Pentru a putea deveni cu adevărat o specie multiplanetară, așa cum își dorește Elon Musk, avem nevoie de sisteme de transport care să ne permită călătorii interstelare și chiar intergalactice. Din nefericire, ele pot fi întâlnite numai în literatura și filmele de ficțiune științifică. Din fericire, oameni de știință care iubesc SF-ul și-au pus mintea la contribuție pentru a concepe teorii noi care ar putea, probabil într-un viitor îndepărtat, să permită realizarea de sisteme de transport care să transforme în realitate colonizarea Universului de către oameni.

În ediția din august 2018 a revistei noastre vă povesteam despre știința din filmul Interstellar. Acolo am prezentat argumentele teoretice care susțin posibilitatea folosirii unor găuri de vierme traversabile pentru călătorii la mare distanță în Univers. Acum vreau să vă povestesc despre o altă idee teoretică, la fel de spectaculoasă, care poartă numele de warp drive (păstrez sintagma în limba engleză, deoarece nu am găsit nici o traducere care să mă mulțumească), sau bula lui Alcubierre.

Miguel Alcubierre

În 1994 fizicianul mexican Miguel Alcubierre publica un articol care a făcut foarte multă vâlvă atât în rândul oamenilor de știință, cât și în cel al iubitorilor de SF. Articolul avea un titlu extrem de ademenitor pentru membrii celor două comunități: ”The Warp Drive: Hyper-fast travel within general relativity” și a fost publicat în prestigioasa revistă Classical and Quantum Gravity. În rezumatul lucrării, Alcubierre prezenta pe înțelesul oricui conținutul articolului: ”Vom arăta cum, în cadrul teoriei generale a releativității, este posibilă modificarea spațiu-timpului astfel încât o navă spațială să se poată deplasa cu o viteză oricât de mare. Prin expandarea locală a spațiu-timpului din spatele navei spațiale și prin contractarea lui în fața ei se pot obține viteze de deplasare mai mari decât viteza luminii […]. Distorsiunea spațiu-timpului seamănă cu ”warp drive” din SF. Totuși, așa cum se întâmplă cu găurile de vierme, avem nevoie de o materie exotică pentru a genera distorsiunea spațiu-timpului așa cum o vom prezenta în continuare.”

Și prima pagină a articolului este relativ ușor de înțeles. Aici Alcubierre arată că, deși, conform cu teoria relativității, nici un obiect nu se poate deplasa cu viteze mai mari decât viteza luminii, acest lucru nu este valabil pentru însuși spațiu-timpul. Pentru a își susține afirmația el dă și un exemplu: ”Ideea de bază poate fi mai ușor înțeleasă, dacă ne aducem aminte că a existat o fază inflaționară a Big-Bang-ului și dacă ne imaginăm doi observatori. Este foarte ușor să înțelegem că, dacă vom calcula viteza de seprarea dintre ei ca fiind raportul dintre distanță și timpul propriu vom obține o valoare mult mai mare decât viteza luminii. Dar asta nu înseamnă că observatorii s-au îndepărtat [unul de altul] cu viteze supraluminice […]. Viteza enormă de separare este rezultatul expansiunii spațiu-timpului însuși.” Urmează apoi un text stufos din punct de vedere matematic, prin care Alcubierre își prezintă argumentele în favoarea teoriei propuse de el. Voi încerca să le fac un pic mai accesibile.

Bula lui Alcubierre

Pe 2 decembrie 1915 Albert Einstein publica articolul ”Ecuațiile de câmp ale gravitației” (Die Feldgleichungen der Gravitation), care a marcat una dintre cele mai mari revoluții din istoria științei. Este data de naștere a teoriei generale a relativității.

Deși nu foarte complicată, ecuația de câmp a gravitației, este greu de înțeles, în sensul ei fizic, de către noi, profanii. De aceea prefer să vi-o prezint sub următoarea formă simplificată.

[Termeni care conțin distribuția de masă și energie]=[geometria spațiu-timpului]

De la această ecuație a plecat Alcubierre. El a căutat să vadă dacă este posibilă controlarea spațiu-timpului astfel încât să se îndeplinească ceea ce susținea în rezumatul lucrării amintite, adică o contractare a spațiu-timpului în fața navei spațiale și o dilatare a lui în spatele navei spațiale. Pasul următor a fost evident. A impus o anumită geometrie a spațiu timpului și a căutat să găsească valorile necesare pentru distribuția de masă și energie. Nu a fost chiar atât de simplu cum las eu să se înțeleagă, dar în cele din urmă a găsit soluția. Trebuie să subliniez încă de pe acum că este vorba despre o soluție pur matematică.

