اگر هواپیما سریعتر از چرخش زمین باشد، چه میشود؟

به گزارش مجله خبری نگار/این پدیده‌ جذاب ماحصل عبور از خط بین‌المللی زمان (International Date Line یا IDL) است؛ خطی فرضی در نصف‌النهار ۱۸۰ درجه که مرز بین دو تقویم مجزا را مشخص می‌کند. به عنوان مثال در سناریوی پرواز از سانفرانسیسکو به توکیو، مسافر عملاً یک روز کامل را از دست می‌دهد. فرض کنید پروازی که در ساعت پنج عصر پنجشنبه به وقت محلی کالیفرنیا آغاز شده و تنها ۱۱ ساعت پرواز فیزیکی طول کشیده، در ساعت هشت شب جمعه به وقت توکیو به زمین می‌نشیند. با وجود اینکه مسافر تنها برای کمی بیش از ده ساعت در هوا بوده، در ساعت رسمی مقصد ۲۷ ساعت از زمان پرواز مبدأ گذشته است. این اختلاف فاحش، نتیجه جمع شدن زمان پرواز با اختلاف فاحش ۱۷ ساعته منطقه زمانی بین این دو شهر است، اما این اختلاف زمانی تنها با عبور از خط تاریخ ۱۸۰ درجه است که به صورت رسمی کالیبره شده و روز تقویمی را به جلو پرتاب می‌کند. اما مسیر مخالف، یعنی پرواز از غرب به شرق، این بازی زمانی را به اوج خود می‌رساند و پدیده‌ای را خلق می‌کند که به آن «تکرار زمان» می‌گویند. تصور کنید پروازی تجاری در ساعات ابتدایی روز اول ژانویه از توکیو (به وقت محلی) برخیزد و پس از طی مسافت، در عصر روز ۳۱ دسامبر به سانفرانسیسکو برسد. با عبور از IDL، مسافر عملاً وارد یک روز تقویمی می‌شود که آن را پشت سر گذاشته بود و این امکان را فراهم می‌کند که دو بار مراسم جشن سال نو را در آسیا و آمریکای شمالی تجربه کند. این تجربه در حالی که کاملاً واقعی به نظر می‌رسد، نه یک سفر واقعی در چارچوب فیزیک زمان بلکه یک ساختار جغرافیایی است که انسان‌ها برای نظم‌دهی به تقویم جهانی ایجاد کرده‌اند. این مقدمه ما را به یک پرسش جذاب‌تر در حوزه فیزیک حرکت می‌رساند و ناخودآگاه از خود می‌پرسیم چه اتفاقی رخ می‌دهد اگر یک هواپیما به اندازه‌ای سریع باشد که بتواند از سرعت چرخش خود زمین پیشی بگیرد؟ فهرست مطالب سرعت لازم برای خنثی کردن چرخش زمین در خط استوا تلاش بریتانیا برای پیشی گرفتن از سرعت چرخش سیاره سفر ۱۲ ساعته به دور دنیا با پرنده سیاه لاکهید رکورد بی‌نظیر هواپیمای کنکورد در تعقیب کسوف کامل کنکورد چگونه در سال ۲۰۰۳ بازنشسته شد؟ سرعت لازم برای خنثی کردن چرخش زمین در خط استوا نظریه نسبیت خاص اینشتین که بنیان‌های فیزیک کلاسیک را دگرگون کرد، بر این مفهوم استوار است که زمان یک مفهوم مطلق و ثابت برای تمامی ناظران نیست، بلکه یک بُعد انعطاف‌پذیر است که مستقیماً تحت تأثیر سرعت حرکت ناظر در فضا قرار می‌گیرد. این پدیده به عنوان اتساع زمان شناخته می‌شود و تنها مسیر معتبر و اثبات‌شده علمی برای سفر به آینده است. بدین ترتیب هر چقدر سرعت یک جسم متحرک به سرعت نور نزدیک‌تر شود، زمان برای آن جسم نسبت به ناظر ساکن (مانند فردی در زمین) کُندتر سپری خواهد شد. برای مثال، اگر فضانوردی می‌توانست تنها به مدت یک ماه زمینی با سرعتی بسیار نزدیک به سرعت نور در فضا سفر کند و سپس به زمین بازگردد، متوجه می‌شد که در کره زمین ۴۰ سال سپری شده است. در حالی که برای خود مسافر تنها ۳۰ روز گذشته، او ۴۰ سال به آینده سیاره ما پرتاب شده است. متأسفانه با توجه به قوانین فیزیک فعلی، دستیابی به سرعت نور یا حتی درصد قابل توجهی از آن برای هر جسم دارای جرم نیازمند انرژی بی‌نهایت بوده و در حال حاضر یک چالش مهندسی و فیزیکی غیرقابل حل است. در غیاب فناوری سرعت نور، می‌توان تجربه زمان را در مقیاس‌های کوچک‌تر و با تکیه بر حرکت مکانیکی سیاره دستکاری کرد. این نوع دستکاری نه یک تغییر فیزیکی در بُعد زمان، بلکه یک هم‌ترازی رصدی با حرکت وضعی زمین است. بیشتر بخوانید این جت پیشرفته به جای پنجره، به مسافران «دید فراطبیعی» می‌دهد آیا می‌دانستید طولانی‌ترین پرواز تاریخ بیش از ۲ ماه طول کشیده است؟ بزرگترین هواپیمای نظامی که تاکنون ساخته شده می‌تواند جنگنده‌ها و هلیکوپترها را حمل کند برای دستیابی به شرایطی که در آن خورشید در آسمان ثابت بماند، هواپیما باید دقیقاً با سرعتی برابر با سرعت چرخش زمین در جهت مخالف (به سمت غرب) پرواز کند. این وضعیت به معنای «انجماد زمان» از دید رصدی و باقی ماندن دائمی در نور یا تاریکی است. برای محاسبه سرعت لازم برای خنثی کردن چرخش زمین در نزدیکی خط استوا، باید محیط خط استوا را بر مدت زمان چرخش تقسیم کرد. با این محاسبه، سرعت خطی زمین در استوا ۱۶۶۹.۸ کیلومتر بر ساعت خواهد بود. هر هواپیمایی که بخواهد از این پدیده استفاده کند، باید سرعت ۱۶۶۹ کیلومتر بر ساعت را به سمت غرب حفظ کند. این سرعت به طور قابل توجهی بالاتر از سرعت صوت بوده که در سطح دریا ۱۲۲۴ کیلومتر بر ساعت یا ماخ ۱ است. اگر هواپیما بتواند از سرعت ۱۶۶۹ کیلومتر بر ساعت فراتر رود، مسافر عملاً سریع‌تر از خورشید به سمت غرب حرکت می‌کند و می‌تواند روز تقویمی را در کمتر از ۲۴ ساعت به پایان برساند. در این سناریو مسافر به ازای هر ساعت پرواز، بیش از یک ساعت از زمان محلی به عقب می‌رود. دستیابی به سرعت ۱۶۶۹ کیلومتر بر ساعت برای پیشی گرفتن یا هم‌تراز شدن با چرخش زمین، چالشی بزرگ برای هوانوردی تجاری است. هواپیماهای جت مسافربری معمولی در ارتفاع کروز با سرعتی در حدود ۸۸۵ تا ۹۶۵ کیلومتر بر ساعت پرواز می‌کنند که معادل ۰.۸ تا ۰.۸۵ ماخ است و کمتر از نصف مقدار لازم برای خنثی کردن چرخش زمین است. بدین ترتیب برای غلبه بر این محدودیت به هواپیماهای فراصوت نیاز است. تلاش بریتانیا برای پیشی گرفتن از سرعت چرخش سیاره نقطه عطف در تاریخ هوانوردی که پرواز با سرعت چرخش وضعی زمین (۱۶۷۰ کیلومتر بر ساعت) را به یک واقعیت مهندسی تبدیل کرد، با پروازهای پیشگامانه هواپیماهای آزمایشی بریتانیا رقم خورد. اولین نمونه‌ای که توانست از این سرعت فراتر رود، هواپیمای بریتانیایی فایری دلتا ۲ (Fairey Delta 2) بود که در سال ۱۹۵۶ میلادی به پرواز درآمد. این جنگنده آزمایشی با طراحی بال دلتا، برای آزمایشات پرواز مافوق صوت طراحی شده بود و توانست به حداکثر سرعت ۱۸۲۱ کیلومتر بر ساعت دست یابد. با این حال، فایری دلتا ۲ یک پروژه محدود بود و تنها دو فروند از آن تولید شد و هرگز به تولید انبوه یا استفاده گسترده عملیاتی نرسید. با وجود محدودیت‌های این طرح، موفقیت دلتا ۲ عصر جدیدی را در رقابت مافوق صوت آغاز