A térhajtómű nyomában

A Falcon Heavy sikeres tesztrepülése révén a közelmúltban újabb sikeres mérföldköveken jutottunk túl az űrkutatás területén, a Parallaxisban folytatott érdekfeszítő beszélgetés azonban kíméletlenül rávilágít az előttünk álló tudományos kihívásokra, amik az űrbe történő tartósabb kilépésünk útját szegélyezik. Az előttünk álló lehetőségek viszont szinte végtelenek. A februári Parallaxis vendége Dr. Vincze Miklós fizikus, az MTA-ELTE Elméleti Fizikai Kutatócsoportjának tudományos főmunkatársa kiadós betekintést adott a kedvenc scifi sorozatainkban előforduló hajtómű technológiák fizikai hátterébe.

A fénynél gyorsabban

Bár az általános relativitáselmélet szerint tömeggel rendelkező testek nem érhetik el a fénysebességet, a Star Trekben többször megjelenített Einsteinnek valószínűleg semmi kifogása nem lenne a kedvenc sorozatainkban megjelenő meghajtási megoldások fizikai alapelveivel. A képernyőkön a térváltás kétfajta megjelenésével is találkozhatunk, az egyik eljárás szerint a fénynél gyorsabb utazás egy féregjárat segítségével valósulhatna meg:

"Valamilyen módon egy óriási energiakoncentráció jön létre, és a régebbi interpretációi ennek úgy szóltak – ami teljesen összhangban van az általános relativitáselmélettel – hogy meggörbíti maga körül a téridőt az űrhajó – maga az elnevezés, a warp drive erre utal – itt keletkezne egy úgynevezett Einstein-Rosen híd, vagyis egy féregjárat, ami lehetővé teszi, hogy az univerzum távoli pontjai között tudjanak közlekedni, ha úgy tetszik, a hipertéren keresztül...

Minden amerikai filmben van egy ilyen jelenet körülbelül, amikor van egy ember, aki elővesz egy papírt meg egy ceruzát, és akkor azt mondja, hogy most ezt a papírt itt félbehajtom, és átdöföm a ceruzával, hogyha így megyek, akkor sokkal gyorsabban átjutok a túloldalra, mintha végigmennék a papír mentén."

Einstein-Rosen híd

A másik megközelítés Alcubierre nevéhez kötődik, a mexikói fizikus pedig már a Star Trekből merített inspirációt elméletének kidolgozásához:

"Egy olyanfajta energiaeloszlást kell létrehozni az űrhajó körül, ami tulajdonképpen csinál egyfajta buborékot, ami az űrhajó előtt összegyűri a téridőt, míg az űrhajó mögött kitágítja, ezzel lehetővé teszi azt, hogy effektíve a fénysebességnél gyorsabban mozogjon a térhez képest, anélkül, hogy sértené a relativitáselméletet, hiszen nem az űrhajó, mint anyaggal rendelkező test mozog gyorsabban, mint a fény, hanem maga alá gyűri a téridő egy részét, és így kerül előrébb, közben a tér adott pontjához képest a sebessége lassabb a fénysebességnél.

A relativitáselmélet arra nem ad korlátot, hogy a térnek az összenyomódása milyen gyorsan történhet meg. Tudjuk, hogy az univerzum keletkezésekor, amikor gyorsulva tágult a világegyetem, maga az univerzum gyorsabban tágult, mint a fénysebesség. Tehát ez lehetséges."

A csillaghajó előtt és mögött formálódó téridő szerkezet

A Star Trekben az energia forrása általában egy anyag-antianyag reaktor, a felhasznált alapanyagok pedig a dilithium-kristályok segítségével szabadulnak fel energiaként, ezt pedig a gondolákban elhelyezkedő görbületi tekercseken vezetik keresztül: a folyamat hatására a csillaghajó körül egy görbületi buborék jön létre, és a normál (háromdimenziós) térből átléphet a szubtérbe.

