Student World

V dnešním závěrečném dílu Budoucnosti vesmírných letů si povíme o takzvaných "červích dírách", které stejně tak jako warpový pohon proslavila literatura science fiction. Dozvíte se také něco o energii vakua, možnostech využití Machova principu, o vztahu elektromagnetismu a gravitace, kontroverzním "gravitačním stíněním" a o často diskutovaných kvantových jevech – kvantovém tunelování a kvantové teleportaci. Tím bude má práce zakončena.

Červí díra (někdy nazývaná také jako Einstein-Rosenův můstek)
je jakousi zkratkou v časoprostoru. Její existence je umožněna obecnou
teorií relativity. Pojem červí díra vznikl z toho, že její geometrie připomíná
cestu, kterou si červ prokousává skrze jablko. Stejně jako warpový pohon
je i červí díra oblíbenou rekvizitou autorů science fiction, ovšem v tomto
případě je tomu opačně než u warpového pohonu – nejdříve byla vymyšlena
červí díra a až poté ji začali autoři sci-fi využívat ve svých dílech.
Červí díra je tunelem (či chcete-li můstkem) spojujícím dva vzdálené regiony
časoprostoru. Jednoduše si její fungování můžeme představit tak, že v
ten okamžik, kdy bychom vstoupili do jednoho konce, bychom se vynořili
na jejím druhém konci, ať je jakkoliv daleko. Je to tedy jakási „absolutní“
forma nadsvětelného cestování. Stejně jako v případě warpového pohonu
se ovšem ve skutečnosti nadsvětelnou rychlostí nepohybujeme – v našem
lokálním rámci se pohybujeme normální podsvětelnou rychlostí, jen jsme
si zkrátili cestu manipulací se samotným časoprostorem – prošli jsme časoprostorovou
zkratkou.

I když v některých sci-fi se objevují červí díry přírodního
původu, vznik takového úkazu bez lidského zásahu je velmi nepravděpodobný.
Přírodní červí díra by snad mohla vzniknout jedině v dobách ranného velkého
třesku v místech, kde by se vyskytovaly určité typy hypotetických kosmologických
strun se zápornou hmotností tvořících smyčku. Vzhledem k tomu, že samotná
existence kosmologických strun (lineárních defektů časoprostoru s neuvěřitelnou
hustotou) je extrémně nepravděpodobná, natož pak aby měly negativní hmotnost
a tvořily smyčku, připadá mi tato teorie trochu přitažená za vlasy. Každopádně
žádná teorie by se neměla zahazovat jen proto, že je nepravděpodobná.
Vždyť i vznik života je velmi nepravděpodobnou událostí a přesto tu jsme.

A jak by šlo uměle vytvořit červí díru? Existují dvě schémata
– Morris-Thornova červí díra a Visserova červí díra. S první možností
poprvé přišel Michael Morris, Kip Thorne a Ulvi Yurtsever.
V dnešní kvantové mechanice je známo, že stejně tak jako ve vakuu neustále
vznikají a zanikají virtuální částice a antičástice, ve velmi malých měřítkách
(blízkých Planckově velikosti) ve vakuu stejným způsobem neustále vznikají
a zanikají i miniaturní červí díry. Původně si vědci mysleli, že kdyby
byly tyto červí díry roztaženy na větší velikosti, došlo by prakticky
okamžitě, vlivem jejich vlastní gravitace, k jejich kolapsu. Ani jediný
foton by nebyl schopný proletět takovou červí dírou. Jenže Morris, Thorne
a Yurtsever přišli na to, že pokud by se v ústí červí díry vytvořil region
s negativní hustotou energie, červí díra by se stabilizovala a bylo by
jí možné zvětšit na velikosti vhodné jak pro samotné lidi, tak i pro vesmírné
lodě. Je to dáno tím, že negativní energie má gravitačně odpudivé vlastnosti,
a tudíž zabraňuje gravitačnímu kolapsu červí díry. Červí díra by tedy
byla extrahována z vakuové „kvantové pěny“, elektromagneticky roztažena
do potřebných rozměrů a stabilizována pomocí negativní energie. Jeden
z otvorů červí díry by byl udržován třeba na Zemi a druhý by mohl být
umístěn na palubě vesmírné lodi, nebo by mohl sám o sobě být akcelerován
a vystřelen k nějaké vzdálené hvězdě. Velkou nevýhodou tohoto konceptu
je ohromné množství potřebné negativní energie (pro vytvoření a stabilizování
červí díry s poloměrem ústí 1m odpovídá potřebná negativní energie množství,
které vyzáří 10 miliard hvězd za jeden rok). Jiným problémem by také mohlo
být nebezpečné radiální pnutí a tangenciální tlak vznikající v ústí červí
díry, které by mohly za určitých okolností zničit kohokoliv, kdo by se
pokoušel skrze červí díru projít.

