תחבורה עתידנית – מהירות האור 1: פתרונות במדע הבדיוני

אשר יהלום[1], המחלקה להנדסת חשמל ואלקטרוניקה, הפקולטה להנדסה, אוניברסיטת אריאל בשומרון * המאמר פורסם בגליון 7 של כתב העת לענייני תרבות – נכון

מבוא

ברוב המוחלט של סרטי המדע הבדיוני וספריו, מושם דגש על אמצעי התחבורה שישמשו טכנולוגית, בעתיד האוטופי (או הדיסטופי). האמור הוא גם ביצירות העוסקות בעתיד הקרוב, ועל אחת כמה וכמה – ביצירות העוסקות בעתיד הרחוק.

ביצירות העוסקות בעתיד הקרוב (דוגמת Blade Runner מ-1982 של רידלי סקוט), כלי הרכב היא המכונית המעופפת, המאפשרת תנועה קדימה ואחורה, כמו המכוניות שאנו מכירים, אבל גם תנועה בכיוון האנכי (מעלה ומטה). כלי רכב כאלה משמשים גם בסדרות העתיד הרחוק כגון מלחמת הכוכבים (הסרט הראשון בסדרה “תקווה חדשה” הוקרן ב-1977), שם מוצגים אופנועים מעופפים. גם בסדרת הטלוויזיה המפורסמת “מסע בין כוכבים” (הוקרנה לראשונה ב 1966) מצוידת ספינת החלל המפורסמת האנטרפרייז במעבורת החלל שהיא מעין אוטובוס מעופף. כיום חלום המכונית המעופפת לא נגוז, ופרופסור סטפן קליין אף פיתח מכונית כזו . אך כיווני ההתפתחות העיקריים של המכונית העתידנית הם אחרים: הנעה חשמלית ובלתי מזהמת (רכבים היברידיים, ומכונית בעל הנעה חשמלית בלבדית – של טסלה, למשל), והמכונית האוטונומית הנוסעת בעצמה ללא נהג. זו מופיעה גם בקולנוע כמו, למשל, בסרט “באטמן” (1989)), אבל מפותחת היום על ידי מספר חברות; בין השאר טסלה וגוגל.

בסרטי העתיד הרחוק, הדגש הוא בעיקר על כלי תחבורה המשמשים לתנועה בין פלנטות ואף בין כוכבים שונים בגלקסיה. כלי הטיס המפורסם ביותר מהסוג הזה היא ספינת הכוכבים ENTERPRISE, שכידוע יצאה למסע של חמש שנים לחקור את הפלנטות (כוכבי הלכת) בגלקסיה והתרבויות החוצניות שהתפתחו בהן. לסדרה המקורית, “מסע בין כוכבים” (1966), יש המשכים רבים (מסע בין כוכבים הדור הבא, VOYAGER, ENTERPRISE, DISCOVERY ועוד).

גם סדרת הסרטים האייקונית “מלחמת הכוכבים”, על שלוש הטרילוגיות המרכיבות אותה, מבוססת על תרבות גלקטית בעלת יכולת תנועה בין כוכבית. הסדרה עוסקת ברפובליקה גלקטית, שכוכב הבירה שלה קורוסנט הוא, למעשה, עיר המכסה כוכב לכת שלם. הטרילוגיות עוסקות במאמצים של מסדר פוליטי אפל ומושחת לנצל את חולשות המשטר הדמוקרטי (הליכים בירוקרטיים ארוכים, רפיסות שלטונית ותאוות בצע), כדי למוטטו ולהפוך אותו לאימפריה גלקטית. הטרילוגיה האמצעית (1977) עוסקת במאמצים של המורדים להשיב את הרפובליקה שאבדה. הסדרה הראשונה (1999), שבהברקה קולנועית שוחררה למעלה מעשרים שנה לאחר הסדרה השנייה, עוסקת בתהליכים שהובילו לקריסת האימפריה, והסדרה השלישית (2015), מתארת את התהליכים הפוליטיים שהתרחשו בעקבות ניצחון המורדים על האימפריה. על הכול מרחף המאבק בין המסדר שוחר הצדק, שאמור להגן על הרפובליקה ונכשל בטרילוגיה הראשונה (אבירי הג’דיי), לבין המסדר האפל (הסית’). כמובן, משטר גלקטי מסוג כלשהו (קיסרות או רפובליקה) לא ייתכן ללא חלליות המאפשרות להגיע בזמן קצר ממערכת שמש אחת לשנייה.

