Warp drives: fysiker ger chanser att snabbare än ljus rymdresor en boost

av Mario Borunda, Oklahoma State University

den närmaste stjärnan till jorden är Proxima Centauri. Det är cirka 4, 25 ljusår bort, eller cirka 25 biljoner mil (40 biljoner km). Den snabbaste rymdfarkosten någonsin, den nu-i-rymden Parker Solar Probe kommer att nå en toppfart på 450 000 miles (724 000 km) per timme. Det skulle ta bara 20 sekunder att gå från Los Angeles till New York City med den hastigheten, men det skulle ta solproben om 6,633 år att nå jordens närmaste närliggande solsystem.

om mänskligheten någonsin vill resa lätt mellan stjärnor, måste människor gå snabbare än ljuset. Men hittills är snabbare än lätt resor endast möjlig i science fiction.

I Isaac Asimovs grundserie kan mänskligheten resa från planet till planet, stjärna till stjärna eller över universum med hjälp av hoppstationer. Som barn läste jag så många av dessa historier som jag kunde få tag på. Jag är nu en teoretisk fysiker och studerar nanoteknik, men jag är fortfarande fascinerad av hur mänskligheten en dag kan resa i rymden.

vissa tecken – som astronauterna i filmerna “Interstellar” och “Thor” – använder maskhål för att resa mellan solsystem på några sekunder. Ett annat tillvägagångssätt – bekant för “Star Trek” – fans-är warp drive-teknik. Warp enheter är teoretiskt möjligt om fortfarande långsökt teknik. Två nya papper gjorde rubriker i mars när forskare hävdade att de hade övervunnit en av de många utmaningarna som står mellan teorin om varpdrivningar och verklighet.

men hur fungerar dessa teoretiska varpdrivningar verkligen? Och kommer människor att göra hoppet till varphastighet när som helst snart?

komprimering och expansion

fysikers nuvarande förståelse av rymdtid kommer från Albert Einsteins teori om allmän relativitet. Allmän relativitet säger att rymden och tiden är smälta och att ingenting kan resa snabbare än ljusets hastighet. General relativity beskriver också hur massa och energi warp rymdtid – rejäla föremål som stjärnor och svarta hål kurva rumtiden runt dem. Denna krökning är vad du känner som gravitation och varför många rymdfarandehjältar oroar sig för att “fastna i” eller “falla in i” en gravitationsbrunn. Tidiga science fiction-författare John Campbell och Asimov såg denna vridning som ett sätt att skjuta hastighetsgränsen.

vad händer om ett rymdskepp kan komprimera utrymme framför det medan det expanderar rymdtiden bakom det? “Star Trek” tog den här tanken och kallade den warp drive.

1994 visade Miguel Alcubierre, en mexikansk teoretisk fysiker, att komprimering av rymdtid framför rymdskeppet medan den utvidgades bakom var matematiskt möjligt inom lagarna för allmän relativitet. Så, vad betyder det? Föreställ dig att avståndet mellan två punkter är 10 meter (33 fot). Om du står vid punkt A och kan resa en meter per sekund tar det 10 sekunder att komma till punkt B. Låt oss dock säga att du på något sätt kan komprimera utrymmet mellan dig och punkt B så att intervallet nu bara är en meter. Sedan, genom att flytta genom rymdtid med din maximala hastighet på en meter per sekund, skulle du kunna nå punkt B på ungefär en sekund. I teorin Strider detta tillvägagångssätt inte mot relativitetslagen eftersom du inte rör dig snabbare än ljuset i utrymmet omkring dig. Alcubierre visade att varpdrivningen från “Star Trek” faktiskt var teoretiskt möjlig.

Proxima Centauri här kommer vi, eller hur? Tyvärr hade Alcubierres metod att komprimera rymdtid ett problem: det kräver negativ energi eller negativ massa.

ett negativt energiproblem

Alcubierres varpdrift skulle fungera genom att skapa en bubbla av platt rymdtid runt rymdskeppet och böja rymdtid runt den bubblan för att minska avstånd. Varpdrivningen skulle kräva antingen negativ massa – en teoretiserad typ av materia-eller en ring med negativ energitäthet för att fungera. Fysiker har aldrig observerat negativ massa, så det lämnar negativ energi som det enda alternativet.

för att skapa negativ energi skulle en varpdrift använda en enorm mängd massa för att skapa en obalans mellan partiklar och antipartiklar. Till exempel, om en elektron och en antielektron visas nära varpdrivningen, skulle en av partiklarna fastna av massan och detta resulterar i en obalans. Denna obalans resulterar i negativ energitäthet. Alcubierres varpdrift skulle använda denna negativa energi för att skapa spacetime-bubblan.

men för en varpdrift för att generera tillräckligt med negativ energi, skulle du behöva mycket materia. Alcubierre uppskattade att en varpdrift med en 100 meter bubbla skulle kräva massan av hela det synliga universum.

1999 visade fysikern Chris Van Den Broeck att en utvidgning av volymen inuti bubblan men att hålla ytan konstant skulle minska energibehovet avsevärt, till nästan solens massa. En betydande förbättring, men fortfarande långt bortom alla praktiska möjligheter.

en sci-fi-framtid?

två senaste artiklar – en av Alexey Bobrick och Gianni Martire och en annan av Erik Lentz – ger lösningar som verkar föra warp-enheter närmare verkligheten.

Bobrick och Martire insåg att genom att modifiera rumtiden i bubblan på ett visst sätt kunde de ta bort behovet av att använda negativ energi. Denna lösning producerar dock inte en varpdrift som kan gå snabbare än ljuset.

oberoende föreslog Lentz också en lösning som inte kräver negativ energi. Han använde ett annat geometriskt tillvägagångssätt för att lösa ekvationerna för allmän relativitet, och genom att göra det fann han att en varpdrift inte skulle behöva använda negativ energi. Lentz lösning skulle göra det möjligt för bubblan att resa snabbare än ljusets hastighet.

det är viktigt att påpeka att dessa spännande utvecklingar är matematiska modeller. Som fysiker litar jag inte helt på modeller förrän vi har experimentella bevis. Ändå kommer vetenskapen om warp-enheter att komma i sikte. Som science fiction-fan välkomnar jag allt detta innovativa tänkande. För att citera kapten Picard:

saker är bara omöjliga tills de inte är det.

Mario Borunda, docent i fysik, Oklahoma State University

denna artikel publiceras från konversationen under en Creative Commons-licens. Läs den ursprungliga artikeln.

Bottom line: om mänskligheten vill resa mellan stjärnor, kommer människor att behöva resa snabbare än ljuset. Ny forskning tyder på att det kan vara möjligt att bygga warp-enheter och slå den galaktiska hastighetsgränsen.