Csillaghajó sematikus működési elve

A szubtér

A szubtér (vagy éppen hipertér, attól függően, hogy melyik scifiről beszélünk) tulajdonképpen a tér olyan dimenzióit írja le, mely az emberek számára normál esetben nem látható és nem hozzáférhető. Térbeli elhelyezkedésünket egy háromtengelyű koordináta rendszerben határozhatjuk meg, melyben előre-hátra, jobbra-balra, vagy éppen föl-le végezhetünk mozgást. Ennél több dimenziót természetünknél fogva nem érzékelhetünk, viszont ez nem jelenti azt, hogy a szubtér ne létezhetne:

"Vannak olyan részecskefizikai elméletetek, például a húrelméletek, amik akkor adnak értékelhető megoldást, hogyha azt mondjuk, hogy az univerzum huszonhat dimenziós.

Ha ott van az plusz dimenzió, akkor azt miért nem látjuk? Ez a nagy kérdés. Erre általában az a válasz, hogy az univerzumot úgy kell elképzelni ilyen szempontból, mint egy papírlapot, ami természetesen egy háromdimenziós objektum, amire azt kell mondanunk, hogy az egy téglatest, de tudjuk, hogy az egyik irányban a kiterjedése az sokkal kisebb, mint a másik két irányban, tehát a rajta mászkáló hangya számára ez az egész egy síkfelület. Az univerzumban is lehetnek rengeteg dimenziók, csak ezek pici helyre össze vannak gyűrve."

A táguló világegyetemet szemléletesen modellezi egy pontokkal telerajzolt lufi, amit éppen felfújnak: bár úgy tűnik, hogy mi vagyunk középen, és mindenki tőlünk távolodik, valójában a mi nézőpontunk csak egy a sok közül, a lufi felületén lévő összes pont egyszerre távolodik egymástól.

"A kétdimenziós lufifelület a mi példánkban az a háromdimenziós térbe tágul bele, de mi felel meg ennek a körülvevő térnek a valós univerzumban? Ez lenne maga a negyedik dimenzió."

Táguló világegyetemünk egy felfújt lufi. De vajon milyen térbe tágul bele?

Ugyan nem az asztrofizikában, hanem a szilárdtest fizikában, de az úgynevezett kvantumos Hall-effektus tanulmányozása közben egy olyan jelenséget sikerült megfigyelni, amelyre csak a negyedik térdimenzió létezése adhat lehetőséget.

"Úgy tűnik, hogy ez mindenképpen a fizikai valóság része, persze a valóságban még nem nagyon tudjuk, hogy hogyan megyünk oda be. Háromdimenziós lényként meg egyáltalán nem tudjuk elképzelni."

Melyik ablak mellé vegyünk jegyet?

Mivel Alcubierre elmélete szerint a csillaghajó orránál a tér begyűrődik, a hátuljánál pedig kitágul, így teljesen biztos, hogy a hajó különböző pontjain egészen eltérő vizuális élményben gyönyörködhetnénk a térváltás időtartama alatt:

"Ha hátrafelé nézünk a hátsó ablakon, akkor könnyen lehet, hogy minden elsötétülne. Az biztos, hogy eltolódna a vörösbe, aztán elsötétülne a fényük a dolgoknak, egyszerűen azért, mert amikor a hátunk mögött kitágul a téridő, akkor a benne lévő fénynek a hullámhossza is kitágul, és ez azt jelenti, hogy egyre vörösebbé válik. Hogyha már egy szintnél tovább húzzuk a téridőt – ez akkor fordul elő, amikor hátrafelé gyorsabban húzzuk ki a téridőt, mint ahogy a fény terjed – akkor nem látnánk semmit. A hátsó ablakon feketeséget látnánk.

Ennek az ellenkezője történik az első ablakon... a belül ülő szemlélők számára összenyomódik a távolság az előttük levő irányban. Ezt úgy látnánk, hogy a kék felé tolódnak el a hullámhosszak, tehát egy nagy kék eltolódást látnánk, sőt, nyilván ez egy megnövekedett fényerővel is járna, ez egy kicsit tényleg hasonlít arra, amiket lehet látni ezekben a művészi megjelenítésekben."