סדרה נוספת של ספרים (שהראשון בהם יצא בשנת 1956), המתארת אף היא אימפריה גלקטית, מתחילה בספר “חולית” מאת פרנק הרברט. בעולם העתידי של “חולית”, התנועה בין הכוכבים מתאפשרת על ידי פעילות ספק פיזיקלית ספק מחשבתית המתבצעת על ידי נווטי הגילדה. יצורים פוסט-אנושיים אלו תלויים לפעילותם בסם שמופק רק בכוכב לכת אחד בגלקסיה, הלא הוא הכוכב חולית, שנקרא כך משום שהוא מכוסה כולו בחול, ומכאן חשיבותו האסטרטגית. הספר הוא חלק ראשון בטרילוגיה מאת פרנק הרברט, אך לאחר פטירתו, חבר בנו, בריאן הרברט, לקווין אנדרסון, ויחדיו הם הוציאו ספרים רבים המתארים את היקום של חולית, הן בעידנים שקדמו להתרחשויות בספר המקורי והן בעידנים שלאחריו. הספר DUNE אף הוסרט ב 1984 על ידי הבמאי דיוויד לינץ’. גרסה חדשה של הסרט צפוי לצאת לאקרנים בישראל  עוד בשנת 2021.

הקשיים הטכנולוגיים

יוצרי הסרטים והסדרות הטלוויזיונית מתעלמים, כמובן, מהעובדה הידועה לכל של כוח הכבידה, האמור למנוע מאותם כלי רכב לעוף. אמנם, כיום אנו יודעים כיצד להתגבר על הכבידה בדרכים שונות, החל בשימוש בגז קל מהאוויר (אוויר חם או גז מימן והליום), אבל בגלל כמות הגז הגדולה הנדרשת לכל המראה פתרונות אלו לא מעשיים. הפתרון, המשמש כיום לתעופה, מבוסס על תנועת האוויר מעל ומתחת לכנפיים בעלות גיאומטריה מיוחדת, היוצרת הפרש לחצים מעל ומתחת לכנף. הפרש הלחצים על הכנף יוצר כוח עילוי המתנגד לכבידה. כוח העילוי תלוי במקדם העילוי שהוא כשלעצמו תלוי בגיאומטריה של הכנף ובמהירות בריבוע. זאת הסיבה שלמטוסים יש כנפיים, והם נזקקים למסלולי המראה ארוכים כדי להאיץ ולהגיע למהירות שבה כוח העילוי יגבר על כוח הכבידה. במסוק, מהירות זאת מושגת על ידי סיבוב המדחף (אוסף כנפיים המחוברות לציר מרכזי) במהירות גבוהה. כמובן, לא ניתן לארגן מסלולי המראה למכוניות וגם לא ברור היכן הן ינחתו.

