انیمیشن‌های ناسا سرعت پایین حرکت نور را نشان می‌دهند

نور سریع‌تر از تمام اجسام مادی در فضا سفر می‌کند و می‌تواند با سرعتی بیشتر از هر چیز دیگری در دنیا به این‌سو و آن‌سو برود. این البته،‌ به استثنای پل‌های میانبر تئوری در بافت فضا به‌نام کرم‌چاله‌ها است که قادر به شکستن ساختار و بعد فضا و زمان هستند.

در یک فضای کاملا خالی، ذره‌ای از نور که فوتون نامیده می‌شود، می‌تواند با سرعت ۲۹۹٬۷۹۲ کیلومتر بر ثانیه حرکت کند. این سرعت فوق‌العاده بالایی محسوب می‌شود؛ بااین‌حال، اگر در تلاش برای برقراری ارتباط یا رسیدن به دیگر سیارات، به‌خصوص هر جهان دیگری خارج ازمنظومه‌ی شمسی باشید، سرعت نور می‌تواند به‌طرز ناامید‌کننده‌ای آهسته به‌نظر برسد.

برای به‌تصویر کشیدن سرعت نور به‌شیوه‌ای که هرکس بتواند آن را درک کند، جیمز اوداناهیو، دانشمند علوم سیاره‌ای در مرکز پروازهای فضایی گادرد ناسا، تلاش کرد تا این کار را به‌صورت انیمیشینی نمایش دهد.

اوداناهیو می‌گوید تنها به‌تازگی نحوه‌ی خلق این انیمیشن‌ها را فراگرفته است. نخستین کار او، ساخت انیمیشنی درباره‌ی محو حلقه‌های زحل برای یک بیانیه‌ی خبری ناسا بود. پس از آن، وی به انیمیشن‌سازی دیگر مفاهیم پیچیده‌ی فضایی‌ روی آورد؛‌ از جمله ویدئویی که سرعت چرخش و اندازه‌ی سیارات را به‌تصویر می‌کشد. به‌گفته‌ی اوداناهیو،‌ پس از انتشار این انیمیشن در توییتر، میلیون‌ها نفر آن را تماشا کردند.

جدیدترین تلاش اوداناهیو برای ساده‌سازی مفاهیم فضایی، حرکت نور و سرعت آن را در سه سناریو مختلف نشان می‌دهد تا تماشاگران به‌صورت بصری دریابند که فوتون‌ها چه تا حد عذاب‌آوری می‌توانند آهسته حرکت کنند.

سرعت حرکت نور در سفر به دور زمین

نخستین انیمیشن ساخت اوداناهیو،‌ سرعت حرکت نور را در چرخش به دور زمین نشان می‌دهد. محیط استوایی زمین، تقریبا ۴۰٬۰۷۴ کیلومتر است. اگر جهان ما هیچ جوی نداشت (هوا نور را بازتاب می‌دهد و سرعت آن را نیز قدری کاهش می‌دهد)، یک فوتون که بر فراز سطح زمین حرکت می‌کند، می‌توانست در هر ثانیه تقریبا ۷.۵ بار روی خط استوا به دور زمین بچرخد.

در این تصویرسازی، سرعت نور ظاهرا بسیار سریع است؛ ‌بااین‌حال،‌ محدودیت آن را نیز می‌توان مشاهده کرد.

سرعت نور در حرکت بین زمین و ماه

دومین انیمیشن یک گام بزرگ از زمین برمی‌دارد تا نزدیک همسایه‌ی ما، یعنی ماه را نیز در بر بگیرد. به‌طور متوسط، فاصله‌ی بین سیاره‌ی ما و قمر طبیعی بزرگ آن ۳۸۴ هزار کیلومتر است.

این بدین معنی است که کل مهتاب در زمان ۱/۲۵۵ ثانیه به زمین می‌رسد و یک سفر رفت‌وبرگشت بین زمین و ماه با سرعت نور نزدیک به ۲/۵۱ ثانیه طول می‌کشد.

بااین‌حال، این زمان‌بندی هر روز افزایش می‌یابد؛‌ زیرا ماه با نرخ تقریبا ۳/۸ سانتی‌متر در هر سال از زمین فاصله می‌گیرد. ماه به‌طور پیوسته انرژی چرخشی زمین را تضعیف می‌کند و مدارش به دور زمین را به‌طور مرتب بزرگ و بزرگتر می‌کند.

سرعت حرکت نور در حرکت بین زمین و مریخ

سومین انیمیشن اوداناهیو، چالشی را به تصویر می‌کشد که اغلب دانشمندان علوم سیاره‌ای به‌صورت روزانه با آن دست‌وپنجه نرم می‌کنند.

