النقل المستقبلي – سرعة الضوء 1: حلول في الخيال العلمي

وهو الماس[1], قسم الهندسة الكهربائية والإلكترونية، كلية الهندسة، جامعة أريئيل في السامرة * نشر المقال في العدد السابع من مجلة الشؤون الثقافية – صحيح

المقدمة

في الغالبية العظمى من أفلام وكتب الخيال العلمي، يتم التركيز على وسائل النقل التي سيتم استخدامها تقنيًا، في المستقبل المثالي (أو البائس). المذكور موجود أيضًا في الأعمال التي تتناول المستقبل القريب، بل وأكثر من ذلك - في الأعمال التي تتناول المستقبل البعيد.

في الأعمال التي تتناول المستقبل القريب (على سبيل المثال Blade Runner من عام 1982 لريدلي سكوت)، تكون السيارة هي السيارة الطائرة، التي تسمح بالحركة للأمام والخلف، مثل السيارات التي نعرفها، ولكنها تسمح أيضًا بالحركة في الاتجاه الرأسي (لأعلى ولأسفل) ). وتستخدم مثل هذه المركبات أيضًا في مسلسلات المستقبل البعيد مثل حرب النجوم (تم عرض أول فيلم في سلسلة "أمل جديد" عام 1977)، حيث تظهر الدراجات النارية الطائرة. وفي المسلسل التلفزيوني الشهير "ستار تريك" (الذي عُرض لأول مرة عام 1966)، تم تجهيز سفينة الفضاء إنتربرايز الشهيرة بمكوك الفضاء، وهو نوع من الحافلات الطائرة. اليوم لم ينته حلم السيارة الطائرة، بل إن البروفيسور ستيفان كلاين قام بتطوير واحدة منها مثل هذه السيارة . لكن الاتجاهات الرئيسية لتطوير السيارة المستقبلية هي أخرى: القيادة الكهربائية وغير الملوثة (المركبات الهجينة، والسيارة ذات المحرك الكهربائي فقط - من شركة تسلا، على سبيل المثال)، والسيارة ذاتية القيادة التي تقود نفسها بدون سائق. وهذا يظهر أيضاً في السينما كما في فيلم "باتمان" (1989) مثلاً)، إلا أنه اليوم يتم تطويره من قبل عدة شركات؛ من بين أمور أخرى، تيسلا وجوجل.

في أفلام المستقبل البعيد، يتم التركيز بشكل أساسي على وسائل النقل المستخدمة للتنقل بين الكواكب وحتى بين النجوم المختلفة في المجرة. وأشهر الطائرات من هذا النوع هي سفينة الفضاء ENTERPRISE، والتي من المعروف أنها انطلقت في رحلة مدتها خمس سنوات لاستكشاف الكواكب الموجودة في المجرة والحضارات خارج الأرض التي تطورت فيها. السلسلة الأصلية "Star Trek" (1966)، لها العديد من التتابعات (Star Trek Next Generation، VOYAGER، ENTERPRISE، DISCOVERY والمزيد).

تعتمد سلسلة أفلام "Star Wars" الشهيرة، في الثلاثيات التي تتكون منها، أيضًا على ثقافة المجرة مع التنقل بين النجوم. تدور أحداث المسلسل حول جمهورية المجرة، وعاصمتها كوكب كورسكانت هي في الواقع مدينة تغطي كوكبًا بأكمله. تتناول الثلاثيات جهود نظام سياسي مظلم وفاسد لاستغلال نقاط ضعف النظام الديمقراطي (الإجراءات البيروقراطية الطويلة والتراخي الحكومي والجشع)، لانهياره وتحويله إلى إمبراطورية مجرية. تتناول الثلاثية الوسطى (1977) جهود المتمردين لاستعادة الجمهورية المفقودة. المسلسل الأول (1999) الذي صدر في تألق سينمائي على مدى عشرين عاما بعد المسلسل الثاني، يتناول العمليات التي أدت إلى انهيار الإمبراطورية، والمسلسل الثالث (2015)، يصف العمليات السياسية التي جرت بعد ذلك. انتصار المتمردين على الإمبراطورية. يدور حول كل شيء الصراع بين النظام الساعي إلى تحقيق العدالة، والذي من المفترض أن يحمي الجمهورية والذي فشل في الثلاثية الأولى (فرسان الجيداي)، والنظام المظلم (السيث). وبطبيعة الحال، فإن النظام المجري من أي نوع (إمبراطورية أو جمهورية) ليس ممكنا دون السفن الفضائية التي تجعل من الممكن الوصول في وقت قصير من نظام شمسي إلى آخر.

