Giữa các vì sao. Khoa học hậu trường "- cuốn sách dành cho những ai chưa hài lòng với bộ phim

2024 Tác giả: Malcolm Clapton | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2023-12-17 04:15

Nhà xuất bản Lifehacker đăng một đoạn trích trong cuốn sách của Kip Thorne, nhà vật lý lý thuyết người Mỹ, tác giả ý tưởng cho bộ phim Interstellar. Rất nhiều lý thuyết và ý tưởng vật lý hiện đại được đan xen vào cốt truyện của bức tranh, phần giải thích về phần lớn hóa ra lại nằm ở hậu trường. Vì vậy, chúng tôi chắc chắn rằng cuốn sách sẽ hấp dẫn cả những người hâm mộ điện ảnh và những người quan tâm đến vật lý.

Chuyến bay giữa các vì sao

Trong cuộc gặp đầu tiên, Giáo sư Brand kể cho Cooper nghe về chuyến thám hiểm của Lazarus để tìm một ngôi nhà mới cho nhân loại. Cooper trả lời: “Không có hành tinh nào có thể sinh sống được trong hệ mặt trời, và ngôi sao gần nhất cách chúng ta một nghìn năm. Điều này, nói một cách nhẹ nhàng, vô nghĩa. Vậy ông đã gửi chúng đi đâu, thưa giáo sư? Tại sao điều này là vô nghĩa (nếu không có lỗ sâu trong tay), sẽ rõ ràng nếu bạn nghĩ về khoảng cách đến các ngôi sao gần nhất là lớn như thế nào.

Khoảng cách đến những ngôi sao gần nhất

Ngôi sao gần nhất (không tính Mặt trời) trong hệ thống có thể tìm thấy hành tinh thích hợp cho sự sống là Tau Ceti. Nó cách Trái đất 11,9 năm ánh sáng; tức là, đi với tốc độ ánh sáng, có thể đạt được nó trong 11, 9 năm nữa. Về mặt lý thuyết, có thể có những hành tinh thích hợp cho sự sống, gần chúng ta hơn, nhưng không nhiều.

Để đánh giá Tau Ceti cách chúng ta bao xa, chúng ta hãy sử dụng một phép loại suy ở quy mô nhỏ hơn nhiều. Hãy tưởng tượng rằng đây là khoảng cách từ New York đến Perth ở Úc - bằng một nửa chu vi trái đất. Ngôi sao gần chúng ta nhất (một lần nữa, không tính Mặt trời) là Proxima Centauri, cách Trái đất 4, 24 năm ánh sáng, nhưng không có bằng chứng nào cho thấy có thể có hành tinh sinh sống bên cạnh nó. Nếu khoảng cách đến Tau Ceti là New York - Perth, thì khoảng cách đến Proxima Centauri là New York - Berlin. Gần hơn một chút so với Tau Ceti! Trong số tất cả các tàu vũ trụ không người lái do con người phóng vào không gian giữa các vì sao, tàu Voyager 1, hiện cách Trái đất 18 giờ ánh sáng, đạt xa nhất. Cuộc hành trình của ông kéo dài 37 năm. Nếu khoảng cách đến Tau Ceti là khoảng cách từ New York đến Perth, thì khoảng cách từ Trái đất đến Tàu du hành 1 chỉ là ba km: như từ Tòa nhà Empire State đến rìa phía nam của Làng Greenwich. Con số này ít hơn nhiều so với từ New York đến Perth.

Nó thậm chí còn gần với Sao Thổ hơn so với Trái đất - 200 mét, cách Tòa nhà Empire State đến Đại lộ Park hai dãy nhà. Từ Trái đất đến Sao Hỏa - 20 mét, và từ Trái đất đến Mặt trăng (khoảng cách lớn nhất mà con người đã đi cho đến nay) - chỉ bảy cm! So sánh bảy cm với một nửa vòng quanh thế giới của chuyến đi! Bây giờ bạn đã hiểu bước nhảy vọt phải xảy ra trong công nghệ để nhân loại có thể chinh phục các hành tinh ngoài hệ mặt trời chưa?

Tốc độ bay trong thế kỷ XXI

Tàu du hành 1 (được tăng tốc bằng cáp hấp dẫn xung quanh Sao Mộc và Sao Thổ) đang di chuyển khỏi hệ Mặt Trời với tốc độ 17 km / giây. Trong Interstellar, tàu vũ trụ Endurance đi từ Trái đất đến Sao Thổ trong hai năm, với tốc độ trung bình khoảng 20 km / giây. Theo tôi, tốc độ cao nhất có thể đạt được trong thế kỷ 21 khi sử dụng động cơ tên lửa kết hợp với súng cao su trọng lực sẽ là khoảng 300 km / giây. Nếu chúng ta di chuyển đến Proxima Centauri với tốc độ 300 km / giây, chuyến bay sẽ mất 5.000 năm và chuyến bay đến Tau Ceti sẽ mất 13.000 năm. Một cái gì đó quá dài. Để đạt được khoảng cách như vậy nhanh hơn với các công nghệ của thế kỷ XXI, bạn cần một cái gì đó giống như một lỗ sâu.

