Kdo by občas nezatoužil podívat se do vzdálených světů, k jiným hvězdám a jejich planetám. Sen mnoha vizionářů a spisovatelů sci-fi však není dnes, i přes ohromný pokrok naší civilizace, o mnoho bližší než před 200 roky. Do civilizace, jakou známe ze Star Wars máme ještě hodně daleko. Nevíme ani zda budou někdy mezihvězdné lety v této podobě realizovatelné. Co to je za nesmysl, říkáte si možná, vždyť přece několik kosmických sond letí ke hvězdám již nyní. Ano, letí, ale poletí ještě stovky tisíc až miliony let, dokud ve velké vzdálenosti neminou tu nejbližší a v té době navíc už s nimi dávno nebudeme mít žádný kontakt. Nás však budou zajímat mise realizovatelné v průběhu jediného lidského života, tedy zhruba v horizontu 100 roků. Pohovoříme dnes o tom, jaké možnosti ve splnění těchto odvážných cílů máme a jaké překážky, které nám klade fyzika musíme překonat. Dozvíme se i jaké vedlejší důsledky by cestování prostorem na velké vzdálenosti mělo.

Rychlost světla a její měření

Jaká je rychlost světla? Tuto otázku řešili již antičtí filosofové. Hlavní spor se vedl o to, zda je rychlost šíření světla konečná či nekonečná. Empedoklés argumentoval, že se světlo šíří mezi zemí a oblohou, přičemž toto šíření trvá nějaký čas, rychlost světla tedy musí být konečná. Aristotelés naopak tvrdil, že je světlo opakem tmy vyplývající z určité přítomnosti. A dále prohlašoval, že pokud by rychlost světla měla být konečná, musela by mít velmi velkou velikost, což považoval za těžko uvěřitelné. Později se myslitelé zabývali také teorií, podle níž se světlo vyzařuje z oka. A protože hvězdy vidíme okamžitě po otevření oka, domníval se Héron Alexandrijský, že je rychlost světla nekonečná.

Ve středověku argumentovali ve prospěch konečné rychlosti světla islámští učenci Avicenna a Alhazen, dále potom někteří filosofové v Indii. Nicméně většina myslitelů souhlasila nadále s Aristotelem a to včetně například Keplera nebo Descartese. Francis Bacon, žijící ve stejné době, však připustil, že hodnota rychlosti světla může být prostě jen příliš velká na to, abychom byli schopni ji vnímat.

Právě v tomto období také započaly první vážné experimenty, které se snažily rychlost světla naměřit. Isaac Beeckman ani Galileo Galilei neuspěli, což byl pro Descartese důkaz nekonečné hodnoty rychlosti světla, pro Hooka pouze důkaz její značné velikosti. Nakonec provedl první určení hodnoty rychlosti světla dánský astronom Ole Rømer při pozorování Jupiterova měsíce Io.

Z pozorování bylo možné určit dobu oběhu měsíce kolem Jupiteru (42,5 hodiny). Jak se však vzdálenost Jupiteru a Země měnila, pozoroval Rømer, že měsíc vychází ze stínu obří planety dříve, respektive později. Určil tedy, že na překonání průměru oběžné dráhy Země potřebuje světlo 22 minut. Na základě tehdy určené vzdálenosti Slunce od Země 140 milionů km vypočítal Christiaan Huygens hodnotu rychlosti světla na 220 000 kilometrů za sekundu. Newton rovněž určoval hodnotu rychlosti světla a dospěl k velmi podobnému číslu jako Huygens.

Definitivní důkaz konečnosti rychlosti světla však podal až James Bradley ke konci 20. let 18. století. Neúspěšně se snažil určit paralaxu hvězd a tím i jejich vzdálenost, avšak podařilo se mu pozorovat aberaci, tedy úhlový odklon světla hvězd od původního směru způsobený pohybem pozorovatele (v tomto případě oběhem Země kolem Slunce) i pozorovaného tělesa a konečnou velikostí rychlosti světla. Určená hodnota aberace činila 1/200 stupně, z čehož Bradley odvodil velikost rychlosti světla 298 000 kilometrů za sekundu, tudíž v podstatě číslo velmi blízké reálu.

Změření rychlosti světla na Zemi se podařilo až v polovině 19. století. Francouzský fyzik Hippolyte Fizeau tehdy vysílal parsek světla na zrcadlo vzdálené něco přes 8 kilometrů. Mezi zdroj a zrcadlo ovšem umístil rotující kotouč se zářezy. Pokud se zrychlila či zpomalila rotace disku, došlo k ovlivnění paprsku. Na základě znalosti rychlosti rotace kotouče, počtu zářezů, vzdálenosti zdroje a zrcadla spočítal Fizeau velikost rychlost světla na 313 000 kilometrů za sekundu. Fizeauovu metodu vylepšil další slavný francouzský vědec Leon Foucault, jenž dospěl ke stejné hodnotě jako dříve Bradley – 298 000 kilometrů za sekundu.

Světlonosný éter a Michelsonův-Morleův experiment

Zásluhou anglického experimentálního fyzika Michaela Faradaye bylo známo úzké spojení mezi elektřinou a magnetismem, které byly do té doby pokládány za dvě zcela nezávislé síly. V 60. letech 19. století potom elektřinu a magnetismus definitivně sjednotil skotský fyzik James Clerk Maxwell, jenž rovněž určil, že rychlost šíření elektromagnetických signálů se rovná rychlosti světla. Díky Clerku Maxwellovi bylo tedy jasné, že světlo je jistým druhem elektromagnetických vln. V čem se však šíří? V té době se totiž mělo za to, že každé vlnění se musí šířit v nějakém prostředí. Tehdejší fyzikové proto postulovali tzv. světlonosný éter, záhadnou látku s téměř mystickými vlastnostmi.

Jaký vliv má éter na rychlost světla se snažili změřit Albert A. Michelson a Edward Morley. K tomu využili interferometr, který si sami navrhli. Polopropustným zrcadlem rozdělili světlo do dvou stejně dlouhých ramen interferometru svírajících pravý úhel. Po odrazech na zrcadlech v ramenech interferometru se nakonec oba paprsky znovu sloučí, aby na detektoru vytvořily interferenční obrazec. Pokud by ovšem pohyb Země vůči éteru způsobil změnu rychlosti světla, došlo by ke změně doby nutné pro průchod světla ramenem interferometru a tím i ke změně interferenčního obrazce.

Avšak ať Michelson s Morleyem nastavovali aparaturu jakkoliv, žádnou změnu rychlosti světla nebyli schopni zaznamenat. Ani při dalších pokusech s vylepšeným vybavením se očekávaný efekt nedostavil. Ernst Mach, rakousko-český fyzik, přišel jako první s tvrzením, že výsledek experimentu vyvrací hypotézu éteru. V té době navíc už díky práci Hendrika Lorentze a George Fitzgeralda a jimi navrhované kontrakci délek bylo možné výsledky experimentu vysvětlit. Michelsonův-Morleyho experiment dodnes zůstává patrně nejvýznamnějším pokusem v historii vědy, který nenaměřil kýžený jev a dodnes nám ukazuje význam negativních výsledků.

Speciální teorie relativity

Zda o negativním výsledku pokusů Michelsona a Morleyho věděl Albert Einstein není dosud spolehlivě prokázáno. Ať tak či onak, jisté je, že se v 19. století začaly u Newtonovy fyziky, do té doby neotřesitelné, objevovat první vážnější trhliny. A to zejména kvůli nové Maxwellově teorii elektromagnetismu. Začalo být tudíž jasné, že přinejmenším některé části fyziky potřebují upravit a doplnit.

A právě to Einstein udělal v roce 1905, když publikoval sérii článků, které měly zásadním způsobem změnit náš pohled na fyziku. První a druhý, které se týkaly fotoelektrického jevu a Brownova pohybu můžeme pro tuto chvíli odložit. Zajímají nás třetí a čtvrtý text věnované ekvivalenci hmoty a energie, respektive nové fyzikální teorii – speciální relativitě. Jak jsme už naznačili výše, Einsteinova práce nebyla bleskem z čistého nebe. Lorentz a FitzGerald se věnovali podobné problematice, stejně jako například známý matematik Hermann Minkowski nebo francouzský polyhistor Henri Poincaré.

Byl to však až Einstein, kdo pochopil a plně docenil všechny souvislosti a vybudoval kompletní novou teorii. Speciální se jí říká proto, že se týká inerciálních vztažných soustav, tedy těch s nulovým zrychlením. Inerciální vztažné soustavy jsou proto takové, které jsou buď v klidu anebo se pohybují rovnoměrně přímočaře. Einsteinova teorie stojí na dvou zásadních postulátech, principu relativity a neměnnosti rychlosti světla. První nám říká, že žádným pokusem nelze zjistit zda se těleso nachází v klidu nebo se rovnoměrně přímočaře pohybuje. Druhý potom praví, že rychlost světla ve vakuu (značíme c₀ nebo jen c z latinského celeritas = rychlost nebo constans = konstanta) je ve všech inerciálních vztažných soustavách stejná (299 792 458 m/s).