سلسلة أخرى من الكتب (نُشر أولها عام 1956)، والتي تصف أيضًا إمبراطورية المجرة، تبدأ بكتاب "هوليت" للكاتب فرانك هربرت. في عالم "هوليت" المستقبلي، أصبح التنقل بين النجوم ممكنًا من خلال الأنشطة البدنية والعقلية التي يقوم بها ملاحو النقابة. ويعتمد هؤلاء البشر ما بعد البشر في نشاطهم على عقار يتم إنتاجه فقط في كوكب واحد في المجرة، وهو كوكب الرمال، وسمي بهذا الاسم لأنه مغطى بالكامل بالرمال، ومن هنا أهميته الاستراتيجية. الكتاب هو الجزء الأول من ثلاثية لفرانك هربرت، ولكن بعد وفاته، انضم ابنه بريان هربرت إلى كيفن أندرسون، ونشرا معًا العديد من الكتب التي تصف عالم هوليت، سواء في العصور التي سبقت أحداث الكتاب الأصلي وفي العصور التي تلت ذلك. تم تصوير كتاب DUNE عام 1984 من قبل المخرج ديفيد لينش. ومن المتوقع أن يتم إصدار نسخة جديدة من الفيلم في إسرائيل عام 2021.

الصعوبات التكنولوجية

ويتجاهل صانعو الأفلام والمسلسلات بطبيعة الحال حقيقة الجاذبية المعروفة التي من المفترض أن تمنع تلك المركبات من الطيران. ورغم أننا نعرف اليوم كيفية التغلب على الجاذبية بطرق مختلفة، بدءًا من استخدام غاز أخف من الهواء (الهواء الساخن أو غاز الهيدروجين والهيليوم)، إلا أنه بسبب كمية الغاز الكبيرة المطلوبة لكل مرآة فإن هذه الحلول غير عملية. الحل المستخدم حاليا في الطيران يعتمد على حركة الهواء فوق وتحت الأجنحة بهندسة خاصة، مما يخلق فرق ضغط فوق وتحت الجناح. فرق الضغط على الجناح يخلق قوة رفع تعاكس الجاذبية. تعتمد قوة الرفع على معامل الرفع الذي يعتمد في حد ذاته على هندسة الجناح ومربع السرعة. ولهذا تمتلك الطائرات أجنحة، وتحتاج إلى مدارج طويلة لتتسارع وتصل إلى سرعة تتغلب فيها قوة الرفع على قوة الجاذبية. في المروحية، يتم تحقيق هذه السرعة عن طريق تدوير المروحة (مجموعة من الأجنحة المتصلة بمحور مركزي) بسرعة عالية. وبالطبع ليس من الممكن تنظيم مدارج للسيارات، كما أنه ليس من الواضح أين ستهبط.

