اگر با سرعت نور سفر کنیم چه اتفاقی می‌افتد؟

فرارو- اغلب ما از دیدن فیلم علمی تخیلی فضایی و جابجایی انسان‌ها میان کهکشان ها، هیجان زده می‌شویم. اما واقعیت این است که فاصله میان کهکشان‌ها آنقدر زیاد است که چنین سفر‌هایی هنوز به همان فیلم‌ها محدود مانده اند، زیرا رفتن از کهکشانی به کهکشان دیگر مستلزم داشتن سرعتی نزدیک به نور است. علم جدید می‌گوید دستیابی به چنین سرعتی غیر ممکن است، اما اگر فرض بر این باشد که به چنین سرعتی دست یابیم، سفر ما با این سرعت چگونه خواهد بود.

به گزارش فرارو، سرعت برای ما انسان‌ها هیجان انگیز است و این چیزی است که نمی‌توان آن را انکار کرد. از زمانی که اجداد ما چرخ را اختراع کردند، این سرعت از محدوده توانایی پا‌های ما خارج شد و از آن زمان بود که بی وقفه تلاش کردیم تا سرعت انتقال خود را بالا ببریم. در عصر مدرن امروزی، ما اشیاء بسیار سریعی را توسعه داده ایم؛ هواپیما‌های فوق سریع، جنگنده‌های مافوق صوت، قطار‌های سریع السیر، خودرو‌های شگفت انگیز و فضاپیما‌های کیهان نورد بخشی از تلاش‌های ما برای تحقق رویای سرعت بیشتر است. اما هنوز ما یک رویای دست نیافتی داریم؛ حرکت با سرعت نور! بسیاری از ما می‌دانیم که چنین چیزی ظاهراً امکان پذیر نیست، اما بیائید کمی جزئی‌تر درباره آن صحبت کنیم.

آیا سفر فضایی با سرعت نور هرگز امکان پذیر خواهد بود؟

بیائید با یک سری پرسش‌های بنیادی شروع کنیم. ایده سفر با سرعت نور برای نویسندگان علمی تخیلی جذاب است. سرعت نور ۲۹۹۷۹۲۴۵۸ متر بر ثانیه است. با این سرعت، شما می‌توانید بیش از هفت بار در یک ثانیه دور زمین بچرخید و انسان‌ها در نهایت می‌توانند خارج از منظومه شمسی ما را با آن کاوش کنند. در سال ۱۹۴۷، انسان برای اولین بار از سرعت (بسیار کندتر) صوت فراتر رفت و راه را برای جت تجاری کنکورد و سایر هواپیما‌های مافوق صوت هموار کرد. با این مقدمات آیا هرگز امکان سفر با سرعت نور برای ما وجود خواهد داشت؟

بر اساس درک فعلی ما از فیزیک و محدودیت‌های جهان طبیعی، متاسفانه پاسخ منفی است. با توجه به نظریه نسبیت خاص آلبرت انیشتین که با معادله معروف E=mc۲ خلاصه شده است، سرعت نور (c) چیزی شبیه حد سرعت کیهانی است که نمی‌توان از آن فراتر رفت. بنابراین، سفر با سرعت نور و سفر سریعتر از نور، غیرممکن فیزیکی هستند، به ویژه برای هر چیزی که جرم دارد، مانند فضاپیما و انسان.

حتی برای چیز‌های بسیار کوچک، مانند ذرات زیر اتمی، مقدار انرژی (E) مورد نیاز برای نزدیک شدن به سرعت نور، چالش مهمی برای امکان‌پذیری سفر‌های فضایی تقریباً با سرعت نور ایجاد می‌کند. برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC)، بزرگترین و پر انرژی‌ترین شتاب دهنده ذرات روی زمین، پروتون‌ها (ذرات درون اتم ها) را تا جایی که بشر توانسته به سرعت نور شتاب داده است. با این حال، حتی یک پروتون کوچک نیز برای رسیدن به سرعت نور به انرژی تقریبا بی نهایت نیاز دارد و انسان هنوز انرژی نزدیک به نامتناهی را کشف نکرده است.

آیا راهی برای دست یابی به سفر‌های با سرعت نور وجود دارد؟

بیش از صد سال پیش، در ۲۹ مه ۱۹۱۹، نظریه نسبیت عام اینشتین را تأیید شد. حتی قبل از آن، انیشتین نظریه نسبیت خاص را توسعه داده بود، که انقلابی در نحوه درک ما از نور ایجاد کرد. این نظریه تا به امروز، راهنمایی برای درک چگونگی حرکت ذرات در فضا ارائه می‌دهد و یک حوزه کلیدی تحقیقاتی برای ایمن نگه داشتن فضاپیما‌ها و فضانوردان از تشعشعات ایجاد می‌کند. تئوری نسبیت خاص نشان داد که ذرات نور، یعنی فوتون ها، با سرعت ثابت ۶۷۰، ۶۱۶، ۶۲۹ مایل در ساعت در خلاء حرکت می‌کنند - سرعتی که دستیابی به آن بسیار دشوار است و در آن محیط غیر ممکن است. با این حال، در سراسر فضا، از سیاه‌چاله‌ها گرفته تا محیط نزدیک به زمین، ذرات در واقع به سرعت‌های باورنکردنی شتاب می‌گیرند، حتی برخی از آن‌ها به ۹۹.۹ درصد سرعت نور می‌رسند.