נציין שהפתרון של פרופסור סטפן קליין הוא למעשה מטוס קטן עם כנפיים מתקפלות. כאשר הכנפיים מקופלות המטוס הופך למכונית. השימוש הצפוי למכונית מעופפת כזאת הוא לתנועה בין שדות תעופה בהם יש מסלולי המראה ממילא. המסוק הוא כלי רכב יקר, ומדחף שלו מהווה סכנה. לכן נדרש לו משטח רחב ומגודר כדי למנוע פגיעה בעוברי אורח. זהו פתרון לא קביל עבור משתמש המכונית הממוצע,  אך הוא עדיין נשקל על ידי מפתחי מכוניות מעופפות עתידניות למשל The Pop.Up Next בפתרון זה המדחפים (ישנם ארבעה) מושמים בתוך מסגרת עגולה השומרת על החפים מפשע מפגיעה (כמו המאווררים המוכרים). פתרון נוסף להתגברות על הכבידה היא ההנעה הרקטית.  הרקטה דוחפת עצמה כלפי מעלה על ידי פליטת חומר כלפי מטה. מאחר שהתנע (מכפלת המסה במהירות) נשמר, הרקטה עצמה מגדילה את התנע שלה בגודל זהה ובכיוון הפוך לתנע החומר שהיא פולטת. מאחר ששינוי בתנע ליחידת הזמן הוא כוח על פי החוק השני של ניוטון, הרי נוצר כוח לכיוון מעלה, שבמידה שהוא עולה על כוח הכבידה, הוא מתגבר עליו, וגורם לתנועת הרקטה כלפי מעלה. פתרון רקטי למכונית מעופפת ידרוש, כמובן, כמות עצומה של דלק (חומר פליטה) שתישא המכונית המעופפת, ולכן גם פתרון זה אינו קביל.

מסע בין כוכבים

המרחקים בחלל הם עצומים. נכון להיום (2021), בני האדם הצליחו להגיע רק ללוויין הטבעי של כוכב הלכת שלהם (הירח), וכן הצליחו לשלוח כלי רכב רובוטיים לכוכב לכת שכן (מאדים), ואף להתקרב בעזרת חלליות לא מאוישות ולצלם מקרוב כוכבי לכת רחוקים יותר (נוגה, צדק, שבתאי, נפטון). לאחרונה הצליחו אף לצאת קצת מגבולות מערכת השמש במסע שנמשך עשרות שנים (פרויקט VOYAGER). כדי לעבור מרחקים עצומים במהירות גבוהה, נדרשות כמויות עצומות של אנרגיה הנעה, שאינן זמינות טכנולוגית גם בטילים המתקדמים ביותר (האנרגיה הקינטית של גוף כלשהו שווה למחצית המסה שלו כפול המהירות בריבוע כל עוד הוא נע במהירות נמוכה מספיק ממהירות האור).

מעל לכך מרחפת המגבלה הבסיסית ביותר של מהירות התנועה בטבע, הלא היא מגבלת מהירות האור. על פי פרשנות מקובלת לתורת היחסות, שום גוף או אות אינו יכול לעבור מהירות זאת, וכל גוף בעל מסה שונה מאפס  נדרש לאנרגיה עצומה כדי להתקרב למהירות זאת (לפוטון חלקיק האור יש מסה אפס). לדוגמא, מערכת השמש הקרובה ביותר למערכת השמש שלנו היא מערכת אלפא קנטאורי, שמרחקה 4.37 שנות אור מהשמש שלנו. משמעות הדבר היא שעל פי תפיסת הפיזיקה העכשווית, בתנאים האופטימליים ביותר לא נוכל לקוות לנסיעה קצרה יותר מ 4.37 שנים לכיוון אחד לאלפא קנטאורי (כנראה הרבה יותר). מסע הלוך וחזור הוא סיפור של לפחות עשר שנים למערכת השמש הקרובה ביותר. המרחק בין השמש למרכז הגלקסיה הוא בערך 100,000 שנות אור, ולכן מסע למרכז הגלקסיה לא יפחת מ 100,000 שנה. כלומר, אילו הייתה קיימת אימפריה גלקטית בשביל החלב היו נדרשות לנו לא פחות מ 100,000 שנה להגיע לכוכב המרכזי שלה’ אם בכלל כוכב כזה יכול להימצא בקרבת מרכז הגלקסיה שהיא איזור עוין – רווי קרינה ובקרבה לחור שחור עצום.