Druhý koncept, jehož autorem je Matt Visser,
je oproti předchozímu konceptu dosti odlišný. Je založený na tom, že k
vytvoření červí díry by mohlo dojít spontánně mezi dvěmi místy ve vesmíru,
ve kterých by docházelo ke stejným, velkým a ostrým deformacím časoprostoru.
Na jednom místě ve vesmíru by byl z nějaké superhusté hmoty vytvořen prstenec.
To samé by se provedlo na jiném místě ve vesmíru. Mezi těmito dvěma prstenci
by pak mohlo dojít k samovolnému vzniku červí díry. Prstence by ovšem
musely být tvořeny z hmoty s negativní hustotou energie (tedy se zápornou
hmotností), a aby zakřivení vesmíru bylo dostatečné, muselo by jít o nějakou
nesmírně hustou formu této zvláštní hmoty. Vhodným kandidátem by byly
například kosmické struny se zápornou hmotností (jejichž existence je
ale, jak jsem již uvedl, čistě hypotetická). Právě potřeba této superhusté
zvláštní hmoty se zápornou hmotností je největší nevýhodou tohoto konceptu.

Problémem všech konceptů využívajících červí díry (a v některých
případech i konceptů využívajících warpového pohonu) je možnost jejich
vyústění v cestování časem a z toho plynoucí možnost porušení
principu kauzality (tedy příčinnosti). Typickým příkladem je Morris-Thornova
červí díra (Visserova červí díra tímto problémem trpět nemusí, protože
není nutné uvádět její otvory do pohybu). Jeden z otvorů červí díry by
byl umístěn na Zemi a druhý na palubě rychlé vesmírné lodi (zase si jako
příklad vezmeme cestu vesmírnou lodí neustále zrychlující o 1g přes celou
Galaxii). Na palubě lodi by vlivem diletace času uplynulo pouhých 12 let,
než by dosáhla opačného konce galaxie. Ale za kolik let pozemského času
bychom museli vlézt do otvoru červí díry na Zemi, abychom vylezli na vesmírné
lodi na opačném konci galaxie? Samozřejmě bychom měly říct že za 100000
let, protože právě v této době se loď bude skutečně na druhém konci galaxie
nacházet, ale ve skutečnosti tomu tak není. Otvor na Zemi bude na opačný
konec galaxie ústit už za pouhých 12 let – tedy za dobu, která uplyne
posádce lodi. To ovšem znamená, že otvor na Zemi ústí do vzdálené budoucnosti
a otvor na vesmírné lodi naopak do vzdálené minulosti! Máme tu skutečné
a nefalšované cestování časem. A právě toto je velký problém, jelikož
cestování časem zákonitě může vyústit v porušení kauzality. Podle Stephena
Hawkinga se tak ovšem nemůže stát. Červí díry podle něj mohou existovat
i umožňovat okamžité nadsvětelné cestování a komunikaci, ale v případě,
kdy by jeden z otvorů červí díry ústil do jiného časového úseku než druhý
(a červí díry by tedy umožňovala cestování v čase), by bylo cestování
skrze díru znemožněno. Tím, jak by se při urychlování jednoho z otvorů
stávala červí díra strojem času, došlo by k vytvoření tzv. Cauchyho
horizontu. Jakýkoliv předmět (nebo i pouhé světlo), který by chtěl
projít skrze tuto červí díru by musel projít i skrze Cauchyho horizont.
Jenže jakýkoliv pokus o transfer skrze Cauchyho horizont způsobí okamžitý
exponencionární nárůst vakuových fluktuací, které způsobí destrukci červí
díry. Nutno dodat, že toto je jen jedna z teorií a dnes nikdo nemůže s
určitostí vědět, jak by tomu bylo ve skutečnosti.

