อินเตอร์สเตลลาร์ เบื้องหลังวิทยาศาตร์ "- หนังสือสำหรับคนไม่อินกับหนัง

2024 ผู้เขียน: Malcolm Clapton | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2023-12-17 04:12

Lifehacker ตีพิมพ์ข้อความที่ตัดตอนมาจากหนังสือโดย Kip Thorne นักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีชาวอเมริกัน ผู้เขียนแนวคิดสำหรับภาพยนตร์เรื่อง Interstellar ทฤษฎีและแนวความคิดทางกายภาพสมัยใหม่จำนวนมากเกี่ยวพันกับเนื้อเรื่องของภาพ ซึ่งคำอธิบายส่วนใหญ่กลับกลายเป็นเบื้องหลัง ดังนั้นเราจึงมั่นใจว่าหนังสือเล่มนี้จะดึงดูดทั้งแฟนภาพยนตร์และผู้ที่สนใจฟิสิกส์

เที่ยวบินระหว่างดวงดาว

ในการพบกันครั้งแรก ศาสตราจารย์แบรนด์บอกคูเปอร์เกี่ยวกับการสำรวจลาซารัสเพื่อค้นหาบ้านใหม่สำหรับมนุษยชาติ คูเปอร์ตอบว่า: “ไม่มีดาวเคราะห์ที่อาศัยอยู่ได้ในระบบสุริยะ และดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุดอยู่ห่างออกไปหนึ่งพันปี พูดง่ายๆ ก็คือ ไร้สาระ ส่งไปที่ไหนครับอาจารย์ เหตุใดจึงไม่มีประโยชน์ (หากไม่มีรูหนอนอยู่ในมือ) จะเห็นได้ชัดว่าคุณนึกถึงระยะห่างจากดาวฤกษ์ที่ใกล้ที่สุดมากแค่ไหน

ระยะทางไปยังดาวที่ใกล้ที่สุด

ดาวฤกษ์ที่อยู่ใกล้ที่สุด (ไม่นับดวงอาทิตย์) ในระบบที่สามารถพบดาวเคราะห์ที่เหมาะสมกับชีวิตได้คือ Tau Ceti ห่างจากโลก 11.9 ปีแสง กล่าวคือเดินทางด้วยความเร็วแสงจะสามารถไปถึงได้ใน 11,9 ปี ในทางทฤษฎี อาจมีดาวเคราะห์ที่เหมาะกับชีวิตซึ่งอยู่ใกล้เรามากขึ้น แต่ไม่มากนัก

เพื่อประเมินว่า Tau Ceti อยู่ห่างจากเรามากเพียงใด ลองใช้การเปรียบเทียบในระดับที่เล็กกว่ามาก ลองนึกภาพว่านี่คือระยะทางจากนิวยอร์กไปยังเมืองเพิร์ธในออสเตรเลีย - ประมาณครึ่งหนึ่งของเส้นรอบวงโลก ดาวที่อยู่ใกล้เราที่สุด (อีกครั้งไม่นับดวงอาทิตย์) คือ Proxima Centauri ซึ่งอยู่ห่างจากโลก 4, 24 ปีแสง แต่ไม่มีหลักฐานว่ามีดาวเคราะห์ที่อาศัยอยู่ข้างๆ ได้ หากระยะทางไป Tau Ceti คือ นิวยอร์ก - เพิร์ธ ระยะทางไป Proxima Centauri คือ นิวยอร์ก - เบอร์ลิน ใกล้กว่า Tau Ceti เล็กน้อย! ในบรรดายานอวกาศไร้คนขับทั้งหมดที่มนุษย์ปล่อยสู่อวกาศระหว่างดวงดาว ยานโวเอเจอร์ 1 ซึ่งขณะนี้อยู่ห่างจากโลก 18 ชั่วโมงแสง ไปถึงที่ไกลที่สุดแล้ว การเดินทางของเขากินเวลา 37 ปี หากระยะทางจาก Tau Ceti คือระยะทางจากนิวยอร์กไปยังเมืองเพิร์ธ ระยะทางจาก Earth ไปยังยานโวเอเจอร์ 1 จะอยู่ที่ 3 กิโลเมตรเท่านั้น: จากตึกเอ็มไพร์สเตตไปยังขอบด้านใต้ของหมู่บ้านกรีนิช ซึ่งน้อยกว่าจากนิวยอร์กถึงเพิร์ทมาก

