Warpaandrijvingen: natuurkundigen geven de kans op sneller dan licht reizen in de ruimte een boost
de ster die het dichtst bij de Aarde staat is Proxima Centauri. Het is ongeveer 4,25 lichtjaar weg, of ongeveer 25 biljoen mijl (40 biljoen km). Het snelste ruimteschip ooit, de Parker Solar Probe die nu in de ruimte is, zal een topsnelheid bereiken van 724.000 km per uur. Het zou slechts 20 seconden duren om met die snelheid van Los Angeles naar New York City te gaan, maar het zou de zonnesonde ongeveer 6.633 jaar kosten om het dichtstbijzijnde zonnestelsel van de aarde te bereiken.
als de mensheid ooit gemakkelijk tussen Sterren wil reizen, zullen mensen sneller moeten gaan dan licht. Maar tot nu toe is sneller reizen dan licht alleen mogelijk in science fiction. In Isaac Asimov ‘ s Foundation-serie kan de mensheid reizen van planeet naar planeet, van ster naar ster of door het heelal met behulp van jump drives. Als kind las ik zoveel van die verhalen als ik maar kon. Ik ben nu theoretisch natuurkundige en studeer nanotechnologie, maar ik ben nog steeds gefascineerd door de manier waarop de mensheid ooit in de ruimte kon reizen.
sommige personages – zoals de astronauten in de films “Interstellar” en “Thor” – gebruiken wormgaten om in seconden tussen zonnestelsels te reizen. Een andere benadering – bekend bij “Star Trek” fans – is warp drive technologie. Warpaandrijving is theoretisch mogelijk als het nog steeds vergezochte technologie is. Twee recente papers haalde krantenkoppen in maart toen onderzoekers beweerden een van de vele uitdagingen te hebben overwonnen die tussen de theorie van warpaandrijvingen en de realiteit staan.
maar hoe werken deze theoretische warpaandrijvingen echt? En zullen mensen binnenkort de sprong naar warpsnelheid maken?
compressie en expansie
het huidige begrip van de ruimtetijd komt van Albert Einsteins algemene relativiteitstheorie. De Algemene Relativiteitstheorie stelt dat ruimte en tijd gefuseerd zijn en dat niets sneller kan reizen dan de lichtsnelheid. De algemene relativiteitstheorie beschrijft ook hoe massa en energie de ruimtetijd verdraaien – forse objecten zoals sterren en zwarte gaten krommen de ruimtetijd eromheen. Deze kromming is wat je voelt als zwaartekracht en waarom veel ruimtevaart helden zich zorgen maken over” vast komen te zitten in “of” vallen in ” een zwaartekracht goed. Vroege sciencefictionschrijvers John Campbell en Asimov zagen deze kromming als een manier om de snelheidslimiet te omzeilen.
wat als een sterrenschip de ruimte ervoor kon comprimeren terwijl de ruimtetijd erachter zich uitbreidde? “Star Trek” nam dit idee en noemde het de warp drive. In 1994 toonde Miguel Alcubierre, een Mexicaans theoretisch natuurkundige, aan dat het comprimeren van de ruimtetijd voor het ruimteschip en het uitbreiden ervan achter het ruimteschip wiskundig mogelijk was binnen de wetten van de Algemene Relativiteitstheorie. Dus, wat betekent dat? Stel je voor dat de afstand tussen twee punten 10 meter is. Als je op punt A staat en één meter per seconde kunt reizen, zou het 10 seconden duren om bij punt B te komen. maar laten we zeggen dat je op de een of andere manier de ruimte tussen jou en punt B kunt comprimeren zodat het interval nu slechts één meter is. Dan, bewegen door de ruimtetijd met je maximale snelheid van een meter per seconde, zou je in staat zijn om punt B te bereiken in ongeveer een seconde. In theorie is deze benadering niet in tegenspraak met de wetten van relativiteit omdat je niet sneller beweegt dan licht in de ruimte om je heen. Alcubierre toonde aan dat de warpaandrijving van “Star Trek” in feite theoretisch mogelijk was.Proxima Centauri hier komen we, toch? Helaas had Alcubierre ‘ s methode om de ruimtetijd te comprimeren één probleem: het vereist negatieve energie of negatieve massa.
een negatief energieprobleem
de warpaandrijving van Alcubierre zou werken door een bel van vlakke ruimtetijd rond het ruimteschip te creëren en de ruimtetijd rond die bel te buigen om de afstanden te verkleinen. De warpaandrijving zou ofwel negatieve massa – een getheoretiseerd type materie – of een ring van negatieve energiedichtheid nodig hebben om te werken. Natuurkundigen hebben nooit negatieve massa waargenomen, dus dat laat negatieve energie als de enige optie.
om negatieve energie te creëren, zou een warpaandrijving een enorme hoeveelheid massa gebruiken om een onbalans tussen deeltjes en antideeltjes te creëren. Bijvoorbeeld, als een elektron en een anti-elektron verschijnen in de buurt van de warpaandrijving, een van de deeltjes zou worden gevangen door de massa en dit resulteert in een onbalans. Deze onbalans resulteert in negatieve energiedichtheid. Alcubierre ‘ s warpaandrijving zou deze negatieve energie gebruiken om de ruimtetijdbel te creëren.
maar voor een warpaandrijving om voldoende negatieve energie op te wekken, zou je veel materie nodig hebben. Alcubierre schatte dat een warpaandrijving met een bel van 100 meter de massa van het hele zichtbare heelal zou vereisen. In 1999 toonde natuurkundige Chris Van Den Broeck aan dat het vergroten van het volume in de bel, maar het constant houden van het oppervlak, de energiebehoefte aanzienlijk zou verminderen tot ongeveer de massa van de zon. Een aanzienlijke verbetering, maar nog steeds veel verder dan alle praktische mogelijkheden.
een sci-fi toekomst?Twee recente artikelen – een van Alexey Bobrick en Gianni Martire en een van Erik Lentz – bieden oplossingen die warpaandrijvingen dichter bij de werkelijkheid lijken te brengen.Bobrick en Martire realiseerden zich dat door de ruimtetijd in de bel op een bepaalde manier te wijzigen, ze de noodzaak om negatieve energie te gebruiken konden wegnemen. Deze oplossing produceert echter geen warpaandrijving die sneller kan gaan dan licht.
onafhankelijk daarvan stelde Lentz ook een oplossing voor die geen negatieve energie nodig heeft. Hij gebruikte een andere geometrische benadering om de vergelijkingen van de Algemene Relativiteitstheorie op te lossen, en door dat te doen, ontdekte hij dat een warpaandrijving geen negatieve energie hoefde te gebruiken. De oplossing van Lentz zou de bel sneller laten reizen dan de lichtsnelheid.Het is van essentieel belang erop te wijzen dat deze opwindende ontwikkelingen wiskundige modellen zijn. Als fysicus vertrouw ik modellen pas als we experimenteel bewijs hebben. Toch komt de wetenschap van warpaandrijvingen in beeld. Als sciencefictionfan verwelkom ik al dit innovatieve denken. In de woorden van Captain Picard:
dingen zijn alleen onmogelijk totdat ze dat niet zijn.
Mario Borunda, universitair hoofddocent natuurkunde, Oklahoma State University
dit artikel is opnieuw gepubliceerd uit het gesprek onder een Creative Commons-licentie. Lees het originele artikel.
Bottom line: als de mensheid tussen Sterren wil reizen, zullen mensen sneller moeten reizen dan licht. Nieuw onderzoek suggereert dat het mogelijk is om warpaandrijvingen te bouwen en de Galactische snelheidslimiet te overtreffen.
Leave a Reply