kædedrev: fysikere giver chancer for hurtigere end lys rumrejse et løft

af Mario Borunda, Oklahoma State University

den nærmeste stjerne til Jorden er proksima Centauri. Det er omkring 4,25 lysår væk, eller omkring 25 billioner miles (40 billioner km). Det hurtigste rumfartøj nogensinde, den nu-i-rum Parker Solar Probe vil nå en tophastighed på 450.000 miles (724.000 km) i timen. Det ville tage kun 20 sekunder at gå fra Los Angeles til Ny York City med den hastighed, men det ville tage solsonden omkring 6.633 år at nå Jordens nærmeste nabosolsystem.

hvis menneskeheden nogensinde vil rejse let mellem stjerner, skal folk gå hurtigere end lys. Men indtil videre er hurtigere end let rejse kun mulig inden for science fiction.

i Isaac Asimovs Foundation-serie kan menneskeheden rejse fra planet til planet, stjerne til stjerne eller på tværs af universet ved hjælp af springdrev. Som barn, jeg læste så mange af disse historier, som jeg kunne få mine hænder på. Jeg er nu en teoretisk fysiker og studerer nanoteknologi, men jeg er stadig fascineret af, hvordan menneskeheden en dag kunne rejse i rummet.

nogle tegn – som astronauterne i filmene “Interstellar” og “Thor” – bruger ormehuller til at rejse mellem solsystemer på få sekunder. En anden tilgang – kendt for “Star Trek” fans – er kædedrevsteknologi. Kædedrev er teoretisk muligt, hvis det stadig er langt hentet teknologi. To nylige papirer skabte overskrifter i marts, da forskere hævdede at have overvundet en af de mange udfordringer, der står mellem teorien om kædedrev og virkelighed.

men hvordan fungerer disse teoretiske kædedrev virkelig? Og vil Mennesker gøre springet til kædehastighed når som helst snart?

kompression og ekspansion

fysikers nuværende forståelse af rumtid kommer fra Albert Einsteins teori om generel relativitet. Generel relativitet siger, at rum og tid er smeltet sammen, og at intet kan rejse hurtigere end lysets hastighed. Generel relativitet beskriver også, hvordan masse – og energikæde rumtid-heftige genstande som stjerner og sorte huller kurver rumtid omkring dem. Denne krumning er, hvad du føler som tyngdekraft, og hvorfor mange rumfarende helte bekymrer sig om at “sidde fast i” eller “falde i” en tyngdekraftbrønd. Tidlige science fiction forfattere John Campbell og Asimov så denne vridning som en måde at skørt hastighedsgrænsen på.

hvad hvis et stjerneskib kunne komprimere plads foran det, mens det udvidede rumtid bag det? “Star Trek” tog denne ide og kaldte den kædedrevet.

i 1994 viste Miguel Alcubierre, en teoretisk fysiker, at komprimering af rumtid foran rumskibet, mens udvidelse af det bagved, var matematisk muligt inden for lovene om generel relativitet. Så, hvad betyder det? Forestil dig afstanden mellem to punkter er 10 meter (33 fod). Hvis du står ved punkt A og kan rejse en meter i sekundet, ville det tage 10 sekunder at komme til punkt B. Lad os dog sige, at du på en eller anden måde kunne komprimere mellemrummet mellem dig og punkt B, så intervallet nu kun er en meter. Når du bevæger dig gennem rumtiden med din maksimale hastighed på en meter i sekundet, vil du være i stand til at nå punkt B på cirka et sekund. I teorien er denne tilgang ikke i modstrid med relativitetslovene, da du ikke bevæger dig hurtigere end lys i rummet omkring dig. Alcubierre viste, at kædedrevet fra “Star Trek” faktisk var teoretisk muligt.

proksima Centauri her kommer vi, ikke? Desværre havde Alcubierres metode til komprimering af rumtid et problem: det kræver negativ energi eller negativ masse.

et negativt energiproblem

Alcubierres kædedrev ville fungere ved at skabe en boble af flad rumtid omkring rumskibet og buede rumtid omkring den boble for at reducere afstande. Kædedrevet ville kræve enten negativ masse – en teoretiseret type stof-eller en ring med negativ energitæthed for at arbejde. Fysikere har aldrig observeret negativ masse, så det efterlader negativ energi som den eneste mulighed.

for at skabe negativ energi ville et kædedrev bruge en enorm mængde masse til at skabe en ubalance mellem partikler og antipartikler. For eksempel, hvis en elektron og en antielektron vises nær kædedrevet, ville en af partiklerne blive fanget af massen, og dette resulterer i en ubalance. Denne ubalance resulterer i negativ energitæthed. Alcubierres kædedrev ville bruge denne negative energi til at skabe rumtidsboblen.

men for et kædedrev for at generere nok negativ energi, ville du have brug for meget stof. Alcubierre vurderede, at et kædedrev med en 100 meter boble ville kræve massen af hele det synlige univers.

i 1999 viste fysikeren Chris Van Den Broeck, at udvidelse af volumenet inde i boblen, men at holde overfladearealet konstant, ville reducere energibehovet betydeligt til næsten Solens masse. En betydelig forbedring, men stadig langt ud over alle praktiske muligheder.

en sci-fi fremtid?

to nylige artikler – en af Aleksey Bobrick og Gianni Martire og en anden af Erik Lentse – giver løsninger, der ser ud til at bringe kædedrev tættere på virkeligheden.

Bobrick og Martire indså, at de ved at ændre rumtiden i boblen på en bestemt måde kunne fjerne behovet for at bruge negativ energi. Denne løsning producerer dog ikke et kædedrev, der kan gå hurtigere end lys.

uafhængigt foreslog Lentse også en løsning, der ikke kræver negativ energi. Han brugte en anden geometrisk tilgang til at løse ligningerne af generel relativitet, og ved at gøre det fandt han, at et kædedrev ikke behøvede at bruge negativ energi. Løsningen ville gøre det muligt for boblen at bevæge sig hurtigere end lysets hastighed.

det er vigtigt at påpege, at disse spændende udviklinger er matematiske modeller. Som fysiker vil jeg ikke fuldt ud stole på modeller, før vi har eksperimentelle beviser. Endnu, videnskaben om kædedrev kommer til syne. Som science fiction-fan glæder jeg mig over al denne innovative tænkning. Med ordene fra kaptajn Picard:

ting er kun umulige, indtil de ikke er det.

Mario Borunda, lektor i fysik, Oklahoma State University

denne artikel genudgives fra samtalen under en Creative Commons-licens. Læs den oprindelige artikel.

bundlinie: hvis menneskeheden ønsker at rejse mellem stjerner, bliver folk nødt til at rejse hurtigere end lys. Ny forskning tyder på, at det kan være muligt at bygge kædedrev og slå den galaktiske hastighedsgrænse.