Častý lidový výklad teorie relativity uvádí, že je všechno relativní. Nicméně speciální relativita nic takového neříká. Je sice pravda, že v této teorii je relativní pohyb, čas, prostor i současnost, avšak jsou zde i absolutní veličiny. Zejména právě zmíněná rychlost světla ve vakuu. Až zase tedy bude někdo tvrdit, že Einstein říká, že je vše relativní, budete již vědět jaká je skutečnost.

Relativistické efekty

Možná jste se již někdy setkali s pojmy jako relativistická hmotnost, kontrakce délek či dilatace času. Jelikož jsou pro pochopení tématu zásadní, zaměříme se na ně teď poněkud podrobněji. Pokud se těleso pohybuje zjistíme, že ve směru pohybu u něj naměříme kratší délku než pokud by bylo stejné těleso v klidu. Toto zkrácení délky je tím výraznější, čím je rychlost objektu vyšší. Při dosažení rychlosti světla se délka objektu zkrátí na nulu. To právě popisuje kontrakce délek.

Také hmotnost není pro všechny pozorovatele stejná, ale závisí na rychlosti pohybu daného objektu. To je velice důležité, neboť to silně omezuje možnosti mezihvězdného cestování. Vezměme si pro příklad kosmickou loď s danou hmotností. Ta v podstatě nebude významně narůstat až do rychlosti cca 80 % c. Jenomže poté již musíme počítat právě s relativistickými efekty a při dalším zrychlování poroste též relativistická hmotnost kosmické lodi. To ale současně znamená, že pro další urychlení musíme dodat více energie a spotřebujeme více paliva. Po dosažení rychlosti světla bychom potom potřebovali nekonečné množství energie a tím i paliva.

Relativistická hmotnost je tedy něco jiného než hmotnost klidová, kterou naměříme v případě tělesa, které je vůči nám v klidu. Klidová hmotnost se běžně uvádí především u elementárních částic. Jestliže tedy ve fyzice hovoříme o hmotnosti, musíme vždy jasně uvést, kterou hmotnost máme na mysli. Relativistická hmotnost se dá vypočítat podle vzorce m = m₀γ, kde m představuje naměřenou (relativistickou) hmotnost, m0 klidovou hmotnost a γ tzv. Lorentzův faktor. Jedná se o bezrozměrnou veličinu vyskytující se v rovnicích speciální relativity určující jak se pro pohybující se objekty mění čas, délka či hmotnost. Pro nízké rychlosti se limitně blíží jedné a je tedy možné jej zanedbat.

Podívejme se ještě na možná nejzajímavější relativistický efekt – dilataci času. Vyskytuje se u speciální i obecné relativity, nás dnes ovšem bude zajímat pouze kinematická dilatace času popsaná speciální relativitou. Na rozdíl od dilatace času v obecné relativitě je kinematická dilatace vzájemná, oba pohybující se pozorovatelé vnímají hodiny toho druhého jako pomalejší. Pokud se tedy vůči pozorovateli pohybují hodiny H‘ určitou rychlostí, potom pozorovatel uvidí, že tyto hodiny jdou pomaleji než hodiny H, které jsou vůči němu v klidu. Nicméně druhý pozorovatel vůči němuž jsou v klidu hodiny H‘ bude naopak pozorovat, že pomaleji jdou hodiny H. Dokud zůstanou obě vztažné soustavy inerciální, budou obě pozorování stejně „správná“.

Možná jste se někdy setkali se známým paradoxem dvojčat. Jedno z dvojčat vykoná mezihvězdný let rychlostí blízko c, zatímco druhé zůstane na Zemi. Čas pro cestující dvojče plyne pomaleji, takže po návratu bude mladší než jeho dvojče. Dalo by se však argumentovat, že z pohledu cestujícího dvojčete by to mělo být naopak. Pohybuje se Země s jeho dvojčetem, po návratu by mělo být naopak mladší jeho dvojče. Výše jsme si však řekli, že to platí pouze pro inerciální vztažné soustavy. Avšak dvojče, které cestovalo vesmírem muselo v průběhu cesty zrychlit na rychlost blízko c a poté zase zpomalit, nešlo tedy o rovnoměrný přímočarý pohyb a tudíž nejsou pozorování obou dvojčat rovnocenná.

Podstatnou roli hraje opět Lorentzův faktor. Pro malé rychlosti a tedy malý Lorentzův faktor není dilatace času příliš významná, byť i tak s ní musíme počítat třeba v navigačních systémech. Ovšem po rychlosti blízké c nabývá dilatace času na důležitosti, přičemž přímo při rychlosti světla se čas zastaví. Pro fotony tudíž čas neplyne a z hlediska jejich vztažné soustavy se z místa A do místa B dostávají okamžitě. Právě dilatace času by mohla mít zábavné důsledky pro mezihvězdné cestování.

Pakliže totiž poletíme rychlostí blízkou c, čas pro nás bude plynout pomaleji než pro další osoby, které by zůstaly na Zemi. Při dostatečně vysoké rychlosti (99,9999999 % c) lze cestovat na obrovské vzdálenosti, dokonce do galaxií vzdálených mnoho miliard světelných let, a to vše v jednotkách let lodního času. Avšak na Zemi by mezitím uplynuly miliony či miliardy roků.

Což zároveň značí, že díky dilataci času můžeme cestovat v čase. Bohužel ale pouze jednosměrně, do budoucnosti. Chceme-li se podívat co se stane za 100, 1000 nebo milion let, můžeme. Alespoň v principu na tom není nic složitého. Naneštěstí o tom pravděpodobně nebudeme moci nikdy říci nikomu z našich přátel, kteří zůstali v minulosti.

Cestování časem do minulosti totiž představuje mnohonásobně větší problém. Při překročení rychlosti světla by čas plynul opačným směrem a tedy překonání rychlosti světla by umožnilo cestovat časem do minulosti. V reálném vesmíru však nelze rychlosti světla ani dosáhnout, natožpak ji překonat. Hypoteticky by tuto obtíž bylo možné obejít díky obecné relativitě a pohybu deformovaným prostoročasem, jako jsou například červí díry, k nimž se ještě vrátíme na konci článku.

Kosmické vzdálenosti

Abychom si ještě více uvědomili obtížnost cestování ke hvězdám, musíme si připomenout, jak obrovské vzdálenosti je třeba ve vesmíru překonat. Prozatím nejdále ze všech osob byli astronauti programu Apollo, zhruba 350 000 – 400 000 km od Země. Tak daleko se totiž nachází náš Měsíc. Pokud byste ve svém autě jeli průměrnou rychlostí 100 km/h a bez zastávek 24 hodin v kuse, překonali byste tuto vzdálenost asi za 166 dní. Díky obří raketě Saturn V to však astronauté zvládli za zlomek tohoto času.

Avšak už jen naše Slunce je od Země vzdáleno asi 150 000 000 km, což je vzdálenost, kterou byste při výše uvedených parametrech cesty ve svém voze ujeli za 171 roků! Střední vzdálenost Slunce a Země určuje veličina nazvaná Astronomická jednotka (AU) – 149 597 870,7 km. Země je tedy od Slunce logicky vzdálena 1 AU, ale například Jupiter 5,2 AU, Neptun 30 AU a Sedna až 915 AU. Nevzdálenější lidmi vyrobený objekt, Voyager 2 se nachází ve vzdálenosti zhruba 141 AU.

V astronomii však běžně používáme ještě další jednotky vzdálenosti, například světelný rok (ly). Tedy pozor! Světelný rok není, jak se mnohdy mylně uvádí, jednotkou času, nýbrž vzdálenosti. Jde o dráhu, již světlo urazí právě za 1 rok. Přesná hodnota je 9 460 730 472 580,8 km. Pro pochopení nesmírné velikosti světelného roku si můžeme říci, že 1 ly se rovná 63 241 AU! Často se používá též jednotka zvaná parsek. Jde o vzdálenost, z níž má 1 astronomická jednotka úhlový rozměr jedné obloukové vteřiny. Velikost parseku je 3,262 ly.

Podíváme-li se do nejbližšího okolí našeho Slunce, zjistíme, že je nejbližší hvězda vzdálena asi 4,24 světelného roku. Proxima Centauri je ovšem součástí trojhvězdného systému společně s Alfa Centauri A a B, které jsou vzdáleny asi 4,36 světelného roku. Do 10 světelných let nalezneme dalších 8 hvězd a tři hnědé trpaslíky, což jsou objekty na pomezí mezi hvězdou a planetou. Mezi 10 a 15 světelnými roky od Slunce se potom nachází další 39 hvězd a 4 hnědí trpaslíci.

