Three ways to travel faster than light (and why physics says they are impossible)

Nobody took the idea of warp drive seriously until 1994, when a theoretical physicist Miguel Alcubierre proposed a method that could, within the realm of known physics, warp space to travel faster than light.

La scoperta di Alcubierre mise in fermento i fisici teorici. I viaggi FTL potrebbero essere possibili?

Anche la NASA si è interessata.

Supponiamo che io voglia fare qualcosa di “semplice” come inviare una sonda robotica su Alpha Centauri per controllare e riferire. Alpha Centauri dista circa 4,37 anni luce. Facciamo quattro per semplicità. Quindi un raggio di luce impiega 4 anni per arrivare lì dalla Terra. A meno che non possa andare più veloce della luce, un viaggio di andata e ritorno è di almeno 8 anni! E questo alla velocità della luce, senza contare il tempo necessario per accelerare a quella velocità e rallentare ad Alpha Centauri. La nostra sonda più veloce di sempre, la Parker Solar Probe della NASA, lanciata nel 2018, raggiungerà solo una velocità massima di 200 chilometri al secondo. La velocità della luce è 1500 volte più veloce!

Per ottenere una sonda anche solo vicino a quella velocità sarebbe impressionante, ma, se posso andare più veloce della luce, forse molto più veloce, potrei ridurre il tempo di andata e ritorno a mesi o anche meno.

Questa possibilità era già stata presa in considerazione nella comunità fisica decenni prima con la ricerca su quelli che sono comunemente chiamati “wormholes”. Come l’idea di Alcubierre, i wormhole sono una distorsione dello spazio, ma invece di essere una bolla che una nave porta con sé sono passaggi attraverso lo spazio che possono portare da un punto all’altro in un tempo molto più breve che attraversando lo spazio normale, come una ferrovia ad alta velocità.

I wormhole erano stati scoperti nel 1916, solo un anno dopo che Einstein aveva pubblicato la sua teoria della gravità chiamata Relatività Generale. Rispetto alla teoria della propulsione a curvatura, sono antichi ma non meno esotici.

I wormhole sono presenti anche in Star Trek ma, tranne quello costruito dagli alieni in DS9, sono considerati instabili. Nel franchise di fantascienza più vicino al futuro, Stargate, invece, sono il modo de rigueur per viaggiare verso altre stelle e galassie.

Per quelli di noi che immaginano un’umanità futura che viaggia verso le stelle a velocità FTL, una domanda scottante è: cosa è più probabile che diventi realtà? I propulsori a curvatura tipo Alcubierre o gli Stargate?

Guardiamo le differenze:

Il propulsore Alcubierre deforma lo spazio in modo che qualsiasi cosa all’interno della sua bolla venga accelerata non da un mezzo di propulsione ma comprimendo lo spazio stesso. Questo è come una mini forma di come l’universo si espande ma al contrario e locale alla bolla. Poiché sta distorcendo lo spazio e non viaggiando attraverso lo spazio, può andare più veloce della luce.

Negli ultimi 26 anni, sono state pubblicate numerose critiche all’idea di Alcubierre: avrà bisogno di un universo di energia. Genererà un’intensa radiazione che distruggerà sia ciò che si trova all’interno della bolla di curvatura sia ciò che si trova davanti ad essa. La renderà impossibile da controllare perché non si possono inviare messaggi dalla parte posteriore della nave a quella anteriore senza superare la velocità della luce. Avrà bisogno di una bolla così sottile da essere al di fuori della fisica conosciuta.

Ancora, tutti questi sembravano problemi di ingegneria o almeno potenzialmente risolvibili. Sicuramente un ingegnere intelligente nel futuro potrebbe progettare modi per aggirarli. Fare una bolla più intelligente che abbia bisogno di meno energia. Usare bolle a curvatura Alcubierre per inviare messaggi alla parte anteriore della nave. Forse si potrebbe sviluppare una qualche protezione per le radiazioni o potrebbero essere deviate o risucchiate via in qualche modo. E chi dice che non possiamo fare una bolla super sottile? Eppure, forse i wormhole sono la via più facile per le stelle.

