Tàu vũ trụ áp dụng thuyết tương đối
(dmytry.github.io)- Relativistic Spaceship là công cụ trực quan hóa thuyết tương đối cho thấy trạng thái bay thay đổi như thế nào khi tốc độ tàu vũ trụ tiến gần đến tốc độ ánh sáng
- Màn hình đồng thời hiển thị tốc độ so với tốc độ ánh sáng, giá trị γ, khoảng cách tính bằng năm ánh sáng, hệ số Doppler, thời gian của tàu vũ trụ và thời gian thế giới
- Trạng thái ban đầu bắt đầu với tốc độ 0%, γ = 1, khoảng cách 0 năm ánh sáng, hệ số Doppler 1 và thời gian 0 năm
- Mã nguồn được công khai trên GitHub nên có thể trực tiếp kiểm tra cách hoạt động và cách triển khai
- Việc triển khai dựa trên Three.JS WebGL, và tài liệu giấy phép three.js được liên kết riêng
Các giá trị hiển thị trên màn hình bay tương đối tính
- Relativistic Spaceship là công cụ trực quan hóa chuyến bay tương đối tính do Dmytry Lavrov tạo ra
- Các giá trị chính có thể xem trên màn hình như sau
- Tốc độ tàu vũ trụ so với tốc độ ánh sáng
-
Giá trị γ
- Khoảng cách tính bằng năm ánh sáng
- Hệ số Doppler ở giữa màn hình
- Hệ số Doppler tối đa
- Thời gian của tàu vũ trụ tính bằng năm
- Thời gian thế giới tính bằng năm
- Màn hình ban đầu hiển thị trạng thái tốc độ 0%, γ = 1, khoảng cách 0 năm ánh sáng, hệ số Doppler 1 và thời gian 0 năm
Mã nguồn và công nghệ triển khai
- Có thể tải mã nguồn dự án tại https://github.com/Dmytry/space
- Việc triển khai sử dụng framework Three.JS WebGL
- Giấy phép three.js được liên kết qua tài liệu riêng
1 bình luận
Ý kiến trên Hacker News
Đã trực quan hóa rất tốt những tính chất phản trực giác của thuyết tương đối hẹp
Thật đáng kinh ngạc khi nếu có thể liên tục gia tốc tàu vũ trụ ở mức 1G, ta có thể đến trung tâm Dải Ngân Hà trong chưa đầy 20 năm theo thời gian trên tàu
Tất nhiên, trên Trái Đất thì đã trôi qua 27.900 năm, nên sẽ chẳng còn ai để kể chuyện kỳ nghỉ nữa
Từng nguyên tử của vật chất liên sao sẽ làm hư hại tàu vũ trụ, có khả năng xuyên qua cả con tàu, còn lực đẩy điện từ chỉ có tác dụng với các hạt mang điện
Ngay cả về mặt lý thuyết cũng không có thứ gì có thể chở lên tàu vũ trụ để cho phép gia tốc liên tục 1G
Tôi không nhớ chính xác delta-v tối đa có thể đạt được, nhưng nó không phải là một tỷ lệ lớn của tốc độ ánh sáng; ngay cả với giả định điên rồ kiểu mang theo một lỗ đen nhỏ và chuyển 40% khối lượng thành năng lượng, hình như cũng chỉ khoảng 60% tốc độ ánh sáng
Tính thử thì năng lượng cần thiết về cơ bản ở mức đòi hỏi một tên lửa làm hoàn toàn từ phản vật chất cùng một khối lượng vật chất thường tương đương để phản ứng với nó
Khi bàn về du hành đường dài trong không gian với gia tốc không đổi, các con số thường chỉ ở mức vài phần nghìn của 1G
Nếu đi khứ hồi thì sẽ dùng gần hết phần lớn tuổi thọ bình thường của con người, nhưng khi quay về, nếu Trái Đất vẫn còn đó, thì trông như thể bạn đã du hành đến tương lai 55.000 năm sau
Sau khoảng 850 năm theo thời gian trên tàu ở gia tốc tối đa, vũ trụ sẽ ở trạng thái 10^30 năm tuổi
Đến lúc đó chỉ còn lại các sao lùn trắng, sao neutron và nhiều tàn dư sao; các thiên hà đã tan rã, còn những ngôi sao như Mặt Trời chỉ là ký ức xa xăm
Tất nhiên cũng không thể loại trừ khả năng vẫn còn tồn tại ai đó để nhớ. Sự sống có thể bám vào các cấu trúc quanh lỗ đen hoặc sao lùn trắng để khai thác năng lượng trong một thời gian cực kỳ dài
Nó vẫn còn rất xa thời điểm vũ trụ trở thành một biển hạt entropy không thể phân biệt như “cái chết nhiệt”, nhưng đã là một nơi hoàn toàn khác
