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.

Descoperirea lui Alcubierre i-a pus pe jar pe fizicienii teoreticieni. Ar putea fi posibilă călătoria FTL?

Inclusiv NASA a fost interesată.

Să presupunem că vreau să fac ceva „simplu”, cum ar fi să trimit o sondă robotizată către Alpha Centauri pentru a o verifica și a raporta. Alpha Centauri se află la o distanță de aproximativ 4,37 ani lumină. Să spunem patru pentru simplitate. Deci, un fascicul de lumină are nevoie de 4 ani pentru a ajunge acolo de pe Pământ. Dacă nu pot merge mai repede decât lumina, o călătorie dus-întors durează cel puțin 8 ani! Și asta la viteza luminii, fără a pune la socoteală timpul necesar pentru a accelera până la această viteză și pentru a încetini la Alpha Centauri. Cea mai rapidă sondă pe care am avut-o vreodată, Parker Solar Probe de la NASA, lansată în 2018, va atinge doar o viteză maximă de 200 de kilometri pe secundă. Viteza luminii este de 1.500 de ori mai mare!

Avansarea unei sonde chiar și aproape de această viteză ar fi impresionantă, dar, dacă aș putea merge mai repede decât lumina, poate mult mai repede, aș putea reduce timpul de călătorie dus-întors la câteva luni sau chiar mai puțin.

O astfel de posibilitate a fost deja luată în considerare în cadrul comunității de fizicieni cu zeci de ani înainte, prin cercetări privind ceea ce se numește în mod obișnuit „găuri de vierme”. La fel ca și ideea lui Alcubierre, găurile de vierme sunt o distorsiune a spațiului, dar în loc să fie o bulă pe care o navă o poartă cu ea, acestea sunt pasaje prin spațiu care te pot duce dintr-un punct în altul într-un timp mult mai scurt decât parcurgând spațiul normal, ca o cale ferată de mare viteză.

Găurile de vierme au fost descoperite în 1916, la numai un an după ce Einstein și-a publicat teoria gravitației numită Relativitate generală. În comparație cu teoria motorului warp, ele sunt vechi, dar cu greu mai puțin exotice.

Găurile de vierme apar și în Star Trek, dar, cu excepția celei construite de extratereștri în DS9, sunt considerate instabile. Cu toate acestea, în franciza SF mai apropiată de viitor, Stargate, ele sunt modalitatea de rigoare de a călători spre alte stele și galaxii.

Pentru aceia dintre noi care își imaginează o viitoare umanitate care călătorește spre stele cu viteze FTL, o întrebare arzătoare este: care este mai probabil să devină realitate? Unitățile Alcubierre asemănătoare motoarelor warp sau porțile stelare?

Să analizăm diferențele:

Propulsorul Alcubierre deformează spațiul astfel încât orice lucru din interiorul bulei sale va fi accelerat nu printr-un mijloc de propulsie, ci prin comprimarea spațiului însuși. Aceasta este ca o formă în miniatură a modului în care universul se extinde, dar în sens invers și local în interiorul bulei. Pentru că distorsionează spațiul și nu călătorește prin spațiu, poate merge mai repede decât lumina.

În ultimii 26 de ani, au fost publicate un număr mare de critici la adresa ideii lui Alcubierre: Va fi nevoie de un univers de energie. Va genera radiații intense care vor distruge atât ceea ce se află în interiorul bulei warp, cât și ceea ce se află în fața ei. O va face imposibil de controlat, deoarece nu se pot trimite mesaje din spatele navei în față fără a depăși viteza luminii. Va avea nevoie de o bulă atât de subțire încât ar fi în afara fizicii cunoscute.

Totuși, toate acestea păreau a fi probleme de inginerie sau cel puțin potențial rezolvabile. Cu siguranță că un inginer inteligent din viitor ar putea proiecta modalități de a le ocoli. Să facă o bulă mai inteligentă care să aibă nevoie de mai puțină energie. Folosiți bule warp Alcubierre pentru a trimite mesaje în partea din față a navei. Poate că ar putea fi dezvoltată o protecție împotriva radiațiilor sau acestea ar putea fi deviate sau absorbite cumva. Și cine spune că nu putem face o bulă super subțire? Totuși, poate că găurile de vierme sunt calea mai ușoară spre stele.