I pokud bychom se posunuli v čase dopředu, dojdeme k závěru, že v následujících desítkách tisíc let se ke Slunci žádná hvězda nepřiblíží na více než zhruba 3 světelné roky, tak daleko totiž najdeme Proximu Centauri za nějakých 28 000 let. Výraznější přiblížení nastalo naposledy před zhruba 78 000 roky. Tehdy prolétl červený trpaslík WISE 0720-0846 (Scholzova hvězda) jen asi 0,8 světelného roku od Slunce. Další podobná událost proběhne až za více než milion let, kdy se oranžová hvězda Gliese 710 přiblíží ke Slunci na pouhých 0,16 světelného roku.

Pokud bychom ovšem nechtěli navštívit pouze hvězdu, ale planety s pevným povrchem, je situace ještě horší. Tři planety se sice nachází hned u Proximy Centauri a Barnardovy hvězdy, tedy do 6 světelných let daleko, nicméně další známé terestrické planety už musíme hledat přes 10 světelných let od Slunce. Přičemž nejbližší potenciálně obyvatelná planeta u hvězdy podobné Slunci je Tau Ceti b, ležící v souhvězdí Velryby asi 12 světelných let daleko. A konečně nejbližší známou planetu u hvězdy stejného spektrálního typu jako Slunce bychom museli hledat dokonce ve vzdálenosti 1 800 světelných let.

A to je velký problém. Už jen pro dopravu k Proximě Centauri bychom potřebovali nesmírně dlouhé časové úseky. Pro zajímavost, pokud byste se k ní chtěli dopravit autem, pak by za uvedených předpokladů neustálé jízdy rychlostí 100 km/h trvala vaše cesta téměř 46 milionů let! Přičemž před 50 miliony lety se vyvinuli první kytovci a teprve před zhruba 35 miliony lety začalo vrásnění Himaláje a Karákóramu, nejvyšších velehor našeho věku. Dokonce i sonda Voyager by pro let k Proximě potřebovala téměř 75 000 let.

Jak tedy sami vidíte, jen v našem nejbližším galaktickém okolí musíme při mezihvězdných letech překonat obrovské, pro běžného člověka v podstatě nepředstavitelné, vzdálenosti. Chceme-li se tedy jednou vydat ke hvězdám a vyhnout se nutnosti hibernace či generačních lodí, budeme muset disponovat technologií, která nám umožní cestovat vysokou rychlostí, ideálně alespoň 10 % rychlosti světla. A pochopitelně čím více se k rychlostnímu limitu přiblížíme, tím lépe.

Specifický impuls

Jedním z nejdůležitějších parametrů pohonů kosmických lodí je specifický impuls (I_sp). Tato veličina udává, jak efektivně dokáže motor využívat dané palivo. Motor s vyšším specifickým impulsem využívá pohonnou látku efektivněji, obvykle má však také nižší tah. I_sp se obvykle udává buď v N.s/kg (běžnější v Evropě) nebo v sekundách (běžnější v USA). Se specifickým impulsem velmi úzce souvisí i efektivní výtoková rychlost, která se udává v m/s a je vždy přesně rovna specifickému impulsu v N.s/kg.

Mějme motor se specifickým impulsem řekněme 100 000 N.s/kg. V takovém případě dokáže 1 kg paliva vyvolat tah 100 000 N po dobu jedné sekundy. Současně však dokáže 1 kg paliva vyvolat tah 1 N po dobu 100 000 sekund. Efektivní výtoková rychlost je u takového motoru potom rovna 100 000 m/s. Přejeme-li si udávat specifický impuls v sekundách, musíme vědět, že je tato hodnota 9,81 krát menší než když udáváme I_sp v N.s/kg.

Klasické raketové motory

Chceme-li se dostat z povrchu Země na oběžnou dráhu, klasické raketové motory na chemická paliva nám poslouží velice dobře. Mají totiž velmi vysoký tah, takže jsou schopny dopravit do kosmického prostoru i dosti těžký náklad. Pokud jde tedy o kosmické lety v blízkosti Země, žádný lepší pohon nemáme a minimálně několik dalších desetiletí ani mít nebudeme.

Vysoký tah raketových motorů na chemická paliva je však současně též jejich velkou nevýhodou pokud jde o případné mezihvězdné lety. Specifický impulz těchto pohonů je totiž poměrně malý, ve srovnání se specifickým impulsem potřebným pro dosažení nejbližších hvězd v rozumném čase dokonce nesmírně malý. A to bohužel platí pro všechny typy klasických raketových motorů, dokonce i pro nejúčinnější z nich, tedy kyslíko-vodíkové motory.

U nich totiž specifický impuls dosahuje hodnoty zhruba 4 400 N.s/kg, což není ani tisícina specifického impulsu, který bychom pro skutečné mezihvězdné lety potřebovali. Raketové motory využívající chemická paliva nám tedy nepomohou a musíme se zaměřit na pohony založené na fyzikálním principu. Je jich celá řada, od těch již skutečně reálně fungujících až po vysoce spekulativní. Začněme s těmi, které již z kosmonautické praxe poměrně dobře známe.

Iontové motory

Uplatnění v technice používané pro výzkum vesmíru již našly iontové motory, které ke své práci užívají ionty urychlené na rychlosti řádově až desítek kilometrů za sekundu. Původ tohoto typu pohonů nalezneme již u průkopníků kosmonautiky na počátku 20 století. O využití urychlených elektricky nabitých částic pro pohon raket uvažovali Robert Goddard a Konstantin Ciolkovskij. První skutečný iontový motor vyvinul a otestoval v 60. letech Harold Kaufman.

Dnes existuje celá řada různých typů iontových motorů, o nichž by se dalo dlouze hovořit. Není to však aktuálně naše hlavní téma, proto jen velmi stručně. Základním typem je elektrostatický iontový motor v němž se jako pohonná látka používá obvykle vzácný plyn xenon, přesněji řečeno jeho kladné ionty, tedy atomy s nižším počtem elektronů, než mají odpovídající neutrální atomy téhož prvku.

Ionizace atomů xenonu v motoru probíhá obvykle energetickými elektrony, které jsou produkovány katodou a urychlovány elektrickým polem. Kationty xenonu se pohybují směrem k záporně nabitým anodám ve tvaru mřížek. Tyto mřížky jsou většinou použity dvě nebo tři za sebou a jejich rozdílný elektrický potenciál ještě více urychluje ionty xenonu. Avšak protože záporný náboj samozřejmě nemizí, ale působí na kationty i po opuštění mřížek, je nutné použít tzv. neutralizátor, kde se kationty spojují s atomy za vzniku neutrálních atomů, které pak opouštějí trysku iontového motoru.

Druhým běžným typem iontových pohonů jsou tzv. Hallovy motory. Také v nich se převážně užívají kladné ionty xenonu, které jsou ionizovány elektrony připravenými katodou a urychlenými vířivým magnetickým polem. Tyto ionty jsou opět urychlovány na vysoké rychlosti elektrickým polem generovaným elektronovým plazmatem na výstupní mřížce motoru. Na rozdíl od elektrostatických iontových motorů se u těch Hallových nepoužívá neutralizace kladných iontů při opuštění motoru, ale společně s kladnými ionty se tryskou nechávají odlétat i záporně nabité elektrony.

V této době se pochopitelně objevuje i celá řada dalších typů iontových motorů. Pro nás je však důležitější celkové zhodnocení tohoto typu pohonu. Oproti klasickým raketovým motorům mají iontové motory mnohem nižší tah, ale zato mnohem vyšší specifický impuls. Mohou také pracovat po výrazně delší období než jsou minuty až desítky minut obvyklé u chemických raketových motorů. Hodí se tedy pro delší přelety po Sluneční soustavě, ostatně některé sondy již iontové motory používají. Nicméně pro mezihvězdné lety jsou iontové motory stále silně nedostatečné.

VASIMR

Výhodu vysokého tahu klasických raketových motorů a vysokého specifického impulsu iontových motorů se snaží spojit zvláštní typ reaktivního motoru zvaný Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket (VASIMR). Tento typ pohonu vyvíjí texaská firma Ad Astra Rocket Company, kde působí jako prezident sedminásobný americký astronaut Franklin Chang-Diaz.

VASIMR může využívat jako pracovní látku vodík nebo helium, vhodné kvůli jejich nízké molekulové hmotnosti. Palivo se díky vysokofrekvenčnímu elektromagnetickému poli vyzařovanému cívkou umístěnou kolem komory motoru ionizuje na vysokoteplotní plazma. Dále dochází k ohřevu plazmatu na vysoké teploty několika milionů stupňů. Zahřátému plazmatu se pak magnetickým polem reguluje směr a rychlost výtoku z trysky motoru.