یکی از وظایف ناسا درک بهتر چگونگی شتاب این ذرات است. مطالعه این ذرات فوق سریع یا نسبیتی، در نهایت می‌تواند به محافظت از ماموریت‌های کاوش در منظومه شمسی و مثلاً سفر به ماه کمک کند، و در ادامه می‌توانند اطلاعات بیشتری در مورد کهکشان‌های همسایه ما ارائه دهند. یک ذره با سرعت نزدیک به نور که به خوبی هدف گرفته می‌شود، می‌تواند بر روی وسایل الکترونیکی و ... حرکت کند. بسیاری از آن‌ها به طور همزمان می‌توانند اثرات تشعشعی منفی بر فضانوردان در سفر به ماه یا فراتر از آن داشته باشند. ناسا سه راه برای محقق کردن چنین شتابی ارائه کرده است که در ادامه به آن خواهیم پرداخت؛

۱. میدان‌های الکترومغناطیسی

بیشتر فرآیند‌هایی که ذرات را تا سرعت نسبیتی شتاب می‌دهند با میدان‌های الکترومغناطیسی کار می‌کنند، همان نیرویی که آهنربا‌ها را روی یخچال شما نگه می‌دارد. دو جزء، میدان الکتریکی و مغناطیسی، مانند دو روی یک سکه، با هم کار می‌کنند تا ذرات را با سرعت نسبیتی در سراسر جهان به هم بزنند. در اصل، میدان‌های الکترومغناطیسی ذرات باردار را شتاب می‌دهند، زیرا ذرات نیرویی را در یک میدان الکترومغناطیسی احساس می‌کنند که آن‌ها را به امتداد هل می‌دهد، شبیه به این که گرانش اجسام دارای جرم را می‌کشد. در شرایط مناسب، میدان‌های الکترومغناطیسی می‌توانند ذرات را با سرعت نزدیک به نور شتاب دهند.

در زمین، میدان‌های الکتریکی اغلب به طور خاص در مقیاس‌های کوچک‌تر برای افزایش سرعت ذرات در آزمایشگاه‌ها مهار می‌شوند. شتاب دهنده‌های ذرات، مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون و فرمیلب، از میدان‌های الکترومغناطیسی پالسی برای شتاب دادن ذرات باردار تا ۹۹.۹۹۹۹۹۸۹۶ درصد سرعت نور استفاده می‌کنند. در این سرعت ها، ذرات را می‌توان به هم کوبید تا با مقادیر بسیار زیاد انرژی برخورد ایجاد کند. این به دانشمندان اجازه می‌دهد تا به دنبال ذرات بنیادی بگردند و بفهمند که جهان در اولین کسری از ثانیه پس از انفجار بزرگ چگونه بوده است.

۲. انفجار‌های مغناطیسی

میدان‌های مغناطیسی در همه جای فضا وجود دارند و زمین را احاطه کرده و منظومه شمسی را در بر می‌گیرند. آن‌ها حتی ذرات باردار را که در فضا حرکت می‌کنند، هدایت می‌کنند، که به صورت مارپیچی می‌چرخند. هنگامی که این میدان‌های مغناطیسی با یکدیگر برخورد می‌کنند، ممکن است در هم بپیچند. هنگامی که تنش بین خطوط متقاطع بیش از حد زیاد می‌شود، خطوط به طور انفجاری شکسته می‌شوند و در فرآیندی که به عنوان اتصال مجدد مغناطیسی شناخته می‌شود، دوباره مرتب می‌شوند. تغییر سریع در میدان مغناطیسی یک منطقه، میدان‌های الکتریکی ایجاد می‌کند که باعث می‌شود تمام ذرات باردار همراه با سرعت بالا به دور پرتاب شوند. دانشمندان گمان می‌کنند که اتصال مجدد مغناطیسی یکی از راه‌هایی است که می‌تواند ذرات را به سرعت‌های نسبیتی، برساند.

این ذرات سریع همچنین عوارض جانبی مختلفی را در نزدیکی سیارات ایجاد می‌کنند. اتصال مجدد مغناطیسی نزدیک به ما در نقاطی اتفاق می‌افتد که میدان مغناطیسی خورشید به مگنتوسفر زمین فشار می‌آورد. هنگامی که اتصال مجدد مغناطیسی در سمتی از زمین که رو به خورشید است اتفاق می‌افتد، ذرات می‌توانند به اتمسفر بالایی زمین پرتاب شوند، جایی که شفق‌های قطبی را ایجاد می‌کند. همچنین تصور می‌شود که اتصال مجدد مغناطیسی در اطراف سیارات دیگر مانند مشتری و زحل روی می‌دهد، هرچند به روش‌های کمی متفاوت. نتایج این داده‌ها می‌تواند به دانشمندان در درک شتاب ذرات با سرعت‌های نسبیتی در اطراف زمین و در سراسر جهان کمک کند.

