Até onde uma nave espacial poderia ir se nunca ficássemos sem impulso?
Um foguete de vários estágios que perdesse e ejetasse massa à medida que se movia cada vez mais rápido seria necessário para atingir velocidades próximas à velocidade da luz, como o foguete Super Haas mostrado aqui. Você deve possuir um tipo de combustível supereficiente ou coletar mais combustível ao longo de sua jornada para atingir velocidades relativísticas. Em teoria, uma nave com aceleração constante poderia nos levar mais longe no Universo do que qualquer outra coisa que imaginamos até agora. (DRAGOS MURESAN, SOB C.C.A.-S.A.-3.0)
Uma única vida é mais que suficiente para levá-lo aos limites do Universo.
No momento, existem apenas três coisas que limitam o quão longe nossas espaçonaves podem nos levar no Universo: os recursos que dedicamos a ela, as restrições de nossa tecnologia existente e as leis da física. Se estivéssemos dispostos a dedicar mais recursos a isso como sociedade, temos o know-how tecnológico agora para levar seres humanos a qualquer um dos planetas ou luas conhecidos dentro do Sistema Solar, mas não a nenhum objeto na nuvem de Oort ou além. As viagens espaciais tripuladas para outro sistema estelar, pelo menos com a tecnologia que temos hoje, ainda são um sonho para as gerações futuras.
Mas se pudéssemos desenvolver tecnologia superior – foguetes movidos a energia nuclear, tecnologia de fusão, aniquilação de matéria-antimatéria ou mesmo combustível baseado em matéria escura – os únicos limites seriam as leis da física. Claro, se a física funciona como a entendemos hoje, os buracos de minhoca podem não estar nas cartas. Podemos não ser capazes de dobrar o espaço ou atingir a unidade de dobra. E as limitações da relatividade de Einstein, impedindo-nos de nos teletransportar ou viajar mais rápido que a luz, podem nunca ser superadas. Mesmo sem invocar nenhuma nova física, seríamos capazes de viajar surpreendentemente longe no Universo, alcançando qualquer objeto atualmente a menos de 18 bilhões de anos-luz de distância. Aqui está como chegaríamos lá.
Este lançamento do ônibus espacial Columbia em 1992 mostra que a aceleração não é apenas instantânea para um foguete, mas ocorre durante um longo período de tempo que abrange muitos minutos. A aceleração que alguém a bordo deste foguete sentiria é para baixo: na direção oposta da aceleração do foguete. (NASA)
Quando damos uma olhada nos foguetes convencionais que lançamos da Terra, surpreende a maioria das pessoas ao saber que eles mal aceleram mais rapidamente do que a gravidade nos acelera aqui na Terra. Se pudéssemos pular ou cair de uma grande altitude, a gravidade da Terra nos aceleraria em direção ao centro do nosso planeta a 9,8 m/s² (32 pés/s²). Para cada segundo que passa enquanto estamos em queda livre, desde que desprezemos as forças externas como a resistência do ar, nossa velocidade aumenta na direção descendente em mais 9,8 m/s (32 pés/s).
A aceleração que experimentamos devido à gravidade da Terra é conhecida como 1g (pronuncia-se um g), que exerce uma força em todos os objetos igual à nossa massa vezes essa aceleração: o famoso Newton F = m para . O que torna nossos foguetes tão especiais não é que eles aceleram aproximadamente nessa taxa, já que muitos objetos como carros, balas, canhões e até montanhas-russas o superam com frequência e facilidade. Em vez disso, os foguetes são especiais porque sustentam essa aceleração por longos períodos de tempo na mesma direção, permitindo-nos quebrar os laços da gravidade e alcançar a velocidade de escape da Terra.
O astronauta britânico Tim Peake é visto em uma tela de vídeo transmitida da Estação Espacial Internacional. Peake treinou e correu uma maratona de 42 quilômetros (26,2 milhas) no espaço a bordo da (ISS) em 2016, mas ainda exigiu uma quantidade significativa de tempo de volta à Terra até que pudesse andar novamente com segurança. (Henning Kaiser/aliança de fotos via Getty Images)
Um dos maiores desafios enfrentados pelos seres humanos que desejam fazer viagens de longo prazo no espaço são os efeitos biológicos de não ter a gravidade da Terra. A gravidade da Terra é necessária para o desenvolvimento e manutenção saudáveis de um corpo humano, com nossas funções corporais literalmente falhando se passarmos muito tempo no espaço. Nossas densidades ósseas caem; nossa musculatura atrofia de maneira significativa; experimentamos a cegueira espacial; e mesmo os astronautas da Estação Espacial Internacional que são mais diligentes em fazer horas de exercício por dia durante meses são incapazes de se sustentar por mais do que alguns passos ao retornar à Terra.