Specifický impuls VASIMRu je zajímavý z hlediska meziplanetárních letů, pro mezihvězdné lety však zdaleka nepostačuje. Navíc má vcelku špatný poměr tahu vůči hmotnosti a vyžaduje s sebou vzít dosti silný zdroj energie, jako například menší jaderný reaktor o výkonu cca 200 MW. Technicky by tak VASIMR mohl významně urychlit cestu na Mars, ze dvou a půl roku snad až na 5 měsíců, avšak reálná aplikace je ještě daleko. Nejprve je nutné vyřešit některé přetrvávající problémy. Použitý reaktor by například produkoval odpadní teplo, které by bylo nutné odvádět velkými radiátory.

Jaderný pulzní pohon

Výše jsme naznačili využití jaderných reaktorů. Co ale další použití jaderných technologií? Štěpnou reakci ovládáme od 40. let minulého století, první reaktor Američané postavili v roce 1942, první atomovou pumu odpálili o necelé tři roky později. Přestože mají jaderné reaktory v kosmonautice jistě své místo, v pokusech o mezihvězdné cesty si našly uplatnění spíše jaderné bomby. Právě na nich totiž stojí jaderný pulzní pohon reprezentovaný především známým projektem Orion.

Klasická jaderná zbraň využívá buď uran (Hirošima), nebo plutonium (Nagasaki). A to platí i pro vodíkové bomby, jejichž exploze jsou obvykle spouštěny výbuchem běžné jaderné zbraně. Jaderných pum existuje celá škála typů. Již po prvních pokusech v polovině 40. let začali někteří vědci přemýšlet o hojnějším využití těchto zbraní. Přitom idea pohonu kosmické lodě explozemi pochází dokonce již z 19. století a nápad využít k pohonu jaderné zbraně poprvé představil sci-fi spisovatel Robert A. Heinlein. Za vědeckou prací, která rozpracovala tuto ideu potom stojí americko-polský vědec Stanislaw Ulam, s prvotními výpočty pomáhal také Frederick Reines, jeden z objevitelů neutrin.

Samotný projekt Orion vymysleli američtí fyzikové Ted Taylor a nedávno zesnulý Freeman Dyson. Jednalo by se o kosmickou loď, která by byla poháněná výbuchy jaderných pum, jejichž zásobu by vezla s sebou na palubě. V průběhu letu by je postupně odhazovala za sebe, tam by bomby vybuchovaly a tím kosmickou loď urychlovaly. Proto by byl vzadu umístěn absorbér, který by lépe vstřebal sílu mohutných jaderných výbuchů a současně sloužil k ochraně posádky.

Ačkoliv mluvím o jednotném projektu Orion, ve skutečnosti mělo existovat mnoho typů různých kosmických lodí, lišících se podle cíle letu. Vzniknout měly varianty pro lety na nízkou oběžnou dráhu, k blízkým i vzdálenějším planetám, jakož i verze pro mezihvězdné lety. Uvažovalo se o Orionu s průměrem 100 metrů a hmotností 400 000 tun, který by za pomoci 300 000 atomových pum mohl dosáhnout až zhruba 3,3 % rychlosti světla, což by znamenalo 133 roků dlouhou cestu ke hvězdě Alfa Centauri. Pozdější výpočty ukázaly, že v případě využití termojaderných pum, disponuje podobná kosmická loď teoreticky potenciálem dosažení až 10 % rychlosti světla a tedy zkrácení doby letu k nejbližší hvězdné soustavě na asi 44 let.

Zní vám to krásně? Je tu ale spousta velkých problémů. Pomineme-li běžné a očekávatelné obtíže s velikostí kosmické lodě, nákladností a náročností její výroby, dostaneme se k podstatně zajímavějším háčkům celého projektu. Tak například se počítalo s tím, že Orion dostanou jaderné výbuchy i na oběžnou dráhu Země, dokonce se hovořilo o desítkách nukleárních explozí potřebných jen k dosažení nízké oběžné dráhy. To bylo představitelné možná v době největšího technooptimismu a nadšení z jaderné energie, dnes je to pochopitelně zcela nepředstavitelné a to už vůbec nemluvíme o zákazu jaderných výbuchů v atmosféře.

Navíc pokud se podíváte na běžnou explozi jaderné pumy, zjistíte, že se energie šíří z epicentra všemi směry. To není zrovna něco, co bychom vyhledávali u mechanismu, který by měl pohánět vysokou rychlostí případnou mezihvězdnou sondu či loď. Právě naopak potřebujeme systém, který by měl pokud možno co nejmenší energetické ztráty. Proto si můžete všimnout, že pozdější verze projektu již mají navrhovaný tvar atomových zbraní dosti neobvyklý. Jaderný výbuch lze totiž do značné míry směrovat, o což se přesně tento design snaží.

Projekt Orion je bezesporu mimořádně zajímavým nápadem, který by navíc patrně reálně mohl, alespoň do určité míry, fungovat. Lze dokonce říci, že představuje jedno z mála mírových využití atomových pum. Pokud by se tedy Orion používal daleko od Země, mohlo by jít o nejlepší možné využití existujícího jaderného arzenálu. Nicméně i tak má projekt sám o sobě spoustu jiných, již naznačených, problémů. Kromě toho, i za ideálních podmínek, dosahují lodě typu Orion rychlosti jen asi desetiny c, což na jednogenerační mezihvězdnou misi stačí jen tak tak.

Termojaderná fúze

Uvažujeme-li o pozemské energetice, lze za jakýsi svatý grál označit zvládnutí termojaderné fúze. Je tomu tak i v kosmických pohonech? V zásadě ano, i zde lze říci, že je termojaderná fúze jedním z nejnadějnějších uvažovaných pohonů, který by se navíc docela hodil i pro mezihvězdné mise, jelikož specifický impuls takové mezihvězdné lodi už by byl dostatečný.

Co to ale vůbec je jaderná fúze? Inu, zatímco v případě jaderného štěpení rozbíjíme jádra těžkých atomů, například uranu nebo plutonia, v případě fúze naopak slučujeme jádra lehkých prvků. Jako palivo tak lze použít třeba lehký vodík či těžší izotopy vodíku deuterium a tritium, oba izotopy helia nebo lithium, beryllium a bor. A jestliže je jaderné štěpení výhodné oproti použití chemických reakcí, jaderná fúze je ještě podstatně energeticky výnosnější, vzhledem k vazebné energii jednotlivých používaných izotopů respektive jejich rozdílu.

Pro pozemní elektrárny se obvykle uvažuje o využití reakce slučující deuterium (²H) a tritium (³H) za vzniku izotopu helia ⁴He a jednoho neutronu. Jenomže neutron je neutrální částice, tudíž ji nemůžeme ovlivňovat magnetickým polem. A co hůře, při reakci vzniklé volné neutrony tvoří ionizující záření, nazývané neutronové záření. Tento typ ionizujícího záření způsobuje silnou degradaci některých materiálů, například může za křehnutí kovů. Negativní vliv má však i na živé organismy, může být dokonce škodlivější než gama záření.

Pro využití v kosmické lodi se proto tato konkrétní reakce tolik nehodí. Naštěstí jsou tu i jiné reakce například deuterium (těžký vodík) ²H a lehký izotop helia ³He dají vzniknout izotopu ⁴He a protonu. Popřípadě můžeme také spojit lehký vodík ¹H s  borem ¹¹B za vzniku tří jader ⁴He. U obou reakcí potěší absence nebezpečného neutronového záření. Při slučování deuteria s lehkým heliem představuje velký klad možnost zisku značného množství energie. Problémem je velká vzácnost izotopu ³He na naší planetě. Reakce vodíku s borem naopak využívá palivo dostupné všude na Zemi v dostatečném množství, jejím problémem je nižší energetická výtěžnost a nutnost vyšší teploty pro její zažehnutí.

Standardně se zkoušejí dva způsoby provedení termojaderné fúze. Můžeme udržet plazma magnetickým polem ve speciálních zařízeních zvaných tokamaky a stelerátory. Tokamak vymysleli v 50. letech sovětští vědci Andrej Sacharov a Igor Tamm na základě dřívější právě jejich kolegy Olega Lavrentěva. Tyto reaktory jsou dnes využívány k pokusům s fúzními reakcemi poměrně běžně. Na světě je spousta tokamaků. Od malých, které se nachází i v Praze (GOLEM a COMPASS) až po velké zahraniční jako jsou evropský JET, japonský JT-60 či korejský KSTAR. Alternativní zařízení zvané stelarátor zkonstruoval poprvé v roce 1951 Američan Lyman Spitzer.

Druhým způsobem je tzv. inerciální fúze, kdy se do prostoru, kde probíhá reakce opakovaně vkládají malé palivové pelety. Ty jsou stlačovány velmi výkonnými lasery, což vede k jejich zahřátí nad kritickou teplotu a de facto malému termojadernému výbuchu. Také s inerciálním udržením se provádí celá řada pokusů, nejvýznamnější má na starosti National Ignition Facility (NIF).

