Suponiendo que se conozca la física, no hay forma de ir al 100% de la velocidad de la luz ($c$), pero (en principio) puedes acercarte tanto como quieras. Así que comparemos$0.5c$(50% de la velocidad de la luz) con$0.95c$(95% de la velocidad de la luz).

Hay un par de grandes diferencias entre viajar a estas velocidades. El primero es la cantidad de energía necesaria para alcanzarlos. En el espacio, no se necesita energía para seguir moviéndose a gran velocidad; si no haces nada, simplemente sigues deslizándote a la velocidad a la que te estás moviendo, pero necesitas usar energía para acelerar y desacelerar. Calculemos cuánta energía se necesita para moverse a las velocidades mencionadas anteriormente.

La energía cinética de un objeto que se mueve a velocidades relativistas es

(de Wikipedia ), donde$m$es la masa del objeto y$v$es su velocidad. Usemos unidades donde$c=1$y supongamos$m=1$también por la sencillez. Ahora un objeto que viaja a$0.5c$tiene una energía cinética de aproximadamente$0.15$, mientras que un objeto en$0.95c$tiene una energía de aproximadamente$2.2$. Esto mide la cantidad de energía que necesitas para alcanzar la velocidad, suponiendo que la masa de tu nave espacial no cambie. Puedes ver que al levantarse$0.95c$requiere 14 veces más energía que llegar a$0.5c$.

Sin embargo, es probable que sea mucho peor que eso en realidad. Para la mayoría de los métodos de propulsión necesitarás llevar más combustible contigo para alcanzar una mayor velocidad, y eso significa más masa, lo que significa más energía. Estas retroalimentaciones se combinan de manera explosiva, por lo que viajar un poco más rápido generalmente requiere una cantidad exponencialmente mayor de combustible. Esto se llama la tiranía de la ecuación del cohete , y generalmente no es tu amigo. No olvides que también se necesita energía para reducir la velocidad, ya que definitivamente no querrás viajar cerca de la velocidad de la luz cuando llegues a tu destino.

Si quieres ir aún más cerca de$c$tendrás que gastar aún más energía. viajando en$0.99c$requiere sobre$6.1$unidades de energía y$0.999c$requiere$21$. A medida que te acercas a$c$necesitará más y más energía para ganancias cada vez más pequeñas. acelerando a$c$en sí mismo requeriría una cantidad infinita de energía, por lo que no puedes hacerlo.

La otra gran diferencia entre$0.5c$y$0.95c$son las colisiones con el polvo espacial y otras partículas. El espacio está casi vacío, pero si te encuentras con un pequeño grano de polvo de arena en$0.5c$golpeará como una tonelada de bomba nuclear de TNT. ¹ Un objeto más grande, con una masa de alrededor de 1 kg, sería comparable a una bomba nuclear. A$0.95c$golpeará con 14 veces la energía, debido una vez más a la mayor energía cinética. Tales colisiones son inevitables en un viaje entre estrellas, por lo que la mayoría de los conceptos serios para el viaje interestelar tienen un escudo enorme y voluminoso frente a ellos, para protegerse contra esto. Cuanto más te acerques a c, más protección necesitarás contra las colisiones, lo que agrega más masa, lo que nuevamente requiere exponencialmente más combustible debido a la ecuación del cohete.

En conclusión, todo lo que dices en tu pregunta es básicamente correcto. Nada te impide ir tan rápido como quieras con suficiente tiempo, combustible y distancia, pero estas consideraciones prácticas significan que hay una gran diferencia en la cantidad de tecnología y costo entre viajar entre estrellas$0.5c$y$0.95c$.

¹ _{Mi conjetura inicial estaba muy equivocada, mis disculpas. Wolfram|alpha es una herramienta útil para hacer este tipo de cálculos, y debería haberlo probado en primer lugar. Aunque las energías involucradas son más pequeñas de lo que esperaba, la colisión con granos de polvo a velocidades relativistas liberará una cascada de partículas subatómicas, y la radiación de esto es probablemente más peligrosa que la liberación inicial de energía. Aunque no soy un experto en estas cosas.}

El porcentaje de la velocidad de la luz que vas no es realmente una función de cuán "avanzado" eres. Siempre que tenga una masa de reacción para el empuje (o cualquiera que sea su método particular de aceleración), puede acercarse arbitrariamente a la velocidad de la luz. Obviamente, necesitas un nivel técnico mínimo para poder volar en el espacio y navegar largas distancias.