کرد. پیشرفت‌های بعدی در این حوزه با چنان سرعتی دنبال شد که تنها ظرف یک دهه، نسل‌های بعدی هواپیماها به سرعت‌هایی دست یافتند که فایری دلتا ۲ در مقایسه با آن‌ها بسیار کند به نظر می‌رسید. سفر ۱۲ ساعته به دور دنیا با پرنده سیاه لاکهید اوج این دستاوردها با لاکهید اس‌آر-۷۱ بلک‌برد (Lockheed SR-71 Blackbird) محقق شد. این هواپیمای شناسایی با هدف پرواز با سرعتی چنان بالا طراحی شد که هیچ موشک زمین به هوا یا جنگنده رهگیری نتواند آن را سرنگون کند. اس‌آر-۷۱ در سرعت‌های کروز خود (بیش از ماخ ۳) با پدیده‌ای شدید به نام گرمایش آیرودینامیکی مواجه می‌شد. این اصطکاک شدید با مولکول‌های هوا، بدنه هواپیما را به شدت گرم می‌کرد. به عنوان مثال، یک جت که با سرعت ۳۲۱۸ کیلومتر بر ساعت (تقریباً ماخ ۲.۶) پرواز می‌کند، هوای اطرافش را تا بیش از ۵۳۷ درجه سانتیگراد گرم می‌کند. برای مقابله با این دمای وحشتناک، طراحان لاکهید به رهبری کلی جانسون مجبور به استفاده گسترده از آلیاژهای تیتانیوم در ساختار هواپیما شدند که تا آن زمان در هوانوردی بی‌سابقه بود. نام بلک‌برد (پرنده سیاه) نیز به دلیل پوشش رنگ مشکی ویژه‌ای که برای جذب، انتشار و دفع کارآمد گرمای تولید شده استفاده می‌شد، برای آن انتخاب شد. لاکهید اس‌آر-۷۱ بلک‌برد برای اولین بار در سال ۱۹۶۴ میلادی آزمایش شد و در سال ۱۹۶۶ به طور رسمی وارد خدمت نظامی نیروی هوایی ایالات متحده شد. همچنین بخوانید یک گودال عظیم و مرموز در قطب جنوب ایجاد شده است ایرباس A380؛ بزرگترین هواپیمای مسافربری جهان با ظرفیت 850 مسافر هوندا اولین جت تجاری با سوخت صد درصد پاک را به پرواز درآورد نقطه اوج شهرت سرعت این جت در سال ۱۹۷۶ میلادی ثبت شد که در یک پرواز خاص، بلک‌برد توانست به سرعت نهایی ۳۵۲۹ کیلومتر بر ساعت (معادل ماخ ۳.۳) دست پیدا کند، که تا به امروز سریع‌ترین سرعت ثبت شده توسط یک هواپیمای سرنشین‌دار با تنفس هوا باقی مانده است. این سرعت فوق‌العاده بدان معنا بود که اگر اس‌آر-۷۱ می‌توانست این سرعت را برای یک سفر بدون توقف به دور کره زمین حفظ کند، این سفر را در کمتر از ۱۲ ساعت به پایان می‌رساند. با این حال ارتش آمریکا در سال ۱۹۹۰ ناوگان اس‌آر-۷۱ را از خدمت فعال خارج کرد. با این وجود، لاکهید اس‌آر-۷۱ بلک‌برد همچنان به عنوان یک نماد بی‌بدیل از قدرت و نبوغ مهندسی در تاریخ هوانوردی جهان شناخته می‌شود. رکورد بی‌نظیر هواپیمای کنکورد در تعقیب کسوف کامل در حالی که پیشرفت‌های شگفت‌انگیز در مهندسی هوانوردی و دستیابی به سرعت‌های مافوق صوت عمدتاً تحت سلطه پروژه‌های نظامی مانند SR-71 Blackbird قرار داشت، هواپیمای مسافربری کنکورد این قاعده را تغییر داد. این هواپیمای مسافربری تجاری نتیجه یک همکاری پیچیده و جاه‌طلبانه میان آئرواسپاسیال فرانسه و شرکت هواپیماسازی بریتانیا بود. کنکورد در سال ۱۹۷۶ میلادی به طور رسمی تحت پرچم خطوط هوایی معتبر ایر فرانس و بریتیش ایرویز آغاز به کار کرد و به نمادی از تجمل، سرعت و پروازهای بین‌قاره‌ای فوق سریع تبدیل شد. کنکورد با توانایی خیره‌کننده خود در پرواز، توانست یک تجربه منحصر به فرد از «دستکاری رصدی زمان» را