Công nghệ của tương lai xa

Các nhà khoa học và kỹ sư của Dodgy đã nỗ lực rất nhiều để phát triển các nguyên tắc của công nghệ tương lai có thể biến chuyến bay tầm gần thành hiện thực. Bạn sẽ tìm thấy đủ thông tin về các dự án như vậy trên Internet. Nhưng tôi e rằng phải hơn một trăm năm nữa người ta mới có thể đưa chúng vào cuộc sống. Tuy nhiên, theo ý kiến của tôi, họ thuyết phục rằng đối với các nền văn minh siêu phát triển thì việc di chuyển với tốc độ bằng 1/10 tốc độ ánh sáng và cao hơn là hoàn toàn có thể.

Dưới đây là ba lựa chọn du lịch gần ánh sáng mà tôi thấy đặc biệt thú vị *.

Phản ứng tổng hợp nhiệt hạch

Fusion là lựa chọn phổ biến nhất trong số ba tùy chọn này. Công việc nghiên cứu và phát triển về việc tạo ra các nhà máy điện dựa trên phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển bắt đầu vào năm 1950 và những dự án này sẽ không đạt được thành công cho đến năm 2050. Một thế kỷ nghiên cứu và phát triển!

Điều đó nói lên điều gì đó về quy mô của sự phức tạp. Để các nhà máy nhiệt điện xuất hiện trên Trái đất vào năm 2050, nhưng có thể nói gì về các chuyến bay vào vũ trụ nhờ lực đẩy nhiệt hạch? Động cơ của những thiết kế thành công nhất sẽ có thể cung cấp tốc độ khoảng 100 km / giây và vào cuối thế kỷ này, có lẽ lên đến 300 km / giây. Tuy nhiên, đối với tốc độ ánh sáng gần, sẽ cần một nguyên tắc hoàn toàn mới là sử dụng phản ứng nhiệt hạch. Các khả năng của phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có thể được đánh giá bằng các phép tính đơn giản. Khi hai nguyên tử đơteri (hydro nặng) hợp nhất để tạo thành nguyên tử heli, khoảng 0,0064 khối lượng của chúng (làm tròn một phần trăm) được chuyển thành năng lượng. Nếu bạn chuyển nó thành động năng (năng lượng của chuyển động) của nguyên tử heli, thì nguyên tử sẽ có tốc độ bằng một phần mười tốc độ ánh sáng **.

Do đó, nếu chúng ta có thể chuyển đổi tất cả năng lượng thu được từ sự hợp nhất của nhiên liệu hạt nhân (đơteri) thành chuyển động có hướng của tàu vũ trụ, thì chúng ta sẽ đạt tốc độ khoảng c / 10, và nếu chúng ta thông minh, thậm chí còn cao hơn một chút. Vào năm 1968, Freeman Dyson, một nhà vật lý đáng chú ý, đã mô tả và nghiên cứu một tàu vũ trụ chạy bằng năng lượng nhiệt hạch nguyên thủy có khả năng - trong tay của một nền văn minh đủ tiên tiến - để cung cấp tốc độ theo cấp độ này. Bom nhiệt hạch (bom "hydro") phát nổ ngay sau thiết bị giảm chấn bán cầu, đường kính của nó là 20 km. Theo ước tính táo bạo nhất của Dyson, các vụ nổ đẩy con tàu về phía trước, tăng tốc nó lên tới một phần ba mươi tốc độ ánh sáng. Một thiết kế tiên tiến hơn có thể có nhiều khả năng hơn. Năm 1968, Dyson đưa ra kết luận rằng có thể sử dụng động cơ loại này không sớm hơn vào cuối thế kỷ XXII, tức là 150 năm kể từ bây giờ. Tôi cho rằng đánh giá này là lạc quan quá mức.

[…]

Có vẻ hấp dẫn như tất cả những công nghệ này của tương lai, từ “tương lai” là chìa khóa ở đây. Với công nghệ của thế kỷ 21, chúng ta không thể tiếp cận các hệ thống sao khác trong vòng chưa đầy hàng nghìn năm. Hy vọng ma quái duy nhất của chúng ta về một chuyến bay giữa các vì sao là một lỗ sâu, giống như trong Interstellar, hoặc một số dạng cong không thời gian cực đoan khác.