Uma maneira de superar esse desafio é se pudéssemos sustentar uma aceleração de 1g não por alguns minutos, nos impulsionando para o espaço, mas continuamente. Uma previsão notável da relatividade de Einstein - verificada experimentalmente muitas vezes - é que todos os objetos no Universo não podem detectar diferença entre uma aceleração constante e uma aceleração devido à gravidade. Se pudéssemos manter uma espaçonave acelerando em 1g, não haveria diferença fisiológica experimentada por um astronauta a bordo dessa espaçonave em comparação com um humano em uma sala estacionária na Terra.
O comportamento idêntico de uma bola caindo no chão em um foguete acelerado (esquerda) e na Terra (direita) é uma demonstração do princípio de equivalência de Einstein. Medir a aceleração em um único ponto não mostra diferença entre a aceleração gravitacional e outras formas de aceleração, algo que já foi verificado muitas vezes. (USUÁRIO DO WIKIMEDIA COMMONS MARKUS POESSEL, RETOQUE POR PBROKS13)
É preciso muita fé para presumir que algum dia poderemos alcançar acelerações constantes indefinidamente, pois isso exigiria um suprimento ilimitado de combustível à nossa disposição. Mesmo que dominássemos a aniquilação de matéria-antimatéria - uma reação 100% eficiente - estamos limitados pelo combustível que podemos trazer a bordo e rapidamente atingiríamos um ponto de retornos decrescentes: quanto mais combustível você traz, mais combustível você precisa para acelerar não apenas sua espaçonave, mas também todo o combustível restante que está a bordo.
Ainda assim, há muitas esperanças de que possamos reunir material para combustível em nossa jornada. As ideias incluíram o uso de um campo magnético para recolher partículas carregadas no caminho de um foguete, fornecendo partículas e antipartículas que poderiam ser aniquiladas para propulsão. Se a matéria escura for um tipo específico de partícula que passa a ser sua própria antipartícula - muito parecido com o fóton comum - então simplesmente coletá-lo e aniquilá-lo, se pudéssemos dominar esse tipo de manipulação, poderíamos fornecer com sucesso a uma espaçonave viajante todo o combustível necessário para uma aceleração constante.
Quando um par partícula-antipartícula se encontra, eles se aniquilam e produzem dois fótons. Se a partícula e a antipartícula estiverem em repouso, as energias dos fótons serão definidas por E = mc², mas se as partículas estiverem em movimento, os fótons produzidos devem ser mais energéticos para que a energia total seja sempre conservada. Coletar partículas e antipartículas (ou matéria escura) enquanto viaja pelo espaço pode permitir uma jornada intergaláctica. (NASA IMAGINE THE UNIVERSE / GODDARD SPACE FLIGHT CENTER)
Se não fosse a relatividade de Einstein, você poderia pensar que, a cada segundo que passa, você simplesmente aumentaria sua velocidade em mais 9,8 m/s. Se você começasse em repouso, levaria apenas um pouco menos de um ano – cerca de 354 dias – para atingir a velocidade da luz: 299.792.458 m/s. Claro, isso é uma impossibilidade física, pois nenhum objeto massivo pode atingir, muito menos exceder, a velocidade da luz.
A maneira como isso aconteceria, na prática, é que sua velocidade aumentaria 9,8 m/s a cada segundo que passasse, pelo menos inicialmente. À medida que você começasse a se aproximar da velocidade da luz, alcançando o que os físicos chamam de velocidades relativísticas (onde os efeitos da relatividade de Einstein se tornam importantes), você começaria a experimentar dois dos efeitos mais famosos da relatividade: contração do comprimento e dilatação do tempo.
Um aspecto revolucionário do movimento relativístico, proposto por Einstein, mas previamente construído por Lorentz, Fitzgerald e outros, é que objetos em movimento rápido pareciam se contrair no espaço e dilatar no tempo. Quanto mais rápido você se move em relação a alguém em repouso, mais seus comprimentos parecem ser contraídos, enquanto mais o tempo parece dilatar para o mundo exterior. Essa imagem, da mecânica relativista, substituiu a antiga visão newtoniana da mecânica clássica, mas também traz implicações tremendas para teorias que não são relativisticamente invariantes, como a gravidade newtoniana. (CURT RENHAW)
A contração do comprimento significa simplesmente que, na direção em que um objeto viaja, todas as distâncias que ele visualiza parecerão comprimidas. A quantidade dessa contração está relacionada a quão perto da velocidade da luz ela está se movendo. Para alguém em repouso em relação ao objeto em movimento rápido, o próprio objeto parece comprimido. Mas para alguém a bordo do objeto em movimento rápido, seja uma partícula, um trem ou uma espaçonave, as distâncias cósmicas que eles estão tentando atravessar serão o que está contraído.
