El motor de Alcubierre ( [alkuˈβjere] ) es una idea especulativa de motor de curvatura según la cual una nave espacial podría lograr un viaje aparentemente más rápido que la luz contrayendo el espacio frente a ella y expandiendo el espacio detrás de ella, bajo el supuesto de que se podría crear un campo de densidad de energía configurable menor que el del vacío (es decir, masa negativa ). [1] [2] Propuesto por el físico teórico Miguel Alcubierre en 1994, el motor de Alcubierre se basa en una solución de las ecuaciones de campo de Einstein . Dado que esas soluciones son tensores métricos , el motor de Alcubierre también se conoce como métrica de Alcubierre .
Los objetos no pueden acelerar a la velocidad de la luz dentro del espacio-tiempo normal ; en cambio, el impulso de Alcubierre desplaza el espacio alrededor de un objeto para que éste llegue a su destino más rápidamente que la luz en el espacio normal sin romper ninguna ley física . [3]
Aunque la métrica propuesta por Alcubierre es consistente con las ecuaciones de campo de Einstein, la construcción de tal impulso no es necesariamente posible. El mecanismo propuesto del impulso de Alcubierre implica una densidad de energía negativa y, por lo tanto, requiere materia exótica o manipulación de la energía oscura . [4] Si no puede existir materia exótica con las propiedades correctas, entonces no se puede construir el impulso. Al final de su artículo original, [5] sin embargo, Alcubierre argumentó (siguiendo un argumento desarrollado por físicos que analizaban agujeros de gusano atravesables [6] [7] ) que el vacío de Casimir entre placas paralelas podría cumplir con el requisito de energía negativa para el impulso de Alcubierre.
Otro posible problema es que, aunque la métrica de Alcubierre es coherente con las ecuaciones de Einstein, la relatividad general no incorpora la mecánica cuántica . Algunos físicos han presentado argumentos para sugerir que una teoría de la gravedad cuántica (que incorporaría ambas teorías) eliminaría aquellas soluciones de la relatividad general que permiten el viaje en el tiempo hacia atrás (véase la conjetura de protección de la cronología ) y, por lo tanto, invalidaría el impulso de Alcubierre.
En 1994, Miguel Alcubierre propuso un método para cambiar la geometría del espacio mediante la creación de una onda que haría que el tejido del espacio delante de una nave espacial se contrajera y el espacio detrás de ella se expandiera. [5] [1] [2] La nave entonces montaría esta onda dentro de una región de espacio plano, conocida como burbuja de curvatura , y no se movería dentro de esta burbuja sino que sería arrastrada a medida que la región misma se mueve debido a las acciones del motor. La velocidad local relativa al espacio-tiempo deformado sería subluminal, pero la velocidad a la que una nave espacial podría moverse sería superluminal, lo que haría posible el vuelo interestelar, como una visita a Próxima Centauri en unos pocos días. [8]
La métrica de Alcubierre define el espacio-tiempo impulsado por curvatura . Es una variedad lorentziana que, si se interpreta en el contexto de la relatividad general , permite que una burbuja de curvatura aparezca en un espacio-tiempo previamente plano y se aleje a una velocidad efectivamente mayor que la de la luz. El interior de la burbuja es un marco de referencia inercial y los habitantes no experimentan una aceleración adecuada. Este método de transporte no involucra objetos en movimiento a velocidades mayores que la de la luz con respecto al contenido de la burbuja de curvatura; es decir, un rayo de luz dentro de la burbuja de curvatura siempre se movería más rápido que la nave. Debido a que los objetos dentro de la burbuja no se mueven (localmente) más rápido que la luz, la formulación matemática de la métrica de Alcubierre es consistente con las afirmaciones convencionales de las leyes de la relatividad (a saber, que un objeto con masa no puede alcanzar o superar la velocidad de la luz) y los efectos relativistas convencionales como la dilatación del tiempo no se aplicarían como lo harían con el movimiento convencional a velocidades cercanas a la de la luz. [9]