Červí díry jsou velmi zajímavým konceptem cestování, jelikož
jako jediné umožňují zcela okamžitý (tj. bez jakékoliv časové prodlevy)
přesun z jednoho místa vesmíru na jiné místo vesmíru, přičemž nezáleží
na tom, jak daleko od sebe tato místa leží (může to být třeba jen pár
metrů, ale klidně také stovky miliard světelných let). Červí díry jsou
také o něco málo blíže realitě, než warpový pohon. Ovšem stejně tak jako
warpový pohon potřebují enormní množství negativní energie nebo zvláštní
hmoty se zápornou hmotností. To je činí asi tak stejně vzdálené realitě,
jako warpový pohon. Vše, co jsem napsal v závěru o warpovém pohonu tudíž
platí i o červích dírách. Ať je jejich konstrukce sebevíc vzdálená od
současnosti, já jsem pevně přesvědčen, že jednou je lidstvo bude schopno
stvořit.

d) Ostatní možnosti pohonu

Červí díry a warpový pohon nejsou jedinými koncepty pohonu
využitelnými ve vzdálené budoucnosti, i když je pravda, že jsou jedinými
známými možnostmi nadsvětelného pohonu. Koncepty, o kterých se zde zmíním,
jsou pouze podsvětelné pohonné systémy, ale oproti klasickým reaktivním
pohonným systémům mají řadu výhod.

První takovou možností je využití již zmíněných vakuových
fluktuací k získávání energie. Lidstvo by se tak dostalo ke skutečně
neomezenému energetickému zdroji bez nutnosti používání jakéhokoliv paliva
a bez žádných odpadních látek – energie by byla vyráběna v libovolném
množství doslova z ničeho. Revoluci, kterou by to přineslo, si jistě jsme
schopni představit a využití k pohonu vesmírných lodí by se meze nekladly.
Ať se to jeví jak chce vzdáleně, už teď se plánují experimenty s využitím
mikroelektromechanických zařízení k získávání energie z vakua na základě
Casimirova jevu. Výzkum vakuových fluktuací by kromě získání neomezeného
zdroje energie mohl mít i další důsledky. Podle kvantové elektrodynamiky
jsou vakuové fluktuace spjaty s nejrůznějšími fyzikálními jevy – jako
např. s rychlostí šíření světla ve vakuu, hmotností částic, spontánními
emisemi a topologií samotného vesmíru. Kdyby se povedlo přijít na to,
jakým způsobem vakuové fluktuace tyto věci ovlivňují a jak by šlo jejich
vliv zmanipulovat, mohlo by to přinést další průlom v oblasti vesmírném
pohonu.

Jiným zajímavým výzkumem je výzkum vztahu mezi elektromagnetismem
a gravitací. Je zde totiž možnost, že elektromagnetismus může
dynamicky ovlivňovat prostor, čas a gravitaci. Plánuje se experiment,
kde by se mělo ověřit, zda-li jsou některá silná elektromagnetická pole
schopna zpomalovat čas podobně, jako k tomu dochází v oblasti silných
gravitačních polí. Pokud by něco takového bylo možné, pak by teoreticky
mohlo být možné i přímo elektromagneticky ovlivňovat gravitaci, a tak
by tohoto jevu mohlo být využito k pohonu vesmírných lodí bez nutnosti
používání paliva (tedy k čistému gravitačnímu pohonu).