Por lo tanto, el límite de la velocidad a la que vas se basa principalmente en el diseño particular de tu motor, cualquier sistema de motivo externo y la cantidad de masa de reacción que llevas, todo lo cual es relativo a la masa total de la nave que estás usando. Pero estos elementos de tecnología no corresponden a la velocidad práctica de un barco.

Así que no puedes mirar una nave que viaja al 75% de la velocidad de la luz y juzgar nada sobre el nivel tecnológico de las personas que la fabricaron basándote únicamente en eso. Tal vez tenían un acelerador magnético estacionario en su sistema de lanzamiento y confían en la propulsión de alto impulso para reducir la velocidad. Eso no es particularmente superior en tecnología que alguien que usa propulsión de bajo impulso durante un período prolongado para lograr la misma velocidad.

La página de Wikipedia sobre la dilatación del tiempo tiene un gran gráfico .

Cuando agrega más energía con cualquier propulsor (suponiendo una masa de reacción abundante o un Isp loco), a medida que se acerca a la velocidad de la luz, menos energía entra en su velocidad relativa y más se derrama en los efectos de dilatación del tiempo. En el gráfico, parece que empiezas a ver algunas pérdidas importantes en Δv por encima de 0,3c. Por encima de 0.9c, la mayor parte de la energía del empuje continuo se destina a la dilatación del tiempo y no a llegar a ningún lado más rápido, y luego tendrá que desacelerar, lo que equivale a una gran cantidad de combustible desperdiciado.

Entonces, por encima de 0.8-0.9c, no hay ninguna ventaja en tratar de ir más rápido. Cualquier límite por debajo de eso estará estrictamente limitado por la cantidad de combustible que puede transportar (o encontrar, si va en la dirección de ramscoop donde usa una entrada magnética para capturar y fusionar hidrógeno interestelar), la eficiencia de sus motores y la relación entre la aceleración y la distancia entre los puntos inicial y final. Por ejemplo, podría tener motores de muy alta eficiencia pero muy bajo empuje para viajes interestelares, por lo que puede necesitar varios años luz para llegar a 0.8c. En este caso, su velocidad promedio sería más baja para saltos "cortos" como de Sol a Alpha Centari, y se acercaría a la velocidad de crucero de 0.8c a medida que realiza viajes muy largos.

Como dispositivo de trama, cualquier tipo de carrera en el rango de 0.8-0.99c donde valga la pena quemar cantidades increíbles de recursos para ganar unos días u horas en la competencia podría ser interesante.

Más rápido que la luz es el gran salto porque con nuestra física actual, nadie sabe cómo hacerlo. Con cualquier método de propulsión conocido, simplemente perderíamos aceleración y velocidad debido al efecto de dilatación del tiempo. Cualquier método FTL va a tener que abandonar la Ciencia y apoyarse en la Ficción.

Supongo que cuando te refieres a la velocidad, te refieres a la relación con la tierra o algún otro planeta, ya que toda velocidad es relativa. No hay una gran diferencia entre llegar a diferentes velocidades sublumínicas, simplemente se requiere más empuje para ir más rápido.

Sin embargo, tenga en cuenta que al acercarse a la velocidad de la luz, los efectos de la dilatación del tiempo se vuelven muy notables. Un viaje de cuatro años luz puede llevar algunos años para las personas de su nave, pero siglos para todos los demás en el planeta desde el que partieron. En realidad, nada puede ir más rápido que la luz, ya que esto significaría ir a una velocidad teóricamente infinita y hacer que retrocedas en el tiempo. Sin embargo, es posible que desee examinar la unidad de Alcubierre , una unidad de deformación teórica que crea una burbuja de espacio-tiempo, contrayendo el espacio por delante y expandiéndolo por detrás. Esto significa que la nave técnicamente no se mueve en absoluto y le permitiría viajar a cualquier velocidad sin dilatación del tiempo. Por supuesto, hay muchos problemas con él, como los requisitos de energía y la radiación, pero podría funcionar para su historia.