Právě inerciální fúze by se pro vesmírné lety hodila mnohem více než běžnější způsob, kdy provádíme termojadernou reakci v magnetickém poli. V minulosti spatřilo světlo světa několik projektů mezihvězdných letů založených právě na inerciální fúzi. Nejvýznamnějším z nich je bezesporu projekt Daedalus nesoucí jméno bájného stavitele a letce z řecké mytologie. Stojí za ním Britská meziplanetární společnost, konkrétně inženýr Alan Bond.

Mělo se jednat o dvoustupňovou mezihvězdnou sondu, jejímž cílem by byla Barnardova hvězda vzdálená 5,9 světelného roku. Tento červený trpaslík byl vybraný kvůli tehdejšímu přesvědčení, že se u něj nachází systém planet. Zpočátku měl Daedalus dosáhnout rychlosti 7,1 % rychlosti světla, po vyčerpání paliva a oddělení prvního stupně by druhý stupeň pokračoval v cestě rychlostí 12 % c. Let k Barnardově hvězdě byl vypočítán na zhruba 50 roků a sonda měla kolem cílového objektu pouze proletět, nemělo tedy jít o sondu oběžnou, která by případný systém zkoumala dlouhodobě.

Oba stupně dohromady by měly délku asi 190 metrů a celkovou hmotnost včetně paliva asi 53 000 tun. K Barnardově hvězdě by dorazil pouze malý cílový modul o hmotnosti asi 450 tun. Avšak jak víme, projekt Daedalus se nikdy neuskutečnil. Stejně jako jeho mladší sourozenec projekt Icarus, taktéž vypracovaný Britskou meziplanetární společností.

A není divu. Termojadernou fúzi dosud nedokážeme pořádně využívat ani na Zemi, pokud tedy nepočítáme termojaderné neboli vodíkové pumy. Přestože jsme se v posledních desetiletích ve zvládání fúzní reakce výrazně posunuli, k úplnému úspěchu nás čeká ještě dlouhá cesta. Rozumné odhady hovoří o prvních skutečných fúzních elektrárnách na Zemi někdy kolem roku 2100, do té doby můžeme na využití termojaderné energie pro pohon mezihvězdných lodí jen těžko pomýšlet. Nemluvě už vůbec o tom jak náročný úkol, ekonomicky i technologicky, představuje výroba takového kolosu jaký by byla sonda Daedalus.

Bussardův náporový pohon

V roce 1960 se objevil návrh amerického fyzika Roberta Bussarda řešící některé problémy standardních fúzních pohonů. Přestože je totiž mezihvězdný prostor velmi blízký vakuu, nějaké částice se v něm nacházejí. A právě s tím Bussard operoval. Pokud by kosmická loď byla schopna sbírat částice mezihvězdného materiálu, mohla by je využít ve fúzní reakci.

V takovém případě by stačila relativně malá vlastní kosmická loď, jež by nepotřebovala vézt velké zásoby paliva. Musela by ovšem disponovat velkým sběračem pro nasávání částic z mezihvězdného prostoru. Jak se ukazuje, právě to výhody pohonu sráží v podstatě na nulu. Aby byl sběrač aspoň trochu efektivní, musel by mít obří rozměry, nejméně v řádu kilometrů, spíše však stovek až tisíců kilometrů, což by z mezihvězdné lodi opět učinilo megastavbu s mimořádnými náklady.

Kromě toho by sběrač musel ovlivňovat částice magnetickým polem, znovu by proto byla využitelná jen část částic. Novější analýzy ukazují, že ztráty pohonu by přesáhly jeho výkon. Navíc musíme počítat také s dynamickým odporem při letu. Ukazuje se tedy, že Bussardův pohon by reálně s velkou pravděpodobností nefungoval. A to zanedbáváme vliv energetických částic na posádku a techniku.

Fotonové rakety

I s fúzní reakcí jsme tedy schopni se dostat „pouze“ na nějakých 10, v ideálním případě 15 % rychlosti světla. Existuje ale ještě účinnější reakce? Jistě, že ano. Jedná se o reakci hmoty s antihmotou, které se odborně říká anihilace. Při ní se srážejí částice hmoty a antihmoty za vzniku nesmírně energetických gama fotonů. Anihilace dosahuje v ideálním případě účinnosti 100 %, ideální fotonová raketa by proto měla výtokovou rychlost 299 792 458 metrů za sekundu, tedy rovnou rychlosti světla. Stejné hodnoty nabývá rovněž specifický impuls v N.s/kg.

S ideální fotonovou raketou bychom mohli dosáhnout rychlostí dosti blízkých rychlosti světla, někdy se hovoří o 50 %, občas o 80 % a někteří autoři dokonce uvádějí ještě vyšší rychlosti – přes 90 % c.  Ovšem jak všichni víme, ideální modely v reálném světě nefungují a kromě toho má pohon mezihvězdných lodí na antihmotu řadu velkých nevyřešených a zřejmě i nevyřešitelných problémů.

Začněme už u samotné antihmoty. Ta se sice v přírodě vyskytuje, ale ve velmi malém množství. Proč tomu tak je, když by z hlediska zákonů symetrie měly být hmota a antihmota zastoupeny rovnoměrně nikdo neví. Některá z možných řešení jsou nastíněna ve starším článku s vybranými nevyřešenými problémy fyziky. Lidstvo sice umí antihmotu vyrábět uměle na urychlovačích částic, ale v nesmírně malém množství. Tomu také odpovídá odhadovaná cena 62 500 000 000 000 dolarů za jediný gram antihmoty. Je zjevné, že dokud se výroba antihmoty výrazně nezlevní, je pro nás zcela nepoužitelná.

Velké potíže jsou i s uchováváním antihmoty, které rozhodně nefunguje jako svítící tyč z filmu Andělé a démoni Rona Howarda (založeném na románu Dana Browna). Ve skutečnosti se k uchovávání antihmoty používají poměrně složité magnetické pasti, které umí po omezenou dobu udržet nabité částice, tedy pozitron (antičástici elektronu) a antiproton. A to ještě ve velmi omezeném množství, obvykle jedné nebo jen několika málo částic. Kdyby částice antihmoty přišly do kontaktu se stěnami pasti nebo dalším vybavení lodi, došlo by k okamžité anihilaci. Než budeme disponovat pastmi schopnými udržet větší množství antihmoty po delší dobu, patrně si ještě velmi dlouho počkáme.

A velmi náročné by bylo také připravit funkční fotonovou raketu. Při anihilaci hmoty a antihmoty pochopitelně nevyletují vzniklé gama fotony jen jedním směrem. Abychom mohli tímto způsobem pohánět raketu, musíme je zrcadlem odrazit správným směrem. Jenže jak už víme, tyto fotony jsou velmi energetické. Což má některé velmi zábavné důsledky.

Za prvé, odražením fotonů zrcadlem bychom mohli vypařit či alespoň dosti poškodit objekt z nějž chceme odletět (hvězdu či planetu) nebo objekty na oběžné dráze. Za druhé, ve skutečnosti neexistuje zrcadlo z žádného známého materiálu, které by bylo schopné takto energetické částice zastavit a odrazit správným směrem. Vzniklé fotony proto rozhodně fotonovou raketu nikam neurychlí, zato spolehlivě odpaří celou kosmickou loď včetně nákladu a posádky.

Existují představy o tom, že by bylo možné gama fotony z reakce hmoty s antihmotou přeměnit na fotony méně energetického typu elektromagnetického záření. A hypoteticky by to skutečně šlo. Jenže v takovém případě se bohužel specifický impuls sníží zhruba na úroveň iontových motorů. Loď s takovým pohonem by tak sice byla vhodná pro meziplanetární lety, nicméně pro lety ke hvězdám by nepostačovala.

Další antihmotové pohony

Jedním ze zajímavých typů motorů pro mezihvězdné mise je plazmový anihilační pohon, který je jakousi obdobou výše zmíněné technologie VASIMR. Pracovní látkou je zde opět vysokoteplotní plazma. Toto plazma prochází motorem a je do něj vstřikována antihmota, která zajišťuje vyšší teplotu a energii plazmatu použitého pro správnou funkci kosmické lodě.

Vypočítaný specifický impuls je velmi pěkný, dosahuje hodnot 7 000 000 N.s/kg nebo i vyšších. Z fyzikálního hlediska nepředstavuje funkčnost systému zásadní problém. Avšak vyskytuje se nám zde tradiční problém. A tím je výroba a skladování antihmoty. Pravda, nepotřebujeme jí tady tak obrovské množství jako u fotonové rakety, nicméně ani tak jí neumíme vyrobit dostatek.

Ještě vyššího specifického impulsu hypoteticky dosahuje tzv. anihilační pulzní π pohon. Pracovní látkou jsou zde jádra vodíku a antivodíku, tedy vlastně protony a antiprotony. Zatímco vodík je umístěn v běžné nádrži, antivodík je opět uchováván v magnetickém poli. V motoru se potom nechávají protony a antiprotony srážet, čímž vznikají částice zvané piony, neboli π mezony (mezon je částice tvořená kvarkem a antikvarkem, základními stavebními kameny hmoty).

