Podróż z prędkością światła

Zdjęcie: cokada / Getty Images

Pod koniec 2020 roku fizyk Harold „Sonny” White, dyrektor naukowy organizacji non-profit Limitless Space Institute , zauważył coś osobliwego – i znajomego – w kolistym układzie wykresów danych wygenerowanych podczas niedawnego eksperymentu.

White i jego zespół w laboratorium LSI w Houston prowadzili badania dla Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony (DARPA) i zorganizowali te szczególne eksperymenty w celu zbadania gęstości energii we wnękach Casimira, tajemniczych przestrzeniach między mikroskopijnymi metalowymi płytkami w próżni. Wykres danych wskazywał obszary o zmniejszonej energii między płytami, co powodowało, że zbliżały się do siebie, jakby próbowały wypełnić pustkę. Jest to znane jako ujemna gęstość energii próżni, zjawisko w mechanice kwantowej zwane odpowiednio „efektem Casimira”. Jest to coś, co pomaga naukowcom zrozumieć zawiłą fizykę mikroskalowych struktur, które niektórzy badacze mają nadzieję, że można je zastosować w bardziej praktycznych zastosowaniach energetycznych, takich jak obwody i systemy elektromechaniczne.

Ale White zauważył, że wzór ujemnej energii próżni między płytami i wokół maleńkich cylindrycznych kolumn, które umieścili w przestrzeni, wyglądał znajomo. Dokładnie odzwierciedla wzór energii generowany przez egzotyczną materię, która według niektórych fizyków może umożliwić szybkie podróże międzygwiezdne. „Następnie przyjrzeliśmy się matematycznie, co się stanie, jeśli umieścimy kulę o wielkości jednego mikrona wewnątrz cylindra o średnicy czterech mikronów w tych samych warunkach i stwierdziliśmy, że tego rodzaju struktura może wygenerować małą nanoskalową bańkę osnowy otaczającą ten centralny obszar” Biały wyjaśnia.

Zgadza się — bańka warp. Podstawowy składnik dotychczas fikcyjnego napędu warp, który przez dziesięciolecia był obsesją fizyków, inżynierów i fanów science fiction. Napęd warp to oczywiście legenda Star Trek , urządzenie zamknięte w statku kosmicznym, które daje śmiertelnikom na pokładzie możliwość rozdzierania kosmosu z nadludzką prędkością. Dla laika fana science-fiction jest to „czarna skrzynka” — wygodne, całkowicie wymyślone obejście, pozwalające uniknąć trudnych realiów podróży międzygwiezdnych. Jednak po dziesięcioleciach spekulacji, badań i eksperymentów naukowcy uważają, że napęd warp może faktycznie działać.

Dla podkreślenia: białe tak naprawdę nie stworzyły bańki osnowy. Ale dane z jego badań doprowadziły do ​​chwili aha: po raz pierwszy, możliwa do zbudowania bańka osnowy okazała się obiecująca.

Wnęki Casimira to tajemnicze przestrzenie między mikroskopijnymi metalowymi płytkami w próżni. Obszary o zmniejszonej energii między płytami powodują, że pchają się do siebie, jakby próbowały wypełnić pustkę - określaną jako efekt Casimira lub siła Casimira.

Podstawowa nauka technologii warp jest zaskakująco solidna. Chociaż specyficzna mechanika rzeczywistego urządzenia nie została w pełni rozpakowana, matematyka wskazuje na wykonalność. Krótko mówiąc, prawdziwy napęd warp zużywałby ogromne ilości energii, która może przybierać postać masy, do wytworzenia wystarczającego przyciągania grawitacyjnego do zniekształcenia czasoprzestrzeni w kontrolowany sposób, umożliwiając statkowi poruszanie się wewnątrz samogenerującej się bańki które samo w sobie jest w stanie podróżować z praktycznie dowolną prędkością. Napędy warp pojawiały się sporadycznie w fikcji przez kilka dziesięcioleci, zanim twórca Star Trek, Gene Roddenberry, podłączył je do USS Enterprise w 1966 roku. Ale dr Miguel Alcubierre, meksykański fizyk teoretyczny i wyznawca Star Trek entuzjasta, nadał temu pomysłowi prawdziwy sens, kiedy w 1994 roku opublikował artykuł, w którym spekulował, że taki napęd jest matematycznie możliwy. Było to pierwsze poważne potraktowanie wykonalności napędu warp i trafiło na pierwsze strony gazet na całym świecie. Jego przełom zainspirował więcej naukowców do przesunięcia teoretycznych aspektów napędu warp w kierunku konkretnych, praktycznych zastosowań.

