Ταξιδεύοντας γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός

Οι μελλοντικές γενεές θα μπορούσαν να ταξιδεύουν σε όλο το σύμπαν πιο γρήγορα από την ταχύτητα του φωτός, χωρίς να παραβιάζεται κανένας αστρονομικός κανόνας, απλώς χειριζόμενοι τις πρόσθετες διαστάσεις του χώρου και του χρόνου, σύμφωνα με δύο αμερικανικούς φυσικούς.

Έτσι, μπορεί να γίνει δυνατό να σπάσουμε το φράγμα της ταχύτητας του φωτός 'σερφάροντας' στα πλευρά μιας φυσαλίδας, εξηγούν οι φυσικοί αυτοί.

"Νομίζουμε ότι μπορούμε να δημιουργήσουμε μια ουσιαστική κίνηση στρέβλωσης, βασισμένη στη Γενική Σχετικότητα και στη Θεωρία Χορδών," λέει ο Gerald Cleaver από το πανεπιστήμιο Baylor στις ΗΠΑ, και ένας από τους συγγραφείς μιας μελέτης, που εμφανίστηκε πρόσφατα στο ArXiv.org.

Η κίνηση στρέβλωσης είναι βασισμένη σε ένα σχέδιο που προτάθηκε αρχικά το 1994 από τον Michael Alcubierre.

Η κίνηση Alcubierre, όπως είναι γνωστή, περιλαμβάνει την διαστολή του χωρικού ιστού πίσω από ένα σκάφος σε μια φυσαλίδα και τη συρρίκνωση του χωροχρόνου μπροστά από το σκάφος. Το διαστημικό σκάφος θα στηριζόταν μεταξύ του διαστελλόμενου και του συρρικνούμενου χωροχρόνου, ουσιαστικά κάνοντας σερφ στην πλευρά της φυσαλίδας.

Ταξίδι χωρίς κίνηση

Το πιο δυσνόητο τμήμα του εγχειρήματος είναι ότι το σκάφος στην πραγματικότητα δεν θα κινούταν. Ο ίδιος ο χώρος θα κινούταν κάτω από το στάσιμο διαστημικό σκάφος. Μια ακτίνα του φωτός δίπλα στο σκάφος θα φαινόταν να πηγαίνει πιο γρήγορα, όπως κάνει πάντα, αλλά μια ακτίνα του φωτός μακριά από το σκάφος θα έμενε πίσω.

Αυτό σημαίνει ότι το σκάφος θα έφθανε στον προορισμό του γρηγορότερα από μια ακτίνα του φωτός, που ταξιδεύει την ίδια απόσταση, αλλά χωρίς καμιά παραβίαση της σχετικότητας του Αϊνστάιν, που λέει ότι ένα αντικείμενο θα χρειαζόταν άπειρη ενέργεια για να έχει την ταχύτητα του φωτός, δεδομένου ότι το ίδιο το σκάφος δεν θα κινείται στην πραγματικότητα.

Ο χωρικός ιστός είχε κινηθεί γρηγορότερα από το φως στο παρελθόν, λέει ο Cleaver, αμέσως μετά από το Big Bang, όταν το σύμπαν στη φάση του πληθωρισμού επεκτάθηκε γρηγορότερα από την ταχύτητα του φωτός.

"Αναδημιουργούμε την πληθωριστική περίοδο του Κόσμου πίσω από το σκάφος," εξηγεί ο Cleaver.

Κι ενώ η θεωρία αφήνει ήσυχη την σχετικότητα, η επόμενη ερώτηση είναι πώς το διαστέλλετε το διάστημα πίσω από το σκάφος και πώς το συρρικνώνετε μπροστά από αυτό;

Ο Cleaver και ο Richard Obousy, ο έτερος συγγραφέας της ανακοίνωσης, προτείνουν να χειριστούμε την 11η διάσταση, ένα ειδικό θεωρητικό κατασκεύασμα της θεωρίας-Μ (ο απόγονος της θεωρίας χορδών), για να δημιουργήσουμε τη φυσαλίδα πάνω στην οποία θα έκανε σερφ το σκάφος.

Εάν θα μπορούσε η 11η διάσταση να συρρικνωθεί πίσω από το σκάφος θα δημιουργούσε μια φυσαλίδα σκοτεινής ενέργειας, η ίδια η σκοτεινή ενέργεια που αναγκάζει το σύμπαν να επιταχύνεται όσο περνάει ο χρόνος.