Kiểu như: “Ngươi không an toàn khi ở cạnh người của chúng ta, nên ta sẽ gửi ngươi đến tận cùng của thời gian”
Nếu quan tâm đến các hiệu ứng tương đối tính như thế này, có một bộ công cụ tên OpenRelativity có thể dùng cho đồ họa mô phỏng ở tốc độ gần ánh sáng: http://gamelab.mit.edu/research/openrelativity/
Nó cũng được dùng trong game miễn phí “A Slower Speed of Light”
http://gamelab.mit.edu/games/a-slower-speed-of-light/
Có lẽ nên từ bỏ ý tưởng đi ở tốc độ tương đối tính cao để vượt qua những khoảng cách lớn
Tự nhiên có một ý tưởng thực dụng hơn: trở thành một hạt giống
Sinh vật vượt qua những khoảng cách khổng lồ như vậy và vượt qua các ràng buộc tài nguyên khó giải quyết trong lúc di chuyển
Chỉ cần nén bản thân thành dạng tinh thể bất hoạt, nhắm tên lửa rồi phóng đi, sau đó chờ đợi. Chỉ cần ngăn sự phân rã hóa học và cấu trúc trong hàng nghìn năm hoặc hàng eon
Khi đến đích, máy móc bật lên, tái cấu trúc cơ thể bạn, rồi bạn bắt đầu khám phá trong trạng thái sảng khoái. Trên thực tế, đối với chính bạn thì gần như không có thời gian trôi qua
Tất nhiên để làm vậy sẽ phải hoàn toàn làm chủ sinh học, hoặc bỏ qua sinh học hẳn và sao chép bản thân sang dạng máy móc; nhưng khả năng cao vẫn dễ hơn việc di chuyển với một tỷ lệ đáng kể của tốc độ ánh sáng
Tôi không biết rằng ngay cả lực đẩy liên tục tương đối nhỏ, chẳng hạn khoảng 1m/s², cũng có thể “dễ dàng” tạo ra độ giãn thời gian đáng kể
Nếu có thể tiếp tục gia tốc trong suốt toàn bộ hành trình, du hành liên sao trở nên khả thi ở một mức nào đó
Tìm thử thì thấy đi đến Alpha Centauri ở 1G, thời gian quan sát được đối với người du hành là khoảng 3 năm
Liệu có thể đạt đến mức đó bằng một công nghệ phần nào hợp lý như nhiệt hạch không? Tôi không rành toán tương đối tính, nhưng ngay cả khi bỏ qua hiệu ứng tương đối tính và chuyển trực tiếp khối lượng thành năng lượng, C² bị triệt tiêu nên để gia tốc 100.000kg lên tốc độ ánh sáng thì có vẻ cần 50.000kg
Ngay cả khi biến toàn bộ khối lượng phản ứng của “nhiên liệu” trực tiếp thành động lượng, một con tàu có chút khả năng cho con người sinh sống cũng sẽ phải chở hàng chục nghìn đến hàng trăm nghìn tấn nhiên liệu
Không có động cơ chuyển đổi khối lượng hoàn hảo; vật chất-phản vật chất trong mô phỏng cũng chỉ hiệu suất khoảng 60%, nhiệt hạch khoảng 17%, đẩy xung hạt nhân bất ngờ là 7%, còn tên lửa hạt nhân lõi khí phân hạch có thể tối đa khoảng 12% nhưng các con số về lò phản ứng lõi khí không rõ ràng nên vẫn bất định
Với tư cách nhà văn SF, thật thú vị khi nghĩ xem xã hội sẽ có hình dạng kỳ lạ nào khi các phi hành gia sống lâu hơn cả toàn bộ nền văn minh. Nó gợi tôi đến một kiểu văn hóa Tân Polynesia, nơi những người du hành khi quay lại hoàn toàn không biết nơi đó sẽ trông như thế nào
Do giãn thời gian, đồng hồ trên vệ tinh đang chuyển động chạy chậm hơn đồng hồ đứng yên trên Trái Đất một chút mỗi ngày, nên cần hiệu chỉnh
Động năng là cực lớn và phải đến từ đâu đó, nên có khi còn cần đến động cơ năng lượng không
Phương trình tên lửa sẽ cản chân. Để tiếp tục gia tốc đến tốc độ tương đối tính bằng một tên lửa nhiệt hạch hợp lý, có thể cần lượng nhiên liệu cỡ cả một hành tinh
Đẩy bằng phản vật chất gần như là lựa chọn duy nhất, nhưng vì phải hấp thụ năng lượng rồi ném ra phía sau, vẫn cần rất nhiều khối lượng phản ứng hoặc phải dùng laser
Xa hơn nữa là: bạn nhìn con tàu rời đi rồi mãi mãi không nghe tin gì, hoặc tự mình lên tàu rời đi rồi quay về Trái Đất sau hàng nghìn năm, bất kể lúc đó nó đã trở thành gì
