Impulsores de deformación: Los físicos dan posibilidades de viajes espaciales más rápidos que la luz un impulso

Por Mario Borunda, Universidad Estatal de Oklahoma

La estrella más cercana a la Tierra es Próxima Centauri. Está a unos 4,25 años luz de distancia, o unos 25 billones de millas (40 billones de km). La nave espacial más rápida de la historia, la Sonda Solar Parker, ahora en el espacio, alcanzará una velocidad máxima de 450.000 millas (724.000 km) por hora. Tomaría solo 20 segundos ir de Los Ángeles a la ciudad de Nueva York a esa velocidad, pero le tomaría a la sonda solar unos 6.633 años llegar al sistema solar vecino más cercano de la Tierra.

Si la humanidad alguna vez quiere viajar fácilmente entre las estrellas, la gente tendrá que ir más rápido que la luz. Pero hasta ahora, los viajes más rápidos que la luz solo son posibles en ciencia ficción.

En la serie Foundation de Isaac Asimov, la humanidad puede viajar de planeta en planeta, de estrella en estrella o a través del universo usando unidades de salto. De niño, leí tantas de esas historias como pude tener en mis manos. Ahora soy un físico teórico y estudio nanotecnología, pero todavía estoy fascinado por las formas en que la humanidad podría viajar algún día en el espacio.

Algunos personajes, como los astronautas de las películas “Interestelar” y “Thor”, usan agujeros de gusano para viajar entre sistemas solares en segundos. Otro enfoque, familiar para los fanáticos de “Star Trek”, es la tecnología de transmisión warp. Los propulsores warp son teóricamente posibles si la tecnología sigue siendo descabellada. Dos artículos recientes fueron titulares en marzo, cuando los investigadores afirmaron haber superado uno de los muchos desafíos que se interponen entre la teoría de los impulsos warp y la realidad.

Pero, ¿cómo funcionan realmente estos impulsores de deformación teóricos? ¿Y los humanos saltarán a velocidad warp en breve?

Compresión y expansión

La comprensión actual de los físicos del espacio-tiempo proviene de la teoría de la Relatividad General de Albert Einstein. La Relatividad General establece que el espacio y el tiempo están fusionados y que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. La relatividad general también describe cómo la masa y la energía se deforman en el espacio – tiempo, objetos fuertes como estrellas y agujeros negros, curvando el espacio-tiempo a su alrededor. Esta curvatura es lo que sientes como gravedad y por qué muchos héroes espaciales se preocupan por “quedarse atrapados” o “caer” en un pozo de gravedad. Los primeros escritores de ciencia ficción John Campbell y Asimov vieron esta deformación como una forma de eludir el límite de velocidad.

¿Qué pasaría si una nave espacial pudiera comprimir el espacio frente a ella mientras expande el espacio-tiempo detrás de ella? “Star Trek” tomó esta idea y la llamó la unidad warp.

En 1994, Miguel Alcubierre, un físico teórico mexicano, demostró que comprimir el espacio-tiempo delante de la nave mientras la expandía detrás era matemáticamente posible dentro de las leyes de la Relatividad General. Entonces, ¿qué significa eso? Imagine que la distancia entre dos puntos es de 10 metros (33 pies). Si estás parado en el punto A y puedes viajar un metro por segundo, tomarías 10 segundos para llegar al punto B. Sin embargo, digamos que de alguna manera podrías comprimir el espacio entre tú y el punto B para que el intervalo ahora sea de solo un metro. Luego, moviéndose a través del espacio-tiempo a su velocidad máxima de un metro por segundo, podría alcanzar el punto B en aproximadamente un segundo. En teoría, este enfoque no contradice las leyes de la relatividad, ya que no te estás moviendo más rápido que la luz en el espacio que te rodea. Alcubierre demostró que el motor warp de “Star Trek” era de hecho teóricamente posible.

Proxima Centauri aquí vamos, ¿verdad? Desafortunadamente, el método de compresión del espacio-tiempo de Alcubierre tenía un problema: requiere energía negativa o masa negativa.

Un problema de energía negativa

La unidad warp de Alcubierre funcionaría creando una burbuja de espacio-tiempo plano alrededor de la nave espacial y curvando el espacio-tiempo alrededor de esa burbuja para reducir las distancias. El impulso warp requeriría masa negativa, un tipo de materia teorizado, o un anillo de densidad de energía negativa para funcionar. Los físicos nunca han observado masa negativa, por lo que la energía negativa es la única opción.

Para crear energía negativa, un motor warp usaría una gran cantidad de masa para crear un desequilibrio entre partículas y antipartículas. Por ejemplo, si un electrón y un antielectrón aparecen cerca del motor warp, una de las partículas quedaría atrapada por la masa y esto provocaría un desequilibrio. Este desequilibrio da lugar a una densidad de energía negativa. El motor warp de Alcubierre usaría esta energía negativa para crear la burbuja del espacio-tiempo.

Pero para que un motor warp genere suficiente energía negativa, se necesitaría mucha materia. Alcubierre estimó que un motor warp con una burbuja de 100 metros requeriría la masa de todo el universo visible.

En 1999, el físico Chris Van Den Broeck demostró que expandir el volumen dentro de la burbuja pero mantener el área de superficie constante reduciría los requisitos de energía significativamente, a casi la masa del sol. Una mejora significativa, pero aún más allá de todas las posibilidades prácticas.

¿Un futuro de ciencia ficción?

Dos artículos recientes, uno de Alexey Bobrick y Gianni Martire y otro de Erik Lentz, proporcionan soluciones que parecen acercar los motores warp a la realidad.

Bobrick y Martire se dieron cuenta de que al modificar el espacio-tiempo dentro de la burbuja de cierta manera, podrían eliminar la necesidad de usar energía negativa. Esta solución, sin embargo, no produce un impulso warp que pueda ir más rápido que la luz.

Independientemente, Lentz también propuso una solución que no requiere energía negativa. Usó un enfoque geométrico diferente para resolver las ecuaciones de la Relatividad General, y al hacerlo, descubrió que un motor warp no necesitaría usar energía negativa. La solución de Lentz permitiría que la burbuja viajara más rápido que la velocidad de la luz.

Es esencial señalar que estos emocionantes desarrollos son modelos matemáticos. Como físico, no confiaré plenamente en los modelos hasta que tengamos pruebas experimentales. Sin embargo, la ciencia de los motores warp está a la vista. Como fan de la ciencia ficción, doy la bienvenida a todo este pensamiento innovador. En palabras del Capitán Picard:

Las cosas solo son imposibles hasta que no lo son.

Mario Borunda, Profesor Asociado de Física, Universidad Estatal de Oklahoma

Este artículo se vuelve a publicar de La Conversación bajo una licencia Creative Commons. Lea el artículo original.

Conclusión: Si la humanidad quiere viajar entre las estrellas, la gente necesitará viajar más rápido que la luz. Una nueva investigación sugiere que podría ser posible construir motores warp y superar el límite de velocidad galáctico.