هنگامی که ناسا تلاش می‌کند با فضاپیمایی همچون کاوشگر اینسایت روی مریخ صحبت کند یا داد‌ه‌ای را از آن دریافت کند، تنها با سرعت نور قادر به انجام این کار است. این سرعت برای به‌راه انداختن یک فضاپیما در حالت زنده، همچون وقتی این کار را با یک خودرو کنترل از راه دور انجام می‌دهیم، به‌شدت پایین است. در نتیجه،‌ فرمان‌ها باید به‌دقت سنجیده، از پیش بسته‌بندی و به سمت موقعیتی دقیق در فضا در زمانی دقیق نشانه‌گیری شوند تا هدف را از دست ندهند.

سریع‌ترین گفتگویی که می‌تواند بین زمین و مریخ اتفاق بیفتد، وقتی است که این دو سیاره در نزدیک نقطه به یکدیگر قرار دارند. این رخداد که کم‌ترین نزدیکی نامیده می‌شود، تقریبا هر دو سال یک بار به وقوع می‌پیوندد. به‌طور متوسط، این بهترین فاصله، نزدیک به ۵۴.۶ میلیون کیلومتر است.

همان‌طور که ویدئوی ۶۰ ثانیه‌ای اوداناهیو نشان می‌دهد، ۳ دقیقه و ۲ ثانیه طول می‌کشد تا نور فاصله‌ی بین زمین و مریخ را در کم‌ترین نزدیکی طی کند. در نتیجه، یک سفر رفت و برگشت بین مریخ و زمین با سرعت نور ۶ دقیقه و ۴ ثانیه به‌طول می‌انجامد.

اما به‌طور متوسط، مریخ نزدیک به ۲۵۴ میلیون کیلومتر از زمین فاصله دارد. بنابراین، رفت و برگشت نور بین این دو سیاره تقریبا ۲۸ دقیقه و ۱۲ ثانیه طول می‌کشد.

هرچه پیش برویم، سرعت پایین نور بیشتر به چشم می‌آید

محدودیت سرعت نور برای فضاپیمایی همچون نیوهورایزنز (افق‌های نو) که هم‌اکنون بیش از ۶.۴ میلیارد کیلومتر از زمین فاصله دارد و فضاپیماهای وویجر ۱ و ۲ که هر دو به فضای میان ستارگان رسیده‌اند، به‌مراتب چالش‌برانگیزتر می‌شود.

وقتی به خارج از منظومه‌ی شمسی نگاه بیاندازید، این وضعیت واقعا متاثرکننده‌تر می‌شود. نزدیک‌ترین سیاره‌ی فراخورشیدی شناخته‌شده به‌نام پروکسیما بی تقریبا ۴/۲ سال نوری یا به عبارت دیگر نزدیک به ۳۹/۷ تریلیون کیلومتر از زمین فاصله دارد.

بااین‌حال، سریع‌ترین فضاپیمایی که تاکنون پرتاب شده، کاوشگر خورشیدی پارکر ناسا است که با سرعتی برابر با ۶۹۰هزار کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کند. با این سرعت، رسیدن به پروکسیما بی ۱۳٬۲۱۱ سال طول می‌کشد.

پروژه‌ای به‌نام Breakthrough Starshot که متعلق به میلیاردری آمریکایی – روسی است،‌ روشی را برای حل معضل سرعت پیش‌بینی می‌کند. این برنامه‌ی چندین ساله قصد ساخت و به پرواز درآوردن نانوفضاپیمای کوچکی را دارد که با بهره‌گیری از پیشرانه‌ی لیزری، می‌تواند با یک‌پنجم سرعت نور در فضا سفر کند. بااین‌حال، کل مفهوم چنین فضاپیمایی فعلا در حد تئوری است و شاید درنهایت اصلا به واقعیت تبدیل نشود و نتواند در کسری از سرعت نور فعالیت کند.

^{نانوفضاپیما با پیشرانه‌ی لیزری}

فضا به‌طرز غیرقابل‌باوری پهناور است، هرچند گیتی تقریبا ۱۳/۷۷ میلیارد سال سن دارد؛ اما لبه‌ی آن از هر جهت نزدیک به ۴۵/۳۴ میلیارد سال نوری از ما دور است و به‌دلیل انبساطش این فاصله به‌طور مرتب افزایش می‌یابد.

چنین اعداد و ارقامی آنقدر بزرگ هستند که به‌راحتی نمی‌توان آن‌ها را در انیمیشنی ساده به‌تصویر کشید. بااین‌حال، نوازنده‌ای به‌نام پابلو کارلوس بوداسی تصویری را خلق کرده که نقشه‌های لگاریتمی گیتی از دانشگاه پرینستون و تصاویر ناسا را ترکیب کرده است تا تمام آن‌ها را درون تصویری واحد ثبت کند.