Η διαστολή της 11ης διάστασης μπροστά από το σκάφος θα το ανάγκαζε τελικά να ελαττωθεί, αν και απαιτούνται δύο χωριστά βήματα.

Άφθονη ενέργεια

Το πώς όμως η 11η διάσταση θα διαστελλόταν και θα συρρικνωνόταν είναι ακόμα άγνωστο.

"Αυτοί οι υπολογισμοί είναι βασισμένοι σε κάποια μη υπάρχουσα πρόοδο στην τεχνολογία σήμερα ή σε κάποια εξωγήινη τεχνολογία για να χειριστείτε την πρόσθετη διάσταση," λέει ο Cleaver.

Αυτό βέβαια που ήταν σε θέση οι επιστήμονες να υπολογίσουν ήταν η απαραίτητη ενέργεια που χρειαζόμαστε, εάν βέβαια ήταν διαθέσιμη η τεχνολογία για να αλλάξουμε αυτές τις διαστάσεις: περίπου 10⁴⁵ τζάουλ.

"Αυτή η ποσότητα της ενέργειας είναι ίση με την ενέργεια που θα πάρουμε εάν μετατρέψουμε ολόκληρη τη μάζα του Δία σε καθαρή ενέργεια, μέσω της σχέσης E = mc²," λέει ο Cleaver. Δηλαδή μια ενέργεια αρκετά πέρα από όσο μπορεί να παράγει η ανθρωπότητα αυτήν την περίοδο.

Κι ενώ οι προκλήσεις στη δημιουργία μιας κίνησης στρέβλωσης είναι αρκετά τρομερές, η ιδέα αυτή καθαυτή είναι πολύ ενδιαφέρουσα, λέει ο θεωρητικός φυσικός Lawrence Ford στο πανεπιστήμιο Tufts.

"Εάν υπάρχουν οι πρόσθετες διαστάσεις και μπορούμε να τις χειριστούμε, τότε αυτό θα άνοιγε πολλές δυνατότητες," τονίζει ο Ford.

"Δεν βλέπω αυτές τις πρόσθετες διαστάσεις να οδηγούν αμέσως σε μια κίνηση στρέβλωσης, αλλά θα μπορούσα να τις δω σε άλλες ενδιαφέρουσες δυνατότητες της βασικής επιστημονικής έρευνας," λέει Ford.

Ο Cleaver συμφωνεί κι αυτός ότι ότι η δημιουργία μιας πραγματικής κίνησης στρέβλωσης είναι ακόμα μακριά.

"Η κίνηση στρέβλωσης του χώρου φυσικά δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί τώρα, και πιθανώς ούτε για τα επόμενα εκατομμύρια χρόνια," συμπληρώνει ο Cleaver.

Υπερφωτεινή κίνηση Alcubierre λόγω στρέβλωσης του χωροχρόνου

Μια ιδέα για να γίνει πιθανό ένα διαστημικό ταξίδι με ταχύτητα μεγαλύτερη από αυτή που ταξιδεύει το φως, προτάθηκε για πρώτη φορά από το Μεξικανό θεωρητικό φυσικό Miguel Allcubierre το 1994. Αυτή η ιδέα αρχίζει από την αντίληψη, που υπονοείται στη γενική θεωρία της σχετικότητας του Αϊνστάιν, ότι η ύλη αναγκάζει την επιφάνεια του χωροχρόνου γύρω της να κυρτώνεται.

Ο Miguel Alcubierre ενδιαφέρθηκε για το αν θα μπορούσε ποτέ να πραγματοποιηθεί η "κίνηση λόγω στρέβλωσης του χωροχρόνου" (warp drive), όπως παρουσιαζόταν στο έργο επιστημονικής φαντασίας Star Trek. Αυτό τον οδήγησε στην αναζήτηση μιας έγκυρης μαθηματικής περιγραφής του πεδίου βαρύτητας, που θα επέτρεπε ένα είδος χωροχρονικής στρέβλωσης σαν μέσο υπερφωτεινής προώθησης.