O gaură de vierme este ca un tunel, dar cu o dimensiune în plus față de cea obișnuită. Ea este formată din două deschideri în formă de bilă separate în spațiu. Spre deosebire de reprezentările din Stargate și Star Trek, deschiderea nu este un disc bidimensional, ci o bilă în care se poate intra din orice direcție. Cele două bile sunt conectate printr-o deschidere numită „gât”, care este suprafața unei sfere care există în afara spațiului normal. Această sferă este analogă unei îmbinări circulare între două țevi, dar într-o dimensiune în plus.

Cum intri într-o bilă, nu treci printr-un tunel obișnuit. Mai degrabă intrați într-un spațiu distorsionat în care, în loc să treceți prin bilă și să ieșiți pe partea cealaltă, direcția în care vă deplasați este curbată în afara spațiului normal. Această curbură vă face să treceți prin gât și să ieșiți prin cealaltă bilă. Nu vezi niciodată „pereții” tunelului, deoarece pereții sunt tridimensionali, iar tu îți petreci tot timpul „pe” perete, ca o furnică care se târăște în interiorul unei clepsidre. (Poți chiar să trimiți un semnal în linie dreaptă din interior, iar acesta se va învârti în cerc și se va întoarce la tine). Este greu de vizualizat, ceea ce este probabil motivul pentru care science fiction-ul rareori reușește să o facă bine.

Soluțiile timpurii ale găurilor de vierme pentru ecuațiile lui Einstein, inclusiv cea pe care Einstein însuși a descoperit-o în anii 1930, erau imposibil de străbătut, deoarece „gâtul” găurii de vierme era ciupit mai repede decât ar putea trece chiar și lumina. Abia în 1973, Homer Ellis a descoperit în ecuațiile lui Einstein o gaură de vierme „traversabilă”, una prin care se poate călători efectiv.

Ca și motorul warp, construirea unei găuri de vierme se va dovedi a fi o provocare. Pentru a crea o distorsiune atât de mare în spațiu-timp ar trebui să conectezi două găuri negre (una pentru fiecare capăt). Pentru a face acest lucru, trebuie să uniți cele două singularități ale găurilor negre, păstrând în același timp găurile negre în sine separate. Apoi, trebuie să aruncați în aer singularitatea fuzionată dintr-un punct într-un gât sferic pentru o deschidere.

Teoria cuantică ar putea ajuta în acest sens prin „încurcare”, unde obiectele pot fi conectate între ele la distanță. Alții au sugerat că găurile de vierme cuantice care apar în mod natural ar putea apărea în vidul spațiului într-un tărâm subatomic numit spumă cuantică și ar putea fi încurajate să se lărgească pentru a permite trecerea a ceva. Până în prezent, niciunul dintre aceste mecanisme nu s-a dovedit a fi posibil din punct de vedere fizic la dimensiunea necesară pentru ca ceva clasic să treacă prin ele, cum ar fi o sondă. Găurile de vierme se dovedesc a fi dificile.

O a treia metodă pe care încă nu am văzut-o în science fiction este tubul Krasnikov. Această idee a fost propusă în 1995 ca o alternativă la propulsorul Alcubierre. În ea, o navă ar distorsiona spațiul în timp ce se deplasează cu viteză subluminică de la o stea la alta. În loc să facă călătoria mai scurtă ca o gaură de vierme, tubul este o mașină a timpului.

Să vedem cum funcționează:

Să presupunem că sonda mea spațială robotizată merge cu 99% din viteza luminii spre Alpha Centauri. Parcurgerea a 4 ani lumină cu această viteză înseamnă 4,04 ani pentru noi, dar pentru sondă înseamnă doar 7 luni. Motivul are de-a face cu relativitatea și cu paradoxul gemenilor. Puteți vedea acest principiu în seria de cărți Ender de Orson Scott Card. Ender și sora sa călătoresc atât de mult încât trăiesc mii de ani în timpul Pământului.

Tubul Krasnikov este conceput pentru a distorsiona timpul în spatele sondei, astfel încât oamenii de pe Pământ să nu fie nevoiți să aștepte atât de mult întoarcerea sondei. Odată ce sonda ajunge la destinație și este pregătită să se întoarcă, aceasta intră în tub și călătorește înapoi pe același drum pe care a venit. Singura diferență este că, pe măsură ce călătorește, timpul se scurge în sens invers. Acest lucru are ca efect faptul că îi permite să ajungă la scurt timp după ce a plecat!

.