Warp meghajtók: a fizikusok esélyt adnak a fénynél gyorsabb űrutazásra a boost

írta Mario Borunda, Oklahoma Állami Egyetem

a Földhöz legközelebbi csillag a Proxima Centauri. Körülbelül 4,25 fényévnyire van, vagyis körülbelül 25 billió mérföld (40 billió km). Az eddigi leggyorsabb űrhajó, a most az űrben lévő Parker Solar Probe óránként 450 000 mérföld (724 000 km) maximális sebességet fog elérni. Mindössze 20 másodpercbe telne Los Angelesből New Yorkba ilyen sebességgel menni, de a solar probe körülbelül 6633 évbe telne, hogy elérje a Föld legközelebbi szomszédos naprendszerét.

ha az emberiség valaha is könnyedén akar utazni a csillagok között, az embereknek gyorsabban kell menniük, mint a fény. De eddig a fénynél gyorsabb utazás csak a tudományos fantasztikában lehetséges.

Isaac Asimov Alapítvány sorozatában az emberiség utazhat bolygóról bolygóra, csillagról csillagra vagy az univerzumon keresztül ugróhajtóművek segítségével. Gyerekként annyi történetet olvastam, amennyit csak tudtam. Most elméleti fizikus vagyok, nanotechnológiát tanulok, de még mindig lenyűgöznek azok a módszerek, amelyekkel az emberiség egy nap az űrben utazhat.

néhány szereplő – mint például az “Interstellar” és a “Thor” filmek űrhajósai – féreglyukakat használnak a naprendszerek közötti utazáshoz másodpercek alatt. Egy másik megközelítés – a “Star Trek” rajongók számára ismert-a warp drive technológia. A Warp meghajtók elméletileg lehetségesek, ha még mindig távoli technológia. Két friss tanulmány márciusban került a címlapokra, amikor a kutatók azt állították, hogy legyőzték a sok kihívás egyikét, amely a térhajtómű elmélete és a valóság között áll.

de hogyan működnek ezek az elméleti láncmeghajtók? És az emberek hamarosan képesek lesznek görbületi sebességre ugrani?

tömörítés és tágulás

a fizikusok jelenlegi téridő-megértése Albert Einstein általános Relativitáselméletéből származik. Az általános relativitáselmélet szerint a tér és az idő összeolvad, és semmi sem haladhat gyorsabban a fénysebességnél. Az általános relativitáselmélet azt is leírja, hogy a tömeg és az energia hogyan görbíti meg a téridőt-olyan izmos objektumok, mint a csillagok és a fekete lyukak görbítik a téridőt körülöttük. Ez a görbület az, amit gravitációnak érzünk, és ezért sok űrutazó hős aggódik amiatt, hogy” beragad “vagy” beleesik ” egy gravitációs kútba. A korai sci-fi írók, John Campbell és Asimov úgy látták, hogy ez a csavarás a sebességkorlátozás megkerülésének módja.

mi lenne, ha egy csillaghajó összenyomná az előtte lévő helyet, miközben tágítaná a téridőt mögötte? A “Star Trek” fogta ezt az ötletet, és warp drive-nak nevezte el.

1994-ben Miguel Alcubierre Mexikói elméleti fizikus kimutatta, hogy a téridő összenyomása az űrhajó előtt, miközben mögötte tágul, matematikailag lehetséges az általános relativitáselmélet törvényein belül. És ez mit jelent? Képzelje el, hogy a két pont közötti távolság 10 méter (33 láb). Ha az a ponton áll, és másodpercenként egy métert tud utazni, akkor 10 másodpercbe telik a B pont elérése.tegyük fel azonban, hogy valahogy összenyomhatja a közted és a B pont közötti helyet úgy, hogy az intervallum most csak egy méter legyen. Ezután a téridőben egy méter / másodperc maximális sebességgel haladva körülbelül egy másodperc alatt elérheti a B pontot. Elméletileg ez a megközelítés nem mond ellent a relativitás törvényeinek, mivel nem mozogsz gyorsabban, mint a fény a körülötted lévő térben. Alcubierre megmutatta, hogy a “Star Trek” láncmeghajtása elméletileg valóban lehetséges.

