Unità di curvatura: I fisici danno possibilità di viaggiare nello spazio più velocemente della luce una spinta

Di Mario Borunda, Oklahoma State University

La stella più vicina alla Terra è Proxima Centauri. Si trova a circa 4,25 anni luce di distanza, o circa 25 trilioni di miglia (40 trilioni di km). Il veicolo spaziale più veloce di sempre, l’ormai nello spazio Parker Solar Probe raggiungerà una velocità massima di 450.000 miglia (724.000 km) all’ora. Ci vorrebbero solo 20 secondi per andare da Los Angeles a New York a quella velocità, ma ci vorrebbe la sonda solare circa 6.633 anni per raggiungere il sistema solare più vicino della Terra.

Se l’umanità vuole viaggiare facilmente tra le stelle, la gente dovrà andare più veloce della luce. Ma finora, il viaggio più veloce della luce è possibile solo nella fantascienza.

Nella serie Foundation di Isaac Asimov, l’umanità può viaggiare da un pianeta all’altro, da una stella all’altra o attraverso l’universo usando jump drive. Come un bambino, ho letto come molte di quelle storie come ho potuto mettere le mani su. Ora sono un fisico teorico e studio le nanotecnologie, ma sono ancora affascinato dai modi in cui l’umanità potrebbe un giorno viaggiare nello spazio.

Alcuni personaggi – come gli astronauti nei film “Interstellar” e “Thor” – usano i wormhole per viaggiare tra i sistemi solari in pochi secondi. Un altro approccio-familiare ai fan di “Star Trek” – è la tecnologia warp drive. Le unità di curvatura sono teoricamente possibili se la tecnologia è ancora inverosimile. Due recenti documenti hanno fatto notizia a marzo, quando i ricercatori hanno affermato di aver superato una delle tante sfide che si frappongono tra la teoria delle unità di curvatura e la realtà.

Ma come funzionano davvero queste unità di curvatura teoriche? E gli umani faranno il salto alla velocità di curvatura in qualunque momento presto?

Compressione ed espansione

L’attuale comprensione dello spaziotempo da parte dei fisici deriva dalla teoria della Relatività Generale di Albert Einstein. La Relatività Generale afferma che lo spazio e il tempo sono fusi e che nulla può viaggiare più velocemente della velocità della luce. La relatività generale descrive anche come la massa e l’energia deformano lo spaziotempo – oggetti pesanti come stelle e buchi neri curvano lo spaziotempo intorno a loro. Questa curvatura è ciò che senti come gravità e perché molti eroi spaziali si preoccupano di “rimanere bloccati” o “cadere” in un pozzo gravitazionale. I primi scrittori di fantascienza John Campbell e Asimov vedevano questa deformazione come un modo per aggirare il limite di velocità.

E se una nave stellare potesse comprimere lo spazio davanti ad essa mentre espandeva lo spaziotempo dietro di essa? “Star Trek” ha preso questa idea e l’ha chiamata warp drive.

Nel 1994, Miguel Alcubierre, un fisico teorico messicano, dimostrò che comprimere lo spaziotempo davanti all’astronave mentre lo espandeva dietro era matematicamente possibile secondo le leggi della Relatività Generale. Quindi, cosa significa? Immagina che la distanza tra due punti sia di 10 metri (33 piedi). Se sei in piedi al punto A e puoi viaggiare di un metro al secondo, ci vorrebbero 10 secondi per arrivare al punto B. Tuttavia, diciamo che potresti in qualche modo comprimere lo spazio tra te e il punto B in modo che l’intervallo sia ora solo un metro. Quindi, spostandoti nello spaziotempo alla tua velocità massima di un metro al secondo, sarai in grado di raggiungere il punto B in circa un secondo. In teoria, questo approccio non contraddice le leggi della relatività poiché non ti muovi più velocemente della luce nello spazio intorno a te. Alcubierre ha mostrato che l’unità di curvatura di “Star Trek” era in realtà teoricamente possibile.

Proxima Centauri arriviamo, giusto? Sfortunatamente, il metodo di Alcubierre per comprimere lo spaziotempo aveva un problema: richiede energia negativa o massa negativa.

Un problema di energia negativa

L’unità di curvatura di Alcubierre funzionerebbe creando una bolla di spaziotempo piatto attorno all’astronave e curvando lo spaziotempo attorno a quella bolla per ridurre le distanze. L’unità di curvatura richiederebbe una massa negativa-un tipo teorizzato di materia – o un anello di densità di energia negativa per funzionare. I fisici non hanno mai osservato massa negativa, in modo che lascia energia negativa come l’unica opzione.

Per creare energia negativa, un’unità di curvatura userebbe un’enorme quantità di massa per creare uno squilibrio tra particelle e antiparticelle. Ad esempio, se un elettrone e un antielettrone appaiono vicino all’unità di curvatura, una delle particelle rimarrebbe intrappolata dalla massa e questo si traduce in uno squilibrio. Questo squilibrio si traduce in densità di energia negativa. L’unità di curvatura di Alcubierre userebbe questa energia negativa per creare la bolla spaziotempo.

Ma affinché un’unità di curvatura generi abbastanza energia negativa, avresti bisogno di molta materia. Alcubierre stimò che un’unità di curvatura con una bolla di 100 metri avrebbe richiesto la massa dell’intero universo visibile.

Nel 1999, il fisico Chris Van Den Broeck ha dimostrato che espandendo il volume all’interno della bolla, ma mantenendo costante l’area superficiale, si ridurrebbe significativamente il fabbisogno energetico, a quasi la massa del sole. Un miglioramento significativo, ma ancora ben al di là di tutte le possibilità pratiche.

Un futuro fantascientifico?

Due documenti recenti – uno di Alexey Bobrick e Gianni Martire e un altro di Erik Lentz – forniscono soluzioni che sembrano avvicinare le unità di curvatura alla realtà.

Bobrick e Martire si resero conto che modificando lo spaziotempo all’interno della bolla in un certo modo, avrebbero potuto rimuovere la necessità di utilizzare energia negativa. Questa soluzione, però, non produce un’unità di curvatura che può andare più veloce della luce.

Indipendentemente, Lentz ha anche proposto una soluzione che non richiede energia negativa. Ha usato un diverso approccio geometrico per risolvere le equazioni della Relatività Generale, e così facendo, ha scoperto che un motore a curvatura non avrebbe bisogno di usare energia negativa. La soluzione di Lentz permetterebbe alla bolla di viaggiare più velocemente della velocità della luce.

È essenziale sottolineare che questi interessanti sviluppi sono modelli matematici. Come fisico, non mi fiderò completamente dei modelli finché non avremo prove sperimentali. Eppure, la scienza delle unità di curvatura sta entrando in vista. Come fan della fantascienza, accolgo con favore tutto questo pensiero innovativo. Nelle parole del Capitano Picard:

Le cose sono impossibili solo fino a quando non lo sono.

Mario Borunda, Professore associato di Fisica, Oklahoma State University

Questo articolo è ripubblicato dalla Conversazione sotto una licenza Creative Commons. Leggi l’articolo originale.

Bottom line: Se l’umanità vuole viaggiare tra le stelle, le persone avranno bisogno di viaggiare più velocemente della luce. Una nuova ricerca suggerisce che potrebbe essere possibile costruire unità di curvatura e battere il limite di velocità galattico.