Poimuajot: fyysikot antavat mahdollisuudelle valoa nopeampaan avaruusmatkailuun Boostin

Mario Borunda, Oklahoman osavaltionyliopisto

Maata lähin tähti on Proxima Centauri. Se on noin 4,25 valovuoden päässä eli noin 40 biljoonaa kilometriä. Kaikkien aikojen nopein avaruusalus, nyt avaruudessa oleva Parker-Aurinkoluotain saavuttaa 450 000 mailin eli 724 000 kilometrin tuntinopeuden. Matka Los Angelesista New Yorkiin tällä nopeudella kestäisi vain 20 sekuntia, mutta aurinkoluotaimelta kestäisi noin 6 633 vuotta päästä maan lähimpään naapurikuntaan.

jos ihmiskunta haluaa joskus matkustaa helposti tähtien välillä, ihmisten on kuljettava valoa nopeammin. Toistaiseksi valoa nopeampi matkustaminen on kuitenkin mahdollista vain tieteiskirjallisuudessa.

Isaac Asimovin säätiö-sarjassa ihmiskunta voi matkustaa planeetalta toiselle, tähdeltä toiselle tai universumin halki hyppymoottoreiden avulla. Lapsena luin niitä tarinoita niin paljon kuin sain käsiini. Olen nyt teoreettinen fyysikko ja opiskelen nanoteknologiaa, mutta minua kiehtoo edelleen se, miten ihmiskunta voisi jonain päivänä matkustaa avaruudessa.

jotkut hahmot – kuten astronautit elokuvissa “Interstellar” ja “Thor” – käyttävät madonreikiä matkatakseen aurinkokuntien välillä sekunneissa. Toinen “Star Trek” – faneille tuttu lähestymistapa on poimuajotekniikka. Poimuajot ovat teoriassa mahdollisia, jos tekniikka on vielä kaukaa haettua. Kaksi tuoretta artikkelia nousi otsikoihin maaliskuussa, kun tutkijat väittivät voittaneensa yhden niistä monista haasteista, jotka seisovat poimuajo-teorian ja todellisuuden välillä.

mutta miten nämä teoreettiset poimuajot oikeasti toimivat? Hyppäävätkö ihmiset poimunopeuteen lähiaikoina?

puristus ja laajeneminen

fyysikoiden nykyinen käsitys aika-avaruudesta tulee Albert Einsteinin yleisestä suhteellisuusteoriasta. Yleisen suhteellisuusteorian mukaan aika ja avaruus ovat fuusioituneet, eikä mikään voi kulkea valonnopeutta nopeammin. Yleinen suhteellisuusteoria kuvaa myös sitä, miten massa ja energia poimu – aika-avaruus-mojovat kappaleet, kuten tähdet ja mustat aukot, kiertävät aika-avaruutta ympärilleen. Tämä kaarevuus on se, mitä tunnet painovoimana ja miksi monet avaruuskävelyn sankarit ovat huolissaan “juuttumisesta” tai “putoamisesta” painovoimakaivoon. Varhaiset tieteiskirjailijat John Campbell ja Asimov näkivät tämän vääntämisen keinona kiertää nopeusrajoituksia.

mitä jos tähtilaiva voisi pakata avaruutta sen eteen samalla kun avaruus laajenee sen takana? “Star Trek” otti idean ja nimesi sen poimuajoksi.

vuonna 1994 Meksikolainen teoreettinen fyysikko Miguel Alcubierre osoitti, että aika-avaruuden puristaminen avaruusaluksen eteen ja sen taakse laajentaminen oli matemaattisesti mahdollista yleisen suhteellisuusteorian lakien puitteissa. Mitä se tarkoittaa? Kuvittele kahden pisteen välinen etäisyys on 10 metriä (33 jalkaa). Jos seisot pisteessä A ja voit kulkea metrin sekunnissa, se veisi 10 sekuntia päästä pisteeseen B. kuitenkin, sanotaan voit jotenkin pakata väli sinun ja pisteen B niin, että väli on nyt vain yksi metri. Kun sitten liikut aika-avaruuden läpi maksiminopeudellasi yksi metri sekunnissa, pääsisit pisteeseen B noin sekunnissa. Teoriassa tämä lähestymistapa ei ole ristiriidassa suhteellisuusteorian lakien kanssa, koska et liiku ympäröivässä tilassa valoa nopeammin. Alcubierre osoitti, että “Star Trekin” poimuajo oli itse asiassa teoriassa mahdollinen.