Una extensión de la métrica de Alcubierre que elimina la expansión de los elementos de volumen y, en su lugar, se basa en el cambio de distancias a lo largo de la dirección del viaje es la del matemático José Natário. En su métrica, el espacio-tiempo se contrae hacia la proa del barco y se expande en la dirección perpendicular al movimiento, lo que significa que la burbuja en realidad "se desliza" a través del espacio, en términos generales "empujando el espacio a un lado". [9] [10]
El motor de Alcubierre sigue siendo un concepto hipotético con problemas aparentemente difíciles, aunque ya no se piensa que la cantidad de energía requerida sea inalcanzable. [11] Además, Alexey Bobrick y Gianni Martire afirman que, en principio, se puede construir una clase de espacio-tiempos de motor de curvatura sublumínicos y esféricamente simétricos basándose en principios físicos actualmente conocidos por la humanidad, como la energía positiva. [12]
Utilizando el formalismo ADM de la relatividad general , el espacio-tiempo se describe mediante una foliación de hipersuperficies espaciales de tiempo de coordenadas constante t , donde la métrica toma la siguiente forma general:
dónde
La forma particular que estudió Alcubierre [5] está definida por:
dónde
con parámetros arbitrarios R > 0 y σ > 0 . La forma específica de la métrica de Alcubierre puede escribirse así:
Con esta forma particular de la métrica, se puede demostrar que la densidad de energía medida por observadores cuya 4-velocidad es normal a las hipersuperficies está dada por:
donde g es el determinante del tensor métrico .
Por lo tanto, debido a que la densidad de energía es negativa, se necesita materia exótica para viajar más rápido que la velocidad de la luz. [5] La existencia de materia exótica no se descarta teóricamente; sin embargo, se piensa que generar y mantener suficiente materia exótica para realizar hazañas como viajar más rápido que la luz (y mantener abierta la "garganta" de un agujero de gusano ) es poco práctico. [ cita requerida ] Según el escritor Robert Low, dentro del contexto de la relatividad general es imposible construir un motor de curvatura en ausencia de materia exótica. [13]
El astrofísico Jamie Farnes de la Universidad de Oxford ha propuesto una teoría, publicada en la revista científica revisada por pares Astronomy & Astrophysics , que unifica la energía oscura y la materia oscura en un único fluido oscuro , y que se espera que sea comprobable por el Square Kilometre Array alrededor de 2030. [14] Farnes descubrió que Albert Einstein había explorado la idea de masas negativas gravitacionalmente repulsivas mientras desarrollaba las ecuaciones de la relatividad general , una idea que conduce a una hipótesis "hermosa" donde el cosmos tiene cantidades iguales de cualidades positivas y negativas. La teoría de Farnes se basa en masas negativas que se comportan de manera idéntica a la física del impulso de Alcubierre, lo que proporciona una solución natural para la actual "crisis en la cosmología" debido a un parámetro de Hubble variable en el tiempo . [15]
Como la teoría de Farnes permite que una masa positiva (es decir, una nave) alcance una velocidad igual a la velocidad de la luz, se la ha calificado de "controvertida". [16] Si la teoría es correcta, lo que ha sido muy debatido en la literatura científica, explicaría la energía oscura, la materia oscura, permitiría curvas cerradas de tipo temporal (ver viaje en el tiempo ) y sugeriría que un impulso de Alcubierre es físicamente posible con materia exótica . [17]
En relación con ciertos efectos específicos de la relatividad especial, como la contracción de Lorentz y la dilatación del tiempo , la métrica de Alcubierre tiene algunos aspectos aparentemente peculiares. En particular, Alcubierre ha demostrado que una nave que utiliza un motor Alcubierre viaja en una geodésica de caída libre incluso mientras la burbuja de curvatura está acelerando: su tripulación estaría en caída libre mientras acelera sin experimentar fuerzas g aceleracionales . Sin embargo, enormes fuerzas de marea estarían presentes cerca de los bordes del volumen del espacio plano debido a la gran curvatura del espacio allí, pero una especificación adecuada de la métrica mantendría las fuerzas de marea muy pequeñas dentro del volumen ocupado por la nave. [5]
