Napęd warp – podróż z prędkością nadświetlną

Najbliższą Ziemi gwiazdą jest Proxima Centauri. Znajduje się około 4,25 lat świetlnych od nas, czyli około 40 bilionów km. Najszybszy statek kosmiczny, znajdujący się obecnie w kosmosie Parker Solar Probe przemieszczający się z prędkością 724 tysięcy km/h potrzebowałby ponad 6300 lat, aby dotrzeć do najbliższego sąsiedniego układu słonecznego Ziemi.

Jeśli ludzkość kiedykolwiek zechce swobodnie podróżować między gwiazdami, ludzie będą musieli poruszać się szybciej niż światło. Ale jak dotąd podróżowanie szybciej niż światło jest możliwe tylko w science fiction. W serialu Fundacja Issaca Asimova ludzkość może podróżować z planety na planetę, od gwiazdy do gwiazdy lub przez wszechświat, korzystając z napędów skokowych.

Niektóre postacie — na przykład astronauci z filmów „Interstellar” i „Thor” — używają tuneli czasoprzestrzennych, aby w ciągu kilku sekund podróżować między układami słonecznymi. Innym podejściem – znanym fanom „Star Trek” – jest technologia napędu warp.  Ciekawe jest to, że napędy warp są teoretycznie możliwe, ciągle jednak pozostają nidościgłą technologią . W marcu, kiedy naukowcy twierdzili, że pokonali jedno z wielu wyzwań, które stoją między teorią napędów warp a rzeczywistością ich artyjuły trafiły na pierwsze strony gazet.

To wszystko pobudza wyobraźnię, ale jak naprawdę działają te teoretyczne napędy warp? I czy ludzie w najbliższym czasie skoczą do prędkości warpowej?

Kompresja i ekspansja

Obecne rozumienie czasoprzestrzeni przez fizyków pochodzi z ogólnej teorii względności Alberta Einsteina. Ogólna teoria względności stwierdza, że ​​przestrzeń i czas są związane i nic nie może podróżować szybciej niż prędkość światła. Ogólna teoria względności opisuje również, w jaki sposób masa i energia zakrzywiają czasoprzestrzeń — potężne obiekty, takie jak gwiazdy i czarne dziury, zakrzywiają czasoprzestrzeń wokół siebie. Ta krzywizna jest tym, co czujesz jako grawitacja. Wielu bohaterów science fiction martwi się „utknięciem” lub „wpadnięciem” do studni grawitacyjnej. Wcześniej, pisarze science fiction, John Campbell i Asimov, postrzegali zakrzywienie czasoprzestrzeni jako sposób na ominięcie ograniczenia prędkości (przekroczenie prędkości światła).

 

Ta dwuwymiarowa reprezentacja pokazuje bańkę czasoprzestrzeni płaską w środku, gdzie znajduje się napęd warp otoczony skompresowaną czasoprzestrzenią po prawej (krzywa w dół) i rozszerzoną czasoprzestrzenią w lewo (krzywa w górę). Źródło: AllenMcC/Wikimedia Commons

Co by było, gdyby statek kosmiczny mógł skompresować przestrzeń przed sobą, jednocześnie rozszerzając czasoprzestrzeń za sobą? „Star Trek” wziął ten pomysł i nazwał go napędem warp.

W 1994 r. Miguel Alcubierre, meksykański fizyk teoretyczny, wykazał, że kompresowanie czasoprzestrzeni przed statkiem kosmicznym i rozszerzanie jej za statkiem było matematycznie możliwe zgodnie z prawami ogólnej teorii względności. Więc, co to znaczy? Wyobraźmy sobie, że odległość między dwoma punktami wynosi 10 metrów. Jeśli stoimy w punkcie A i możemy poruszać się z prędkością jednego metra na sekundę, dotarcie do punktu B zajęłoby 10 sekund. Załóżmy jednak, że możemy w jakiś sposób skompresować przestrzeń między nami a punktem B, tak aby odstęp wynosił teraz tylko jeden metr . W tym przypadku , poruszając się w czasoprzestrzeni z maksymalną prędkością jednego metra na sekundę, bylibyśmy w stanie dotrzeć do punktu B w ciągu sekundy.  Teoretycznie taki proces nie jest sprzeczny z prawami względności, ponieważ nie poruszamy się szybciej niż światło w otaczającej Cię przestrzeni. Alcubierre wykazał, że napęd warp ze „Star Treka” jest więc teoretycznie możliwy.

 

Problem ujemnej energii

Napęd warp Alcubierre’a działałby tworząc bańkę płaskiej czasoprzestrzeni wokół statku kosmicznego i zakrzywiając czasoprzestrzeń wokół tej bańki.  Niestety, metoda kompresji czasoprzestrzeni Alcubierre’a jedną wadę: wymaga ujemnej energii lub ujemnej masy. Fizycy nigdy nie zaobserwowali masy ujemnej, więc jedyną opcją pozostaje ujemna energia.

Aby wytworzyć ujemną energię, napęd warp wykorzystałby ogromną ilość masy, aby stworzyć nierównowagę między cząsteczkami i antycząsteczkami. Na przykład, jeśli elektron i antyelektron pojawią się w pobliżu napędu warp, jedna z cząstek zostanie uwięziona przez masę, co spowoduje brak równowagi. Ta nierównowaga powoduje ujemną gęstość energii. Napęd warp Alcubierre’a wykorzystałby tę negatywną energię do stworzenia bańki czasoprzestrzeni.

Ale aby napęd warp generował wystarczająco dużo negatywnej energii, potrzeba dużo materii. Alcubierre oszacował, że napęd warp z bańką o długości 100 metrów wymagałby masy całego widzialnego wszechświata!

W 1999 roku fizyk Chris Van Den Broeck wykazał, że zwiększenie objętości wewnątrz bańki przy zachowaniu stałej powierzchni znacznie zmniejszyłoby zapotrzebowanie na energię, prawie do masy Słońca. To znaczna poprawa, ale poza wszelkimi praktycznymi możliwościami.

Przyszłość science fiction?

Dwa ostatnie artykuły — jeden autorstwa Alexeya Bobricka i Gianniego Martire oraz drugi autorstwa Erika Lentza — dostarczają rozwiązań, które wydają się przybliżać napędy warp do rzeczywistości.

Bobrick i Martire zdali sobie sprawę, że modyfikując czasoprzestrzeń w bańce w określony sposób, mogą wyeliminować potrzebę używania negatywnej energii. To rozwiązanie nie zapewnia jednak napędu warp, który może jechać szybciej niż światło.

Niezależnie Lentz zaproponował również rozwiązanie, które nie wymaga ujemnej energii. Użył innego podejścia geometrycznego do rozwiązania równań ogólnej teorii względności i dzięki temu odkrył, że napęd warp nie musi wykorzystywać ujemnej energii. Rozwiązanie Lentza pozwoliłoby bańce poruszać się szybciej niż prędkość światła.

Należy podkreślić, że te ekscytujące odkrycia to tylko modele matematyczne. Fizycy nie ufają w pełni modelom dopóki nie ma eksperymentalnego dowodu.  Fizyka jest podobna do sportu zawodowego: tysiące ciężko trenuje, ale tylko jeden staje na najwyższym podium. Trzeba więc próbować i wierzyć że prace nad warp zakończą się kiedyś sukcesem. Mówiąc słowami kapitana Picarda, rzeczy są niemożliwe tylko wtedy, gdy tak się nie stanie.