásma (jen o málo většího než je minimální Planckova
velikost). Dalším problémy je to, že podle některých teorií, jakmile by
kolem lodi byla vytvořena warpová bublina, loď by jí od toho okamžiku
nebyla nijak schopna zevnitř ovlivňovat – nemohla by měnit směr jejího
pohybu, ani jí zastavit. Posledními problémy by mohly být vznikající slapové
síly uvnitř bubliny, které by mohly loď zničit (i když tento problém podle
posledních analýz nevypadá až tak závažně). Neví se také, co se stane
s hmotou, která se dostane do cesty warpové bublině. Zřejmě by byla vpředu
bubliny stlačena až do formy superhusté kvark-gluonové plasmy a následně
by byla ve formě vysokoenergetických částic vyvržena do vnitřku bubliny
přímo proti vesmírné lodi. Ta by tak zřejmě musela mít velmi odolné antiradiační
štíty.

Kromě tohoto prvního a základního konceptu warpového pohonu
existuje i několik dalších schémat, které byly vymyšleny jako reakce na
něj. Nejznámější z nich je Chris Van Den Broeckův mikro-warpový pohon
a Krasnikovovi nadsvětelné tunely. Chris Van Den Broeckův mikro-warpový
pohon funguje na zcela stejném principu, ale warpová bublina je
zvenku nesmírně malá (má jen 3×10^-32m v poloměru – to je jen
o málo větší než Planckova velikost). Vnitřek bubliny je přitom stejně
prostorný, jako v případě Alcubierrova warpového pohonu (tedy 100 – 200m).
I když to vypadá hodně nereálně, manipulace s metrikou časoprostoru to
umožňuje. Díky tak malým externím rozměrům bubliny by tak byl částečně
vyřešen problém s negativní energií – k urychlení bubliny na stonásobek
rychlosti světla by bylo potřeba množství negativní energie odpovídající
pouhým -56kg.

Krasnikovovi nadsvětelné tunely (někdy nazývané jako „nasvětelné
metro“) se pak v principu už znatelně odlišují. Vesmírná loď by letěla
do nějaké vzdálené oblasti vesmíru klasickým způsobem (tzn. podsvětelnou
rychlostí – jako příklad si vezmeme scénář s letem na druhý konec galaxie,
který by posádce vesmírné lodi zrychlující o 1g trval jen 12 let, přičemž
na Zemi by uplynulo celých 100000 let). Loď by ovšem za sebou vytvářela
jakousi cestu (tunel), v kterém by byla pozměněna metrika časoprostoru
(zase by tak bylo činěno pomocí negativní energie). Až by loď doletěla
na druhý konec galaxie, obrátila by se a letěla zpátky (zase klasickým
způsobem – tedy podsvětelnou rychlostí). Tentokrát by ovšem letěla už
tunelem s pozměněnou metrikou časoprostoru, který si  předtím za sebou
vytvořila. Když by doletěla zpátky na Zemi, posádka by zjistila, že od
jejich odletu uplynulo jen 24 let (12 let na cestu tam a 12 let na cestu
zpátky). Jak je to možné? Vždyť podle speciální teorie relativity by mělo
na Zemi přeci uplynout 200000 let (100000 let na cestu tam a 100000 let
na cestu zpět). Je to dáno tím, že Krasnikovův tunel, kterým se loď vracela,
propojuje dva odlehlé časové úseky – jde vlastně o jakýsi časový warp.
Nedochází k žádnému porušení kauzality (příčinnosti), protože tunel funguje
jen jednosměrně. Problém ovšem nastává, kdyby byly „postaveny“ dva takové
tunely – jeden vedoucí jedním směrem a druhý opačným směrem. Pak by už
ke skutečnému cestování časem a tedy porušení kauzality dojít mohlo. Podle
některých teorií by ale, jakmile by byl postavena druhý tunel, který by
v kombinaci s prvním umožnil cestování časem, došlo vlivem exponencionálního
vzestupu silných vakuových fluktuací k jeho zničení. Výhodou Krasnikovových
nadsvětelných tunelů je to, že netrpí problémem jako Alcubierrův warpový
pohon, který by možná mohl být ihned po vytvoření warpové bubliny neovladatelný.

Dnes nikdo nemůže s určitostí říci, který z konceptů warpového
pohonu by byl realizovatelný a který nikoliv. Dokonce ani nemůžeme vědět
jestli to, co se nám dnes jeví jako možné problémy, skutečně problémy
budou, nebo jestli se třeba neobjeví problémy jiné. Každopádně budoucnost
vesmírných letů a celá budoucnost lidstva závisí na tom, jestli se warpový
pohon podaří vynaleznout. Já osobně pevně věřím, že ano. Na otázku kdy
by tomu tak mohlo být ale nedovedu odpovědět. Může se objevit nějaký novodobý
génius a vynaleznout warpový pohon třeba již za několik desítek let, ale
něco takového je nesmírně nepravděpodobné. Spíše bude trvat stovky, možná
i tisíce let, než lidstvo podnikne první cestu nadsvětelnou rychlostí.

To je pro dnešek vše. Příště vás čekají fascinující „červí díry“ a ještě některé jiné teoretické možnosti pohonu vesmírných lodí. Tím bude celá má práce zakončena…

autor Michal Křenek