Básicamente, la mayor diferencia tecnológica es si su civilización ha descubierto o no una manera de ir más rápido que la luz.

Apuesto a que hay una diferencia

• En 1804 , la primera locomotora de rieles a vapor podía acelerar a 5 mph.

• Steam mejoró en 1830 cuando el Stephenson Rocket alcanzó una velocidad de 30 mph.

• En 1848, el vapor, o debería decir, el ferrocarril , había alcanzado las 60 mph. Llevó casi 100 años llegar a las 100 mph. Durante todo este tiempo, la tecnología para mover el correo fue cambiando y mejorando. Steam alcanzó su punto máximo en 1938 con 126 mph.

• Luego la tecnología cambió y se introdujo el diésel. En 1936, el diesel alcanzó las 127 mph. Para 1980 era de hasta 152 mph.

• Luego, la tecnología volvió a cambiar, y hoy tenemos trenes de levitación magnética que alcanzan un máximo de 375 mph.

Mi punto es que hay una ENORME diferencia tecnológica entre 0.5c y 1.0c.

Estoy ignorando por completo la comprensión actual de la física. La historia mundial ha demostrado una y otra vez que la comprensión "actual" impone pocos límites reales. Dichos límites tienden a ser superados por la comprensión del "mañana". Una vez que la humanidad pueda construir una nave que pueda alcanzar 0.5c, es muy probable que habremos descubierto la física detrás de llegar a 1.0c. Cualquiera que le diga "... no se puede hacer, porque..." está olvidando que la gente de hace 100 años decía lo mismo sobre muchas de las tecnologías que disfrutamos hoy.

Sin embargo, cuando pregunta, "...cuál es la diferencia tecnológica...", esa es una pregunta que nadie aquí puede responder. Nos está pidiendo que postulemos el funcionamiento de una tecnología que no existe ni en nuestros sueños más descabellados, y luego extrapolemos a partir de esa ignorancia si la velocidad de la luz representa o no una barrera infranqueable.

¡Recuerda! Los científicos realmente pensaron que la barrera del sonido era infranqueable hasta que descubrimos cómo hacerlo y Chuck Yeager realmente lo hizo . Hoy, no podemos ver cómo superar la barrera de la velocidad de la luz... pero hemos cruzado una barrera una vez antes. No me sorprendería en absoluto que lo volviéramos a hacer. Solo se necesita una mejor comprensión del problema de la que tenemos hoy. Lamentablemente, es costumbre de las personas orientadas hacia la ciencia creer que lo que entendemos hoy es todo lo que hay y todo lo que habrá. La historia les ha demostrado que estaban equivocados una y otra vez... pero lo creen de todos modos.

Entonces, estarás inventando la "tecnología" que tu historia necesita para adaptarse a los viajes espaciales, pero para responder a tu pregunta del título, ¡sí! Tiene sentido razonable decir, "esa especie solo puede alcanzar 0.25c". como una referencia a su nivel tecnológico general. De hecho, este tipo de referencia ya se ha utilizado en Star Trek, donde algunas especies solo son capaces de "warp 4" mientras que otras son capaces de "warp 7" y son especies que no tienen capacidad de warp porque Clarkian Magic te haría parecen dioses y eso se considera mala deportividad.

Suponiendo que una civilización tenga la capacidad de construir naves espaciales diseñadas para viajar de un sistema solar a otro, ¿cuál es la diferencia tecnológica entre viajar al 50 % de la velocidad de la luz y viajar al 100 % de la velocidad de la luz (o casi)?

Yo diría que bastante significativo. Para alcanzar una velocidad de X, necesita obtener una energía cinética de mX ² y esa energía, sea cual sea su sistema de propulsión , proviene en última instancia del combustible . Pero dado que necesita tener el combustible con usted, esa es más masa que necesita tener con usted cuando comience. Al final, es una cuestión de densidad de energía .