Un wormhole è come un tunnel ma con una dimensione in più del solito. Consiste in due aperture a forma di palla separate nello spazio. A differenza delle rappresentazioni su Stargate e Star Trek, l’apertura non è un disco bidimensionale ma una palla in cui si può entrare da qualsiasi direzione. Le due sfere sono collegate da un’apertura chiamata “gola” che è la superficie di una sfera che esiste al di fuori dello spazio normale. Questa sfera è analoga a un giunto circolare tra due tubi, ma in una dimensione in più.

Quando si entra in una palla, non si passa attraverso un tunnel ordinario. Piuttosto si entra in uno spazio distorto dove invece di passare attraverso la sfera e uscire dall’altra parte, la direzione lungo la quale si sta viaggiando è piegata al di fuori dello spazio normale. La curvatura ti fa passare attraverso la gola e uscire dall’altra palla. Non vedi mai le “pareti” del tunnel perché le pareti sono tridimensionali, e passi tutto il tempo “sul” muro come una formica che striscia dentro una clessidra. (Puoi anche inviare un segnale in linea retta dall’interno ed esso girerà intorno e tornerà da te). È difficile da visualizzare, ed è probabilmente il motivo per cui la fantascienza raramente ci azzecca.

Le prime soluzioni di wormhole alle equazioni di Einstein, compresa quella che lo stesso Einstein scoprì negli anni ’30, erano impossibili da attraversare perché la “gola” del wormhole era pizzicata più velocemente di quanto la luce potesse viaggiare attraverso. Solo nel 1973 Homer Ellis ha scoperto nelle equazioni di Einstein un wormhole “attraversabile”, uno attraverso il quale si può effettivamente viaggiare.

Come la propulsione a curvatura, anche costruire un wormhole sarebbe una sfida. Per creare una distorsione così grande nello spazio-tempo è necessario collegare due buchi neri (uno per ogni estremità). Per farlo, è necessario unire le due singolarità dei buchi neri mantenendo i buchi neri stessi separati. Poi bisogna far esplodere la singolarità fusa da un punto in una gola sferica per un’apertura.

La teoria quantistica potrebbe aiutare con questo attraverso l'”entanglement” dove gli oggetti possono essere collegati insieme a distanza. Altri hanno suggerito che i wormhole quantistici naturali potrebbero apparire nel vuoto dello spazio in un regno subatomico chiamato schiuma quantistica ed essere incoraggiati ad allargarsi per permettere il passaggio di qualcosa. Finora nessuno di questi meccanismi ha dimostrato di essere fisicamente possibile alle dimensioni necessarie per far passare qualcosa di classico come una sonda. I wormhole si rivelano essere una cosa difficile.

Un terzo metodo che devo ancora vedere nella fantascienza è il tubo di Krasnikov. Questa idea è stata proposta nel 1995 come alternativa al motore Alcubierre. In essa una nave distorcerebbe lo spazio mentre va a velocità subluce da una stella all’altra. Invece di accorciare il viaggio come un wormhole, il tubo è una macchina del tempo.

Vediamo come funziona:

Supponiamo che la mia sonda spaziale robotica vada al 99% della velocità della luce ad Alpha Centauri. Andare a 4 anni luce a quella velocità è 4,04 anni per noi, ma per la sonda sono solo 7 mesi. Il motivo ha a che fare con la relatività e il paradosso dei gemelli. Si vede questo principio nella serie di libri Ender di Orson Scott Card. Ender e sua sorella viaggiano così tanto che vivono migliaia di anni nel tempo terrestre.

Il tubo di Krasnikov è progettato per distorcere il tempo dietro la sonda in modo che la gente sulla Terra non debba aspettare così tanto il ritorno della sonda. Una volta che la sonda raggiunge la sua destinazione ed è pronta a tornare, entra nel tubo e torna indietro nello stesso modo in cui è arrivata. L’unica differenza è che, mentre viaggia, il tempo scorre al contrario. Questo ha l’effetto di permetterle di arrivare poco dopo la sua partenza!