U pionů rozlišujeme tři typy, neutrální, kladně nabité a záporně nabité. Neutrální pochopitelně nemůžeme magnetickým polem ovlivnit, bez dalšího využití nám proto odletí pryč. Kladné a záporné piony však magneticky usměrnit můžeme, právě ty tedy zajišťují let kosmické lodě. Zajímavostí je, že piony ve skutečnosti žijí tak krátce, že jen tak tak stihnou opustit trysku motoru, než se rozpadnou na další částice, především elektrony a pozitrony. Možný specifický impuls je krásný, mluvíme zde o třetině maximální možné hodnoty, až cca 100 000 000 N.s/kg. Bohužel i zde je problémem antihmota, které by tento motor navíc spotřebovával poměrně značné množství.

Sluneční plachetnice

Jestliže nemůžeme rozumně využít antihmotu, co takhle využít světlo? To je totiž jednou z forem elektromagnetického záření, které se pohybuje pochopitelně rychlostí světla. Má tedy specifický impuls 299 792 458 N.s/kg, de facto absolutní specifický impuls, vyššího nelze dosáhnout.

A právě světlo využívají ke svému pohonu solární plachetnice. Ty jsou vybaveny velkou odraznou plochou na niž dopadá světlo ze Slunce, případně jiného zdroje elektromagnetického záření, což plachetnici pohání. A podobně jako vítr působí na loď s plachtami na moři, také zde dochází k urychlování plachetnice ve směru od zdroje, tedy například od Slunce. Měnit zrychlení a směr letu lze potom nakláněním plachty kosmické lodi.

Tlak světla je však dosti malý, proto musíme na nějakou rozumně vysokou rychlost obvykle zrychlovat poměrně dlouhou dobu a navíc potřebujeme co největší plachtu, ideálně velkou stovky metrů až kilometry. Solární plachetnice pochopitelně nemůže startovat přímo z povrchu Země a hodí se spíše pro lehčí náklady.

První pokus o vypuštění sluneční plachetnice proběhl roku 2005, tehdy však mise Cosmos-1 nedosáhla vlivem selhání nosné rakety oběžnou dráhu kolem Země. První úspěšnou solární plachetnicí se tak stala o pět let později japonská IKAROS. Další dva úspěšné testy se uskutečnily v letech 2015 a 2018, tehdy se mise LightSail 2 stala první solární plachetnicí na oběžné dráze Země.

Mohla by se však sluneční plachetnice vydat na cestu mimo Sluneční soustavu? Řekli jsme si, že pro pohon potřebuje záření ze Slunce. Současně ale víme, že jeho intenzita klesá se druhou mocninou vzdálenosti. Tedy pokud jsme v bodě B od Slunce třikrát dále než v bodě A, pak je tlak záření ze Slunce působícího na plachtu  v bodu B devětkrát menší oproti bodu A.

Přesto se však objevily nápady jak toto omezení obejít. Někteří odborníci kupříkladu navrhli, že by se solární plachetnice mohla nejprve vydat přímo ke Slunci, kolem nějž by ve velmi těsné vzdálenosti proletěla. To by ji urychlilo na dosti vysokou rychlost. Jenomže ani to by na cestu k nejbližším hvězdám nestačilo a kromě toho by plachetnice většinu cesty absolvovala fakticky bez pohonu, jelikož tlak slunečních fotonů je ve větších vzdálenostech efektivně limitně blízký nule.

Laserové a mikrovlnné plachetnice

Další možností by bylo na plachetnici svítit laserem nebo vysílačem mikrovlnného záření, které by byly zaměřeny přesně na mezihvězdnou sondu, aby se minimalizovaly ztráty. V takovém případě bychom potřebovali extrémně energetický laser a velkou čočku, která by záření koncentrovala a zaměřovala směrem k plachetnici.

Ovšem i zde se vyskytuje celá řada obtíží. Tak například, laser potřebný k urychlování takové mezihvězdné sondy by musel disponovat skutečně obřím výkonem v řádu desítek petawattů (10¹⁵ W). Takto silný laser by pochopitelně představoval velkou výzvu z hlediska výroby, ale i zajištění potřebné energie pro jeho provoz. Kromě toho, rozměry plachetnice a čočky by rovněž musely být gigantické, v řádu stovek až tisíců kilometrů. Znovu se tedy pohybujeme v říši megastaveb. Snad jednou by konstrukce takových struktur mohla být uskutečnitelná, v tuto chvíli si to ale umíme jen těžko představit.

Mikrovlnná sonda je o něco málo realističtější, avšak i ona by byla na konstrukci nesmírně obtížná. Sonda samotná by mohla být velká „jen“ v řádu jednotek kilometrů, jelikož nemá tvar zrcadla, kde je vyplněna celá plocha, nýbrž sítě, v jejíchž uzlech jsou instalovány čipy. Síť tedy plní úlohy sondy, antény pro přenos dat atd… Navíc se zmíněná síť dokáže vyrovnat i se svým poškozením tím, že se propojí kolem poškozených či zničených uzlů. Další schopností sítě je její deformace, čímž je možno řídit směr letu sondy. Nicméně nadšení musíme zase rychle zchladit. Potřebná čočka totiž musí mít zhruba 50 000 kilometrů v průměru a pro urychlení potřebujeme zdroj mikrovlnného záření o výkonu cca 55 GW (pro srovnání výkon jaderné elektrárny Temelín je asi 2,2 GW). Mikrovnná plachetnice je tedy ještě poměrně realistická, přesto si na ni budeme muset určitě několik desítek let počkat.

Alcubierrův (Warpový) pohon

Na závěr dnešního příspěvku si pojďme ještě trochu zaspekulovat. Řekli jsme si, že rychlost světla představuje nepřekročitelný limit. Toto tvrzení je stále pravdivé. Nicméně fyzikové již navrhli několik způsobů jak tento limit obejít, to vše v souladu se speciální i obecnou relativitou.

První možností je pohon, jenž získal označení warpový, podle typu pohonu používaného ve slavném seriálu Star Trek (zde jej vymyslel a úspěšně otestoval Zefram Cochrane v roce 2063). Princip je dosti jednoduchý. Jak kosmická loď letí vesmírem, stlačuje před sebou prostoročas a za sebou prostoročas naopak natahuje.

Jak přesně by to fungovalo? Kolem kosmické lodi by bylo nutné vytvořit prstenec tvořený exotickou hmotou, který by deformoval okolní prostoročas. Samotná kosmická loď by ale zůstala v běžném nezborceném prostoročase. Mohla by se tudíž na jakési warpové vlně pohybovat snad až desetinásobkem rychlosti světla, aniž by byly porušeny zákony obecné relativity. A nepůsobila by zde ani dilatace času. Bylo by ale něco takového možné i v reálném světě, nejen v seriálu?

Kupodivu se ukazuje, že za jistých podmínek hypoteticky ano. Fyzikální popis podal v roce 1994 mexický fyzik Miguel Alcubierre Moya. Avšak manipulace s prostoročasem vyžaduje obrovské množství energie, mnohem vyšší než naše civilizace ovládá. V některých modelech dokonce vyšší než veškerá energie ve vesmíru. Navíc by warpový pohon zřejmě vyžadoval hmotu s negativní energií. Zda taková hmota existuje a jak ji případně připravit netušíme. Nedávno se sice objevily články několika skupin výzkumníků uvažujících o obejití podmínky hmoty s negativní energii, použitím tzv. solitonů (zvláštní formy vlnění) ale i tak bychom potřebovali gigantické množství běžné energie.

Předpokládejme na chvíli, že jsme vyřešili energetické problémy. Čekají nás při snaze sestrojit warpový pohon další těžkosti? Naneštěstí ano. Ukazuje se například, že by si cestující loď patrně nemohla sama upravovat prostoročas, ale musela by letět po již předem připravené cestě. Čímž výhoda warpového pohonu mizí. Loď samotná by sice mohla letět velmi rychle, ale trasu by předem muselo připravit množství jiných lodí, strojů či osob. Což by bylo opět velmi náročné a drahé. A především, příprava cesty by vždy trvala výrazně déle než samotný let.

S tím souvisí námitka některých fyziků, že už jen samotné warpové pole by po zamýšlené dráze muselo být umístěno nadsvětelnou rychlostí. Pro sestrojení Alcubierrova pohonu bychom tedy potřebovali funkční Alcubierrův pohon, čímž se jaksi dostáváme do neřešitelné situace.

I pokud by se nám však podařilo pohon sestrojit a vydat se na cestu, vyhráno bychom neměli. Jak dokazuje výzkum z roku 2002, posádka nemůže ovládat ve warpové bublině svou kosmickou loď, neboť není možné do přední části bubliny vysílat signály. Extrémní teploty způsobené Bekensteinovým–Hawkingovým zářením by při nadsvětelné rychlosti také zničily cokoliv uvnitř warpové bubliny, kterou by navíc učinily velmi nestabilní. Při podsvětelných rychlostech se sice tento konkrétní problém nevyskytne, stále by však byla třeba exotická hmota s negativní energií. Při zpomalování z nadsvětelné rychlosti by navíc nashromážděné částice v přední části bubliny patrně zničily cokoliv co by jim stálo v cestě, tedy i zamýšlený cíl mise.