وسوف نشير أن حل البروفيسور ستيفان كلاين إنها في الواقع طائرة صغيرة ذات أجنحة قابلة للطي. عندما يتم طي الأجنحة تتحول الطائرة إلى سيارة. الاستخدام المتوقع لمثل هذه السيارة الطائرة هو لحركة المرور بين المطارات التي لديها مدارج بالفعل. المروحية هي مركبة باهظة الثمن، ومروحتها تشكل خطرا. ولهذا فهو يحتاج إلى سطح واسع ومسيج لمنع إصابة المارة. وهذا حل غير مقبول لمستخدم السيارة العادي، لكنه لا يزال قيد النظر من قبل مطوري السيارات الطائرة المستقبلية على سبيل المثال Pop.Up التالي في هذا الحل يتم وضع المراوح (عددها أربعة) داخل إطار دائري يحمي الأبرياء من الأذى (مثل المراوح المألوفة). الحل الآخر للتغلب على الجاذبية هو الدفع الصاروخي. ويدفع الصاروخ نفسه إلى الأعلى عن طريق قذف المواد إلى الأسفل. وبما أن الزخم (الكتلة مضروبة في السرعة) محفوظ، فإن الصاروخ نفسه يزيد من زخمه بنفس المقدار وفي الاتجاه المعاكس لزخم المادة التي يطلقها. وبما أن التغير في الزخم لكل وحدة زمنية هو قوة وفقا لقانون نيوتن الثاني، فإنه تنشأ قوة صعودية، والتي بقدر ما تتجاوز قوة الجاذبية، تتغلب عليها، مما يتسبب في تحرك الصاروخ للأعلى. إن الحل الصاروخي للسيارة الطائرة سيتطلب بالطبع كمية هائلة من الوقود (مادة العادم) لتحملها السيارة الطائرة، لذا فإن هذا الحل غير مقبول أيضًا.

ستار تريك

المسافات في الفضاء هائلة. وحتى اليوم (2021)، لم يتمكن البشر إلا من الوصول إلى القمر الطبيعي لكوكبهم (القمر)، وتمكنوا أيضًا من إرسال مركبات آلية إلى كوكب مجاور (المريخ)، وحتى الاقتراب بمساعدة مركبات فضائية غير مأهولة و التقاط صور قريبة للكواكب البعيدة (الزهرة، المشتري، زحل، نبتون). حتى أنهم تمكنوا مؤخرًا من تجاوز حدود النظام الشمسي قليلاً في رحلة استمرت لعقود (مشروع VOYAGER). للسفر مسافات هائلة بسرعة عالية، يتطلب الأمر كميات هائلة من الطاقة المتحركة، وهي غير متوفرة تقنيًا حتى في الصواريخ الأكثر تقدمًا (الطاقة الحركية لأي جسم تساوي نصف كتلته مضروبة في مربع السرعة طالما أنه يتحرك بسرعة عالية). بسرعة أقل بما فيه الكفاية من سرعة الضوء).

وفوق ذلك يحوم الحد الأساسي لسرعة الحركة في الطبيعة، والمعروف باسم حد سرعة الضوء. ووفقا للتفسير المقبول للنظرية النسبية، لا يمكن لأي جسم أو إشارة أن تتجاوز هذه السرعة، وأي جسم له كتلة غير الصفر يحتاج إلى طاقة هائلة للاقتراب من هذه السرعة (فوتون الجسيم الضوئي له كتلة صفر). على سبيل المثال، أقرب نظام شمسي إلى مجموعتنا هو نظام ألفا سنتوري، الذي يبعد عن شمسنا 4.37 سنة ضوئية. هذا يعني أنه وفقًا لمفهوم الفيزياء المعاصرة، في ظل أفضل الظروف، لا يمكننا أن نأمل في رحلة ذهابًا وإيابًا أقل من 4.37 عامًا إلى ألفا سنتوري (وربما أطول من ذلك بكثير). الرحلة ذهابًا وإيابًا هي قصة تستغرق عشر سنوات على الأقل إلى أقرب نظام شمسي. وتبلغ المسافة بين الشمس ومركز المجرة حوالي 100,000 ألف سنة ضوئية، وبالتالي فإن الرحلة إلى مركز المجرة لن تقل عن 100,000 ألف سنة. أي أنه لو كانت هناك إمبراطورية مجرية في مجرة ​​درب التبانة، فسوف يستغرقنا ما لا يقل عن 100,000 ألف عام للوصول إلى نجمها المركزي، وإذا أمكن العثور على مثل هذا النجم بالقرب من مركز المجرة، وهي منطقة معادية. - مشبعة بالإشعاع وفي محيط ثقب أسود ضخم.

