Star Trek’s Warp Drive duce la o nouă fizică

Cercetătorii analizează cu atenție această bază de știință-ficțiune și aduc ideea puțin mai aproape de realitate Pentru Erik Lentz, totul a început cu Star Trek. La fiecare câteva episoade din Star Trek, căpitanul Jean-Luc Picard ridica mâna și ordona: „Warp one, engagement!” Apoi stelele au devenit liniuțe, iar anii-lumină au fulgerat cu o viteză imposibilă. Și Lentz, încă în școala elementară, s-a întrebat dacă țesătura spațiului ar putea funcționa și în viața reală. „La un moment dat, mi-am dat seama că tehnologia nu exista”, spune Lentz. A studiat fizica la Universitatea din Washington, și-a scris doctoratul. disertație despre materia întunecată și, în general, a devenit mult prea ocupat pentru a urmări seriale de science fiction. Dar apoi, la începutul pandemiei de coronavirus, Lentz s-a trezit singur în Göttingen, Germania, unde făcea lucrări postdoctorale. Avea brusc mult timp liber pe mâini – și poftele copilăriei în cap. Lentz a citit tot ce a putut găsi în literatura științifică, ceea ce nu a fost prea mult. Apoi a început să se gândească singur la asta. După câteva săptămâni, i s-a întâmplat ceva ce toți ceilalți păreau să fi trecut cu vederea. Lentz și-a pus ideea pe hârtie și a discutat-o ​​cu colegi mai experimentați. Un an mai târziu a fost publicat într-un jurnal de fizică. A devenit repede clar că Lentz nu era singura persoană care visează la unități de urzeală (țesătură). Mass-media din toată lumea a reluat povestea și o duzină de jurnaliști au cerut interviuri. O discuție pe forumul online Reddit a atras 2.700 de comentarii și 33.000 de aprecieri.

Un utilizator de Internet a scris: „Altcineva simte că s-au născut prea repede cu 300 de ani?”. Nu există nicio îndoială că universul este încă mult prea vast pentru ca oamenii să-l traverseze. Este nevoie de mai mult de patru ani pentru ca un fascicul de lumină să ajungă la cea mai apropiată stea a Pământului, Proxima Centauri. Chiar și cu cele mai bune sisteme de propulsie disponibile, ar fi nevoie de zeci de mii de ani pentru ca un om să ajungă acolo. Se poate oricând să viseze la înființarea de colonii în alte sisteme stelare, dar nu este o călătorie pe care cineva o va întreprinde. Dar poate că într-o zi ar putea fi posibil să se reducă timpul de călătorie. Există multe idei despre cum să faci asta, de la vele solare accelerate cu laser până la propulsia nucleară. Dar chiar și cu ajutorul acestor tehnologii, nu ați ajunge prea departe într-o viață umană. Galaxia este într-adevăr deschisă numai celor care călătoresc la fel de repede ca lumina – sau mai repede. Tocmai din acest motiv, fizicienii se gândesc mult timp la sistemul de propulsie suprem: o bulă în spațiu și timp în care o navă spațială ar putea să se arunce de la soare la soare, la fel cum a făcut USS Enterprise.

Aceasta este cercetarea la marginea științei: nu neapărat greșită, ci condimentată cu un vârf de optimism. Faptul că oamenii de știință se ocupă astăzi de această idee se datorează unei lucrări din 1994 a fizicianului teoretic mexican Miguel Alcubierre. La acea vreme, Alcubierre nu era doar un pasionat devotat al Star Trek. În teza sa de doctorat de la Universitatea din Wales College Cardiff (acum Universitatea Cardiff), Alcubierre a lucrat și la teoria relativității. Strict vorbind, teoria afirmă că nimic nu poate călători mai repede decât lumina. Dar aplicând puțină creativitate, Alcubierre a identificat o lacună aparentă. Conform descoperirii epice a lui Albert Einstein, trăim în „spațiu-timp” în patru dimensiuni. Spațiul timp nu este static. Ca o față de masă, este deformată de obiecte masive. Tot ce se mișcă pe fața de masă (sau prin spațiu-timp) poate accelera doar până la limita de viteză stabilită de lumină. Feța de masă însăși, pe de altă parte, poate fi deformată la orice viteză, așa cum arată universul în sine în unele situații. În momentul Big Bang-ului, de exemplu, structura originală spațiu-timp s-a extins probabil pentru o fracțiune de secundă și a făcut mult mai repede decât ar putea călători orice rază de lumină. Chiar și astăzi, expansiunea continuă să îndepărteze galaxiile extrem de îndepărtate la viteze mai rapide decât lumina, ceea ce înseamnă că lumina lor nu mai poate ajunge la noi. Pe baza descoperirii sale, Alcubierre a presupus că ar fi doar un mic pas către o unitate de urzeală. Dacă spațiul-timp ar fi contractat în fața unei nave spațiale și extins în spatele acesteia pentru a compensa, ar fi posibil să călătorim la destinația cu o viteză mai mare decât lumina. Nava va rămâne încapsulată într-un balon, iar echipajul nu ar simți amploarea călătoriei interstelare. Într-o prelegere din 2017, Alcubierre a comparat-o cu a fi pe o bandă transportoare de pasageri la aeroport: „Vă puteți imagina că podeaua din spatele vostru este creată din nimic și în fața voastră este distrusă, așa că vă deplasați.”Dar formularea acestei idei în limbajul relativității generale dă naștere imediat la probleme majore practice.