มันอยู่ใกล้ดาวเสาร์มากขึ้นจากพื้นโลก - 200 เมตร ห่างจากตึกเอ็มไพร์สเตทถึง Park Avenue สองช่วงตึก จากโลกสู่ดาวอังคาร - 20 เมตรและจากโลกสู่ดวงจันทร์ (ระยะทางที่ยิ่งใหญ่ที่สุดที่ผู้คนเดินทางไกล) - เพียงเจ็ดเซนติเมตร! เปรียบเทียบเจ็ดเซนติเมตรกับทริปครึ่งโลก! ตอนนี้คุณเข้าใจหรือไม่ว่าเทคโนโลยีจะต้องก้าวกระโดดอย่างไรเพื่อให้มนุษยชาติสามารถพิชิตดาวเคราะห์นอกระบบสุริยะได้?

ความเร็วของเที่ยวบินในศตวรรษที่ XXI

เรือโวเอเจอร์ 1 (เร่งด้วยสลิงโน้มถ่วงรอบดาวพฤหัสบดีและดาวเสาร์) กำลังเคลื่อนตัวออกจากระบบสุริยะด้วยความเร็ว 17 กิโลเมตรต่อวินาที ใน Interstellar ยานอวกาศ Endurance เดินทางจากโลกไปยังดาวเสาร์ในสองปีด้วยความเร็วเฉลี่ยประมาณ 20 กิโลเมตรต่อวินาที ความเร็วสูงสุดที่สามารถทำได้ในศตวรรษที่ 21 เมื่อใช้เครื่องยนต์จรวดร่วมกับหนังสติ๊กแรงโน้มถ่วง ในความคิดของฉัน จะอยู่ที่ประมาณ 300 กิโลเมตรต่อวินาที หากเราเดินทางไป Proxima Centauri ด้วยความเร็ว 300 กิโลเมตรต่อวินาที เที่ยวบินจะใช้เวลา 5,000 ปี และเที่ยวบินไปยัง Tau Ceti จะใช้เวลา 13,000 ปี บางสิ่งที่ยาวเกินไป หากต้องการไปให้ไกลกว่านี้ด้วยเทคโนโลยีแห่งศตวรรษที่ XXI คุณต้องมีบางอย่างเช่นรูหนอน

เทคโนโลยีแห่งอนาคตอันไกลโพ้น

นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรของ Dodgy ได้ใช้ความพยายามอย่างมากในการพัฒนาหลักการของเทคโนโลยีในอนาคตที่จะทำให้การบินในระยะใกล้กลายเป็นจริงได้ คุณจะพบข้อมูลเพียงพอเกี่ยวกับโครงการดังกล่าวบนอินเทอร์เน็ตแต่ฉันเกรงว่าจะใช้เวลามากกว่าหนึ่งร้อยปีกว่าที่ผู้คนจะสามารถทำให้พวกเขามีชีวิตได้ อย่างไรก็ตาม ในความคิดของฉัน พวกเขาโน้มน้าวใจว่าสำหรับอารยธรรมที่พัฒนาแล้วขั้นสูง สามารถเดินทางด้วยความเร็วหนึ่งในสิบของความเร็วแสงและสูงกว่านั้นค่อนข้างเป็นไปได้

ตัวเลือกการเดินทางในระยะใกล้แสง 3 แบบที่ฉันพบว่าน่าสนใจเป็นพิเศษ *

เทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชั่น

ฟิวชั่นเป็นที่นิยมมากที่สุดในสามตัวเลือกนี้ งานวิจัยและพัฒนาเกี่ยวกับการสร้างโรงไฟฟ้าโดยใช้เทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันแบบควบคุมได้เริ่มขึ้นในปี 2493 และโครงการเหล่านี้จะไม่ได้รับความสำเร็จอย่างเต็มที่จนถึงปี 2593 ศตวรรษแห่งการวิจัยและพัฒนา!