Entonces, las velocidades relativistas ofrecen dos desafíos importantes que su tecnología debe superar:

• cualquier cosa en el espacio (polvo, arena, protones perdidos, moléculas de gas, basura) en su trayectoria se convierte en un proyectil que golpea a velocidades relativistas. Tienes que ser capaz de ubicar tales obstáculos lo suficientemente lejos y tal vez maniobrar lo suficientemente rápido para evitarlos o sobrevivir a los impactos más pequeños.

• a velocidades relativistas, el tiempo del reloj de tu barco se ralentiza. Esto significa que tiene incluso menos tiempo para detectar obstáculos, menos tiempo para reaccionar, menos tiempo para maniobrar.

Al 99% c, envías un pulso a la velocidad de la luz hacia un guijarro de medio kilo que flota un millón de kilómetros frente a ti. El pulso tarda 3 segundos en llegar al guijarro; en esos tres segundos has recorrido unos 895.000 km y estás a 105.000 km del guijarro. El pulso vuelve y lo detectas cuando estás a menos de 10.000 km del guijarro. Para mover un espacio de s = 50 metros fuera de su ruta, mantenga la desaceleración relativista, tiene alrededor de t = 0,03 segundos. Dado que$s = \frac{1}{2}at^2$, esto da$a=\frac{2s}{t^2}$= nueve mil gravedades .

Entonces: o tienes tecnología para sobrevivir a aceleraciones de dos órdenes de magnitud por encima de lo letal, y tecnología de detección capaz de ubicar la posición y la velocidad de un guijarro a un millón de kilómetros de distancia; o un rango de detección proporcionalmente mayor; o la capacidad de sobrevivir al impacto, y una piedra de medio kilo a .99c tiene el mismo efecto que una bomba de fusión de varios megatones.

Y entonces, ¿qué tipo de salto tecnológico se requiere para ir más allá de la velocidad de la luz?

El tipo imposible , por todo lo que sabemos. Es una especie de carrera del Corredor Chino: cada salto tecnológico que hagas reducirá a la mitad la distancia que te separa de la velocidad de la luz. Entonces pasas de 50%c a 75%, a 87.5%, 93.75%... pero nunca llegarás a c (la respuesta del Ingeniero en el chiste es "Sí, amigo, pero solo necesito acercarme lo suficiente ).

Así que viajar 4 años luz lleva 4 años a la velocidad de la luz.

Bueno... en realidad, 4 años luz a la velocidad de la luz no lleva nada de tiempo, si estás a bordo de la nave. Contracción del tiempo de nuevo. Eso podría ser una ventaja.

Por supuesto, alcanzar la velocidad de la luz lo suficientemente cerca lleva tiempo.

¿Tendría sentido decir "Solo estamos lo suficientemente avanzados como para ir al x% de la velocidad de la luz"?

Sí, tiene mucho sentido.

¿Algo realmente detendría a cualquiera que se acercara a la velocidad de la luz dado suficiente combustible y distancia para alcanzar esa velocidad?

En cierto punto, los efectos exóticos se vuelven observables y comienzan a activarse. El más relevante es probablemente el efecto Doppler-Zatsepin, mediante el cual se observa el omnipresente fondo de microondas desplazado hacia el azul hacia niveles energéticos más altos. En otras palabras, mires donde mires , ves un láser de rayos gamma disparándote a quemarropa con energía suficiente para fotodesintegrar la nave. Este fenómeno limita la distancia recorrida por una partícula suficientemente rápida a lo que se denomina límite GZK . Acelerar aún más lo expondrá a un efecto diferente pero igualmente desagradable: la temperatura del vacío parecerá aumentar.

Entonces, el viaje relativista está de moda, pero desgasta :-)

Hay un término crucial en su pregunta que tal vez necesite explorar. No preguntas en términos de 'cualquier cosa' sino en términos de 'cualquiera'. Es decir, ¿puede un HUMANO viajar tan rápido?

Realmente no tenemos absolutamente ningún dato sobre cómo funcionaría cualquier proceso biológico a esa velocidad, y mucho menos un ser humano. El truco es que tenemos que ACELERAR a esa velocidad. Sabemos que los vuelos espaciales tienen repercusiones en el cuerpo humano y en la biología. NO sabemos si estos efectos son acumulativos.