Nếu liên tục gia tốc ở 1G trong 12 năm, bạn sẽ cách điểm xuất phát 113.000 năm ánh sáng, đủ để đi từ Trái Đất sang phía bên kia Dải Ngân Hà
Tất nhiên khi đó tốc độ là 99,999999996% tốc độ ánh sáng. Nếu muốn dừng lại và nhìn quanh ở thiên hà phía bên kia, bạn phải quay đầu giảm tốc ở điểm giữa, nên thời gian di chuyển đại khái sẽ gấp đôi
Gần đây tôi đọc lại cuốn này
https://en.wikipedia.org/wiki/Tau_Zero
Có lẽ là một trong những tiểu thuyết SF hoành tráng nhất mọi thời đại. Câu chuyện kể về việc sau một vụ va chạm làm hỏng phanh của tàu vũ trụ, lời giải cho mọi vấn đề gặp phải đều trở thành “đi nhanh hơn”
Ở nhiều đoạn tôi nhớ đến The Freeze Frame Revolution của Peter Watts(https://tachyonpublications.com/product/freeze-frame-revolut...); cũng khá hay theo một cách tương tự, nhưng có lẽ u tối hơn
Tôi đã đoán rằng thuyết tương đối sẽ đóng vai trò quan trọng, nhưng quy mô giãn nở thời gian mà phi hành đoàn trải qua còn lớn hơn tôi tưởng rất nhiều
Đọc cuốn này làm tôi nhớ đến Interstellar, hoặc xa hơn nữa là các tác phẩm kinh điển về du hành thời gian/thuyết tương đối như Star Trek IV: The Voyage Home. Trong các phim Star Trek thì tôi thích tác phẩm này nhất
Tôi thử đặt biến
throttle_valuethành một giá trị vô lý như 30 thay vì giá trị tối đa 1 của thanh trượtKhá thú vị khi xem phải tiến gần tốc độ ánh sáng đến mức nào thì chính web app sụp đổ
Trên màn hình 1920px, điều đó xảy ra vào lúc “9” kéo dài hơn hai dòng một chút
Tốc độ quay lại 0, và như phần thưởng cho việc gần như phá vỡ các định luật vật lý, thời gian thế giới trở thành NaN
Đẹp
Với chuyện nói rằng “chỉ cần” duy trì gia tốc 1G, cần lưu ý rằng khối lượng của tàu vũ trụ tăng lên khi nó tiến gần tốc độ ánh sáng [0]
Khi khối lượng tăng, lực đẩy cần thiết để duy trì gia tốc đó cũng tăng. Vì vậy động cơ ấy phải có thể kết nối với một nguồn năng lượng như phép màu, nếu không thì không thể duy trì gia tốc ở vận tốc cao hơn :)
[0] https://en.wikipedia.org/wiki/Mass_in_special_relativity#Rel...
Chỉnh sửa: cách diễn giải này có thể không hoàn toàn chính xác
Ví dụ nếu một người ở lại Trái Đất quan sát vận tốc của tàu vũ trụ, khi tàu tăng tốc thì từ góc nhìn của người đó, con tàu sẽ trông nặng hơn
Nhưng từ góc nhìn bên trong tàu vũ trụ, bản thân họ và con tàu vẫn có cùng trọng lượng. Ngược lại, Trái Đất sẽ trông như đang trải qua một đợt “tăng cân” kịch tính
Vậy thì từ góc nhìn bên trong tàu, gia tốc 1G vẫn được duy trì liên tục, còn gần tốc độ ánh sáng thì ngày càng nhiều phần năng lượng đó đi vào khối lượng lớn hơn và thời gian chậm hơn, kiểu vậy không phải sao?
Cá nhân tôi thấy nó gây ra hậu quả tệ hại cho trực giác vật lý
Video này bàn khá rõ vấn đề đó: https://www.youtube.com/watch?v=6HlCfwEduqA
Trên trình duyệt của tôi thì không chạy được, nhưng tôi cảm ơn vì nó hiển thị thông báo lỗi đàng hoàng
Quá nhiều trang web chỉ đơn giản là hỏng vì đủ loại lý do, khiến người ta ngồi chờ ngơ ngác kiểu “nó đang tải à?” hoặc “vốn dĩ trông như thế này sao?”
Đây là lần đầu tôi thấy một trường hợp nói rõ sai ở đâu, kiểu “xyz is not supported”, rồi cho phép đổi sang một trình duyệt phổ biến để xem nội dung
Trên trình duyệt đó, trang web hoạt động tốt và trông đẹp cả trên di động
Tôi đẩy gia tốc lên hết cỡ rồi đi lấy cà phê, lúc quay lại thì đã ở 200 năm sau và di chuyển hơn 6 triệu năm ánh sáng
Giờ tôi đang ở thiên hà NGC 300, rất giống Dải Ngân Hà
Tất cả những người tôi từng biết đều đã biến mất, buồn và cô đơn quá