Ukazuje se rovněž, že warpová bublina potřebná po mezihvězdné mise by musela mít extrémně tenké stěny. A to zhruba jen 10^-32 metru, což je velmi blízko Planckově délce 10^-35 metru. Vybudovat bublinu s takovými stěnami s našimi současnými možnostmi zcela nereálné. I warpový pohon má tedy celou řadu vážných překážek. Zda je někdy dovedeme vyřešit nevíme, avšak v nejbližší době to téměř jistě nebude.

Červí díry

Druhým způsoben jak obejít rychlostní relativistický limit jsou, dnes velmi populární, červí díry. Myšlenka červích děr pochází již ze 30. let, kdy Albert Einstein a Nathan Rosen navrhli takzvané Einsteinovy-Rosenovy mosty. Samotný název červí díra pochází z roku 1957 od Johna A. Wheelera. Větší oblibu u veřejnosti pak koncept získal díky románu Carla Sagana Kontakt, který byl následně i zfilmován Robertem Zemeckisem s Jodie Foster v hlavní roli. Pro Saganův román provedl fyzikální výpočty slavný relativista a držitel Nobelovy ceny za přímý objev gravitačních vln Kip Thorne, jenž později pracoval i na známém filmu Christophera Nolana Interstellar.

Červí díra je jakousi zkratkou, která nám umožní dostat se z bodu A do bodu B rychleji, než by odpovídalo běžné cestě prostoročasem. Představme si například, že jsou takto spojeny dva velmi vzdálené body v našem vesmíru. Prostoročasem by nám let zabral velmi dlouho. Ale červí díra, která tyto body spojuje není součástí běžného prostoročasu, nýbrž zkratka, proto může být trvání cesty výrazně kratší. To vše v souladu s rovnicemi obecné relativity. Snadno si to lze představit třeba u červa a jablka. Po povrchu jablka (běžný prostoročas) by červ lezl dlouhou dráhu, když se ale prokouše skrze jablko (červí dírou), může si cestu významně zkrátit.

Představa je to krásná. Mít možnost doletět ke vzdáleným hvězdám ve velmi krátkém čase. Jenomže bohužel nikdo neví, zda červí díry ve vesmíru skutečně existují. Dříve se zdálo, že by se daly za použití velkého množství energie vyrobit uměle. Dnes už lze naneštěstí dokázat, že podle obecné relativity nemůžeme nikdy takovouto červí díru žádným fyzikálním postupem stvořit.

Řekli jsme si ale, že červí díry jsou v souladu s obecnou relativitou. Není v tom rozpor? Nikoliv. Dle obecné relativity červí díry mohou existovat, ale nemohou nově vznikat. Pokud by taková červí díra existovala od počátku vesmíru, kde by vznikla v divokém horkém začátku, dala by se využít a to ve shodě s obecnou relativitou. Ale připravit ji dnes uměle nelze, tedy podle Einsteinovy teorie.

Možná, že by nám mohla pomoci kvantová teorie gravitace (ať už jakákoliv z navrhovaných možností, či nějaká zcela jiná). Pak by mohlo být možné červí díru vytáhnout z kvantové pěny těch nejmenších Planckovských rozměrů. Přestože by pak červí díra vznikla jako miniaturní kvantová fluktuace, snad by ji hypoteticky šlo zvětšit na rozumné rozměry a dále s ní pracovat. Ale to vše jsou zatím jen obyčejné spekulace. Kvantovou gravitaci totiž nemáme a nějakou dobu ještě ani mít nebudeme.

Navíc je tu další velká potíž s časem. Pokud by totiž už červí díra existovala a my bychom s ní dokázali manipulovat, dnešní fyzika dokáže snadno popsat mechanismy, jimiž by šlo z červí díry vytvořit stroj času. Taková červí díra nespojuje jen místa v prostoru, ale i v čase. Potom tedy můžete červí dírou projít do minulosti či budoucnosti. A to je právě ten problém.

S cestováním časem do minulosti se spojuje celá řada filosofických paradoxů z nichž nejznámější je tzv. paradox dědečka (někdy též babičky, matky, otce – zkrátka podle toho jaký máte vztah se svým příbuzenstvem). Představme si, že odcestujete časem do minulosti, kde zabijete (třeba omylem) svého dědečka předtím, než poznal vaši babičku. V tom případě se ovšem nenarodíte a neměli byste cestovat časem.

Existují však i právní otázky a dilemata. Předpokládejme hypotetickou situaci, kdy spácháte vraždu a poté se odcestujete ukrýt do minulosti. Máte být souzeni za zločin, který jste ale vlastně ještě nespáchali? Nebo řekněme, že se podíváte do minulosti, kde se zamilujete do nějaké ženy a vezmete si ji za manželku. Měli byste být souzeni za bigamii, přestože se vaše manželka z budoucnosti ještě ani nenarodila?

Stroje času pak rovněž umožňují vytvoření něčeho z ničeho. Dejme tomu, že Leonardo da Vinci vyrobí stroj času. V něm najde namalovaný obraz Mona Lisy a uvědomí si, že mu jej poslalo jeho starší já. Nějakou dobu obraz uchovává a pak jej pošle zpět do minulosti. Kdo tedy obraz namaloval? Nikdo! Mladší Leonardo obraz získal ze stroje času, několik let vlastnil a poté poslal do minulosti. Zcela zjevně tedy obraz nemá autora a něco nám vzniklo z ničeho!

Jaké je řešení těchto paradoxů? A lze vůbec do minulosti cestovat? Fyzikové již navrhli mnoho různých řešení. Některá spoléhají na kvantovou mnohosvětovost a rozdělení vesmírů při nějaké sporné situaci, jiné možnosti operují s tím, že sice do minulosti cestovat lze, ale jakékoliv pokusy o její změnu by selhaly. Mohli byste tedy minulost pozorovat, avšak nikoliv měnit.

A co červí díry? Inu, u černých děr existuje hypotéza kosmické cenzury, postulující nemožnost existence singularit, které by nebyly obklopeny černou dírou. Analogicky u červích děr existuje hypotéza kauzální cenzury, která nám zase říká, že při jakémkoliv pokusu o využití tohoto způsobu cestování časem by došlo ke zhroucení dané červí díry. Jestli to tak ale skutečně je nevíme. Abychom k tomu mohli říci něco bližšího, opět bychom potřebovali znát detaily o kvantové gravitaci.

Nicméně i tak se zdá, že třeba jen průlet červí dírou při cestování prostorem, bez ambice cesty časem, by byl velmi riskantní podnik. Podle některých modelů totiž u červích děr funguje nějaká forma zpětnovazebné reakce, která by červí díru uzavřela předtím než by jí stihla proletět jakákoliv kosmická loď. Ta by pak, společně se svou posádkou či nákladem, byla zničena společně se zborcenou červí dírou. Podobně by se mohlo stát, že by se červí díra v průběhu průletu neustále natahovala a to vyšší rychlostí, než by byla kosmická loď schopna vyvinout. I taková červí díra by byla neprůchozí.

A to vše platí za velmi optimistického předpokladu, že bychom dokázali existující červí díru najít, zvětšit do přijatelných rozměrů a udržet otevřenou pomocí exotické hmoty. Což není nikterak samozřejmé, právě naopak, fyzikálně to představuje nesmírně obtížně řešitelný problém.

I když se zdá, že některé kvantové systémy připouštějí existenci potřebných exotických forem hmoty, výpočty ukazují, že množství takové hmoty nutné k manipulaci s červí dírou by muselo být v řádu hmotnosti průměrné galaxie. Představa cest červí dírou je tedy dosti nerealistická. Nelze rozumně očekávat ovládnutí potřebných technologií pro manipulaci s takovými energiemi a hmotami (ani běžnými, natožpak exotickými) v nejbližších staletích ani tisíciletích.

Závěr

Příznivce mezihvězdného cestování bohužel příliš nepotěším. Jistě, sondy Voyyger, Pioneer a New Horizons dříve či později k nějaké hvězdě doletí, ale na rychlejší cesty alespoň k blízkým hvězdám si budeme muset ještě počkat. Pokud jde o nepilotované kosmické sondy, pak se domnívám, že v období následujících 50 – 100 let možná nějakou takovou misi vyslat dokážeme. Avšak my se dožijeme v nejlepším případě jejího startu, ale téměř určitě ne výsledků mise, pokud tedy nějaká revoluce v lékařství výrazně neprodlouží délku lidského života.