A térváltás művészi megjelenítése a Star Trek: Az új nemzedékben

Bár a Kip Thorne Nobel-díjas elméleti fizikus közreműködésével megvalósított Csillagok között (Insterstellar, 2014) című mozifilmben nem használnak térhajtóművet, a tér görbülésének vizuális megvalósítása jelenleg a valósághoz legközelebb álló megoldás, hiszen a készítés során a megjelenítésért felelős csapat az idevonatkozó alapegyenletek szigorú betartásával alkotta meg a világűrben tapasztalható látványvilágot:

"Kifejezetten figyeltek arra, hogy a dolgok úgy nézzenek ki, ahogy ki kell nézniük, olyannyira, hogy konkrétan a vizuális effektusok tervezőinek a Kip Thorne – mint a mozifilm tudományos szakértője – betanította az általános relativitáselméletet, tehát hogy hogyan kell leprogramozni azokat az egyenleteket, amik például meghatározzák, hogy egy neutroncsillag vagy egy fekete lyuk körül hogyan torzul a téridő, és hogy azt hogyan látjuk. Az teljes mértékben hiteles, olyannyira, hogy új eredmények is kijöttek a film készítése során."

Féregjárat a Csillagok között című filmben

Gravitációs hullámok és gamma felvillanások

A Földön áthaladó gravitációs hullámokat, azaz a téridő szövedékében létrejövő tágulásokat és összehúzódásokat a LIGO segítségével érzékelhetjük. Ebből kiindulva jogosan feltételezhetjük, hogy akár észre is vehetnénk, hogyha valaki térhajtóművet használna valahol a világűrben. Megfigyeléseinket azonban nagymértékben befolyásolja, hogy tőlünk milyen távolságra, és mekkora energiafelhasználással történik a térváltás.

A LIGO: hatalmas lézer interferométer a gravitációs hullámok megfigyelésére

Becsült számítások alapján a Star Trek sorozatokban szereplő téridő görbület előidézéséhez körülbelül egy Jupiterhez mérhető anyagtömeget kellene annihilálni, de az optimistább számítások szerint akár elég lehet csak egy Holdnyit.

"Ha ténylegesen felhasználnánk egy Jupiter tömegnyi valamit, azt lehet, hogy még nem érzékelné a LIGO. A mostani események, amiket detektálnak a LIGO-val, azok fekete lyukak összeolvadásai, illetve neutroncsillagok összeolvadásai, vagy neutroncsillagok és fekete lyukak összeolvadásai, itt minden esetben sok-sok naptömegnyi energia alakul át gravitációs hullámmá, és azt tudjuk érzékelni."

Tehát ha "mindössze" egy Jupiternek megfelelő tömegről lenne szó, ráadásul egy másik galaxisban kapcsolnának görbületi sebességre (mondjuk az Androméda-ködben), akkor az valószínűleg elkerülné a figyelmünket.

A gravitációs hullámokon kívül azonban léteznek más megfigyelhető jelenségek is a világűrben, amik akár egy térhajtómű használatának melléktermékei is lehetnének:

"Az anyag-antianyag rendszerű hajtóművek esetén óhatatlanul óriási mennyiségű fotonsugárzás, vagyis fény keletkezik. A nagy energiájú fotont persze nem látjuk, hanem gamma sugárzás formájában jelenik meg."

Általunk is észrevehető, pontszerű gamma-kitörések időről-időre felbukkannak a kozmoszban, és bár számos egyéb asztrofizikai magyarázat képzelhető el (például a gravitációs hullámok esetén is említett fekete lyuk ütközések), azt a lehetőséget sem zárhatjuk ki teljesen, hogy egy másik civilizáció utazásainak nyomait észleljük:

"Még emlékszem, hogy a kilencvenes években, nem is annyira komolytalanul felmerült konferenciákon, hogy mi van, hogyha ez éppen annak a nyoma, hogy valaki begyújtotta az anyag-antianyag hajtóművét valahol messze. Azt például lehet, hogy lehetne látni."