Como a velocidade da luz é uma constante para todos os observadores, alguém se movendo no espaço (em relação às estrelas, galáxias, etc.) próximo à velocidade da luz também experimentará o tempo passando mais lentamente. A melhor ilustração é imaginar um tipo especial de relógio: um que salta um único fóton entre dois espelhos. Se um segundo corresponde a uma viagem de ida e volta entre os espelhos, um objeto em movimento exigirá mais tempo para que essa viagem aconteça. Do ponto de vista de alguém em repouso, o tempo parecerá desacelerar significativamente para a espaçonave quanto mais próxima da velocidade da luz ela chegar.
Um relógio de luz parecerá funcionar de maneira diferente para observadores que se movem em velocidades relativas diferentes, mas isso se deve à constância da velocidade da luz. A lei da relatividade especial de Einstein governa como essas transformações de tempo e distância ocorrem entre diferentes observadores. (JOHN D. NORTON, VIA HTTP://WWW.PITT.EDU/~JDNORTON/TEACHING/HPS_0410/CHAPTERS/SPECIAL_RELATIVITY_CLOCKS_RODS/ )
Com a mesma força constante aplicada, sua velocidade começaria a assíntota: aproximando-se, mas nunca alcançando, a velocidade da luz. Mas quanto mais próximo desse limite inalcançável você chega, com cada ponto percentual extra à medida que você vai de 99% para 99,9% para 99,999% e assim por diante, a duração do contrato e o tempo se dilatam ainda mais severamente.
Claro, este é um plano ruim. Você não quer estar se movendo a 99,9999+% da velocidade da luz quando chegar ao seu destino; você quer ter abrandado de volta. Portanto, o plano inteligente seria acelerar a 1g na primeira metade de sua jornada, depois disparar seus propulsores na direção oposta, desacelerando em 1g na segunda metade. Dessa forma, quando você chegar ao seu destino, você não se tornará o último inseto cósmico em um pára-brisa.
Aderindo a este plano, durante a primeira parte de sua jornada, o tempo passa quase na mesma velocidade que para alguém na Terra. Se você viajasse para a nuvem interna de Oort, levaria cerca de um ano. Se você invertesse o curso para voltar para casa, estaria de volta à Terra após cerca de dois anos no total. Alguém na Terra teria visto mais tempo se passar, mas apenas por algumas semanas.
Mas quanto mais longe você fosse, mais severas seriam essas diferenças. Uma jornada para Proxima Centauri, o sistema estelar mais próximo do Sol, levaria cerca de 4 anos para chegar, o que é notável, considerando que está a 4,3 anos-luz de distância. O fato de que os comprimentos se contraem e o tempo se dilata significa que você experimenta menos tempo do que a distância que está realmente percorrendo indicaria. Alguém de volta à Terra, enquanto isso, envelheceria cerca de um ano a mais nessa mesma jornada.
As estrelas Alpha Centauri (canto superior esquerdo), incluindo A e B, fazem parte do mesmo sistema estelar trinário que Proxima Centauri (circulado). Estas são as três estrelas mais próximas da Terra e estão localizadas entre 4,2 e 4,4 anos-luz de distância. Do ponto de vista de um viajante relativista, menos de 4 anos passariam em uma jornada para qualquer uma dessas estrelas. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO SKATEBIKER)
A estrela mais brilhante no céu da Terra hoje, Sirius, está localizada a cerca de 8,6 anos-luz de distância. Se você se lançasse em uma trajetória para Sirius e acelerasse naquele 1g contínuo por toda a jornada, você o alcançaria em apenas cerca de 5 anos. Notavelmente, leva apenas cerca de um ano a mais para você, o viajante, alcançar uma estrela duas vezes mais distante que Proxima Centauri, ilustrando o poder da relatividade de Einstein de tornar o impraticável acessível se você continuar acelerando.