Dalším zajímavým výzkumem je pochopení vztahu mezi setrvačností
a hmotností. Výzkum je založen na teoretické interpretaci Machova
principu, tak jak ji podal James Woodward. Podle Machova principu
je setrvačnost gravitačním efektem plynoucím z celkového gravitačního
působení veškeré hmoty ve vesmíru na akcelerující objekt. Podle Woodwarda
by měl objekt, jehož energie by se s časem měnila, i časově proměnnou
hmotnost. Vědci navrhli experiment, který by mohl prokázat možné variace
v hmotnosti vzniklé nelineárními vibracemi nabitého kondenzátoru. Pokud
by toto bylo prokázáno, Machova principu by mohlo být využito jak k snadnějšímu
urychlování vesmírných lodí, tak dokonce možná i k jejich samotnému pohonu
bez nutnosti využití paliva (zase by šlo de facto o gravitační pohon).

Zde bych chtěl upozornit i na efekt „gravitačního stínění“
rotujících vysokoteplotních supravodičů, který byl poprvé zjištěn Eugenem
Podkletnovem. Podkletnov totiž naměřil ztrátu hmotnosti objektu umístěného
nad zmagnetizovaným rotujícím supravodivým diskem a domníval se, že by
mohlo jít o ovlivnění gravitace. Bohužel tento experiment nebyl proveden
zrovna profesionálně a dnes se vědci domnívají, že ztráta hmotnosti byl
zřejmě klam vzniklý nepřesným měřením. I přesto se ovšem NASA pokouší
provést přesný experiment, který by tento jev (předpokládanou manipulaci
s gravitací pomocí Josephsonova junkčního efektu) potvrdil, či spíše vyvrátil.
Obávám se ovšem, že skutečně šlo o omyl podobně, jako tomu bylo před lety
s tzv. „studenou jadernou fůzí“. Kdyby se ovšem ukázalo, že Podkletnov
měl pravdu, znamenalo by to průlom ve vědě a zřejmě i jednoduchou cestu
ke gravitačnímu pohonu.

Poslední, o čem bych se zde chtěl zmínit, jsou dva kvantové
jevy – tzv. kvantové tunelování a Einstein-Podolsky-Rosenův
paradox (a z něj plynoucí efekt nazývaný jako „kvantová
teleportace“). V obou těchto jevech dochází ke skutečně nadsvětelnému
pohybu fotonů (respektive přenosu jejich stavů), ale přitom nedochází
k porušení teorie relativity, jelikož jde o čistě kvantové jevy. V případě
kvantového tunelování se velmi zjednodušeně řečeno jedná o to, že pokud
fotony nemají dostatek energie k překonání překážky klasickou cestou,
dojde k tomu, že foton nadsvětelnou rychlostí projde skrze překážku –
vlastně si cestu protuneluje. Některé experimenty (např. provedené prof. 
Güntherem Nimtzem, který údajně skrze 11,4cm silnou překážku poslal pomocí
mikrovln Mozartovu 40. Symfonii 4,7x rychleji než světlo) nasvědčují,
že by tohoto efektu mohlo být využito k nadsvětelné komunikaci, ale zřejmě
tomu tak nebude. Samotné fotony sice mohou dosáhnout při kvantovém tunelování
nadsvětelné rychlosti (jak to experimentálně prokázal i Raymond Chiao,
kterému se skutečně povedlo skrze bariéru poslat fotony 1,7x rychleji
než rychlostí světla ve vakuu), ale nelze pomocí nich poslat signál (tedy
nelze nadsvětelně přenést informaci). Je to dáno Heissenbergovým
principem neurčitosti. V případě kvantové teleportace je využíváno
jiného jevu. Vezměte si, že máme dva fotony v entanglovaném stavu (to
znamená, že jsou součástí stejného kvantového systému – toho lze dosáhnout
např. pomocí laserového paprsku procházejícího skrze speciální typ hranolu)
a necháme každý letět jiným směrem. Jakmile bychom s jedním z fotonů něco
provedli (konkrétně pokud bychom změnili některý z jeho kvantových stavů),
to samé se by se ve stejný okamžik projevilo i na onom druhém fotonu,
i kdyby byl třeba stovky světelných let daleko. Vypadá to tedy, že jde
o přenos informace nekonečnou rychlostí (tzn. bez časové prodlevy), což
by znamenalo porušení teorie relativity. Tento paradox byl poprvé zformulován
Albertem Einsteinem, Borisem Podolskym a Nathanem Rosenem, kteří chtěli
poukázat na neúplnost kvantové mechaniky. Kvantové mechanice se ale tento
jev povedlo vysvětlit. Dnes se mu říká kvantová nelokálnost. Byly dokonce
provedeny experimenty, které platnost tohoto jevu potvrdily (např. Antonu
Zeilingerovi se povedlo bez časové prodlevy „teleportovat“ polarizační
stav jednoho fotonu na druhý, který byl v ten okamžik na opačné straně
laboratoře). Ovšem reálnému využití k nadsvětelné komunikaci brání Heissenbergův
princip neurčitosti (takže ač jednotlivé stavy fotonů mohou být přeneseny
nadsvětelně, nikdy nedojde k nadsvětelnému přenosu informace – není takto
možno poslat signál). Shrnuto a podtrženo, kvantového tunelování ani EPR
paradoxu (tedy kvantové teleportace) nemůže být k nadsvětelné komunikaci
(natož k pohonu) nikdy využito. Jednou z teoretických možností využití
kvantové teleportace by snad v budoucnosti mohly být superrychlé kvantové
počítače (ale i to je dosti sporné).

