Tutkimus Linnunradalla – Onko valonnopeus (FTL) pelkkä haave?

Valon nopeus tyhjiössä on noin 299 792 km/s. Noin 11 km/s kuvaa miehitettyjen lentojen, kuten Apollo 10:n, nopeutta suhteessa Maahan, ei kaikkien ihmisen rakentamien luotainten ennätystä. Miehittämättömät luotaimet ovat liikkuneet Aurinkoon nähden paljon nopeammin. Valoa nopeampaan matkustamiseen tai viestintään (FTL) ei silti ole osoitettu toimivaa tekniikkaa.

Maailmankaikkeuden valtavat etäisyydet ja suunnitellut Mars-lennot innostavat tutkimaan nopeampaa avaruusliikennettä. Marraskuussa 2023 julkaistu teoreettinen ennakkokäsikirjoitus tarkastelee mahdollista FTL-viestinnän mallia. Se ei ole kokeellinen osoitus toimivasta viestimestä eikä tae siitä, että tarvittava tekniikka voidaan kehittää.

Teoreettinen ehdotus valoa nopeammasta viestinnästä

Lorenzo Pieri esittelee kirjoituksessa ”Hyperwave: Hyper-Fast Communication within General Relativity” pienisäteisiä poimukuplia tiedonsiirtoon. Hänen hypertubeiksi kutsumansa ennalta rakennettavat, putkimaiset negatiivisen energian jakaumat ohjaisivat mallissa kuplien kiihdytystä ja hidastusta määrätyllä reitillä.

Malli perustuu Miguel Alcubierren vuonna 1994 esittämään poimukuplaan. Sen matemaattisessa kuvauksessa avaruus supistuu kuplan edessä ja laajenee takana. Näin voi syntyä tehollisesti valoa nopeampi siirtymä ilman paikallista valonnopeuden ylitystä. Yhtälöiden ratkaisu ei kuitenkaan osoita laitteen rakentamiskelpoisuutta. Malli vaatii erityisiä negatiivisen energiatiheyden jakaumia. Casimirin ilmiö liittyy kvanttikenttien aiheuttamiin mitattaviin voimiin, mutta se ei itsessään ole valmis energialähde poimukäyttöön.

Pieri tutkii erittäin pienisäteisiä kuplia viestintää varten avaruusaluksen kuljettamisen sijaan. Kuplan koon pienentäminen vähentää mallissa tarvittavan negatiivisen energian kokonaismäärää. Kirjoittajan mukaan:

”…negatiivisen energian kokonaisvaatimus alittaa salaman sisältämän energian ja on yli 70 kertaluokkaa pienempi kuin alkuperäisessä Alcubierren poimukäytössä.”

Hypoteettisessa mallissa kuplan hidastuminen synnyttäisi suurienergiaisia hiukkasia, joiden havaitsemista voitaisiin käyttää tiedonsiirtoon. Todellista valoa nopeampaa tiedonsiirtoa ei tällä ole osoitettu.

Ehdotus on hyvin teoreettinen. Teknisten esteiden lisäksi avoinna on fysiikkaan, kvanttigravitaatioon ja syy-seuraussuhteisiin liittyviä kysymyksiä. Keskeisiä haasteita ovat:

• Erittäin pienisäteisten poimukuplien luominen ja vakauttaminen
• Tarvittavien negatiivisten energiatiheyksien tuottaminen
• Warp-kuplan dynamiikan tarkka hallinta

Kirjoitus tarkastelee hypoteettisia aika-avaruuden geometrioita. Jos FTL-viestintä joskus osoittautuisi fysikaalisesti mahdolliseksi, se voisi mullistaa tiedonsiirron ja avaruustutkimuksen. Todistettua käytännön sovellusta tai luotettavaa toteutusaikataulua ei ole.

Lennot Marsiin

Seuraavat ovat mahdollisia hyötyjä paljon lyhyemmästä viestintäviiveestä Maan ja Marsin välillä. Ne eivät ole ennusteita FTL:n toteutumisesta tulevina vuosikymmeninä tai vuosituhansina:

1. Lyhyempi viestintäviive: Nykyiset signaalit kulkevat Maan ja Marsin välillä noin 3–22 minuuttia yhteen suuntaan planeettojen sijainneista riippuen. Hypoteettinen FTL voisi lyhentää viivettä, mutta valoa nopeampi ei tarkoita automaattisesti välitöntä. Erittäin pieni viive voisi parantaa miehitettyjen ja robottitehtävien toimintaa ja turvallisuutta.
2. Tehokkaampi lennonjohto: Reaaliaikainen yhteys mahdollistaisi kulkijoiden ja muiden laitteiden suoremman ohjauksen. Ohjeita ja säätöjä voitaisiin tehdä tilanteen mukaan sen sijaan, että kaikki ohjelmoitaisiin etukäteen tai toteutettaisiin pitkällä viiveellä.
3. Nopea reagointi hätätilanteisiin: Hätätilanteissa tai odottamattomissa tilanteissa välitön viestintä mahdollistaisi nopeamman reagoinnin, mahdollisesti pelastaen henkiä ja kriittisiä laitteita.
4. Tieteellisten tietojen siirto: Lyhyempi viive voisi nopeuttaa havaintojen vastaanottoa, analysointia ja julkaisemista. Signaalin etenemisnopeus ja sekunnissa siirtyvä tietomäärä ovat kuitenkin eri asioita; nopeampi eteneminen ei yksin takaa suurempaa tiedonsiirtokapasiteettia.
5. Planeettojen välinen internet: Luotettava verkko voi parantaa tietojen jakamista ja yhteistyötä planeettojen välillä. Se ei edellytä FTL:ää, vaan voidaan rakentaa tavanomaisista yhteyksistä ja pitkiä viiveitä sietävistä protokollista.

Vaikka FTL-viestinnän mahdolliset hyödyt Mars-missioille ovat merkittäviä, ne pysyvät spekulatiivisina, kunnes taustalla oleva teknologia on kehitetty ja todistettu käyttökelpoiseksi. Lähitulevaisuudessa Mars-missiot jatkavat perinteisten viestintämenetelmien käyttöä valonnopeuden rajoitusten puitteissa.

Suurten nopeuksien avaruuspropulsio ja hypoteettiset FTL-mallit

Emme tiedä, tuleeko FTL-viestinnästä koskaan mahdollista tai edeltäisikö se hypoteettista FTL-kuljetusta. Seuraavat ideat ovat eri kehitysvaiheissa. Aurinkopurjeet ja antimateriapropulsio koskevat valoa hitaampaa liikettä; poimukuplat ovat hypoteettisia aika-avaruusmalleja.

Aurinkopurjeet: Purje hyödyntää fotonien siirtämää liikemäärää suurella, hyvin ohuella pinnalla. Tähän työntövoimaan ei tarvita mukana kuljetettavaa polttoainetta tai ajoainetta. Tulevaisuuden suunnitelmissa tarkastellaan myös kilometrien levyisiä, äärimmäisen kevyitä kalvoja. Työntö syntyy säteilypaineesta, ei aurinkotuulesta.

Taiteellinen havainnekuva tulevaisuuden aurinkopurjeesta.

Auringonvalo siirtää liikemäärää purjeeseen ja kiihdyttää alusta vähitellen. Ratkaisu voi sopia pitkiin avaruustehtäviin, koska purjeen työntövoima ei kuluta aluksen ajoainetta. Alus tarvitsee silti energiaa, ohjausta ja muita järjestelmiä.

Aurinkopurjeita on jo kokeiltu avaruudessa. Tulevaisuuden tähtienvälisiin luotaimiin tutkitaan myös voimakkaiden ulkoisten laserien työntämiä valopurjeita. Nämä menetelmät eivät kiihdytä massallista alusta valonnopeuden yli.

Poimukuplat: Nämä ovat yleiseen suhteellisuusteoriaan perustuvia matemaattisia aika-avaruuden vääristymiä. Alcubierren mallissa aluksen ympäristö voi pysyä paikallisesti tasaisena, kun avaruus sen edessä supistuu ja takana laajenee. Tehollinen ylivalonnopeus ei osoita käytännön laitteen toteutettavuutta eikä ratkaise kausaliteettiongelmia.

Taiteellinen havainnekuva aluksesta hypoteettisessa poimukuplassa.

Tarvittavien energiajakaumien luominen ja hallinta on yhä keskeinen ongelma. Joissakin kvanttijärjestelmissä esiintyvä negatiivinen energiatiheys ei ole yksinkertaisesti vielä löytämätön aine. Ei ole osoitettu, että sitä voidaan järjestää toimivan poimukuplan vaatimalla tavalla ja vaadittuun mittakaavaan.

Antimateriapropulsio: Aineen ja antimaterian annihilaatiossa niiden massa muuttuu energiaksi ja hiukkasiksi. Hypoteettinen moottori hyödyntäisi tätä suurta energiatiheyttä hallitusti työntövoimaksi. Se voisi teoriassa mahdollistaa merkittävän osuuden valonnopeudesta, ei valonnopeuden ylittämistä massallisella aluksella.

Taiteellinen havainnekuva hypoteettisesta antimateriamoottorista.

Tämä menetelmä voisi dramaattisesti lyhentää matka-aikaa aurinkokunnassamme ja mahdollisesti mahdollistaa tähtienväliset matkat. Kuitenkin on olemassa valtavia haasteita, mukaan lukien antimaterian tuotanto, varastointi ja käsittely, sillä se on tällä hetkellä yksi kalleimmista ja vaikeimmin tuotettavista aineista.