E se olharmos para escalas cada vez maiores, leva proporcionalmente menos tempo adicional para percorrer essas grandes distâncias. A enorme Nebulosa de Órion, localizada a mais de 1.000 anos-luz de distância, seria alcançada em apenas 15 anos da perspectiva de um viajante a bordo daquela espaçonave.
Olhando ainda mais longe, você pode alcançar o buraco negro supermassivo mais próximo – Sagitário A * no centro da Via Láctea – em cerca de 20 anos, apesar de estar a ~ 27.000 anos-luz de distância.
E a Galáxia de Andrômeda, localizada a 2,5 milhões de anos-luz da Terra, poderia ser alcançada em apenas 30 anos, supondo que você continuasse a acelerar durante toda a jornada. É claro que alguém na Terra experimentaria os 2,5 milhões de anos completos durante esse intervalo, então não espere voltar para casa.
A Galáxia de Andrômeda reside em nosso grupo local e tem quase o dobro do diâmetro da Via Láctea. Ele está localizado a 2,5 milhões de anos-luz de distância, mas se acelerássemos constantemente em direção a ele a 9,8 m/s², virando para desacelerar no meio da jornada, chegaríamos a ele depois de viajar por apenas 30 anos a partir do nosso quadro de referência. (ADAM EVANS/FLICKR)
Na verdade, contanto que você continue aderindo a esse plano, você pode escolher qualquer destino que esteja atualmente a 18 bilhões de anos-luz de nós e alcançá-lo depois de apenas 45 anos, no máximo. (Pelo menos, do seu quadro de referência a bordo da espaçonave!) Essa figura de ~18 bilhões de anos-luz é o limite do Universo alcançável, definido pela expansão do Universo e os efeitos da energia escura. Tudo além desse ponto é atualmente inalcançável com nossa compreensão atual da física, o que significa que ~ 94% de todas as galáxias do Universo estão para sempre além do nosso horizonte cósmico.
A única razão pela qual podemos vê-los é porque a luz que deixou essas galáxias há muito tempo está chegando hoje; a luz que os deixa agora, 13,8 bilhões de anos após o Big Bang, nunca chegará até nós. Da mesma forma, a única luz que eles podem ver de nós foi emitida antes que os seres humanos evoluíssem; a luz que nos deixa agora nunca os alcançará.
Ainda assim, as galáxias que estão a 18 bilhões de anos-luz de nós hoje, estimadas em cerca de 100 bilhões ou mais, não são apenas alcançáveis, mas alcançáveis após apenas 45 anos. Infelizmente, mesmo que você trouxesse combustível suficiente, uma viagem de volta seria impossível, pois a energia escura levaria seu local original para tão longe que você nunca poderia retornar a ele.
Se você quisesse viajar para um destino distante e acelerou a 1g na primeira metade da jornada e depois virou sua espaçonave para desacelerar a 1g na segunda metade, levaria metade do tempo indicado no eixo y à esquerda . Para alguém de volta para casa na Terra, eles teriam envelhecido pela metade do valor no lado direito do eixo y no momento em que você chegasse ao seu destino. (P. FRAUNDORF NA WIKIPEDIA)
Embora pensemos em viagens interestelares ou intergalácticas como sendo inviáveis para os seres humanos devido às enormes escalas de tempo envolvidas – afinal, as naves Voyager levarão quase 100.000 anos para percorrer a distância equivalente a Proxima Centauri – isso é apenas por causa de nossa tecnologia atual. limitações. Se pudéssemos criar uma espaçonave capaz de uma aceleração constante e sustentada de 1g por cerca de 45 anos, poderíamos escolher para onde iríamos de 100 bilhões de galáxias a 18 bilhões de anos-luz de nós.
A única desvantagem é que você nunca mais poderá voltar para casa. O fato de que o tempo se dilata e se contrai são os fenômenos físicos que nos permitem viajar essas grandes distâncias, mas apenas para aqueles de nós que embarcam naquela espaçonave. Aqui na Terra, o tempo continuará a passar normalmente; levará milhões ou mesmo bilhões de anos de nossa perspectiva antes que a espaçonave chegue ao seu destino. Se nunca ficássemos sem empuxo, poderíamos, hipoteticamente, chegar a qualquer lugar do Universo que um fóton emitido hoje pudesse alcançar. Apenas tome cuidado para que, se você for longe o suficiente, quando voltar para casa, a humanidade, a vida na Terra e até mesmo o Sol terão morrido. No final, porém, a jornada é realmente a parte mais importante da história.
Começa com um estrondo é escrito por Ethan Siegel , Ph.D., autor de Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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