unități Warp: fizicienii oferă șanse de călătorie spațială mai rapidă decât lumina un impuls

de Mario Borunda, Universitatea de Stat din Oklahoma

cea mai apropiată stea de pământ este Proxima Centauri. Este la aproximativ 4,25 ani-lumină distanță sau la aproximativ 25 de trilioane de mile (40 de trilioane de km). Cea mai rapidă navă spațială vreodată, sonda solară Parker, acum în spațiu, va atinge o viteză maximă de 450.000 de mile (724.000 km) pe oră. Ar dura doar 20 de secunde pentru a merge de la Los Angeles la New York cu această viteză, dar sonda solară ar avea nevoie de aproximativ 6.633 de ani pentru a ajunge la cel mai apropiat sistem solar vecin al Pământului.

dacă omenirea vrea vreodată să călătorească ușor între stele, oamenii vor trebui să meargă mai repede decât lumina. Dar până acum, călătoria mai rapidă decât lumina este posibilă numai în Science fiction.

în seria Fundației lui Isaac Asimov, omenirea poate călători de la o planetă la alta, de la o stea la alta sau de-a lungul universului folosind unități de salt. Ca un copil, am citit cât mai multe dintre aceste povești ca am putut pune mâna pe. Acum sunt fizician teoretic și studiez nanotehnologia, dar sunt încă fascinat de modurile în care umanitatea ar putea călători într-o zi în spațiu.

unele personaje – cum ar fi astronauții din filmele “Interstellar” și “Thor” – folosesc găuri de vierme pentru a călători între sistemele solare în câteva secunde. O altă abordare-familiară fanilor “Star Trek” – este tehnologia warp drive. Unitățile Warp sunt teoretic posibile dacă tehnologia este încă îndepărtată. Două lucrări recente au făcut titluri în martie, când cercetătorii au susținut că au depășit una dintre numeroasele provocări care stau între teoria acționărilor warp și realitate.

dar cum funcționează cu adevărat aceste unități warp teoretice? Și oamenii vor face saltul la viteza warp în curând?

compresie și expansiune

înțelegerea actuală a Fizicienilor despre spațiu-timp provine din Teoria Relativității Generale a lui Albert Einstein. Relativitatea generală afirmă că spațiul și timpul sunt contopite și că nimic nu poate călători mai repede decât viteza luminii. Relativitatea generală descrie, de asemenea, modul în care masa și energia deformează spațiu – timpul-obiecte grele precum stelele și găurile negre curbează spațiu-timpul în jurul lor. Această curbură este ceea ce simțiți ca gravitație și de ce mulți eroi spațiali își fac griji cu privire la “blocarea” sau “căderea” într-un puț gravitațional. Primii scriitori de science fiction John Campbell și Asimov au văzut această deformare ca o modalitate de a depăși limita de viteză.

ce se întâmplă dacă o navă stelară ar putea comprima spațiul din fața ei în timp ce extinde spațiul-timp în spatele ei? “Star Trek” a luat această idee și a numit-o unitatea warp.

în 1994, Miguel Alcubierre, un fizician teoretic Mexican, a arătat că comprimarea spațiu-timpului în fața navei spațiale în timp ce o extinde în spate era posibilă matematic în cadrul legilor Relativității Generale. Deci, ce înseamnă asta? Imaginați-vă că distanța dintre două puncte este de 10 metri (33 picioare). Dacă stați în punctul A și puteți călători cu un metru pe secundă, ar dura 10 secunde pentru a ajunge la punctul B. Cu toate acestea, să presupunem că ați putea comprima cumva spațiul dintre dvs. și punctul B, astfel încât intervalul să fie acum doar un metru. Apoi, deplasându-vă prin spațiu-timp la viteza maximă de un metru pe secundă, veți putea ajunge la punctul B în aproximativ o secundă. În teorie, această abordare nu contrazice legile relativității, deoarece nu vă mișcați mai repede decât lumina în spațiul din jurul vostru. Alcubierre a arătat că motorul warp din “Star Trek” era de fapt teoretic posibil.

Proxima Centauri venim, nu? Din păcate, metoda lui Alcubierre de comprimare a spațiului-timp a avut o problemă: necesită energie negativă sau masă negativă.

o problemă de energie negativă

unitatea warp a lui Alcubierre ar funcționa prin crearea unei bule de spațiu-timp plat în jurul navei spațiale și curbarea spațiului-timp în jurul acelei bule pentru a reduce distanțele. Motorul warp ar necesita fie masă negativă – un tip teoretizat de materie-fie un inel de densitate energetică negativă pentru a funcționa. Fizicienii nu au observat niciodată masa negativă, astfel încât energia negativă rămâne singura opțiune.

pentru a crea energie negativă, o unitate warp ar folosi o cantitate imensă de masă pentru a crea un dezechilibru între particule și antiparticule. De exemplu, dacă un electron și un antielectron apar în apropierea unității de urzeală, una dintre particule ar fi prinsă de masă și acest lucru are ca rezultat un dezechilibru. Acest dezechilibru are ca rezultat o densitate energetică negativă. Motorul warp al lui Alcubierre ar folosi această energie negativă pentru a crea bula spațiu-timp.

dar pentru ca o unitate warp să genereze suficientă energie negativă, ai avea nevoie de multă materie. Alcubierre a estimat că o unitate warp cu o bulă de 100 de metri ar necesita masa întregului univers vizibil.

în 1999, fizicianul Chris Van Den Broeck a arătat că extinderea volumului din interiorul bulei, dar menținerea constantă a suprafeței, ar reduce semnificativ necesarul de energie, la aproximativ masa Soarelui. O îmbunătățire semnificativă, dar încă mult dincolo de toate posibilitățile practice.

un viitor Sf?

două lucrări recente – una de Alexey Bobrick și Gianni Martire și alta de Erik Lentz – oferă soluții care par să apropie motoarele warp de realitate.

Bobrick și Martire și-au dat seama că, modificând spațiu-timpul în interiorul bulei într-un anumit mod, ar putea elimina nevoia de a utiliza energie negativă. Această soluție, totuși, nu produce o unitate warp care poate merge mai repede decât lumina.

independent, Lentz a propus, de asemenea, o soluție care nu necesită energie negativă. El a folosit o abordare geometrică diferită pentru a rezolva ecuațiile relativității generale și, făcând acest lucru, a descoperit că o unitate warp nu ar trebui să utilizeze energie negativă. Soluția lui Lentz ar permite bulei să călătorească mai repede decât viteza luminii.

este esențial să subliniem că aceste evoluții interesante sunt modele matematice. Ca fizician, Nu voi avea încredere deplină în modele până nu vom avea dovezi experimentale. Cu toate acestea, știința motoarelor warp vine în vedere. Ca fan science fiction, salut toată această gândire inovatoare. În cuvintele căpitanului Picard:

lucrurile sunt imposibile doar până când nu sunt.

Mario Borunda, Profesor Asociat de Fizică, Universitatea de Stat din Oklahoma

acest articol este Republicat din conversație sub licență Creative Commons. Citiți articolul original.

linia de fund: dacă omenirea vrea să călătorească între stele, oamenii vor trebui să călătorească mai repede decât lumina. Noi cercetări sugerează că ar putea fi posibil să se construiască unități warp și să se depășească limita de viteză galactică.