La métrica original de la propulsión por curvatura y sus variantes simples tienen la forma ADM , que se utiliza a menudo para analizar la formulación de valor inicial de la relatividad general. Esto podría explicar la idea errónea generalizada de que este espacio-tiempo es una solución de la ecuación de campo de la relatividad general. [ cita requerida ] Las métricas en forma ADM están adaptadas a una cierta familia de observadores inerciales, pero estos observadores no se distinguen físicamente de otras familias similares. Alcubierre interpretó su "burbuja de curvatura" en términos de una contracción del espacio por delante de la burbuja y una expansión por detrás, pero esta interpretación podría ser engañosa, [18] ya que la contracción y la expansión en realidad se refieren al movimiento relativo de los miembros cercanos de la familia de observadores ADM. [ cita requerida ]
En la relatividad general, a menudo se especifica primero una distribución plausible de materia y energía, y luego se encuentra la geometría del espacio-tiempo asociado con ella; pero también es posible ejecutar las ecuaciones de campo de Einstein en la otra dirección, especificando primero una métrica y luego encontrando el tensor de energía-momento asociado con ella, y esto es lo que Alcubierre hizo al construir su métrica. Esta práctica significa que la solución puede violar varias condiciones de energía y requerir materia exótica . La necesidad de materia exótica plantea preguntas sobre si uno puede distribuir la materia en un espacio-tiempo inicial que carece de una burbuja de deformación de tal manera que la burbuja se cree en un momento posterior, aunque algunos físicos han propuesto modelos de espacio-tiempos dinámicos impulsados por deformación en los que se forma una burbuja de deformación en un espacio previamente plano. [4] Además, según Serguei Krasnikov , [19] generar una burbuja en un espacio previamente plano para un viaje unidireccional más rápido que la luz requiere forzar a la materia exótica a moverse a velocidades locales más rápidas que la luz, algo que requeriría la existencia de taquiones , aunque Krasnikov también señala que cuando el espacio-tiempo no es plano desde el principio, se podría lograr un resultado similar sin taquiones colocando de antemano algunos dispositivos a lo largo del camino de viaje y programándolos para que entren en funcionamiento en momentos preasignados y operen de una manera preasignada. Algunos métodos sugeridos evitan el problema del movimiento taquiónico, pero probablemente generarían una singularidad desnuda en el frente de la burbuja. [20] [21] Allen Everett y Thomas Roman comentan el hallazgo de Krasnikov ( tubo de Krasnikov ):
[El hallazgo] no significa que las burbujas de Alcubierre, si fuera posible crearlas, no pudieran utilizarse como medio de viaje superlumínico. Sólo significa que las acciones requeridas para cambiar la métrica y crear la burbuja deben ser tomadas de antemano por algún observador cuyo cono de luz delantero contenga la trayectoria completa de la burbuja. [22]
Por ejemplo, si uno quisiera viajar a Deneb (a 2.600 años luz de distancia) y llegar a menos de 2.600 años en el futuro según los relojes externos, se requeriría que alguien ya hubiera comenzado a trabajar en la deformación del espacio desde la Tierra hasta Deneb hace al menos 2.600 años:
Una nave espacial ubicada apropiadamente con respecto a la trayectoria de la burbuja podría entonces elegir entrar en la burbuja, de manera similar a un pasajero que toma un tranvía que pasa, y así hacer el viaje superlumínico... como señala Krasnikov, las consideraciones de causalidad no impiden que la tripulación de una nave espacial organice, por sus propias acciones, completar un viaje de ida y vuelta desde la Tierra a una estrella distante y de regreso en un tiempo arbitrariamente corto, medido por relojes en la Tierra, alterando la métrica a lo largo del camino de su viaje de ida. [22]