Illusztrált gamma-kitörés

Kéne egy kis negatív energia – kihívások a mérnökök és a fizikusok előtt

A térhajtómű létezése a relativitáselméletet nem sérti, ettől függetlenül, hogyha a Star Trekhez hasonló meghajtás megvalósításába kezdenénk, a mérnöki kidolgozás során minden leleményességünkre szükség lenne. Az antianyag tárolás és a keletkező gamma-sugárzás kezelése például rögtön egy elgondolkodtató problémát jelentene:

"Képzeljük el, hogy hogyan csinálna az ember egy antianyag hajtóművet. Például úgy, hogy visz egy nagy tartálynyi protont – mondjuk egy Jupiter tömegnyi protont – és egy csomó antiprotont. Az antiproton az ugyanolyan, mint a proton, csak éppen fordítva pörög, meg negatív a töltése. Tulajdonképpen az a baj vele, hogy nagyon nehéz tárolni, mint minden antianyagot, hiszen hogyha igazi anyaggal találkozik, akkor megsemmisül, mégpedig egy nagy robbanás keretében – ez az annihiláció. Éppen ezért nagyon nehéz antianyagot megfigyelni, és még nehezebb tárolni.

Most már ott tartanak, hogy tudnak antiprotonokat előállítani, és azokat hetekig tudják tárolni, például az úgynevezett Penning-csapdákkal, ami erős mágneses tereken alapul, tehát tulajdonképpen egy mágneses ketrecben tartják az antianyagot."

Penning-csapda

Ha az antianyag tároláson valahogy túllépünk, a csillaghajókon alkalmazott anyag-antianyag találkozásnál keletkező sugárzás kifejezetten káros élettani hatást gyakorol az emberekre, a védekezés pedig meglehetősen nehézkes:

"Nem arról van szó, hogy a gamma sugárzást azt nem lehetne elnyeletni úgy, hogy ne jusson be az űrhajósokra, de akkor mindenféle másodlagos reakció indulna meg, aminek a keretében olyan bomlások következhetnek be, hogy például egy neutron eltalál… eltalál egy élő sejtet, akkor annak a sejtnek kész.

A neutront kifejezetten nehéz leárnyékolni, mert egy semleges részecske, igaz, hogy rövid ideig él egy szabad neutron, de mondjuk eléldegél tíz percig."

Ezeken megpróbáltatásokon túlmenően azt is számításba kell vennünk, hogy az Alcubierre elméletén alapuló téridő-gyűrési műveletekhez speciális energiaeloszlásokat kell előállítanunk:

"Tömeggel, meg mozgással, forgással meg lehet görbíteni a téridőt. Az a baj, hogy az Alcubierre-féle warp drive-hoz az kellene, hogy negatív energiasűrűség jöjjön létre. Visszaszámolva az einsteni egyenletekből kiszámolható, hogy milyen fajta energiaeloszlás kell, és az jött ki, hogy negatív energia kéne. Hát ez baj, ugyanis negatív energiát jelenleg nem nagyon tudunk csinálni, főleg ilyen nagy mértékben."

Hogyha a mozgási energiát newtoni rendszerben felírjuk, csakis úgy kaphatunk negatív energiát, hogyha a tömeg értéke negatív, ugyanis a sebesség négyzetre emelve szerepel az egyenletben, így az mindenképpen pozitív értékű. Ugyanez elmondható Einstein egyenletéről is (tehát csak akkor kapunk negatív energiát, ha a tömeg negatív), negatív tömegű anyagot azonban egyelőre nem ismerünk.

