El impulso Alcubierre ( [alkuˈβjere] ) es una idea especulativa del impulso warp según la cual una nave espacial podría lograr un viaje aparente más rápido que la luz contrayendo el espacio delante de ella y expandiendo el espacio detrás de ella, bajo el supuesto de que se necesita una densidad de energía configurable. Se podría crear un campo inferior al del vacío (es decir, masa negativa ). [1] [2] Propuesto por el físico teórico Miguel Alcubierre en 1994, el impulso de Alcubierre se basa en una solución de las ecuaciones de campo de Einstein . Dado que esas soluciones son tensores métricos , la unidad 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 Alcubierre desplaza el espacio alrededor de un objeto para que éste llegue a su destino más rápidamente que lo que lo haría la luz en el espacio normal sin violar 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 tanto requiere materia exótica o manipulación de energía oscura . [4] Si no existe materia exótica con las propiedades adecuadas, entonces no se puede construir el motor. Sin embargo, al final de su artículo original [5] , Alcubierre argumentó (siguiendo un argumento desarrollado por físicos que analizan agujeros de gusano atravesables [6] [7] ) que el vacío de Casimir entre placas paralelas podría satisfacer el requisito de energía negativa para el motor de Alcubierre. .
Otro posible problema es que, aunque la métrica de Alcubierre es consistente 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 en la relatividad general que permiten viajar hacia atrás en el tiempo (ver la conjetura de protección cronológica ) y, por lo tanto, invalidaría el impulso de Alcubierre.
En 1994, Miguel Alcubierre propuso un método para cambiar la geometría del espacio creando una onda que causaría que la estructura del espacio delante de una nave espacial se contrajera y el espacio detrás de ella se expandiera. [5] [1] [2] La nave luego montaría esta onda dentro de una región del espacio plano, conocida como burbuja warp , y no se movería dentro de esta burbuja, sino que sería arrastrada a medida que la región misma se mueve debido a las acciones. de la unidad. La velocidad local relativa al espacio-tiempo deformado sería subluminal, pero la velocidad a la que podría moverse una nave espacial sería superluminal, lo que haría posible un vuelo interestelar, como una visita a Próxima Centauri en unos pocos días. [8]
En 2021, el investigador Harold G. White , financiado por DARPA , del Limitless Space Institute, afirmó que había logrado crear una burbuja warp real y dijo que "nuestro análisis numérico detallado de nuestras cavidades Casimir personalizadas nos ayudó a identificar una nanopartícula real y fabricable". microestructura que se predice que generará una densidad de energía de vacío negativa tal que manifestaría una burbuja de deformación a nanoescala real, no una análoga, sino la cosa real". [9]
La métrica de Alcubierre define el espacio-tiempo warp-drive . Es una variedad de Lorentz que, si se interpreta en el contexto de la relatividad general , permite que aparezca una burbuja warp en un espacio-tiempo previamente plano y se aleje a una velocidad efectivamente más rápida que 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 implica objetos en movimiento a velocidades superiores a la de la luz con respecto al contenido de la burbuja warp; es decir, un rayo de luz dentro de la burbuja warp siempre se movería más rápido que la nave. Debido a que los objetos dentro de la burbuja no se mueven (localmente) más rápidamente que la luz, la formulación matemática de la métrica de Alcubierre es consistente con las afirmaciones convencionales de las leyes de la relatividad (es decir, que un objeto con masa no puede alcanzar ni exceder 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 luz. [10]
Una extensión de la métrica de Alcubierre que elimina la expansión de los elementos de volumen y, en cambio, se basa en el cambio de distancias a lo largo de la dirección de viaje es la del matemático José Natário. En su métrica, el espacio-tiempo se contrae hacia la proa de la nave y se expande en la dirección perpendicular al movimiento, lo que significa que la burbuja en realidad se "desliza" a través del espacio, es decir, "empujando el espacio a un lado". [10] [11]
La propulsión de Alcubierre sigue siendo un concepto hipotético con problemas aparentemente difíciles, aunque ya no se cree que la cantidad de energía necesaria sea inalcanzable. [12] Además, Alexey Bobrick y Gianni Martire afirman que, en principio, se puede construir una clase de espacios-tiempo subluminales, esféricamente simétricos, basados en principios físicos actualmente conocidos por la humanidad, como la energía positiva. [13]
Utilizando el formalismo ADM de la relatividad general , el espacio-tiempo se describe mediante una foliación de hipersuperficies espaciales de tiempo coordenado constante t , y la métrica toma la siguiente forma general:
dónde
La forma particular que estudió Alcubierre [5] se define por:
dónde
con parámetros arbitrarios R > 0 y σ > 0 . La forma específica de la métrica de Alcubierre se puede escribir así:
Con esta forma particular de la métrica, se puede demostrar que la densidad de energía medida por observadores cuya velocidad 4 es normal a las hipersuperficies viene dada por:
donde g es el determinante del tensor métrico .
