Warp drives: os físicos dão chances de viagens espaciais mais rápidas que a luz um impulso

Por Mario Borunda, Oklahoma State University

A estrela mais próxima da Terra é Proxima Centauri. Está a cerca de 4,25 anos-luz de distância, ou cerca de 25 trilhões de milhas (40 trilhões de km). A espaçonave mais rápida de todos os tempos, a Sonda Solar Parker, agora no espaço, atingirá uma velocidade máxima de 450.000 milhas (724.000 km) por hora. Levaria apenas 20 segundos para ir de Los Angeles para Nova York a essa velocidade, mas levaria a Sonda solar cerca de 6.633 anos para chegar ao sistema solar vizinho mais próximo da Terra. Se a humanidade quiser viajar facilmente entre as estrelas, as pessoas precisarão ir mais rápido que a luz. Mas até agora, viagens mais rápidas que a luz só são possíveis na ficção científica. Na série da Fundação Isaac Asimov, a humanidade pode viajar de planeta em planeta, estrela em estrela ou através do universo usando pulos. Quando criança, li tantas dessas histórias quanto pude. Agora sou um físico teórico e estudo nanotecnologia, mas ainda estou fascinado pelas maneiras como a humanidade poderia um dia viajar no espaço.

alguns personagens – como os astronautas nos filmes “interestelar” e “Thor” – usam buracos de minhoca para viajar entre os sistemas solares em segundos. Outra abordagem-familiar para os fãs de “Star Trek” – é a tecnologia warp drive. Os drives Warp são teoricamente possíveis se ainda forem uma tecnologia rebuscada. Dois artigos recentes foram manchetes em março, quando os pesquisadores alegaram ter superado um dos muitos desafios que se interpõem entre a teoria dos impulsos de dobra e a realidade.

mas como essas unidades de dobra teóricas realmente funcionam? E os humanos estarão dando o salto para a velocidade de dobra em breve?

compressão e expansão

a compreensão atual dos físicos do espaço-tempo vem da teoria da Relatividade Geral de Albert Einstein. A relatividade geral afirma que o espaço e o tempo estão fundidos e que nada pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz. A relatividade geral também descreve como a massa e a energia deformam o espaço – tempo-objetos pesados como estrelas e buracos negros curvam o espaço-tempo ao seu redor. Essa curvatura é o que você sente como gravidade e por que muitos heróis espaciais se preocupam em “ficar preso” ou “cair” em um poço de gravidade. Os primeiros escritores de ficção científica John Campbell e Asimov viram essa deformação como uma maneira de contornar o limite de velocidade.

e se uma nave espacial pudesse comprimir o espaço à sua frente enquanto expandia o espaço-tempo atrás dela? “Star Trek” pegou essa ideia e a chamou de warp drive. Em 1994, Miguel Alcubierre, um físico teórico Mexicano, mostrou que comprimir o espaço-tempo na frente da nave espacial enquanto expandi-lo para trás era matematicamente possível dentro das leis da Relatividade Geral. Então, o que isso significa? Imagine que a distância entre dois pontos é de 10 metros (33 pés). Se você estiver no ponto A e puder viajar um metro por segundo, levaria 10 segundos para chegar ao ponto B. No entanto, digamos que você possa de alguma forma comprimir o espaço entre você e o ponto B para que o intervalo seja agora apenas um metro. Então, movendo-se pelo espaço-tempo em sua velocidade máxima de um metro por segundo, você seria capaz de alcançar o ponto B em cerca de um segundo. Em teoria, essa abordagem não contradiz as leis da relatividade, pois você não está se movendo mais rápido do que a luz no espaço ao seu redor. Alcubierre mostrou que o warp drive de “Star Trek” era de fato teoricamente possível.

Proxima Centauri aqui vamos nós, certo? Infelizmente, o método de compressão do espaço-tempo de Alcubierre teve um problema: requer energia negativa ou massa negativa.

um problema de energia negativa

o warp drive de Alcubierre funcionaria criando uma bolha de espaço-tempo plano ao redor da nave espacial e curvando o espaço-tempo ao redor dessa bolha para reduzir as distâncias. O impulso de urdidura exigiria massa negativa – um tipo teorizado de matéria – ou um anel de densidade de energia negativa para funcionar. Os físicos nunca observaram massa negativa, de modo que deixa a energia negativa como a única opção.

para criar energia negativa, um impulso de urdidura usaria uma enorme quantidade de massa para criar um desequilíbrio entre partículas e antipartículas. Por exemplo, se um elétron e um antielétron aparecerem perto da unidade de urdidura, uma das partículas ficaria presa pela massa e isso resulta em um desequilíbrio. Esse desequilíbrio resulta em densidade de energia negativa. O warp drive de Alcubierre usaria essa energia negativa para criar a bolha do espaço-tempo.

mas para uma unidade de dobra gerar energia negativa suficiente, você precisaria de muita matéria. Alcubierre estimou que uma urdidura com uma bolha de 100 metros exigiria a massa de todo o universo visível. Em 1999, o físico Chris Van Den Broeck mostrou que expandir o volume dentro da bolha, mas manter a área da superfície constante, reduziria significativamente os requisitos de energia, para quase a massa do sol. Uma melhoria significativa, mas ainda muito além de todas as possibilidades práticas.

um futuro de ficção científica?

dois artigos recentes – um de Alexey Bobrick e Gianni Martire e outro de Erik Lentz-fornecem soluções que parecem aproximar as unidades de dobra da realidade.Bobrick e Martire perceberam que, modificando o espaço-tempo dentro da bolha de uma certa maneira, eles poderiam remover a necessidade de usar energia negativa. Esta solução, no entanto, não produz uma unidade de dobra que pode ir mais rápido do que a luz.

independentemente, Lentz também propôs uma solução que não requer energia negativa. Ele usou uma abordagem geométrica diferente para resolver as equações da Relatividade Geral e, ao fazê-lo, descobriu que um impulso de dobra não precisaria usar energia negativa. A solução de Lentz permitiria que a bolha viajasse mais rápido do que a velocidade da luz.

é essencial ressaltar que esses desenvolvimentos emocionantes são modelos matemáticos. Como físico, não confiarei totalmente nos modelos até Termos provas experimentais. No entanto, a ciência dos impulsos de urdidura está chegando à vista. Como fã de ficção científica, congratulo-me com todo esse pensamento inovador. Nas palavras do Capitão Picard:

as coisas só são impossíveis até que não sejam.

Mario Borunda, Professor Associado de Física, Oklahoma State University

Este artigo é republicada A partir da Conversa sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

Bottom line: se a humanidade quer viajar entre as estrelas, as pessoas vão precisar viajar mais rápido do que a luz. Novas pesquisas sugerem que pode ser possível construir unidades de dobra e superar o limite de velocidade galáctica.