Proxima Centauri here we come, right? Valitettavasti Alcubierren menetelmässä aika-avaruuden puristamisessa oli yksi ongelma: se vaatii negatiivista energiaa tai negatiivista massaa.

negatiivinen energiaongelma

Alcubierren poimuajo toimisi luomalla litteän aika-avaruuden kuplan avaruusaluksen ympärille ja kaartamalla aika-avaruus tuon kuplan ympärille etäisyyksien lyhentämiseksi. Poimuajo vaatisi toimiakseen joko negatiivisen massan – teoretisoidun aineen tyypin-tai negatiivisen energiatiheyden renkaan. Fyysikot eivät ole koskaan havainneet negatiivista massaa, joten negatiivinen energia jää ainoaksi vaihtoehdoksi.

negatiivisen energian luomiseksi poimuajo käyttäisi valtavan määrän massaa luomaan epätasapainon hiukkasten ja antihiukkasten välille. Jos esimerkiksi elektroni ja antielektron ilmestyvät poimuajon lähelle, jokin hiukkasista jää massan vangiksi, mikä johtaa epätasapainoon. Tämä epätasapaino johtaa negatiiviseen energiatiheyteen. Alcubierren poimuajo käyttäisi tätä negatiivista energiaa luodakseen aika-avaruuskuplan.

mutta jotta poimuajo tuottaisi tarpeeksi negatiivista energiaa, tarvittaisiin paljon ainetta. Alcubierre arvioi, että poimuajo, jossa on 100 metrin kupla, vaatisi koko näkyvän maailmankaikkeuden massan.

vuonna 1999 fyysikko Chris Van Den Broeck osoitti, että tilavuuden laajentaminen kuplan sisällä mutta pinta-alan pitäminen vakiona vähentäisi energiantarvetta merkittävästi, lähes auringon massaan. Merkittävä parannus, mutta silti paljon yli kaikkien käytännön mahdollisuuksien.

scifi-tulevaisuus?

kaksi tuoretta kirjaa – toinen Aleksei Bobrickin ja Gianni Martiren ja toinen Erik Lentzin – tarjoavat ratkaisuja, jotka näyttävät tuovan poimuajot lähemmäksi todellisuutta.

Bobrick ja Martire tajusivat, että muuttamalla aika-avaruutta kuplan sisällä tietyllä tavalla, he voisivat poistaa tarpeen käyttää negatiivista energiaa. Tämä ratkaisu ei kuitenkaan tuota poimuajoa, joka kulkisi valoa nopeammin.

itsenäisesti Lentz ehdotti myös ratkaisua, joka ei vaadi negatiivista energiaa. Hän käytti erilaista geometrista lähestymistapaa yleisen suhteellisuusteorian yhtälöiden ratkaisemiseen, ja näin tehdessään hän havaitsi, että poimuajossa ei tarvitsisi käyttää negatiivista energiaa. Lentzin ratkaisu mahdollistaisi kuplan kulkemisen valonnopeutta nopeammin.

on tärkeää huomauttaa, että nämä jännittävät kehityskulut ovat matemaattisia malleja. Fyysikkona en luota täysin malleihin ennen kuin meillä on kokeellisia todisteita. Poimuajoon liittyvä tiede on kuitenkin tulossa esiin. Tieteisfanina suhtaudun myönteisesti kaikkeen tähän innovatiiviseen ajatteluun. Kapteeni Picardin sanoin:

asiat ovat mahdottomia vain, kunnes eivät ole.

Mario Borunda, Oklahoman osavaltionyliopiston fysiikan apulaisprofessori

tämä artikkeli on julkaistu uudelleen keskustelusta Creative Commons-lisenssillä. Lue alkuperäinen artikkeli.

Bottom line: Jos ihmiskunta haluaa matkustaa tähtien välillä, ihmisten on matkustettava valoa nopeammin. Uusien tutkimusten mukaan voisi olla mahdollista rakentaa poimuajot ja ylittää galaktinen nopeusrajoitus.