În primul rând, pentru a deforma spațiul-timp atât de radical, ar trebui să înghesuiți o masă uriașă într-o bulă mărginită de un perete mai subțire decât un nucleu atomic. Atunci ai avea nevoie de două forme de materie pentru a menține balonul. Gravitația masei obișnuite ar face ca spațiul din partea din față a bulei să se contracte, deplasând întreaga structură înainte. Dar, în același timp, spațiul din spatele bulei ar trebui să se extindă ca aluatul de pâine în creștere. Pentru ca această expansiune să se întâmple, potrivit lui Alcubierre, ai avea nevoie de o formă de energie negativă care să radieze un fel de antigravitație. Pentru majoritatea fizicienilor, acesta a fost sfârșitul experimentului de gândire. Energia – care conform formulei lui Einstein E = mc2 este echivalentă cu masa necontrolată – pare că trebuie, prin definiție, să fie pozitivă. Dar, conform teoriei cuantice, poate avea într-adevăr o valoare negativă. Acest lucru pare să se întâmple doar în cazuri speciale rare, totuși – la o scară mică. În așa-numitul efect Casimir, de exemplu, cantitățile implicate sunt atât de minuscule, încât orice aplicație tehnologică pare absurdă.

Lentz a examinat în mod specific ipotezele care conduc la necesitățile negative de energie din lucrarea lui Alcubierre. La fel ca colegul său, Lentz a început prin analiza spațiu-timp, modelând substanța multidimensională ca un teanc de straturi foarte subțiri. El a descoperit că Alcubierre luase în considerare doar relații „liniare” comparativ simple între ecuații pentru mutarea unui strat pe următorul. În acest moment, alegerea unor relații „hiperbolice” mai complexe, care exprimă în mod tipic cantități care se schimbă rapid, are ca rezultat o bulă de urzeală diferită de cea obținută de Alcubierre. Încă necesită cantități enorme de masă și energie, dar, conform calculelor lui Lentz, doar cantități pozitive. „Am fost foarte surprins că nimeni nu a încercat asta înainte de mine”, spune Lentz.

Bula lui Lentz arată diferită de cea realizată de Alcubierre în 1994. Este alcătuită din regiuni în formă de diamant ale spațiului-timp modificate, care seamănă cu o turmă de păsări. Crearea unei astfel de geometrii spațiu-timp în realitate ar presupune o stratificare complicată a inelelor și discurilor, nu din material solid, ci dintr-un fluid extrem de dens de particule încărcate, similar cu substanța găsită în interiorul stelelor de neutroni, spune Lentz. Asta înseamnă că deplasarea cu viteză aproape de lumină este încă foarte, foarte departe de tehnologia aplicată. Dar acum, când nu sunt necesare densități exotice de energie negativă – cel puțin conform celei mai recente lucrări a lui Lentz – jocurile teoretice se află în domeniul fizicii stabilite. Alcubierre descrie lucrarea lui Lentz ca pe o „dezvoltare foarte importantă”. Francisco Lobo, cercetător la Universitatea din Lisabona și coleg de-al lui Alcubierre, care a publicat un manual despre unitățile de urzeală, nu poate găsi nici erori evidente. „Dacă este corect, acest lucru are potențialul de a deschide noi căi de interes și noi căi de cercetare în fizica unității de urzeală”, spune el. Ideea lui Lentz a stârnit chiar interes în rândul cercetătorilor din afara micii comunități de entuziaști ai impulsurilor de urzeală, inclusiv Lavinia Heisenberg, profesor de cosmologie la Institutul Federal Elvețian de Tehnologie din Zurich.

