워프 드라이브:물리학 자들은 빛보다 빠른 우주 여행의 기회를 준다

마리오 보룬다으로,오클라호마 주립 대학

지구에 가장 가까운 별은 센타 우 루스 자리 프록시마입니다. 그것은 약 4.25 광년 떨어져,또는 약 25 조 마일(40 조 킬로미터)입니다. 이제까지 가장 빠른 우주선,지금 우주 파커 태양 탐사선은 시간당 450,000 마일(724,000 킬로미터)의 최고 속도에 도달 할 것입니다. 로스 앤젤레스에서 뉴욕까지 그 속도로 이동하는 데 20 초가 걸리지 만,지구에서 가장 가까운 이웃 태양계에 도달하는 데 약 6,633 년이 걸릴 것입니다.

인류가 별 사이를 쉽게 여행하기를 원한다면,사람들은 빛보다 더 빨리 가야 할 것이다. 그러나 지금까지 빛보다 빠른 여행은 공상 과학 소설에서만 가능합니다.

아이작 아시모프의 재단 시리즈에서 인류는 점프 드라이브를 사용하여 행성에서 행성으로,별에서 별 또는 우주를 여행 할 수 있습니다. 어렸을 때,나는 내 손을 잡을 수있는만큼 많은 이야기를 읽었습니다. 나는 지금 이론 물리학자이고 나노 기술을 공부하지만,인류가 언젠가 우주로 여행 할 수있는 방법에 여전히 매료되어 있습니다.

영화”성간”과”토르”의 우주 비행사와 같은 일부 캐릭터는 웜홀을 사용하여 태양계 사이를 몇 초 만에 여행합니다. “스타 트렉”팬들에게 친숙한 또 다른 접근 방식은 워프 드라이브 기술입니다. 워프 드라이브는 여전히 멀리 가져온 기술 경우 이론적으로 가능하다. 연구자들이 워프 드라이브 이론과 현실 사이에 서있는 많은 도전 중 하나를 극복했다고 주장했을 때 최근 두 논문은 3 월에 헤드 라인을 장식했습니다.

그러나 이러한 이론적 인 워프 드라이브는 실제로 어떻게 작동합니까? 그리고 인간은 곧 속도를 워프 점프를하게 될 것인가?

압축 및 확장

물리학자들이 시공간에 대한 현재의 이해는 알버트 아인슈타인의 일반 상대성 이론에서 비롯된다. 일반 상대성 이론은 공간과 시간이 융합되어 있으며 빛의 속도보다 빠르게 이동할 수있는 것은 없다고 말합니다. 일반 상대성 이론은 또한 질량과 에너지가 시공간을 왜곡시키는 방법을 설명합니다–별과 블랙홀과 같은 무거운 물체는 그 주위의 시공간을 구부립니다. 이 곡률은 당신이 중력으로 느끼는 것과 왜 많은 우주 여행 영웅들이 중력 우물에”갇히거나””빠지는”것에 대해 걱정하는지입니다. 초기 공상 과학 소설 작가 존 캠벨과 아시모프는 제한 속도를 스커트하는 방법으로이 뒤틀림을 보았다.

우주선이 그 앞 공간을 압축하면서 그 뒤 시공간을 확장할 수 있다면 어떨까요? “스타 트렉”이 아이디어를 가져다가 워프 드라이브라는 이름.

1994 년 멕시코의 이론물리학자인 미구엘 알쿠비에레는 우주선앞에서 시공간을 압축하는 동시에 우주선뒤로 확장시키는 것이 일반상대성이론의 법칙 안에서 수학적으로 가능하다는 것을 보여주었다. 그래서,그게 무슨 뜻입니까? 두 점 사이의 거리가 10 미터(33 피트)라고 상상해보십시오. 만약 여러분이 한 지점에 서 있고 초당 1 미터를 이동할 수 있다면,10 초가 걸릴 것입니다. 그런 다음,초당 1 미터의 최대 속도로 시공간을 통해 이동,당신은 약 1 초에 포인트 비에 도달 할 수있을 것입니다. 이론 상으로는,이 접근법은 상대성 법칙과 모순되지 않습니다.왜냐하면 당신은 당신 주위의 공간에서 빛보다 빠르게 움직이지 않기 때문입니다. 알쿠비에르는”스타 트렉”의 워프 드라이브가 실제로 이론적으로 가능하다는 것을 보여주었습니다.