הפתרונות המדומים

סופרי המדע הבדיוני ותסריטאיו אינם יודעים, כמובן, מהם העקרונות הפיזיקאליים שמאחורי הטכנולוגיות שהם מציעים. הם משערים שבעתיד ההבנה הפיזיקאלית שלנו תהיה אחרת מאשר היא כיום. זו הנחה סבירה בהחלט, אם אנחנו מסתכלים אחורה על השינויים שהתרחשו במדע הפיזיקה ב-500 השנים האחרונות מאז ימיו של גלילאו גליליי, וכמובן, מתוך תקווה שקצב ההתפתחות לא ישתנה. טיעון נגדי הוא שכבר מיצינו את האפשרויות הטכנולוגיות בכל הנוגע לתעבורה, ולא צפויות התפתחויות דרמטיות בעתיד; למשל, מטוסי הסילון להובלת נוסעים של ימינו אינם מהירים מהמטוסים בשנות השישים.

אבל אם נישאר אופטימיים כמו סופרי המדע בדיוני, ייתכן שבעתיד מכוניות עפות יוכלו לעופף בעזרת “אנטי גרביטציה” – מושג שאינו קיים בהבנה הפיזיקאלית הנוכחית. כמו כן, חלליות תוכלנה לגמוע את מרחקי החלל העצומים על ידי “קיפול” החלל, המקצר את המרחקים העצומים בחלל הבין כוכבי שמתבצע על ידי נווטי הגילדה ביקום של “חולית”. על ידי “קפיצות” שמבצעות החלליות בסרטי “מלחמת הכוכבים”, או על ידי מנוע העיוות (WARP ENGINE), המעוות את החלל, ומאפשר מהירויות גבוהות ממהירות האור, בסדרה “מסע בין כוכבים” וסדרות ההמשך שלה. אמצעים נוספים קשורים לשימוש ב “חור שחור” ו”חור לבן”, כשהראשון הוא פתח כניסה והשני פתח יציאה, והחיבור ביניהם מאפשר לקצר בצורה ניכרת מאד את המרחקים בחלל. כך, למשל, עברה החללית VOYAGER, באחת מסדרות ההמשך של “מסע בין כוכבים”, לרבעון הרביעי והרחוק של הגלקסיה בטעות, ועיקר הסדרה עוסק בניסיונות של אנשי החללית לחזור הביתה. למותר לציין, שלמרות שקיומם של חורים שחורים הוכח בוודאות, הרי בהתאם להבנה הפיזיקלית הנוכחית שום חומר (ובוודאי לא בני אדם) אינו יכול לשרוד כניסה לחור שחור, וכמו כן, אין שום דרך יציאה משם; בוודאי לא חיבור לחור לבן בצד השני של הגלקסיה.

בהנחה שיש לאן להתקדם, עדיין נשארת שאלת קצב ההתקדמות הצפוי. תסריטאי הסדרה “מסע בין כוכבים” (ג’ין רודנברי) היה אופטימי למדי בשנות השישים, כאשר צפה התחלה של מסעות בין כוכבים (מערכות שמש) כבר בשנות התשעים של המאה הקודמת (המאה העשרים). הוא צפה מסעות כאלו בעוד שלושים שנה מההווה שלו. מנקודת מבטנו, לקראת סיום הרבע הראשון של המאה העשרים ואחת, ברור שמסעות כאלו, אם יתרחשו, צפויים לא לפני המאה העשרים ושתיים.

---

[1] פרופסור אשר יהלום הוא פיזיקאי

לחלק השני של המאמר

עוד בנושא באתר הידען:

• אוטוסטראדה גלקטית מסיעה כוכבים דרך השכונה שבה נמצאת מערכת השמש
• המוסד הגלקטי – המחסום האחרון בפני הברבריות בסדרת הטלוויזיה, ומי יציל אותנו במציאות מחזרה לימי הביניים?
• בראשית היה ריק – כיצד נוצר היקום שלנו? – חלק ד’
• למה מדע בדיוני הכרחי להישרדותנו בעתיד
• טיסה בין כוכבים תישאר בגדר מדע בדיוני