Ο Alcubierre κατέληξε στο συμπέρασμα ότι μια κίνηση λόγω στρέβλωσης του χωροχρόνου θα ήταν εφικτή, εάν η ύλη θα μπορούσε να κανονιστεί έτσι ώστε να διαστέλλεται ο χωροχρόνος πίσω από ένα διαστημόπλοιο (κι έτσι να απομακρύνει το σημείο αναχώρησης πολλά έτη φωτός πίσω), και να συρρικνώνει τον χωροχρόνο μπροστά (ώστε να φέρνει τον προορισμό πιο κοντά). Με αυτό τον τρόπο θα αφήνει το ίδιο το διαστημόπλοιο σε μια τοπικά επίπεδη περιοχή του χωροχρόνου που θα ορίζεται από μια "φυσαλίδα στρέβλωσης", που θα βρίσκεται μεταξύ των δύο στρεβλώσεων του χωροχρόνου.

Το σκάφος έτσι θα ήταν σαν να έκανε σερφ κατά μήκος της φυσαλίδας του με μια αυθαίρετα υψηλή ταχύτητα, ωθούμενο προς τα εμπρός λόγω της διαστολής του διαστήματος στο πίσω τμήμα του και της συστολής του διαστήματος μπροστά του. Θα μπορούσε λοιπόν να ταξιδέψει γρηγορότερα από το φως χωρίς καμιά παράβαση οποιουδήποτε φυσικού νόμου επειδή, ο χωροχρόνος στην τοπική φυσαλίδα στρέβλωσης θα ήταν σε ηρεμία.

Επίσης, όντας τοπικά στάσιμο, το διαστημόπλοιο και το πλήρωμά του δεν θα επηρεαζόταν από τις τρομακτικές επιταχύνσεις και επιβραδύνσεις (που προλαμβάνουν την ανάγκη για "διατάξεις απόσβεσης της αδράνειας"), και από τα σχετικιστικά αποτελέσματα, όπως η χρονική διαστολή (επειδή το πέρασμα του χρόνου μέσα στη φυσαλίδα στρέβλωσης θα ήταν η ίδια με αυτό στο εξωτερικό).

Θα μπορούσε άραγε να γίνει πραγματικότητα μια τέτοια κίνηση λόγω στρέβλωσης του χωροχρόνου;

Όπως επισημαίνει ο Alubierre θα απαιτούσε τον επιδέξιο χειρισμό της ύλης με μια αρνητική ενεργειακή πυκνότητα. Τέτοια ύλη, γνωστή ως εξωτική ύλη, είναι το ίδιο είδος της ουσίας που απαιτείται προφανώς για να διατηρήσει ανοικτές τις σκουληκότρυπες - ένα άλλα μέσον που έχει προταθεί για να ταξιδέψουμε χωρίς το φραγμό της ταχύτητας του φωτός. Η κβαντομηχανική επιτρέπει την ύπαρξη περιοχών αρνητικής ενεργειακής πυκνότητας κάτω από ειδικές περιστάσεις, όπως είναι το φαινόμενο Casimir.

Το 1999 ο Chris Van Den Broeck, στο Καθολικό Πανεπιστήμιο Leuven του Βελγίου, ανέλυσε περισσότερο την ιδέα της κίνησης Alubierre λόγω στρέβλωσης. Έτσι, ίσως ήρθε πιο κοντά η κατασκευή ενός διαστημοπλοίου τύπου Enterprise. Οι υπολογισμοί του Van Den Broeckο έδειξαν ότι δεν χρειάζεται τόση ενέργεια όση υπολόγισε ο Alcubierre στην εργασία του. Αλλά αυτό δεν σημαίνει ότι είμαστε στα πρόθυρα της ικανότητας να στρεβλώσουμε τον χωροχρόνο. Όπως συμπεραίνει ο Van Den Broeck: "Το πρώτο υπερφωτεινό ταξίδι λόγω στρέβλωσης είναι ακόμα πολύ μακρινή υπόθεση, αλλά ίσως έχει γίνει τώρα ελαφρώς λιγότερο απίθανο."