La métrica de esta forma tiene dificultades significativas porque todas las teorías conocidas del espacio-tiempo de impulso de curvatura violan varias condiciones de energía . [23] Sin embargo, un impulso de curvatura de tipo Alcubierre podría lograrse explotando ciertos fenómenos cuánticos verificados experimentalmente, como el efecto Casimir , que conducen a tensores de tensión-energía que también violan las condiciones de energía, como la masa-energía negativa , cuando se describen en el contexto de las teorías cuánticas de campos. [24] [25]
Si se cumplen ciertas desigualdades cuánticas conjeturadas por Ford y Roman [26] , los requisitos de energía para algunos motores de curvatura pueden ser inviablemente grandes y negativos. Por ejemplo, podría requerirse el equivalente energético de −10 64 kg [27] para transportar una pequeña nave espacial a través de la Vía Láctea, una cantidad órdenes de magnitud mayor que la masa estimada del universo observable . También se han ofrecido contraargumentos a estos aparentes problemas [3] , aunque los requisitos de energía aún requieren en general una civilización de tipo III en la escala de Kardashev [8] .
En 1999, Chris Van Den Broeck, de la Katholieke Universiteit Leuven (Bélgica), intentó abordar los problemas potenciales. [28] Al contraer el área de superficie 3+1-dimensional de la burbuja transportada por el motor, mientras que al mismo tiempo expandía el volumen tridimensional contenido en el interior, Van Den Broeck pudo reducir la energía total necesaria para transportar átomos pequeños a menos de tres masas solares . Más tarde, en 2003, al modificar ligeramente la métrica de Van den Broeck, Serguei Krasnikov redujo la cantidad total necesaria de masa negativa a unos pocos miligramos. [3] [23] Van Den Broeck detalló esto diciendo que la energía total se puede reducir drásticamente manteniendo el área de superficie de la propia burbuja de deformación microscópicamente pequeña, mientras que al mismo tiempo se expande el volumen espacial dentro de la burbuja. Sin embargo, Van Den Broeck concluye que las densidades de energía requeridas aún son inalcanzables, como lo son el pequeño tamaño (unos pocos órdenes de magnitud por encima de la escala de Planck ) de las estructuras espacio-temporales necesarias. [20]
En 2012, el físico Harold White y sus colaboradores anunciaron que modificar la geometría de la materia exótica podría reducir los requisitos de masa y energía para una nave espacial macroscópica del equivalente al planeta Júpiter al de la nave espacial Voyager 1 (aproximadamente 700 kg) [11] o menos, [29] y manifestaron su intención de realizar experimentos a pequeña escala para construir campos de curvatura. [11] White propuso engrosar la pared extremadamente delgada de la burbuja de curvatura, de modo que la energía se concentre en un volumen mayor, pero la densidad de energía máxima general sea en realidad menor. En una representación plana en 2D, el anillo de energía positiva y negativa, inicialmente muy delgado, se convierte en un toro más grande y difuso (forma de rosquilla). Sin embargo, a medida que esta burbuja de curvatura menos energética también se engrosa hacia la región interior, deja menos espacio plano para albergar la nave espacial, que tiene que ser más pequeña. [30] Además, si la intensidad de la curvatura espacial puede oscilar con el tiempo, la energía requerida se reduce aún más. [11] Según White, un interferómetro de Michelson-Morley modificado podría probar la idea: una de las patas del interferómetro parecería tener una longitud ligeramente diferente cuando se energizaran los dispositivos de prueba. [29] [31] Alcubierre ha expresado su escepticismo sobre el experimento, diciendo: "según tengo entendido, no hay forma de que se pueda hacer, probablemente no durante siglos, si es que se puede hacer". [32] [33]
