Napędy Warp: fizycy dają szanse na szybszą niż światło podróż kosmiczną boost

Mario Borunda, Oklahoma State University

najbliższą gwiazdą na Ziemi jest Proxima Centauri. Znajduje się w odległości około 4,25 roku świetlnego, czyli około 25 bilionów Mil (40 bilionów km). Najszybszy Statek kosmiczny w historii, teraz w przestrzeni kosmicznej Parker Solar Probe osiągnie prędkość maksymalną 450,000 Mil (724,000 km) na godzinę. Podróż z Los Angeles do Nowego Jorku z taką prędkością zajmie zaledwie 20 sekund, ale sonda słoneczna dotrze do najbliższego układu słonecznego ziemi w ciągu 6633 lat.

jeśli ludzkość kiedykolwiek chce łatwo podróżować między gwiazdami, ludzie będą musieli jechać szybciej niż światło. Ale do tej pory podróż szybciej niż światło jest możliwa tylko w science fiction.

w serii Fundacji Isaaca Asimova ludzkość może podróżować z planety na planetę, z gwiazdy na gwiazdę lub przez wszechświat za pomocą napędów skokowych. Jako dziecko, czytałem tyle historii, ile mogłem dostać w swoje ręce. Obecnie jestem fizykiem teoretycznym i studiuję nanotechnologię, ale nadal jestem zafascynowany sposobami, w jakie ludzkość mogłaby pewnego dnia podróżować w kosmosie.

niektóre postacie-jak astronauci z filmów “międzygwiezdny” i “Thor” – używają tuneli czasoprzestrzennych do podróżowania między układami słonecznymi w kilka sekund. Innym podejściem-znanym fanom “Star Treka” – jest technologia napędu warp. Napędy Warp są teoretycznie możliwe, jeśli nadal jest to naciągana technologia. Dwie ostatnie prace pojawiły się na pierwszych stronach gazet w marcu, kiedy naukowcy twierdzili, że pokonali jedno z wielu wyzwań stojących między teorią napędów warp a rzeczywistością.

ale jak te teoretyczne Napędy warp naprawdę działają? Czy w najbliższym czasie ludzie zaczną przeskakiwać do prędkości warp?

Kompresja i ekspansja

obecne zrozumienie czasoprzestrzeni przez fizyków pochodzi z ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Ogólna teoria względności stwierdza, że przestrzeń i czas są zespolone i że nic nie może podróżować szybciej niż prędkość światła. Ogólna teoria względności opisuje również, jak masa i energia wypaczają czasoprzestrzeń – duże obiekty, takie jak gwiazdy i czarne dziury, zakrzywiają czasoprzestrzeń wokół nich. Ta krzywizna jest tym, co czujesz jako grawitacja i dlaczego wielu bohaterów spaceru kosmicznego martwi się o “utknięcie” lub “wpadnięcie” do studni grawitacyjnej. Pierwsi pisarze science fiction John Campbell i Asimov postrzegali to wypaczenie jako sposób na przekroczenie limitu prędkości.

co jeśli statek kosmiczny mógłby skompresować przestrzeń przed nim, rozszerzając czasoprzestrzeń za nim? “Star Trek” wziął ten pomysł i nazwał go napędem warp.

w 1994 roku Miguel Alcubierre, meksykański fizyk teoretyczny, wykazał, że kompresowanie czasoprzestrzeni przed statkiem kosmicznym, podczas gdy rozszerzanie jej za nim było matematycznie możliwe w ramach praw ogólnej teorii względności. Co to znaczy? Wyobraź sobie, że odległość między dwoma punktami wynosi 10 metrów (33 stopy). Jeśli stoisz w punkcie A i możesz podróżować o metr na sekundę, dotarcie do punktu B zajęłoby 10 sekund. Załóżmy jednak, że mógłbyś w jakiś sposób skompresować przestrzeń między tobą a punktem B tak, że odstęp wynosi teraz tylko jeden metr. Następnie, poruszając się w czasoprzestrzeni z maksymalną prędkością jednego metra na sekundę, będziesz w stanie dotrzeć do punktu B w około jedną sekundę. W teorii takie podejście nie jest sprzeczne z prawami względności, ponieważ nie poruszasz się szybciej niż światło w przestrzeni wokół ciebie. Alcubierre pokazał, że napęd warp z “Star Treka” był w rzeczywistości teoretycznie możliwy.