Doporučená literatura

• Karel Pacner: Kosmická budoucnost lidstva (dvoudílná série) – 1. díl Města v kosmu (Mladá fronta, 1986), 2. díl Polidštěná galaxie (Mladá fronta, 1987) – pro ty, kteří preferují poněkud optimističtější pohled na věc
• Michio Kaku: Physics of the Impossible: A Scientific Exploration Into the World of Phasers, Force Fields, Teleportation, and Time Travel (2008) – česky jako Fyzika nemožného (Argo a Dokořán, 2010)
• Michio Kaku: Physics of the Future: How Science Will Shape Human Destiny and Our Daily Lives by the Year 2100 – česky jako Fyzika budoucnosti (Argo a Dokořán, 2011) – obě publikace rovněž optimisticky laděny
• J. Richard Gott: Time Travel in Einstein’s Universe: The Physical Possibilities of Travel Through Time (2001) – česky jako Cestování časem v Einsteinově vesmíru (Argo a Dokořán, 2002) – zaměřená na cestování časem, které jsme tu projeli jen letmo
• Kip S. Thorne: Black Holes and Time Warps (1994) – česky jako Černé díry a zborcený čas (Mladá fronta, 2004)
• Lawrence M. Krauss: The Physics of Star Trek (1995) – česky jako Star Trek a věda (MatfyzPress, 2018)
• Mark Brake a Jon Chase: The Science of Star Wars – The Scientific Facts behind the Force, Space Travel and More! (2016) – česky jako Star Wars a věda (MatfyzPress, 2017)

Použité a doporučené zdroje

• Britská meziplanetární společnost: https://www.bis-space.com/
• BISBOS Aerospace Ilustrations: http://www.bisbos.com/index.html
• The Planetary Society: https://www.planetary.org/
• Breakthrough Starshot: https://breakthroughinitiatives.org/initiative/3
• Interstellar Wiki: https://interstellarfilm.fandom.com/wiki/Interstellar_Wiki
• Centauri Dreams: https://www.centauri-dreams.org/
• BUSEK Space Propulsion and Systems: https://www.busek.com/

Zdroje obrázků

• https://www.giantfreakinrobot.com/wp-content/uploads/2022/06/millennium-falcon-main-tlj-a_7cf89d3a-900×506.jpg
• https://img.myloview.cz/fototapety/vintage-irak-bankovka-s-alhazen-ibn-al-haytham-portret-400-121712892.jpg
• https://physics.uwb.edu.pl/main/ptf/fizyka2000/waves_particles/images/lanternanim.gif
• https://www.daviddarling.info/images/speed_of_light_Romer.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/7/78/Speed_of_Light_%28Fizeau%29.svg/450px-Speed_of_Light_%28Fizeau%29.svg.png?20151111163558
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/fc/AetherWind.svg/1024px-AetherWind.svg.png
• https://www.researchgate.net/profile/Matthew-Cook-22/publication/269165706/figure/fig1/AS:670013669249040@1536755115391/The-setup-of-the-Michelson—Morley-Experiment.png
• https://upload.wikimedia.org/wikibooks/de/2/21/Einstein_891-1.PNG
• https://pbs.twimg.com/media/DoIwf8LUYAAmfNJ.jpg
• https://www.askamathematician.com/wp-content/uploads/2011/01/tallball.jpg
• https://galileo.phys.virginia.edu/classes/252/energy_p_reln_files/image004.gif
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/00/Lorentz_factor.svg/800px-Lorentz_factor.svg.png
• https://www.symmetrymagazine.org/sites/default/files/styles/2015_hero/public/images/standard/twins-s.jpg?itok=NgFT1rU6
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/36/Orbit_times.svg/800px-Orbit_times.svg.png
• https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/sBXa2F4cZbKgj2t4gmXf43-1200-80.jpg
• https://nssdc.gsfc.nasa.gov/imgcat/hires/a11_h_44_6642.gif
• https://earthsky.org/upl/2016/07/light-year-scale-Bob-King.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d3/12lightyears.gif
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/ad/NearSunStarsSimple.jpg/1024px-NearSunStarsSimple.jpg
• https://i.redd.it/1fpswxo6poy11.png
• https://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S0964274901800962-gr5.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/4d/RS-68_rocket_engine_test.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/9e/Ion_Engine_Test_Firing_-_GPN-2000-000482.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/f2/Electrostatic_ion_thruster-en.svg/1200px-Electrostatic_ion_thruster-en.svg.png
• https://images.squarespace-cdn.com/content/v1/60df2bfb6db9752ed1d79d44/1628258557414-KY7CICIM1BYKYTUF330J/Propellant_Options_Busek.png
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/61/GATEWAY_%28Moon_Space_Station%29.png
• https://lifeboat.com/blog.images/nasas-new-vasimr-plasma-engine-could-reach-mars-in-39-days.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/7/7b/Multi-megawatt_VASIMR_spacecraft.jpg
• https://www.lanl.gov/discover/publications/national-security-science/2020-summer/assets/images/trinity-feature/TR-288-header.jpeg
• https://evolutionnews.org/wp-content/uploads/2020/03/Freeman_dyson.jpg
• https://miro.medium.com/max/1400/0*IgLCGwubyLinrf0i.jpg
• https://i.ytimg.com/vi/bIMrn9BE_bU/maxresdefault.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/c/ce/Orion_pulse_unit.png
• https://live.staticflickr.com/7003/6476282811_ae13a8e8a0_b.jpg
• https://nuclear-power.com/wp-content/uploads/2014/11/nuclear_fusion.jpg
• https://64.media.tumblr.com/4941ecee46002cfc11636a8f068c53ce/856c52ff6c897f06-62/s1280x1920/6061e9426d63c586f3260a611fdfe618533c2f1b.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/1/17/Inertial_confinement_fusion.svg/1920px-Inertial_confinement_fusion.svg.png
• https://www.daviddarling.info/images2/Daedalus_Saturn_V_comparison.jpg
• https://cdn.theatlantic.com/media/mt/science/icarus2.jpg
• https://miro.medium.com/max/640/1*kdrzhrqBXHNPe5tYNcXWsQ.jpeg
• http://www.projectrho.com/public_html/rocket/images/fusionfuel/practprot01.jpg
• https://study.com/cimages/multimages/16/positron_annihilation1088942426900196011.png
• https://scienceinpoland.pap.pl/sites/default/files/styles/strona_glowna_slider_750x420/public/201904/32857019_30988745.jpg?itok=kaH8zEqz
• https://scitechdaily.com/images/Penning-Trap-System.jpg
• https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/3/35/Antimatter_Rocket.jpg
• https://pbs.twimg.com/media/DkkprZaXoAAOsF3.jpg
• http://www.projectrho.com/public_html/rocket/images/enginelist/antimatterPlasma02.jpg
• http://www.projectrho.com/public_html/rocket/images/enginelist/antimatterBeam02.jpg
• https://thesciencegeek01.files.wordpress.com/2021/01/solar-sails-principle.png
• https://i.ytimg.com/vi/BVoc5jNxTQ0/maxresdefault.jpg
• https://www.researchgate.net/profile/Richard-Mewaldt/publication/228598303/figure/fig4/AS:667656097124361@1536193026590/Interstellar-Probe-trajectory-using-a-solar-sail-to-reach-a-final-velocity-of-15-AU-year_Q320.jpg
• https://qph.cf2.quoracdn.net/main-qimg-0dad99ff6ba08d5d47574d136e07988c-lq
• https://ids.si.edu/ids/deliveryService?id=NASM-A19740668000-NASM2016-02355-000005&max=900
• https://sandbox.getindico.io/event/1218/contributions/907/attachments/266/377/MiguelAlcubierre.jpg
• http://brainstormingbox.org/wp-content/uploads/2020/05/Wrap-Drive-Working-Model.jpg
• https://www.researchgate.net/profile/Eric-Davis-16/publication/235107865/figure/fig29/AS:299795169202177@1448488146181/The-Alcubierre-Warp-Drive.png
• https://interactive.wired.com/www-wired-com__2014__11__metaphysics-of-interstellar/5d_kipthorne4_f.jpg
• https://ychef.files.bbci.co.uk/976×549/p01w6t4n.jpg
• https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/ymfrWHb64tjhKryuaVm3tX.jpg
• https://physics.aps.org/assets/438ff906-e63e-4195-be9b-8da99b0d78d0/e105_1.png
• https://www.astronomytrek.com/wp-content/uploads/2014/12/grandfather-paradox-300×230.jpg
• http://pm1.narvii.com/6302/f5bb2a84889d37e05008f92db6cc7a97895e61aa_00.jpg
• https://interactive.wired.com/www-wired-com__2014__11__metaphysics-of-interstellar/wormhole.jpg
• https://steamuserimages-a.akamaihd.net/ugc/449618280683223684/5A3679A287DB3B8A0069AED9DFD338ED38D729CA/?imw=5000&imh=5000&ima=fit&impolicy=Letterbox&imcolor=%23000000&letterbox=false