الحلول المحاكاة

بطبيعة الحال، لا يعرف كتاب الخيال العلمي وكتاب السيناريو ما هي المبادئ الفيزيائية الكامنة وراء التقنيات التي يقترحونها. إنهم يفترضون أن فهمنا الجسدي في المستقبل سيكون مختلفًا عما هو عليه اليوم. وهذا افتراض معقول تمامًا، إذا نظرنا إلى التغييرات التي حدثت في علم الفيزياء في آخر 500 عام منذ أيام جاليليو جاليلي، وبالطبع على أمل ألا يتغير معدل التطور . والحجة المضادة هي أننا استنفدنا بالفعل الإمكانيات التكنولوجية عندما يتعلق الأمر بحركة المرور، ولا نتوقع حدوث تطورات جذرية في المستقبل؛ على سبيل المثال، طائرات الركاب اليوم ليست أسرع من طائرات الستينيات.

لكن إذا بقينا متفائلين مثل كتاب الخيال العلمي، فمن الممكن أن تتمكن السيارات الطائرة في المستقبل من الطيران بمساعدة "مضادات الجاذبية" - وهو مفهوم غير موجود في الفهم المادي الحالي. كما ستتمكن السفن الفضائية من ابتلاع المسافات الشاسعة من الفضاء عن طريق "طي" الفضاء، وهو ما يختصر المسافات الشاسعة في الفضاء بين النجوم التي يقوم بها ملاحو النقابة في عالم "هوليت". عن طريق "القفزات" التي تقوم بها السفن الفضائية في أفلام "حرب النجوم"، أو بواسطة محرك الالتواء (WARP ENGINE) الذي يشوه الفضاء، ويتيح سرعات أعلى من سرعة الضوء، في سلسلة "ستار تريك" وتتابعاتها . وتتعلق وسائل إضافية باستخدام "الثقب الأسود" و"الثقب الأبيض"، حيث يكون الأول فتحة مدخل والثاني فتحة خروج، والاتصال بينهما يجعل من الممكن تقصير المسافات في الفضاء بشكل كبير. وهكذا، على سبيل المثال، انتقلت المركبة الفضائية VOYAGER في إحدى تكملة سلسلة "Star Trek" إلى الربع الرابع والأبعد من المجرة عن طريق الخطأ، ويتناول الجزء الرئيسي من السلسلة محاولات طاقم المركبة الفضائية المركبة الفضائية للعودة إلى الوطن. وغني عن القول، أنه على الرغم من إثبات وجود الثقوب السوداء بشكل مؤكد، وفقًا للفهم الحالي للفيزياء، لا يمكن لأي مادة (وبالتأكيد ليس البشر) النجاة من دخول الثقب الأسود، وبالمثل، لا يوجد مخرج؛ بالتأكيد ليس هناك اتصال بثقب أبيض على الجانب الآخر من المجرة.

وعلى افتراض أن هناك مجالاً للمضي قدماً، فإن مسألة معدل التقدم المتوقع لا تزال قائمة. كان كاتب سيناريو سلسلة "ستار تريك" (جين رودينبيري) متفائلاً للغاية في الستينيات، عندما تنبأ ببداية السفر بين النجوم (الأنظمة الشمسية) بالفعل في تسعينيات القرن الماضي (القرن العشرين). لقد تصور مثل هذه الرحلات بعد ثلاثين عامًا من حاضره. ومن وجهة نظرنا، ومع نهاية الربع الأول من القرن الحادي والعشرين، فمن الواضح أن مثل هذه الرحلات، إذا حدثت، لا يتوقع حدوثها قبل القرن الثاني والعشرين.

---

[1] البروفيسور آشر ياهولوم هو فيزيائي

إلى الجزء الثاني من المقال

المزيد عن الموضوع على موقع العلوم:

• يقود الطريق السريع المجري النجوم عبر المنطقة المجاورة للنظام الشمسي
• المؤسسة المجرية - العائق الأخير أمام البربرية في المسلسلات ومن سينقذنا في الواقع من العودة إلى العصور الوسطى؟
• سفر التكوين كان فارغا – كيف تم خلق كوننا؟ - الجزء الرابع
• لماذا الخيال العلمي ضروري لبقائنا في المستقبل؟
• ستظل الرحلة بين النجوم خيالًا علميًا