Proxima Centauri itt jövünk, ugye? Sajnos Alcubierre téridő-tömörítési módszerének egyetlen problémája volt: negatív energiát vagy negatív tömeget igényel.

negatív energiaprobléma

Alcubierre térhajtóműve úgy működne, hogy egy lapos téridő-buborékot hozna létre az űrhajó körül, és a téridőt a buborék körül görbítené a távolságok csökkentése érdekében. A láncmeghajtáshoz vagy negatív tömegre – egy elméleti anyagtípusra–, vagy negatív energiasűrűségű gyűrűre lenne szükség a működéshez. A fizikusok soha nem figyeltek meg negatív tömeget, így a negatív energia marad az egyetlen lehetőség.

negatív energia létrehozásához egy térhajtómű hatalmas mennyiségű tömeget használ fel, hogy egyensúlyhiányt teremtsen a részecskék és az antirészecskék között. Például, ha egy elektron és egy antielektron jelenik meg a térhajtómű közelében, az egyik részecske csapdába esik a tömegben, és ez egyensúlyhiányt eredményez. Ez az egyensúlyhiány negatív energiasűrűséget eredményez. Alcubierre térhajtóműve ezt a negatív energiát használja fel a téridő buborék létrehozására.

de ahhoz, hogy a térhajtómű elegendő negatív energiát termeljen, sok anyagra lenne szükség. Alcubierre becslése szerint egy 100 méteres buborékú láncmeghajtáshoz az egész látható univerzum tömegére lenne szükség.

1999-ben Chris Van Den Broeck fizikus kimutatta, hogy a buborék belsejében lévő térfogat kibővítése, de a felület állandó megtartása jelentősen, a nap tömegére csökkentené az energiaigényt. Jelentős javulás, de még mindig messze meghaladja az összes gyakorlati lehetőséget.

sci-fi jövő?

két friss tanulmány – az egyik Alexey Bobrick és Gianni Martire, a másik pedig Erik Lentz – olyan megoldásokat kínál, amelyek úgy tűnik, hogy közelebb hozzák a warp meghajtókat a valósághoz.

Bobrick és Martire rájöttek, hogy a buborékon belüli téridő bizonyos módon történő módosításával kiküszöbölhetik a negatív energia használatának szükségességét. Ez a megoldás azonban nem hoz létre olyan láncmeghajtást, amely gyorsabban megy, mint a fény.

függetlenül Lentz olyan megoldást is javasolt, amely nem igényel negatív energiát. Más geometriai megközelítést alkalmazott az általános relativitáselmélet egyenleteinek megoldására, és ezzel megállapította, hogy a görbületi hajtóműnek nem kell negatív energiát használnia. Lentz megoldása lehetővé tenné, hogy a buborék gyorsabban haladjon, mint a fénysebesség.

fontos kiemelni, hogy ezek az izgalmas fejlesztések matematikai modellek. Fizikusként nem bízom a modellekben, amíg nincs kísérleti bizonyítékunk. Mégis, a görbületi hajtóművek tudománya megjelenik. Mint sci-fi rajongó, üdvözlöm ezt az innovatív gondolkodást. Picard kapitány szavaival:

a dolgok csak addig lehetetlenek, amíg nem.

Mario Borunda, docens fizika, Oklahoma State University

ez a cikk újra megjelent a beszélgetés alatt Creative Commons licenc. Olvassa el az eredeti cikket.

lényeg: ha az emberiség csillagok között akar utazni, akkor az embereknek gyorsabban kell utazniuk, mint a fény. Az új kutatások azt sugallják, hogy lehetséges lehet görbületi hajtóműveket építeni és legyőzni a Galaktikus sebességkorlátozást.