นั่นบอกอะไรบางอย่างเกี่ยวกับขนาดของความซับซ้อน ปล่อยให้โรงไฟฟ้าเทอร์โมนิวเคลียร์ปรากฏบนโลกภายในปี 2593 แต่สิ่งที่สามารถพูดได้เกี่ยวกับเที่ยวบินอวกาศบนแรงขับสุดแสนสาหัส? เครื่องยนต์ของการออกแบบที่ประสบความสำเร็จมากที่สุดจะสามารถให้ความเร็วได้ประมาณ 100 กิโลเมตรต่อวินาที และภายในสิ้นศตวรรษนี้ ก็น่าจะสูงถึง 300 กิโลเมตรต่อวินาที อย่างไรก็ตาม สำหรับความเร็วใกล้แสง จะต้องใช้หลักการใหม่อย่างสมบูรณ์ของการใช้ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ ความเป็นไปได้ของเทอร์โมนิวเคลียร์ฟิวชันสามารถประเมินได้โดยใช้การคำนวณอย่างง่าย เมื่อสองอะตอมของดิวเทอเรียม (ไฮโดรเจนหนัก) หลอมรวมกันเป็นอะตอมฮีเลียม มวลประมาณ 0.0064 ของพวกมัน (ประมาณหนึ่งเปอร์เซ็นต์) จะถูกแปลงเป็นพลังงาน หากคุณแปลงมันเป็นพลังงานจลน์ (พลังงานการเคลื่อนที่) ของอะตอมฮีเลียม อะตอมจะได้รับความเร็วหนึ่งในสิบของความเร็วแสง **

ดังนั้น หากเราสามารถแปลงพลังงานทั้งหมดที่ได้รับจากการหลอมเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ (ดิวเทอเรียม) เป็นการเคลื่อนที่ตามทิศทางของยานอวกาศ เราจะไปถึงความเร็วประมาณ c / 10 และหากเราฉลาด มันก็จะยิ่งสูงขึ้นอีกเล็กน้อย ในปี 1968 ฟรีแมน ไดสัน นักฟิสิกส์ที่โดดเด่น บรรยายและตรวจสอบยานอวกาศที่ขับเคลื่อนด้วยฟิวชันแบบดึกดำบรรพ์ที่มีความสามารถ - อยู่ในมือของอารยธรรมที่ก้าวหน้าเพียงพอแล้ว - เพื่อให้ความเร็วในระดับนี้ ระเบิดเทอร์โมนิวเคลียร์ (ระเบิด "ไฮโดรเจน") จะระเบิดทันทีหลังโช้คอัพครึ่งวงกลมซึ่งมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 20 กิโลเมตร การระเบิดทำให้เรือแล่นไปข้างหน้า เร่งความเร็วตามการคาดการณ์ที่กล้าหาญที่สุดของ Dyson ให้เหลือหนึ่งในสามสิบของความเร็วแสง การออกแบบที่ล้ำหน้ากว่านั้นอาจทำได้มากกว่านี้ ในปีพ.ศ. 2511 ไดสันได้ข้อสรุปว่าสามารถใช้เครื่องยนต์ประเภทนี้ได้ไม่ช้ากว่าปลายศตวรรษที่ XXII 150 ปีนับจากนี้ ฉันคิดว่าการประเมินนี้มองโลกในแง่ดีเกินไป

[…]

แม้ว่าเทคโนโลยีแห่งอนาคตเหล่านี้อาจดูน่าดึงดูดใจก็ตาม คำว่า "อนาคต" เป็นกุญแจสำคัญในที่นี้ ด้วยเทคโนโลยีแห่งศตวรรษที่ 21 เราไม่สามารถเข้าถึงระบบดาวอื่นได้ในเวลาน้อยกว่าพันปี ความหวังที่น่ากลัวเพียงอย่างเดียวของเราสำหรับเที่ยวบินระหว่างดวงดาวคือรูหนอน เช่นเดียวกับในดวงดาว หรือรูปแบบอื่นๆ ของความโค้งของกาลอวกาศ