Käytännöllistä moottoria, joka hyödyntäisi aineen ja antimaterian annihilaatiota tehokkaasti tällaisiin matkoihin, ei ole kehitetty. Antimateriapropulsio on pitkän aikavälin tutkimusidea nopeaan mutta valoa hitaampaan avaruusmatkustukseen.

Yrityksiä ilmailu- ja avaruusteollisuudessa

Avaruusteknologian kehitys edellyttää julkisten toimijoiden ja yksityisten yritysten yhteistyötä. Seuraavat ovat alan yritysesimerkkejä. Niiden mainitseminen ei osoita, että ne kehittävät FTL-tekniikkaa tai onnistuvat siinä.

*Taulukoiden luvut ovat vuoden 2023 artikkelista peräisin olevia historiallisia tilannekuvia, eivät nykyisiä arvoja tai varmennettuja ennusteita. Boeingin kaltainen negatiivinen P/E ei ole mielekäs tulospohjaisen arvostuksen mittari.*

Pörssiyhtiöt

1. Boeing Company

BA Hintakaavio

Boeing on suuri ilmailu- ja avaruusteollisuuden yhtiö sekä liikennelentokoneiden, puolustus-, avaruus- ja turvallisuusjärjestelmien valmistaja. Vuoden 2023 artikkeli mainitsi noin 158 miljardin Yhdysvaltain dollarin markkina-arvon. Yhtiön toimintaan kuuluvat siviili- ja sotilaslentokoneet, satelliitit, aseet, elektroniikka- ja puolustusjärjestelmät, laukaisujärjestelmät, tieto- ja viestintäjärjestelmät sekä suoritusperusteinen logistiikka ja koulutus.

2. Honeywell International Inc.

HON Hintakaavio

Honeywell toimii myös ilmailu- ja avaruusteollisuudessa. Vuoden 2023 artikkeli mainitsi noin 135 miljardin Yhdysvaltain dollarin markkina-arvon. Sen tuolloiseen valikoimaan kuului alan tuotteita ja palveluja, rakennusten, kotien ja teollisuuden ohjaustekniikkaa sekä suorituskykyisiä materiaaleja ja teknologioita.

3. RTX Corporation

Raytheon Technologies muutti nimensä RTX Corporationiksi heinäkuussa 2023. Artikkeli mainitsi noin 116 miljardin Yhdysvaltain dollarin markkina-arvon. Konserni toimittaa ilmailu- ja puolustusjärjestelmiä yrityksille, asevoimille ja viranomaisille. Tuotteisiin kuuluvat lentokonemoottorit, avioniikka, lentokonerakenteet, kyberturvallisuus, ohjukset, ilmapuolustus ja miehittämättömät järjestelmät.

Yritykset, jotka eivät olleet pörssissä vuonna 2023

SpaceX: Elon Muskin vuonna 2002 perustama Space Exploration Technologies Corp. ei ollut pörssissä artikkelin julkaisuhetkellä vuonna 2023. Nykyinen kurssielementti (SPCX ) liittyy myöhempään listautumiseen vuonna 2026. SpaceX tavoittelee edullisempia avaruuskuljetuksia ja tulevia Mars-lentoja. Se on kehittänyt Falcon 1-, Falcon 9- ja Falcon Heavy -raketit sekä Dragon-alukset, ja Crew Dragon on kuljettanut astronautteja ISS:lle. Vuonna 2023 yhtiö kehitti myös Starshipiä tuleviin planeettojen välisiin tehtäviin ja Starlinkiä satelliittipohjaiseen internetiin.

Blue Origin: Jeff Bezos perusti yhtiön vuonna 2000 edistääkseen avaruuden saavutettavuutta ja tulevaisuutta, jossa miljoonat ihmiset asuvat ja työskentelevät siellä. Vuoden 2023 tilanteessa se oli kehittänyt New Shepardin suborbitaalisiin eli kiertoradan alapuolelle jääviin avaruusturismilentoihin ja kehitti kiertoradalle tarkoitettua New Glenn -rakettia. Suunnitelmiin kuului myös Blue Moon -kuulaskeutuja.

Lopulliset ajatukset

Ajatukset nopeammasta viestinnästä ja avaruusmatkustuksesta heijastavat ihmiskunnan uteliaisuutta. Poimukuplat, Hyperwave-viestintä ja antimateriapropulsio nostavat esiin erilaisia tieteellisiä kysymyksiä eivätkä ole teknisesti samalla kehitystasolla.

Jos FTL joskus osoittautuisi fysikaalisesti mahdolliseksi, seuraukset olisivat huomattavia. Toistaiseksi se on hypoteettista. Käytännön avaruustutkimus etenee tunnettujen fysiikan rajojen sisällä toimivien tekniikoiden avulla.