„Zaproponowałem «geometrię» dla przestrzeni, która umożliwiłaby podróżowanie z prędkością szybszą od światła widzianą z daleka, zasadniczo rozszerzając przestrzeń za obiektem, który chcemy przesunąć i kurcząc ją z przodu” — mówi Alcubierre. „Tworzy to  «bańkę» zniekształconej przestrzeni, wewnątrz której może znajdować się obiekt – powiedzmy, statek kosmiczny”.

Fizycy mają tendencję do mówienia w kategoriach względnych. Wprowadzając chytry kwalifikator „widziany z daleka”, Alcubierre może brzmieć tak, jakby opisywał galaktyczny odpowiednik złudzenia optycznego — efekt podobny do przejeżdżania obok ciężarówki jadącej w przeciwnym kierunku na autostradzie, kiedy oboje jedziecie 60 mil na godzinę. Z pewnością wydaje się jak dwudziestka, prawda? Ale prędkość z punktu A do punktu B jest rzeczywista; efekt wypaczenia po prostu skraca dosłowną odległość między dwoma punktami. Ściśle mówiąc, nie poruszasz się szybciej niż światło. Wewnątrz bańki wszystko wydaje się względnie normalne, a światło porusza się szybciej niż ty, tak jak powinno. Jednak poza bańką niesiesz pocztę.

CHOĆ SPECYFICZNE MECHANIKI RZECZYWISTEGO URZĄDZENIA NIE ZOSTAŁY ROZPAKOWANE, MATEMATYKA WSKAZUJE NA WYKONALNOŚĆ.

Propozycja Alcubierre'a rozwiązała jedną z początkowych przeszkód na drodze do osiągnięcia prędkości warp: sam pomysł kłóci się z od dawna akceptowaną ogólną teorią względności Einsteina, która stwierdza, że ​​nic nie może podróżować szybciej niż prędkość światła, ale nie wyklucza samej przestrzeni podróżować szybciej niż to. W rzeczywistości naukowcy spekulują, że te same zasady wyjaśniają szybką ekspansję wszechświata po Wielkim Wybuchu .

Dochodząc do wniosku, że prędkość warp jest rzeczywiście możliwa, Alcubierre odkrył również, że podtrzymanie bańki warp wymagałoby ogromnej ilości energii. Teoretyzował, że ujemna energia - materiał, na który wskazywały eksperymenty White'a z jamami Casimira - może być rozwiązaniem. Jedynym problemem jest to, że nikt jeszcze nie udowodnił, że ujemna energia jest prawdziwa. To unobtanium naszych kosmicznych wyobrażeń, coś, w co naukowcy wierzą tylko w istnienie. Teoretycznie jednak ta nieznana materia może być wystarczająco potężna, aby przyszli projektanci napędu warp mogli skierować ją w celu skrócenia czasoprzestrzeni wokół niej. Na rysunkach koncepcyjnych statku kosmicznego zdolnego do warp, ogromne pierścienie materii zawierające to źródło energii otaczają centralny kadłub. Po aktywacji zakrzywia czasoprzestrzeń wokół całego statku. Im bardziej intensywne wypaczanie, tym szybsza jest osiągnięta podróż osnowy.

Oczywiście nie jest to takie proste. Fizyk dr José Natário, profesor Instituto Superior Técnico w Lizbonie, napisał w 2001 roku swój wpływowy artykuł na temat matematycznej wykonalności napędów warp. Martwią go jednak praktyczne zagadki, takie jak ilość wymaganej energii. „Aby to zrobić, musisz być w stanie dość mocno zakrzywić czasoprzestrzeń” - mówi. „Mówimy o czymś, co byłoby znacznie, znacznie potężniejsze niż słońce”.