Závěr

Co tedy můžeme od budoucnosti vesmírných letů očekávat? Který
z pohonných systémů najde nejširší uplatnění? Zde v závěru své práce se
pokusím nastínit jednu z možných alternativ, jak by budoucnost vesmírných
letů mohla podle mě vypadat.

V nejbližší budoucnosti půjde pořád hlavně o lety prováděné v blízkém
okolí naší planety. Svědčí o tom například výstavba Mezinárodní Vesmírné
Stanice. Zde nepočítám s širším využitím pokročilých pohonných systémů.
Jediné, co by se podle mě mohlo uplatnit, by byl MAGLEV, který by umožnil
zlevnit starty raketoplánů a vynášení nákladů na oběžnou dráhu. V případě
vynášení menších satelitů by se mohly uplatnit i atmosférické laserové
pohonné systémy. Objeví se také další automatizované mise. Ať už to budou
lety sond směřujících k Marsu nebo i k vnějším planetám naší Sluneční
soustavy, v každém případě se zde uplatní solární elektrické pohonné systémy.
Nejvýhodněji se v tomto směru dnes jeví elektrostatické iontové pohonné
systémy (a to nejspíše elektronový iontový pohon využitý už na sondě Deep
Space One).

V o něco vzdálenější budoucnosti (osobně si myslím, že tak do 25 až 50
let) můžeme očekávat i misi na Mars s lidskou posádkou. V tomto případě
vidím jasného kandidáta na pohonný systém – byl by jím elektromagnetický
pohon VASIMR a energii by získával z malého jaderného reaktoru. Někdy
v této době (ale spíše později) by mohlo dojít i k zřízení vědecké výzkumné
základny na Měsíci. K pohonu vesmírných lodí směřujících k základně na
Měsíci a nazpět by mohl být používán také VASIMR, ale cenově  by bylo
zřejmě výhodnější použití některého ze solárních nebo laserových dálkových
pohonných systémů. Někdy v této době by mohlo dojít i k první dálkové
automatické misi. Mohlo by jít o sondu s výkonnými, ale úspornými elektrostatickými
nebo elektromagnetickými pohonnými systémy, kterým by energii dodával
jaderný reaktor. Sonda by mohla sloužit k průzkumu Oortova mračna a Kuiperových
pásů na samých hranicích Sluneční soustavy.