Bula lui Alcubierre:spațiu-timpul este contractat în fața vehiculului spațial și dilatat în spatele lui.

Din păcate, soluția găsită de către Alcubierre implică folosirea unei materii exotice, o materie cu masă negativă. ”Același lucru se întâmplă și în cazul găurilor de vierme”, spune el, apoi adaugă că ”Chiar dacă se crede că materia exotică este interzisă de către fizica clasică, este binecunoscut faptul că teoria cuantică a câmpului permite existența unor zone cu densități negative de energie în anumite circumstanțe speciale (cum ar fi, de exemplu, efectul Casimir)”.

Ce este acest efect Casimir la care face referire Alcubierre? O să încerc să răspund cât mai simplu cu putință. Imaginați-vă două plăcuțe realizate din materiale bune conducătoare de electricitate care sunt neutre din punct de vedere electric. Plasați-le în vid, la o distanță extrem mică una de alta. Acum măsurați forța dintre cele două plăcuțe. Având în considerare condițiile experimentale pe care le-am prezentat mai sus, v-ați aștepta ca această forță să fie zero. Totuși, așa cum a prevăzut fizicianul olandez Hendrik Casimir, în 1947, între cele două plăcuțe va apărea o forță de atracție sau de respingere, în funcție de configurația experimentală. Efectul Casimir avea să fie demonstrat experimental în 1958, de către un alt fizician olandez, Marcus Sparnaay. Pentru fizica clasică această forță reprezintă un mister. Pentru mecanica cuantică, așa ciudată cum o știm, reprezintă încă o confirmarea principului incertudinii (nedeterminării) cuantice, enunțat în 1927 de către fizicianul german Heisenberg.

Conform acestuia, la scara cuantică a Universului, nu există perechi de mărimi fizice (cum ar fi poziția și impulsul unei particule) care să poată fi determinate simultan cu o precizie arbitrar de mare. Vreau să precizez că acest principiu, cel al incertitudinii, nu reprezintă doar o dificultate de măsurare, el ilustrează un adevăr (sau o ciudățenie) mult mai profund legat de lumea cuantică. La fel ca în cazul principiilr din termodinamicii, el se aplică Naturii înseși. Acum să ne imaginăm un volum din spațiu din care am extras toate particulele care se găseau acolo. La scară macroscopică am putea vorbi despre un vid absolut, dar asta numai dacă neglijăm ceea ce se întâmplă la scara cuantică. Dacă ținem seama de principiul lui Heisenberg, acest vid nu poate exista. Aici apar și dispar în permanență particule virtuale, care au o durată de viață extrem de scurtă. Cum, la scară macroscopică, masa volumului golit de materie este zero, înseamnă că jumătate dintre particulele virtuale ar trebui să aibă o masă negativă (lor le-ar corespunde o energie negativă). Ele ar alcătui acea materie exotică la care făcea referire Alcubierre.

Așa s-ar vedea din exterior o bulă a lui Alcubierre care se deplasează prin spațiu.

Aici este marea slăbiciune a bulelor lui Alcubierre: nu avem, deocamdată, nici un mijloc de a extrage și conserva acea materie exotică rezultată în urma fluctuațiilor cuantice. Ideea lui Alcubierre părea să nu aibă vreun viitor previzibil. Din fericire, de-a lungul timpului, au apărut noi lucrări științifice, care par să indice că, într-un viitor îndepărtat, am putea face marele pas către ”warp drive”. Vreau să vă dau două exemple.

Reevaluarea

În vara anului 2019, în cadrul unei conferințe organizate de către American Institute of Aeronautics and Astronautics Propulsion and Energy Forum, cercetătorul Joseph Agnew, de la Universitatea Alabama, SUA, a suținut o prezentare intitulată ”An Examination of Warp Theory and Technology to Determine the State of the Art and Feasibility” în care, așa cum spune încă din titlul prezentării, examina fezabilitatea bulelor lui Alcubierre. Agnew nu vine cu idei noi, ci face o amplă trecere în revistă a lucrărilor științifice în care s-au aprofundat posibilitatea construirii unor bule Alcubierre. Prezentarea sa este plină de optimism. Am putea modifica anumiți parametrii în conceptul lui Alcubierre și astfel cantitatea necesară de materie (energie) exotică s-ar reduce foarte mult, până la valori (oarecum) rezonabile. (În varianta inițială, pentru a genera bula lui Alcubierre, erau necesare cantități de masă negativă mai mari decât masa întregului Univers!) În plus, Joseph Agnew ține să sublinieze că în următoarele decenii progresele așteptate în domeniul fizicii cuantice și tehnologiei ar putea permite demararea primelor teste de laborator prin care să se verifice posibilitatea aplicării ideilor lui Alcubierre pentru obiecte de dimensiuni mici, care, implicit, necesită cantități relativ mici de materie (energie) exotică. Desigur, el trece în revistă și tehnologiile prin care s-ar putea produce aceasta.