Proxima Centauri nadchodzimy, prawda? Niestety, metoda Alcubierre ‘ a kompresji czasoprzestrzeni miała jeden problem: wymaga ona ujemnej energii lub ujemnej masy.

problem z negatywną energią

Napęd warp Alcubierre ‘ a działa poprzez tworzenie bańki płaskiej czasoprzestrzeni wokół statku kosmicznego i zakrzywianie czasoprzestrzeni wokół tej bańki, aby zmniejszyć odległości. Napęd warp wymagałby albo ujemnej masy-teoretycznego rodzaju materii-albo pierścienia o ujemnej gęstości energii do działania. Fizycy nigdy nie zaobserwowali ujemnej masy, więc jedyną opcją pozostaje ujemna energia.

aby wytworzyć negatywną energię, napęd warp zużywałby ogromną ilość masy, aby stworzyć nierównowagę między cząstkami i antycząstkami. Na przykład, jeśli elektron i antyelektron pojawią się w pobliżu napędu warp, jedna z cząstek zostanie uwięziona przez masę, co spowoduje nierównowagę. Ta nierównowaga powoduje ujemną gęstość energii. Napęd WARP Alcubierre ‘ a wykorzystałby tę negatywną energię do stworzenia bańki czasoprzestrzeni.

ale aby napęd warp generował wystarczającą ilość negatywnej energii, potrzebowałbyś dużo materii. Alcubierre oszacował, że napęd warp ze 100-metrową bańką wymagałby masy całego widzialnego wszechświata.

w 1999 roku fizyk Chris Van Den Broeck wykazał, że rozszerzenie objętości wewnątrz bańki, ale utrzymanie stałej powierzchni, znacznie zmniejszy zapotrzebowanie na energię, do masy Słońca. Znacząca poprawa, ale wciąż daleko wykraczająca poza wszystkie praktyczne możliwości.

przyszłość sci-fi?

dwie ostatnie prace-jedna autorstwa Alexey ‘a Bobricka i Gianniego Martire’ a oraz druga autorstwa Erika Lentza – dostarczają rozwiązań, które wydają się zbliżać Napędy warp do rzeczywistości.

Bobrick i Martire zdali sobie sprawę, że modyfikując czasoprzestrzeń w bańce w pewien sposób, mogą usunąć potrzebę użycia negatywnej energii. To rozwiązanie nie daje jednak napędu warp, który może jechać szybciej niż światło.

niezależnie Lentz zaproponował również rozwiązanie, które nie wymaga negatywnej energii. Zastosował inne podejście geometryczne do rozwiązywania równań ogólnej teorii względności i w ten sposób odkrył, że napęd warp nie musi zużywać energii ujemnej. Rozwiązanie Lentza pozwoliłoby bańce podróżować szybciej niż prędkość światła.

należy podkreślić, że te ekscytujące wydarzenia są modelami matematycznymi. Jako fizyk nie zaufam modelom, dopóki nie zdobędziemy eksperymentalnych dowodów. Jednak nauka o napędach warp wychodzi na jaw. Jako fan science fiction, cieszę się z tego innowacyjnego myślenia. Słowami kapitana Picarda:

rzeczy są niemożliwe, dopóki nie są.

Mario Borunda, profesor nadzwyczajny fizyki, Oklahoma State University

ten artykuł został ponownie opublikowany z rozmowy na licencji Creative Commons. Przeczytaj oryginalny artykuł.

Podsumowując: jeśli ludzkość chce podróżować między gwiazdami, ludzie będą musieli podróżować szybciej niż światło. Nowe badania sugerują, że możliwe jest zbudowanie napędów warp i pokonanie galaktycznego ograniczenia prędkości.