V ještě vzdálenější budoucnosti (tak 50 – 100 let) počítám s nástupem
termonukleárních pohonných systémů. Od toho okamžiku by byl průzkum Sluneční
soustavy velmi zjednodušen, i když termonukleární vesmírné lodě by byly
velmi velké a tudíž i drahé. Mohla by být zřízena stálá kolonie na Marsu
i na Měsíci. Zřejmě by mohlo dojít i k průzkumným letům k jupiterových
měsícům s lidskou posádkou a na některých z nich by nebylo vyloučeno ani
zřízení vědeckých základen. Pokud by došlo k rapidnímu zefektivnění procesu
výroby a skladování antihmoty, začaly by si anihilační pohonné systémy
s termonukleárními pohonnými systémy konkurovat. Je zřejmé, že by uspěl
ten systém pohonu, který by byl levnější (výkonově jsou si totiž ve většině
případů vcelku podobné). Osobně si myslím, že by to i vzhledem k bezpečnosti
provozu takových lodí byly spíše termonukleární pohonné systémy.

Za 100 – 200 let by mohla být realizována i dlouhodobá mise k Proximě
Centauri, naší nejbližší sousední hvězdě. K tomu by muselo být využito
buď gigantických lodí s termonukleárním pohonem (nejlépe s Bussardovými
kolektory k získávání paliva z okolního vesmíru) nebo velkých (ale snad
menších než v případě termonukleárního pohonu) lodí s anihilačním pohonem
(vyhovují pouze ty s přímým využitím produktů anihilace – tedy s paprskovým
jádrem). Možným konceptem jsou také laserové plachetnice, ale ty podle
mě vypadají ještě více nereálně. Osobně se k takové dlouholeté mezihvězdné
misi stavím dosti skepticky. Dál už je budoucnost vesmírných letů velkým
otazníkem.

V hodně vzdálené budoucnosti se snad lidstvo dočká průlomu ve fyzice,
který mu umožní mnohem méně omezený průzkum vesmíru. V případě podsvětelného
pohonu by reaktivní motory mohly být nahrazeny gravitačními motory (ať
už by využívaly kteréhokoliv z nám známých, či prozatím ještě neznámých
principů) nevyžadujícími žádné palivo. Snad také dojde k tomu, že lidstvo
bude schopno vyrábět energii z vakua, které se stane neomezeným zdrojem
jak pro Zemi, tak pro vesmírné lodě. Vrcholem všeho by bylo vynalezení
nadsvětelného pohonu – ať už by šlo o warpový pohon, červí díry, nebo
nějaký pro nás zatím zcela neznámý koncept.

Toto vše jsou ovšem zatím jen spekulace. Ač jsem osobně pevně přesvědčen,
že budoucnosti vesmírných letů, jak je nám nastiňována v nejrůznějších
vědeckofantastických příbězích se  lidstvo jednou dočká, neznamená to,
že tomu tak musí skutečně být. Je také možné, že lidstvo zůstane navždy
omezeno hranicemi naší Sluneční soustavy, případně nejbližších sousedních
hvězd. Až budoucnost ukáže, jak tomu bude doopravdy.

Tím tedy má práce končí. Doufám, že vás alespoň v některých bodech zaujala. Vycházel jsem z 99% z anglických materiálů, a tak je možné, že se mi někde vloudily nějaké ty chybky. Pokud někdo z vás, kdo se vyzná v příslušných oborech fyziky najde nějaké nesrovnalosti, či chyby, byl bych moc rád kdyby si je nenechával pro sebe a upozornil mě na ně. Rád se přiučím něčemu novému…

Pokud máte zájem prohlédnout si i obrázky a schémata k příslušným pohonným systémům, případně byste rádi věděli odkud jsem čerpal, pak vás znovu odkáži na mé stránky mikos.yo.cz, kde v sekci Ročníkovky najdete kompletní verzi mé ročníkové práce Budoucnost vesmírných letů.

autor Michal Křenek