Červí díry

 

 

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.

 

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.