En 2021, el físico Erik Lentz describió una forma en que podrían existir los motores de curvatura provenientes de energía puramente positiva conocida y familiar: burbujas de curvatura basadas en ondas "solitones" superlumínicas que se refuerzan a sí mismas. [34] [35] [36] [37] [38] La afirmación es controvertida, y otros físicos argumentan que todos los motores de curvatura físicamente razonables violan la condición de energía débil , así como las condiciones de energía fuerte y dominante . [39]
Krasnikov propuso que si no se puede encontrar o utilizar materia taquiónica , una solución podría ser organizar que las masas a lo largo de la trayectoria de la nave se pongan en movimiento de tal manera que se produzca el campo requerido. Pero en este caso, la nave propulsora Alcubierre solo puede viajar por rutas que, como un ferrocarril, hayan sido equipadas previamente con la infraestructura necesaria. El piloto dentro de la burbuja está causalmente desconectado de sus paredes y no puede realizar ninguna acción fuera de la burbuja: la burbuja no puede usarse para el primer viaje a una estrella distante porque el piloto no puede colocar infraestructura por delante de la burbuja mientras está "en tránsito". Por ejemplo, viajar a Vega (que está a 25 años luz de la Tierra) requiere organizar todo de manera que aparezca la burbuja que se mueve hacia Vega con una velocidad superlumínica; tales arreglos siempre llevarán más de 25 años. [19]
Coule ha argumentado que esquemas como el propuesto por Alcubierre son inviables porque la materia que se coloca en el camino previsto de una nave debe colocarse a una velocidad superlumínica, y que construir un motor Alcubierre requiere un motor Alcubierre incluso si la métrica que lo permite es físicamente significativa. Coule sostiene además que una objeción análoga se aplicará a cualquier método propuesto para construir un motor Alcubierre. [21]
Un artículo de José Natário (2002) sostiene que los miembros de la tripulación no podían controlar, dirigir o detener la nave en su burbuja de curvatura porque la nave no podía enviar señales al frente de la burbuja. [18]
Un artículo de 2009 escrito por Carlos Barceló, Stefano Finazzi y Stefano Liberati utiliza la teoría cuántica para argumentar que el impulso de Alcubierre a velocidades superiores a la de la luz es imposible principalmente porque las temperaturas extremadamente altas causadas por la radiación de Hawking destruirían cualquier cosa dentro de la burbuja a velocidades superlumínicas y desestabilizarían la burbuja misma; el artículo también sostiene que estos problemas no existen si la velocidad de la burbuja es subluminal, aunque el impulso aún requiere materia exótica. [4]
Brendan McMonigal, Geraint F. Lewis y Philip O'Byrne han argumentado que si una nave impulsada por Alcubierre desacelerara desde una velocidad superlumínica, las partículas que su burbuja había reunido en tránsito se liberarían en estallidos energéticos similares a la radiación infinitamente desplazada hacia el azul que se supone que ocurre en el horizonte de eventos interno de un agujero negro de Kerr ; las partículas orientadas hacia adelante serían lo suficientemente energéticas como para destruir cualquier cosa en el destino directamente frente a la nave. [40] [41]
La cantidad de energía negativa requerida para tal propulsión aún no se conoce. Pfenning y Allen Everett de Tufts sostienen que una burbuja de curvatura que viaja a 10 veces la velocidad de la luz debe tener un espesor de pared de no más de 10 −32 metros, cerca de la longitud límite de Planck , 1,6 × 10 −35 metros. [42] En los cálculos originales de Alcubierre, una burbuja macroscópicamente lo suficientemente grande como para encerrar una nave de 200 metros requeriría una cantidad total de materia exótica mayor que la masa del universo observable, y tensar la materia exótica a una banda extremadamente delgada de 10 −32 metros se considera poco práctico. Restricciones similares se aplican al metro superlumínico de Krasnikov . Chris Van den Broeck construyó una modificación del modelo de Alcubierre que requiere mucha menos materia exótica pero coloca la nave en una "botella" de espacio-tiempo curva cuyo cuello mide aproximadamente 10 −32 metros. [20]