برای مسافرانش به ارمغان آورد. سرعت کروز متوسط این هواپیما ۲۱۶۴ کیلومتر بر ساعت (تقریباً ماخ ۲) بود که نه تنها بیش از دو برابر سرعت صوت، بلکه حدود ۴۸۲ کیلومتر بر ساعت سریع‌تر از سرعت خطی چرخش زمین در استوا بود. این برتری سرعت به خلبانان امکان می‌داد که در پروازهای طولانی به سمت غرب، طلوع یا غروب خورشید را برای مدت زمان قابل توجهی در آسمان ثابت نگه دارند یا حتی آن را معکوس کنند. نمونه این توانایی در ۳۰ ژوئن سال ۱۹۷۳ به نمایش گذاشته شد. در آن زمان مدل آزمایشی اولیه با نام کنکورد ۰۰۱، مأموریتی ویژه را برای تعقیب و رصد کسوف کامل خورشید آغاز کرد. این هواپیما که تیمی از دانشمندان و ستاره‌شناسان را در مسیر خود بر فراز شمال آفریقا حمل می‌کرد، با پرواز در امتداد سایه ماه توانست برای مدت زمان بی‌سابقه‌ای پدیده کسوف را مشاهده کند. در حالی که ناظران ساکن روی زمین تنها قادر بودند خورشید گرفتگی کامل را به مدت حداکثر ۷ دقیقه تماشا کنند، مسافران کنکورد با موفقیت ۷۴ دقیقه کامل در داخل سایه باقی ماندند. کنکورد چگونه در سال ۲۰۰۳ بازنشسته شد؟ با این حال عملکرد مافوق صوت این پرنده با چالش‌های عملیاتی و اقتصادی قابل توجهی همراه شد. هزینه‌های نگهداری، تعمیرات و به ویژه مصرف سوخت هواپیما فوق‌العاده بالا ارزیابی می‌شد و پروازهای آن تنها برای گروه بسیار کوچکی از مسافران ثروتمند مقرون به صرفه بود. علاوه بر این، موتورهای قدرتمند کنکورد سوخت بیشتری نسبت به هواپیماهای تجاری استاندارد مصرف می‌کردند و تولید گازهای گلخانه‌ای و انتشار آلاینده‌های بیشتری را به همراه داشتند. تمامی این عوامل اقتصادی و محیط زیستی در نهایت منجر به بازنشستگی رسمی ناوگان کنکورد در سال ۲۰۰۳ میلادی شد. هرچند کنکورد با سرعت ماخ ۲ می‌توانست به طور موقت از سرعت چرخش زمین پیشی بگیرد، اما دستیابی به رکورد دور زدن کامل کره زمین در کمتر از ۲۴ ساعت با موانع عملیاتی جدی از جلمه نیاز به سوخت‌گیری مکرر و قوانین نویز مافوق صوت همراه بود. بیشتر بخوانید چین از طرح مفهومی هواپیمای باری بدون سرنشین 60 تنی رونمایی کرد برخورد یک شی ناشناس با هواپیمای مسافربری در آسمان یوتا همه را شوکه کرد! هواپیمای هیبریدی جدید چین با سرعت ۳۸۰ کیلومتر و توان حمل ۶۰۰ کیلوگرم بار معرفی شد به دلیل ترکیب این محدودیت‌ها و نیاز به توقف‌های سوخت‌گیری متعدد، رکورد سریع‌ترین پرواز به دور زمین که توسط کنکورد ثبت شد، مربوط به سال ۱۹۹۵ است که یک جت کنکورد با حرکت به سمت شرق، سفر خود را از نیویورک آغاز و در همان نقطه به پایان رساند. این پرواز در مجموع ۳۱ ساعت و ۲۷ دقیقه به طول انجامید. در حال حاضر، چندین شرکت در حال کار بر روی نسل‌های جدیدی از هواپیماهای مسافربری مافوق صوت هستند که قادر خواهند بود با استفاده از فناوری‌های جدید و کاهش بوم صوتی، بدون شکستن قوانین محدودیت نویز، دوباره از سرعت صوت فراتر روند. این پیشرفت‌ها می‌توانند راه را برای احیای پروازهای سریع و هیجان‌انگیز تجاری هموار سازند و شاید در آینده‌ای نزدیک، امکان پروازی که واقعاً بتواند کره زمین را در کمتر از یک شبانه‌روز دور بزند، محقق شود.