"Elképzelhetőek olyan fizikai elméletek, amikből kijönnek negatív tömegű hipotetikus részecskék, de tény, hogy ilyet még senki nem látott. Szóval itt azért vannak problémák még egyelőre, de azt mindenesetre el lehet mondani, hogy az ötlet jelenleg még ebben a formájában semmilyen igazolt fizikai elméletet nem sért. Igaz, hogy sok minden kéne hozzá, elsősorban kéne negatív energiasűrűség."

A Casimir-effektus szerint az üres térben néha előáll negatív energia, így a vákuumban elhelyezett felületek között vonzóerő keletkezik. Ez az erőhatás azonban nagyon kicsi, a térhajtómű működtetéséhez sokkal nagyobb léptékű, állandó és koncentrált negatív energiafelhasználásra lenne szükség.

Itt még mindig nem ér véget a nehézségek sorozata, ugyanis feloldhatatlan ellentmondásokkal is könnyen szembetalálhatjuk magunkat:

"Ha valaki, akár a téridő-gyűrögetős módszert... akár a hagyományos, féreglyukas módszert használja, óhatatlanul is létrehoz időparadoxonokat."

A relativitáselmélet kapcsán felsorakozó, ikerparadoxonokat bemutató gondolatkísérletek a világ ok-okozati rendjével szembemenő következményeket ismertetnek, ez pedig bizonytalanná teszi, hogy egy féreglyuk beleférhet-e a fizikai realitásokba:

"Az okozat nem előzheti meg az okot. Ezt kronológiavédelmi elvnek hívják. Ha kimondjuk, hogy márpedig nem fordulhat elő olyan helyzet, hogy az okozat megelőzi az okot, és minden olyan matematikai megoldást, ami közvetve erre vezetne, arra azt mondjuk, hogy ilyen nincs, akkor bizony ilyen Einstein-Rosen hidat nem lehet építeni."

Beláthatóbb távlatok: impulzus hajtómű és egyéb űrutazási módszerek

A térhajtómű létrehozása valóban küzdelmes és embert próbáló tudományos feladat, de addig, amíg elérünk az ehhez szükséges fejlettségi szintre (és ezzel együtt a vulkániak felveszik velünk a kapcsolatot), talán más technológiák elméleti hátterét is érdemes lenne figyelembe vennünk. Ennek érdekében nem is kell eltávolodnunk a Star Trek nyújtotta alternatíváktól, az impulzus meghajtás fizikai alapjai ugyanis teljes egészében tisztázottak:

"Ez az, ami a Nap energiatermeléséért felelős. A fúzió. Itt arról van szó, hogy hidrogénatomok egyesülésével létrejön egy hélium atommag, és ez a hélium atommag ez lényegesen kisebb tömegű, mint a két hidrogén együtt, és tulajdonképpen a tömegkülönbség az energiaként felszabadul. Ez működteti a Napot, meg ez az a reakció, ami a hidrogénbombában is lezajlik Teller Edének köszönhetően, és hát ez az a reakció, aminek a megszelídítésén évtizedek óta dolgoznak a tudósok.

Az a nagy előnye a fúziós reaktornak, hogy olyan elemek kellenek hozzá, ami tényleg kábé korlátlan mennyiségben van jelen az univerzumban, például a hidrogén."

A Brit Bolygóközi Társaság Alan Bond vezetésével már a hetvenes években kidolgozta a magfúziós technológián alapuló utazás részleteit egy másik csillaghoz. A Daedalus a fénysebesség egytizedével tudna haladni, céljához pedig egy emberéletnél rövidebb idő alatt kell megérkeznie. Az elméleti keretek rendben vannak, most már csak a végtelen költségvetés és a minden eddigi példát felülmúló mérnöki teljesítmény kézben tartásán múlik a dolog, tehát várhatóan ez sem fog szerepelni a közeljövő választási ígéretei között. Ettől függetlenül is bizakodók lehetünk:

"Nincsenek elvi akadályok, és valaha a holdra szállás is ilyen volt. A British Interplanetary Society-re érdemes figyelni, mert ők már a negyvenes években eltervezték, hogy hogyan kell a Holdra leszállni, és mit ad Isten, az nagyon hasonlít ahhoz, ami aztán az Apolló programban megvalósult."