Alcubierre jest podobnie sceptyczny co do tego, czy jego teoretyczne idee mogłyby kiedykolwiek zostać wykorzystane do opracowania działającego napędu warp. „Aby mieć bańkę o szerokości około 100 metrów poruszającą się dokładnie z prędkością światła, trzeba by około 100 razy większą masę planety Jowisz przekształcić w energię ujemną, co oczywiście brzmi absurdalnie” – mówi. Według tego standardu, konkluduje, napęd warp jest bardzo mało prawdopodobny.

Aby podróżować z prędkością większą od światła, napęd warp musiałby rozszerzyć przestrzeń za statkiem kosmicznym i skurczyć przestrzeń z przodu, tworząc bańkę warp otaczającą statek.

Zdjęcie: MARK GARLICK/SPL // Getty Images

Jednak fizycy uwielbiają wyzwania. W ciągu 29 lat, odkąd Alcubierre opublikował swój artykuł, inni naukowcy zmagali się z implikacjami tej pracy, zapewniając alternatywne podejścia do wytwarzania energii przy użyciu bardziej dostępnych źródeł energii, znajdując ukośne punkty wejścia do problemu i odrzucając pomysły tam iz powrotem w odpowiedzi do swoich papierów. Używają analogii obejmujących trampoliny, obrusy, kule do kręgli, balony, przenośniki taśmowe i muzykę, aby wyjaśnić fizykę.

Mają nawet własne słownictwo. To nie jest podróż szybsza od światła; to nadświetlna podróż, dziękuję. Następnie istnieje niefizyczne i fizyczne — czyli krytyczne rozróżnienie między teoretyczną spekulacją a czymś, co można faktycznie zaprojektować. (Wskazówka dla profesjonalistów: celujemy tutaj w fizyczność, ludzie). Często wspominają o Star Trek , ale nigdy o Gwiezdnych wojnach . Nawet najbardziej niechlujnie wyglądający hodowca nerfów wie, że statki w Gwiezdnych Wojnach używaj hipernapędu, który zużywa paliwo, zamiast napędów warp, które nie wykorzystują technologii napędowej, ale polegają na, no cóż, wypaczeniu. Są również niejasne, jeśli chodzi o szczegóły, takie jak to, czego doświadczą pasażerowie, jaka jest grawitacja na pokładzie, ponieważ przewozi się łodzie pełne energii, i co by się stało, gdyby ktoś, powiedzmy, wyskoczył ze statku podczas wypaczania. (Przypuszczenie spekulatywne: nic dobrego.)

Takie badania zazwyczaj nie są finansowane przez instytucje akademickie ani DARPA i NASA na całym świecie, więc wiele z tych prac odbywa się w wolnym czasie naukowców. Jednym z takich naukowców i entuzjastów Star Treka jest fizyk, dr Erik Lentz. Obecnie badacz w Pacific Northwest National Laboratory w Richland w stanie Waszyngton, Lentz odbywał staż podoktorski na Uniwersytecie w Getyndze w Niemczech, kiedy w pierwszych, odizolowanych dniach pandemii rozważał pomysł podróży z prędkością większą niż światło. W 2021 roku opublikował artykuł , w którym argumentował, że napędy warp mogą być generowane przy użyciu dodatnich źródeł energii zamiast energii ujemnej, której wymagał napęd warp Alcubierre'a.

„Istnieje wiele barier uniemożliwiających zbudowanie napędu warp” — mówi Lentz. „Energia negatywna była najbardziej oczywista, więc próbowałem przełamać tę barierę”.

Badał nową klasę rozwiązań w ogólnej teorii względności Einsteina, skupiając się na czymś, co nazywa się stanem słabej energii, który, jak wyjaśnia, śledzi dodatnią energię w czasoprzestrzeni. Wpadł na „rozwiązanie solitonowe” – falę, która zachowuje swój kształt i porusza się ze stałą prędkością – która może zarówno sprostać wyzwaniu na poziomie energii, jak i podróżować szybciej niż światło. Taka bańka warpowa mogłaby się przemieszczać, korzystając ze znanych źródeł energii, chociaż wykorzystanie ich na potrzebnych poziomach wciąż daleko wykracza poza nasze możliwości. Następnym krokiem, jak zauważa, może być dostosowanie wymagań energetycznych dla napędu warp do zakresu reaktora termojądrowego.