프록시마 센타 우리 여기 왔지? 불행하게도,시공간을 압축 알쿠비에르의 방법은 하나의 문제가 있었다:그것은 부정적인 에너지 또는 음의 질량을 필요로한다.

부정적인 에너지 문제

알쿠비에르의 워프 드라이브는 우주선 주위에 평평한 시공간의 거품을 만들고 그 거품 주위에 시공간을 구부려 거리를 줄임으로써 작동합니다. 워프 드라이브는 음의 질량–이론화 된 유형의 물질–또는 음의 에너지 밀도의 고리가 작동해야합니다. 물리학 자들은 부정적인 질량을 관찰 한 적이 없으므로 부정적인 에너지를 유일한 옵션으로 남겨 둡니다.

부정적인 에너지를 만들기 위해 워프 드라이브는 입자와 반 입자 사이의 불균형을 만들기 위해 엄청난 양의 질량을 사용합니다. 예를 들어,전자와 반전자가 워프 드라이브 근처에 나타나면 입자 중 하나가 질량에 의해 갇히게되고 이로 인해 불균형이 발생합니다. 이 불균형은 부정적인 에너지 밀도를 초래합니다. 알쿠비에레의 워프 드라이브는 이 부정적인 에너지를 사용하여 시공간적 거품을 만들 것입니다.

그러나 워프 드라이브가 충분한 부정적인 에너지를 생성하려면 많은 물질이 필요합니다. 알쿠비에르는 100 미터 기포가 있는 워프 드라이브는 보이는 우주 전체의 질량을 필요로 할 것이라고 추정했다.

1999 년,물리학자 크리스 반 덴 브로 크는 거품 내부의 부피를 확장하지만 표면적을 일정하게 유지하면 에너지 요구량이 크게 줄어들어 태양의 질량에 불과하다는 것을 보여주었습니다. 상당한 개선이지만 여전히 모든 실용적인 가능성을 훨씬 뛰어 넘습니다.

공상 과학의 미래?

최근 두 논문–알렉세이 보브릭과 지아니 마르티어의 논문과 에릭 렌츠의 논문은 워프 드라이브를 현실에 더 가깝게 만드는 해결책을 제공한다.

보브릭과 마르티어는 버블 내의 시공간을 특정 방식으로 수정함으로써 부정적인 에너지를 사용할 필요성을 없앨 수 있다는 것을 깨달았다. 이 솔루션은,하지만,빛보다 더 빨리 갈 수있는 워프 드라이브를 생성하지 않습니다.

독립적으로 렌츠는 부정적인 에너지를 필요로하지 않는 해결책을 제안했다. 그는 일반 상대성 이론의 방정식을 풀기 위해 다른 기하학적 접근 방식을 사용했으며 그렇게함으로써 워프 드라이브가 부정적인 에너지를 사용할 필요가 없다는 것을 발견했습니다. 렌츠의 솔루션은 거품이 빛의 속도보다 빠르게 이동할 수 있습니다.

이러한 흥미로운 발전은 수학적 모델임을 지적하는 것이 필수적입니다. 물리학자로서 나는 실험적 증거가 될 때까지 모델을 완전히 신뢰하지 않을 것입니다. 그러나 워프 드라이브의 과학이보기로오고있다. 공상 과학 팬으로서,나는이 모든 혁신적인 사고를 환영합니다. 피카드 선장의 말:

그들은 하지 때까지 것 들만 불가능 합니다.

마리오 보룬다,오클라호마 주립 대학 물리학 부교수

이 기사는 크리에이티브 커먼즈 라이센스하에 대화에서 다시 게시됩니다. 원래 기사를 읽으십시오.

결론:인류가 별 사이를 여행하기를 원한다면,사람들은 빛보다 더 빨리 여행해야 할 것이다. 새로운 연구는 워프 드라이브를 구축하고 은하 제한 속도를 이길 수 있습니다 제안합니다.