Daedalus terv: fúziós meghajtással egy másik csillagig

A napjainkhoz közelebb álló fejlesztési lépcsőfokok a Naprendszeren belüli űrutazás gyorsabbá tételéhez köthetők. Az egyik ilyen technológia az ionhajtómű, ami máris a hétköznapi élet része. Az eljárás megegyezik a katódsugárcsöves televíziók működési elvével:

"Arról van szó, hogy egy elektromágnessel töltött részecskéket felgyorsítanak, és az meg löki előre az űrhajót."

Ez persze meglehetősen apró erőkifejtést jelent, a legnagyobb erő, amit eddig elértek, az egy Newton nagyságú. Az ionhajtómű legnagyobb előnye viszont abban rejlik, hogy folyamatosan, hosszú időn keresztül üzemeltethető, így bármilyen kis erőről van szó, ha sokáig gyorsítunk (akár hetekig), akkor jelentős sebességek érhetők el:

"Képzeljétek el, hogy ez hosszú távon annyit jelent, hogy hetek alatt el lehet érni a Marsra, szemben a mostani fél évvel, ami azért nagyon sokat fog számítani, hogyha emberek vannak a fedélzeten. Ez mindenképp egy logikus következő lépés. Azt mondanám, hogy ez a leglogikusabb következő lépés."

Ionhajtómű tesztpadon

Mindezek mellett a lézeres nyomással célba juttatott űrszondák koncepciója is vállalható alternatívának hangzik:

"A lézer az tulajdonképpen azt jelentené, hogy az űrszonda nem magával viszi a hajtóművét, hanem például a Földön egy nagyon nagy energiájú lézerrel folyamatosan nyomják előre az űrhajót.

A Reagen kormányzat idején az Egyesült Államokban nagyon nagy szerepe volt az erős lézerek fejlesztésének, hiszen akkor voltak a csillagháborús projektek, ami konkrétan arra irányult, hogy a szovjet műholdakat hogyan lehetne a Földről megvakítani vagy szétlőni lézerrel.

Azért nagyon jó, mert a lézernyaláb egy irányított nyaláb, tehát fókuszált, nagyon sokáig lehet előrenyomni vele az űrhajót."

Az űrutazás egyébként a technológiai fejlődés előrehaladásával akár több irányból is megkerülhető kérdéssé válhat:

"Azt nagyon elképzelhetőnek tartom, hogy kozmikus civilizációk jöjjenek létre. Több nemzedéket magával vivő űrhajók. Vagy olyan űrszondák, amik képesek reprodukcióra.

Olyan gépeket, ilyen Neumann automatákat lehetne készíteni, amik hogyha eljutnak megfelelő környezetbe, ahol találnak nyersanyagokat, magukról másolatokat készítenek.

A civilizáció egy fejlettségi szintjén szerintem nincs különbség a gép meg a biológiai forma között. Nagyon könnyen el tudom képzelni – ha nem is elfogadni – hogy kétszáz év múlva az emberiség már gépekből fog állni. Hiszen minden, ami számít lényegében, az az agyunkban lévő információ, és ha az agyunkban lévő információt le lehet tárolni egy másik formában, akkor lehetnek a leszármazottaink nagyon okos, örökké élő gépek.

Én nem azt gondolom, hogy az a jövő útja, hogy ténylegesen gyorsabban fogunk utazni, mint a fény, hanem azt gondolom, hogy a másik irányból közelítünk, lehetséges, hogy olyan lényekké fogunk válni, akik millió évekig élnek.

Hogyha megkérdezitek, hogy az öröklét elérése az egyszerűbb feladat, vagy a fénysebességénél gyorsabban történő utazás, akkor én egyértelműen azt mondanám, hogy az előbbi egyszerűbb. Gondolom E.T. is így csinálja."

Parallaxis
március
Űrszekerek

emTV.hu