Urządzenie zasilane syntezą jądrową mogłoby teoretycznie podróżować do i z Proxima Centauri , najbliższej gwiazdy Ziemi, w latach zamiast dziesięcioleci lub tysiącleci, a następnie lecieć coraz szybciej w miarę poprawy źródeł zasilania. Z drugiej strony, obecna konwencjonalna technologia rakietowa zajęłaby 50 000 lat tylko na podróż w jedną stronę - zakładając, oczywiście, że istniały nieograniczone zapasy paliwa dla tych silników.

„JEŚLI NATKNIESZ SIĘ NA COŚ NA SWOJEJ DRODZE, PRAWIE NA PEWNO BĘDZIE TO KATASTROFICZNE”.

Podobnie jak oryginalna teza Alcubierre'a, artykuł Lentza miał sejsmiczny wpływ na społeczność napędów warp, co skłoniło kolejną grupę naukowców do podjęcia wyzwania. Fizyk Alexey Bobrick i przedsiębiorca technologiczny Gianni Martire byli szczególnie płodni. W 2021 roku opublikowali artykuł, w którym wysuwają teorię, że klasa podprogowych napędów warp, poruszających się z zaledwie ułamkiem prędkości światła, może zostać opracowana na podstawie obecnego stanu wiedzy naukowej. Podczas gdy w tym artykule zasadniczo argumentowano, że chodzenie jest całkowicie dopuszczalne, zanim zaczniesz biegać, podążyli za tym inną teorią na początku tego roku, która opisuje, w jaki sposób symulowana czarna dziura, stworzony przy użyciu fal dźwiękowych i gliceryny i przetestowany za pomocą wiązki laserowej, może zostać wykorzystany do oceny poziomów siły grawitacji potrzebnej do zakrzywienia czasoprzestrzeni. Duet zakodował ten przełom w publicznej aplikacji, która, jak mają nadzieję, pomoże szybciej przekształcić teoretyczne idee w praktyczne. Chociaż zespół czeka, aż technologia przejdzie fazę wzajemnej oceny, zanim opublikuje szczegóły, aplikacja jest zasadniczo symulatorem, który pozwala naukowcom wprowadzić równania prędkości warp, aby sprawdzić, czy są one praktyczne.

„Kiedy ktoś po raz pierwszy publikuje metrykę warp, ludzie pytają:„ Dobra, czy twoja metryka jest fizyczna? ”- mówi Martire. Odpowiedź na to pytanie – czy metryka ma potencjał praktyczny, czy też jest ściśle teoretyczna – jest trudna do ustalenia, biorąc pod uwagę wyzwania związane z testowaniem tych hipotez. To ustalenie może zająć od sześciu do ośmiu miesięcy. „Teraz możemy ci powiedzieć w ciągu kilku sekund, a to pokazuje wizualnie, jak daleko jesteś lub jak blisko jesteś” – mówi.

Choć przydatna, aplikacja przyspieszy wstępną matematykę tylko dla przyszłych badaczy. Wyzwania wielkości galaktyki pozostają, zanim kiedykolwiek doświadczymy podróży międzygwiezdnych z turbodoładowaniem. Alcubierre martwi się w szczególności tym, co może się wydarzyć w pobliżu ścian bańki osnowy. Zauważa, że ​​zniekształcenie przestrzeni jest tam tak gwałtowne, że zniszczyłoby wszystko, co się do niego zbliży. „Jeśli zderzysz się z czymś na swojej drodze, prawie na pewno skończy się to katastrofą” – mówi.