Φυσική της κίνησης Alubierre

Για εκείνους που είναι εξοικειωμένοι με τα φαινόμενα της ειδικής σχετικότητας, όπως είναι η συστολή Lorentz και η χρονική διαστολή, η κίνηση Alcubierre έχει μερικές προφανώς ειδικές πτυχές. Ειδικότερα, ο Alcubierre έχει δείξει ότι ακόμα και όταν επιταχύνει το σκάφος, ταξιδεύει σε μια γεωδαισιακή ελεύθερης πτώσης. Με άλλα λόγια, ένα σκάφος που χρησιμοποιεί τη στρέβλωση του χωροχρόνου για να επιταχυνθεί και να επιβραδυνθεί είναι πάντα σε ελεύθερη πτώση, και το πλήρωμα του σκάφους δεν θα δοκίμαζε καμία βαρυτική δύναμη επιτάχυνση. Κάποιες τεράστιες παλιρροϊκές δυνάμεις θα παρουσιάζονταν πλησίον των άκρων του επίπεδου διαστημικού σκάφους, λόγω της μεγάλης χωρικής κυρτότητας εκεί, αλλά με την κατάλληλη προδιαγραφή της μετρικής, αυτές θα γίνονταν πολύ μικρές μέσα στον όγκο του σκάφους.

Ο D. Coule έχει υποστηρίξει ότι σχέδια όπως αυτό που προτείνεται από τον Alcubierre δεν είναι εφικτά επειδή η ύλη που τοποθετείται στο δρόμο πρέπει εκ των προτέρων να τοποθετηθεί με ταχύτητα υπερφωτεινή. Κατά συνέπεια, σύμφωνα με τον Coule, απαιτείται μια κίνηση Alcubierre προκειμένου να φτιαχτεί μια κίνηση Alcubierre. Γι αυτό και είναι αδύνατη η κατασκευή αυτής της κίνησης, ακόμα κι αν η μετρική είναι φυσικά σημαντική.

Σημαντικά προβλήματα με τη μετρική αυτής της μορφής προέρχονται από το γεγονός ότι όλες οι γνωστές κινήσεις λόγω στρεβλώσεων του χωροχρόνου, παραβιάζουν διάφορες ενεργειακές συνθήκες. Είναι αλήθεια ότι ορισμένα πειραματικά ελεγμένα κβαντικά φαινόμενα, όπως το φαινόμενο Casimir, όταν περιγράφονται στα πλαίσια της κβαντικής θεωρίας πεδίου, παραβιάζουν επίσης τις ενεργειακές συνθήκες. Έτσι, κάποιος μπορεί να ελπίζει ότι οι κινήσεις τύπου Alcubierre, λόγω στρεβλώσεων του χωροχρόνου, θα μπορούσαν ίσως να πραγματοποιηθούν με μια έξυπνη εφαρμοσμένη μηχανική που θα εκμεταλλεύεται τέτοια κβαντικά αποτελέσματα. Πάντως, υπολογισμοί έδειξαν ότι απαιτούνται παράλογα τεράστιες ενέργειες για τέτοιες κινήσεις, π.χ. απαιτείται ενέργεια ισοδύναμη με 10⁶⁷ gr, για να μεταφέρει ένα μικρό σκάφος πέρα από το Γαλαξία μας. Αυτά είναι μεγέθη μεγαλύτερα από τη μάζα όλου του σύμπαντος. Υπάρχουν βέβαια αντεπιχειρήματα σε αυτά τα προφανή προβλήματα ενέργειας, αλλά δεν έχουν πείσει τους φυσικούς ότι μπορούν να υπερνικηθούν.

Το υπερφωτεινό ταξίδι λόγω στρέβλωσης του χωροχρόνου χρησιμοποιείται συχνά στην επιστημονική φαντασία για να δείξει μια ευρεία ποικιλία φανταστικών μεθόδων προώθησης, οι περισσότερες από τις οποίες δεν έχουν καμία σχέση με την κίνηση Alcubierre ή οποιαδήποτε άλλη φυσική θεωρία.

Η φυσική της κίνησης λόγω στρέβλωσης του χωροχρόνου στο έργο Star Trek δεν ήταν ποτέ καθορισμένη, ούτε οι συγγραφείς του έχουν κάνει οποιαδήποτε αναφορά στη θεωρία του Dr. Alcubierre. Όμως το 1978 ένα υπόμνημα του Jesco von Puttkamer, τεχνικού συμβούλου για το Star Trek, προτείνει μια θεωρία σημαντικά όμοια με την θεωρία στρεβλώσεων του χωροχρόνου Alcubierre.

Η κίνηση Alcubierre αναφέρεται επίσης στο Orbiter, ένα μυθιστόρημα του Warren Ellis.