Într-un e-mail către Universe Today, Agnew arată că: ”În ultimii ani s-au făcut multe progrese importante în ceea ce privește […] metodele de testare în laborator [a teoriei lui Alcubierre]. Detectarea undelor gravitaționale de către LIGO, în urmă cu câțiva ani, constituie, după părerea mea, un enorm salt înainte pentru știință, pentru că astfel s-a dovedit, experimental, că spațiu-timpul se poate deforma și curba în prezența unor imense câmpuri gravitaționale și că această deformație se poate deplasa prin Univers într-un mod pe care îl putem măsura. Grație lui Einstein bănuiam existența acestui fenomen, dar acum suntem siguri.”

Sigur, cercetătorul american este foarte optimist. Și în cazul lui Joseph Agnew este valabil ceea ce spuneam despre lucrarea lui Alcubierre: avem de-a face cu un model fizico-matematic bine întocmit, atâta tot. Eu îi împărtășesc optimismul, dar cred că va trece foarte mult timp până când teoria (sau ipoteza) lui Alcubierre să fie testată în laborator. Și mai este o problemă: cei mai mulți fizicieni susțin că este imposibil să putem izola și stoca materia exotică necesară pentru warp drive. Am putea depăși această problemă? La sfârșitul lunii februarie, doi cercetători au publicat un studiu în care se susține că, da, putem depăși această problemă.

O bulă a lui Alcubierre fără materie exotică

Cei doi cercetători, Alexey Bobrick și Gianni Martire de la centrul independent de cercetare Advanced Propulsion Laboratory at Applied Physics, SUA, au publicat în revista Classical and Quantum Gravity, articolul intitulat ” Introducing physical warp drives”.

Alexey Bobrick arăta într-un comunicat de presă: ”Am mers pe o altă direcție decât NASA și alți autori și am arătat că există și alte clase de warp drive. Am elaborat noi clase de warp drive care nu mai impun energie negativă și care astfel devin fizic posibile.” Practic, în lucrare sunt analizate patru categorii de bule ale lui Alcubierre. În toate cazurile este nevoie de un sistem de propulsie pentru a accelera. Autorii mai ajung și la concluzia, importantă pentru noi, că se pot realiza bule Alcubierre care să nu implice folosirea energiei negative, dar numai pentru deplasări cu viteze subluminice. Un alt aspect interesant este faptul că cei doi au analizat forma optimă a unei bule Alcubierre. Au constatat astfel că ea ar trebui să semene cu… o clătită care stă așezată în poziție verticală.

Acum nu trebuie să vă așteptați că, aducând bulele Alcubierre într-o zonă mai apropiată de fizica pe care o cunoaștem azi, ne putem aștepta să le vedem materializate într-un viitor previzibil acum. Pentru a deforma spațiu-timpul, chiar și în modelul propus de către Bobrick și Martire, avem nevoie de densități cu adevărat uriașe de energie sau masă. Valorile sunt atât de mari, încât nici autorii studiului nu văd o cale practică pentru a le obține. Dar nu cred că imposibilitatea actuală este importantă pentru noi. Important, așa cum precizează autorii, este faptul că putem construi bule Alcubierre pe ”baza principiilor fizice cunoscute în prezent”.

Încheiere

Poate că v-am dezamăgit un pic. Am aruncat călătoriile interstelare de tip Star Trek într-un viitor mult prea îndepărtat. Sunt nevoit să fac asta, pentru că nu am cum să nu mă bazez pe altceva decât pe ceea ce spun acum oamenii de știință. În sinea mea păstrez speranța. Mă mut în timp și mă întorc în secolul al XIX-lea și încerc să îmi dau seama cum mi-aș fi imaginat atunci aparatele de zbor mai grele decât aerul. Probabil că aș fi scris un articol despre ele, dar, pe baza a ceea ce aș fi știut atunci, le-aș fi plasat într-un viitor foarte, foarte îndepărtat. Acum știu că m-aș fi înșelat, așa cum s-au înșelat mulți dintre oamenii de știință din acele vremuri. Speranța mea este asta: viitorul călătoriilor interstelare ale oamenilor poate fi mult mai aproape decât avem dreptul să ne imaginăm acum.