۳. برهمکنش‌های موج-ذره

ذرات را می‌توان با برهمکنش با امواج الکترومغناطیسی شتاب داد که به آن برهمکنش موج-ذره می‌گویند. هنگامی که امواج الکترومغناطیسی با هم برخورد می‌کنند، میدان آن‌ها می‌تواند فشرده شود. ذرات باردار که بین امواج به جلو و عقب می‌پرند، می‌توانند انرژی مشابه به دست آورند. این نوع از فعل و انفعالات به طور مداوم در فضای نزدیک به زمین رخ می‌دهد و مسئول شتاب دادن ذرات به سرعتی است که می‌تواند به سیستم الکترونیک فضاپیما‌ها و ماهواره‌های موجود در فضا آسیب برساند. ماموریت‌های ناسا، مانند کاوشگر ون آلن، به دانشمندان کمک می‌کند تا تعاملات امواج و ذرات را درک کنند.

همچنین تصور می‌شود که فعل و انفعالات موج-ذره مسئول شتاب بخشیدن به برخی پرتو‌های کیهانی است که خارج از منظومه شمسی ما منشا می‌گیرند. پس از یک انفجار ابرنواختری، یک پوسته داغ و متراکم از گاز فشرده به نام موج انفجار از هسته ستاره به بیرون پرتاب می‌شود. برهم‌کنش‌های موج-ذره موجود در این حباب‌ها می‌توانند پرتو‌های کیهانی پرانرژی را با سرعت ۹۹.۶ درصد نور پرتاب کنند.

این سه ایده نشان می‌دهد که رسیدن به سرعت نور هنوز به طور کامل غیر ممکن نیست، اما علم و فیزیک امروزی هنوز قادر به توصیف و تشریح آن نیست.

سفر با سرعت نور چگونه خواهد بود؟

حال برگردیم به همان سوال اول خودمان؛ اگر بتوانیم با سرعت نور سفر کنیم و مثلا به فضا برویم، این سفر چگونه خواهد بود و چه اتفاقی خواهد افتاد؟ بیائید با یک سری گزاره ها، به این پرسش پاسخ دهیم. در قانون نسبیت خاص انیشتین قانونی به نام اتساع زمان وجود دارد که هرچه سریع‌تر حرکت کنید زمان برای شما کندتر می‌گذرد. یعنی چه؟ فرض بگیرید که یک کوپه در قطار سریع السیر دربست کرده اید و تمام عمر خود را در یک قطار در حال حرکت زندگی می‌کنید. زمان برای شما کندتر از فردی خواهد بود که در خانه خود زندگی می‌کند و به زبان واضح‌تر شما جوان‌تر باقی می‌مانید، هرچند این تفاوت در مقیاس نانوثانیه خواهد بود. پس بر اساس همین مقیاس اگر بتوانید با سرعت نور حرکت کنید، زمان اصلا برای شما نخواهد گذشت و شما در همان زمانی که شروع به حرکت کردید باقی می‌مانید. پس اگر به سفری فضایی با سرعت نور و به ستاره‌ای دیگر بروید، در بازگشت ممکن است هیچ یک از افرادی که شما در هنگام ترک زمین می‌شناختند، دیگر زنده نباشند.

سفر با سرعت نور عواقب بینایی خاصی را نیز در پی خواهد داشت که به پدیده کج‌راهی شهرت دارد و شرایطی را تشریح می‌کند که در آن میدان دید مسافر به فضایی کوچک و تونل مانند در برابر پنجره فضاپیما تبدیل خواهد شد. این پدیده از آن رو رخ می‌دهد که فوتون‌های نوری، حتی فوتون‌های پشت فضاپیما از جهت روبه‌رو دیده می‌شوند. در عین حال مسافر اثر داپلری را نیز تجربه خواهد کرد که به واسطه آن امواج نوری ناشی از ستارگان در مقابل متراکم شده و باعث می‌شوند جسم آبی به نظر بیاید. نور ناشی از ستاره‌های پشت فضاپیما نیز پراکنده شده و قرمز به نظر می‌آیند. هرچه سرعت سفر بیشتر شود، اثر این رویداد‌ها افزایش خواهد یافت تا زمانی که تمامی نور‌های ستاره‌های مقابل و پشت فضاپیما از طیف نوری مرئی خارج شده و از مقابل دید انسان ناپدید خواهند شد.

منبع: britannica، nasa، scienceabc

نوشته: مصطفی جرفی-فرارو