Natário zastanawia się nad jeszcze bardziej praktycznymi kwestiami, takimi jak kierowanie i zatrzymywanie. „To bańka przestrzeni, którą przepychasz przez przestrzeń” — mówi. „Więc musiałbyś powiedzieć przestrzeni… aby zakrzywiła się przed twoim statkiem kosmicznym”. Ale w tym tkwi problem: nie możesz zasygnalizować przestrzeni przed tobą, aby zachowywała się tak, jak chcesz.

Jego opinia? Podróż nadświetlna jest niemożliwa. „Potrzebne są te ogromne deformacje, których nie mamy pojęcia, jak je wykonać” — mówi Natário. „Więc tak, włożono w to wiele wysiłku i zbadano te dziwne rozwiązania, ale to wszystko jest nadal całkowicie teoretyczne, abstrakcyjne i bardzo, bardzo, bardzo, bardzo dalekie od zbliżenia się do praktycznego napędu warp”. To jest „bardzo” do potęgi czwartej, pamiętajcie – każdy miażdżący cios popycha nas wykładniczo, potwornie dalej i dalej od naszego upragnionego nadświetlnego życia.

Ostatecznie dążenie do wykonalnego, szybkiego transportu międzygwiezdnego wskazuje również na bardziej palące wyzwanie naziemne: w jaki sposób społeczność naukowa radzi sobie w pierwszej kolejności z ultradługoterminowymi wyzwaniami. Większość dotychczasowych badań pochodziła z samodzielnych inicjatyw bez bezpośredniego finansowania lub z nieoczekiwanych odkryć dokonanych podczas eksploracji często niezwiązanych ze sobą badań, takich jak praca dr White'a nad jamami Casimira.

Wielu naukowców twierdzi, że znajdujemy się w trwającym od kilkudziesięciu lat okresie stagnacji w badaniach fizycznych, a napęd warp — pomimo swoich niesamowitych horyzontów czasowych, zanim wstępne badania doprowadzą do przygód obejmujących całą galaktykę — jest w pewnym sensie symbolem tej stagnacji. Sabine Hossenfelder, pracownik naukowy we Frankfurckim Instytucie Studiów Zaawansowanych i twórczyni kanału YouTube Science Without the Gobbledygook , zauważyła w poście na blogu z 2020 r., że badania fizyki odeszły od częstych, uporczywych eksperymentów fizycznych do wygórowanych zastrzyków gotówki do stosunkowo nielicznych urządzenia. Pisze, że przy mniejszej liczbie eksperymentów nieoczekiwane odkrycia stają się coraz mniej prawdopodobne. Bez tych odkryć postęp technologiczny niezbędny do utrzymania opłacalności eksperymentów nigdy się nie zmaterializuje.

Zapytany, czy dotyczy to również napędu warp, Hossenfelder widzi słaby, ale prawdopodobny związek. „Napędy warp to pomysł, który nie doprowadzi do zastosowań w ciągu najbliższego 1000 lat” – mówi. „Więc nie odgrywają dużej roli w ten sposób. Ale jeśli chodzi o finansowanie, widać, że problemy nakładają się na siebie”.

Tak więc, pomimo wszystkich postępów, horyzont napędu warp pozostaje boleśnie odległy. Nie przeszkadza to jednak zaangażowanym naukowcom. Kilka lat temu, podczas nauczania we Francji, White wraz z żoną odwiedził katedrę w Strasburgu. Podziwiając jego wysoką na 466 stóp iglicę, uderzył go fakt, że budowa rozpoczęła się w 1015 roku, ale zakończyła się dopiero w 1439 roku – czyli przez 424 lata. Ci, którzy zbudowali piwnicę, nie mieli szansy zobaczyć gotowego produktu, ale wiedzieli, że muszą dołożyć swoją cegiełkę, aby pomóc przyszłym pokoleniom. „Nie mam kryształowej kuli” — mówi White. „Nie wiem, co przyniesie przyszłość. Ale wiem, co muszę teraz robić”.

Eric Adams jest pisarzem i fotografem, który koncentruje się na technologii, transporcie, nauce, podróżach i innych tematach dla szerokiej gamy sklepów, w tym Wired, The Drive, Gear Patrol, Men's Health, Popular Science, Forbes i innych.