Heisenberg și studentul ei Shaun Fell au găsit hârtia lui Lentz atât de interesantă încât au construit pe ea proiectându-și propriile bule de urzeală cu energie pozitivă care ar necesita doar o miime din masa soarelui nostru. „Întregul lucru este mult mai puțin misterios decât presupun majoritatea oamenilor”, spune Alexey Bobrick, astrofizician la Universitatea Lund din Suedia. Colaborând cu antreprenorul cu sediul în New York, Gianni Martire, Bobrick a venit cu câteva soluții promițătoare la ecuațiile de teren ale lui Einstein în 2020. Potrivit lui Bobrick, tot ce este necesar pentru o bulă de urzeală este o coajă în formă adecvată, realizată din material dens, care îndoaie spațiu-timp în vecinătatea sa imediată în timp ce universul prin care se mișcă bula și spațiul din coajă rămân relativ netulburat. Alcubierre și ulterior arhitecții warp au presupus o tranziție bruscă între spațiul-timp contorsionat în peretele balonului și interiorul și exteriorul netede. Dar Bobrick și Martire au găsit această „trunchiere” a câmpului gravitațional ca fiind motivul pentru care sunt necesare cantități mari de energie negativă pentru a stabiliza contorsiunea spațiului și a timpului. „Niciuna dintre unitățile de urzeală concepute fizic nu poate accelera la viteze mai rapide decât lumina”, spune Bobrick. Asta pentru că ai avea nevoie de materie capabilă să fie ejectată la viteze mai rapide decât lumina – dar nici o particulă cunoscută nu poate călători atât de repede. Mai mult, bula nu a putut fi controlată de ocupanții navei spațiale, deoarece ar pierde contactul cu lumea exterioară, datorită curburii extrem de puternice a spațiului din jurul lor. Lentz vede și aceste obiecții ca o problemă, dar crede că se poate găsi o soluție. Între timp, Bobrick subliniază că este posibil, de asemenea, să călătorești către stele îndepărtate cu o treime sau jumătate din viteza luminii, mai ales dacă timpul trece mai încet pentru oamenii din bula de urzeală. Doar nu vă gândiți la faptul că toate rudele voastre lăsate în urmă pe Pământ vor fi murit probabil de bătrânețe înainte de a vă întoarce. „Dar cel puțin ideea nu mai este complet nebună”, spune Bobrick. Există încă unele dezbateri cu privire la faptul dacă bulele de urzeală se pot descurca fără energie negativă. Recent, trei teoreticieni au sugerat că această afirmație este adevărată doar pentru observatorii care se deplasează lângă balon. În plus, nu tot ceea ce pare posibil conform teoriei relativității există de fapt – sau este fezabil din punct de vedere tehnologic. De exemplu, ecuațiile de câmp ale lui Einstein pot fi folosite și pentru a justifica găurile „albe” (antiteza omologilor lor din gaura neagră), podurile Einstein-Rosen (numite frecvent găuri de vierme) și alte modificări exotice în spațiu-timp pe care nimeni nu le-a observat vreodată. Acest lucru se poate datora faptului că legile naturii, încă necunoscute, exclud astfel de fenomene.

Prin urmare, unii cercetători avertizează să nu depășească fanteziile. Expertul în propulsie spațială, Martin Tajmar, de la Universitatea Tehnică din Dresda, de exemplu, nu vede nicio relevanță practică pentru lucrările actuale privind unitățile de urzeală. Masele uriașe implicate depășesc pur și simplu orice poate fi testat pe Pământ, spune el. Cei mai mulți cercetători veterani care conduc la urzeală ar fi de acord fără îndoială. Ei văd munca lor mai puțin ca pregătire pentru experimente din lumea reală și mai mult ca o modalitate de a explora limitele relativității. În acest efort, chiar și „experimentele de gândire” speculative sunt utile, spune Lobo. Lentz, pe de altă parte, lucrează activ la o aplicare practică a ideii sale. După cercetările sale din Göttingen, s-a angajat la o companie IT. Dar în timpul liber, el încă se gândește la cum să accelereze o îndoire în spațiu-timp la viteze mai rapidă decât lumina și cum să reducă energia necesară pentru a face acest lucru. Lentz susține, de asemenea, să se uite atent la împrejurimile stelelor de neutroni. S-ar putea ca aceste rămășițe stelare ultracompacte să scoată bule precum cele pe care le descrie el în lucrarea sa. „Atâta timp cât nu lăsați prejudecățile personale să se împiedice și să accepte ceea ce dovezile vă spun, este un domeniu de cercetare care este la fel de demn de a fi urmărit ca oricare altul”, spune el. Jean-Luc Picard probabil ar vedea-o în mod similar. „Lucrurile sunt imposibile doar până când nu sunt”, a remarcat personajul într-un episod din Star Trek: The Next Generation. Dar asta este și mai ușor de spus atunci când trăiești 300 de ani în viitor. Sursa: scientificamerican.com