Como analogía, considere un cambio en la temperatura. Las ranas se congelarán hasta morir con un lento descenso de la temperatura, sin sentirlo. Los humanos, por otro lado, muestran reacciones fisiológicas para mantener una temperatura corporal específica. ¿Podría, de alguna manera, la aceleración constante a una velocidad cada vez más rápida tener un efecto biológico? no lo sabemos Ningún ser humano ha acelerado hasta tal velocidad.

Sabemos casi con certeza que la biología depende de los efectos cuánticos. Tunelización cuántica, por ejemplo, en el transporte de electrolitos a través de la célula y en la fotosíntesis. ¿Se alterarán de alguna manera los efectos cuánticos?

Entonces, ¿qué sucede con la biología humana, o la biología en general, si el organismo está sujeto a una aceleración constante que da como resultado una velocidad cercana a la de una partícula sin masa? ¿Están los humanos adaptados para operar de manera óptima en un entorno de un rango de aceleración y velocidad típico de la Tierra, y tendríamos una dificultad extrema para adaptarnos a cualquier otro entorno?

Entonces, en respuesta a su pregunta, sí, es posible que los humanos (no las cosas) puedan tener limitaciones para ir tan rápido, y estas limitaciones deberían abordarse con tecnología más allá de la que tenemos actualmente.

EDITAR

Encontré la referencia que, en parte, aborda esto.

La velocidad mata: los vuelos espaciales altamente relativistas serían fatales para los pasajeros y los instrumentos

Desafortunadamente, a medida que las velocidades de las naves espaciales se acercan a la velocidad de la luz, el hidrógeno interestelar H2, aunque solo está presente en una densidad de aproximadamente 1,8 átomos/cm3, se convierte en una radiación intensa que mataría rápidamente a los pasajeros y destruiría la instrumentación electrónica. Además, la pérdida de energía de la radiación ionizante que atraviesa el casco del barco representa una carga de calor creciente que requiere grandes gastos de energía para enfriar el barco.

Asumiendo que la velocidad de la luz es la barrera real, ¿algo realmente detendría a cualquiera que se acerque a la velocidad de la luz con suficiente combustible y distancia para alcanzar esa velocidad?

Estoy bastante seguro de que la respuesta al espíritu de su pregunta es simplemente "no" .

1. Digamos que va a cualquier velocidad, sea cual sea. Cualquier velocidad. Para ir más rápido, simplemente coloque un cohete en la parte posterior y encienda una cerilla. Una vez más, no importa a qué velocidad vayas , para ir más rápido solo tienes que disparar un cohete. No hay absolutamente ninguna diferencia en absoluto, en absoluto, en los fundamentos.

2. En cuanto a viajar a la velocidad de la luz, como un fotón (o más rápido que la velocidad de la luz). Esto es absolutamente imposible, basado en nuestra actual comprensión más profunda de las matemáticas.

Con respecto al punto 1, por supuesto, obviamente, es posible que necesite cohetes asombrosamente grandes y otras dificultades de ingeniería asombrosas. (¡Es posible que necesite motores de fusión! o de antimateria! para producir grandes cantidades de electricidad, lo que sea. Seguramente necesitaría algún tipo de tecnología láser asombrosa para eliminar cualquier micropartícula que se encuentre frente a usted, etc. etc. )

Una vez más, gracias Einstein: cualquier velocidad, sea la que sea, es idéntica a ninguna velocidad . No hay absolutamente ninguna diferencia entre la velocidad y la ausencia de velocidad.

(Tenga en cuenta que, de hecho, nuestro planeta (de hecho, nuestro grupo galáctico) avanza a una velocidad asombrosa; cuando despegamos hacia la luna simplemente "añadimos velocidad": la velocidad "original" (asombrosa) del planeta no significa absolutamente nada. )

La velocidad y la no-velocidad son lo mismo.

En contraste, punto 2, viajar a la velocidad de la luz (o más alta) es total y absolutamente diferente, lo que requiere conceptos matemáticos básicos completamente nuevos, total y completamente desconocidos para nosotros.