Los cálculos del físico Allen Everett muestran que las burbujas de curvatura podrían usarse para crear curvas cerradas de tipo temporal en la relatividad general, lo que significa que la teoría predice que podrían usarse para viajar en el tiempo hacia atrás . [43] Si bien es posible que las leyes fundamentales de la física permitan curvas cerradas de tipo temporal, la conjetura de protección de la cronología plantea la hipótesis de que en todos los casos en que la teoría clásica de la relatividad general las permita, los efectos cuánticos intervendrían para eliminar la posibilidad, haciendo que estos espacio-tiempos sean imposibles de realizar. Un posible tipo de efecto que lograría esto es una acumulación de fluctuaciones de vacío en el borde de la región del espacio-tiempo donde el viaje en el tiempo sería posible por primera vez, lo que haría que la densidad de energía se volviera lo suficientemente alta como para destruir el sistema que, de lo contrario, se convertiría en una máquina del tiempo. Algunos resultados en gravedad semiclásica parecen apoyar la conjetura, incluyendo un cálculo que trata específicamente con efectos cuánticos en espacios-tiempos impulsados por curvatura que sugería que las burbujas de curvatura serían semiclásicamente inestables, [4] [44] pero en última instancia la conjetura solo puede ser decidida por una teoría completa de la gravedad cuántica . [45]
Alcubierre analiza brevemente algunas de estas cuestiones en una serie de diapositivas de una conferencia publicadas en Internet, [46] donde escribe: "cuidado: en relatividad, cualquier método para viajar más rápido que la luz puede, en principio, utilizarse para viajar atrás en el tiempo (una máquina del tiempo)". En la siguiente diapositiva, menciona la conjetura de protección de la cronología y escribe: "La conjetura no ha sido probada (no sería una conjetura si lo hubiera sido), pero hay buenos argumentos a su favor basados en la teoría cuántica de campos. La conjetura no prohíbe los viajes más rápidos que la luz. Simplemente afirma que si existe un método para viajar más rápido que la luz y uno intenta usarlo para construir una máquina del tiempo, algo saldrá mal: la energía acumulada explotará o creará un agujero negro".
La serie de televisión y las películas de Star Trek utilizan el término "motor warp" para describir su método de viaje más rápido que la luz. Ni la teoría de Alcubierre, ni nada similar, existía cuando se concibió la serie: el término "motor warp" y el concepto general se originaron con la novela de ciencia ficción de 1931 de John W. Campbell , Islands of Space . [47] Alcubierre declaró en un correo electrónico a William Shatner que su teoría estaba directamente inspirada por el término utilizado en el programa [48] y cita el "'motor warp' de la ciencia ficción" en su artículo de 1994. [5] Un USS Alcubierre aparece en el juego de rol de mesa Star Trek Star Trek Adventures . [49] Desde el lanzamiento de Star Trek: The Original Series , las series derivadas de Star Trek más recientes han hecho un uso más cercano de la teoría detrás del motor Alcubierre incorporando burbujas/campos warp en la ciencia del universo.
Alcubierre, siguiendo el ejemplo de los teóricos de los agujeros de gusano, sostiene que la teoría cuántica de campos permite la existencia de regiones de densidad de energía negativa en circunstancias especiales y cita el efecto Casimir como ejemplo.
{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)Estos resultados sugieren que cualquier nave que utilice un motor warp Alcubierre y transporte personas necesitaría protección para protegerlas de posibles partículas peligrosas desplazadas hacia el azul durante el viaje, y cualquier persona en el destino sería expulsada al olvido por rayos gamma y partículas de alta energía debido a los desplazamientos hacia el azul extremos de las partículas de la región P+.