Por tanto, como la densidad de energía es negativa, se necesita materia exótica para viajar más rápido que la velocidad de la luz. [5] Teóricamente no se descarta la existencia de materia exótica; sin embargo, se cree 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 ) no es práctico. [ cita necesaria ] Según el escritor Robert Low, dentro del contexto de la relatividad general es imposible construir un motor warp en ausencia de materia exótica. [14]
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 mediante el Square Kilometer Array. alrededor de 2030. [15] 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 "hermosa" hipótesis según la cual 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 propulsor de Alcubierre, proporcionando una solución natural a la actual "crisis cosmológica" debido a un parámetro de Hubble variable en el tiempo . [dieciséis]
Como la teoría de Farnes permite que una masa positiva (es decir, un barco) alcance una velocidad igual a la velocidad de la luz, se la ha calificado de "controvertida". [17] Si la teoría, que ha sido muy debatida en la literatura científica, es correcta, explicaría la energía oscura, la materia oscura, permitiría curvas cerradas en forma de tiempo (ver viaje en el tiempo ) y sugeriría que un impulso de Alcubierre es físicamente posible con materia exótica. . [18]
Respecto a 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 propulsor Alcubierre viaja en una geodésica de caída libre incluso mientras la burbuja warp está acelerando: su tripulación estaría en caída libre mientras acelera sin experimentar fuerzas g de aceleración . Sin embargo, estarían presentes enormes fuerzas de marea cerca de los bordes del volumen del espacio plano debido a la gran curvatura espacial allí, pero una especificación adecuada de la métrica mantendría las fuerzas de marea muy pequeñas dentro del volumen ocupado por el barco. [5]
La métrica de impulso warp original y sus variantes simples tienen la forma ADM , que se utiliza a menudo al analizar la formulación de valores iniciales de la relatividad general. Esto podría explicar la idea errónea de que este espacio-tiempo es una solución de la ecuación de campo de la relatividad general. [ cita necesaria ] Las métricas en forma ADM se adaptan a una determinada familia de observadores inerciales, pero estos observadores en realidad no se distinguen físicamente de otras familias similares. Alcubierre interpretó su "burbuja warp" en términos de una contracción del espacio delante de la burbuja y una expansión detrás, pero esta interpretación podría ser engañosa, [19] ya que la contracción y la expansión en realidad se refieren al movimiento relativo de los miembros cercanos de la familia. de observadores de ADM. [ cita necesaria ]
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 asociada a 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 a ella, y esto es lo que hizo Alcubierre al construir su métrica. Esta práctica significa que la solución puede violar diversas condiciones energéticas y requerir materia exótica . La necesidad de materia exótica plantea dudas sobre si se 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 espacios-tiempo dinámicos de impulso de deformación en que se forma una burbuja warp en un espacio previamente plano. [4] Además, según Serguei Krasnikov , [20] generar una burbuja en un espacio previamente plano para un viaje FTL unidireccional 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 recorrido y programándolos para que entren en funcionamiento en momentos preasignados y para operar en una manera preasignada. Algunos métodos sugeridos evitan el problema del movimiento taquiónico, pero probablemente generarían una singularidad desnuda en la parte frontal de la burbuja. [21] [22] Allen Everett y Thomas Roman comentan sobre el hallazgo de Krasnikov ( tubo de Krasnikov ):
[El hallazgo] no significa que las burbujas de Alcubierre, si fuera posible crearlas, no podrían usarse como medio de viaje superluminal. Sólo significa que las acciones necesarias para cambiar la métrica y crear la burbuja deben ser tomadas de antemano por algún observador cuyo cono de luz delantero contenga toda la trayectoria de la burbuja. [23]
Por ejemplo, si uno quisiera viajar a Deneb (a 2.600 años luz de distancia) y llegar menos de 2.600 años en el futuro según los relojes externos, sería necesario que alguien ya hubiera comenzado a trabajar para deformar el espacio desde la Tierra hasta Deneb en hace menos 2.600 años:
Una nave espacial apropiadamente ubicada con respecto a la trayectoria de la burbuja podría entonces optar por entrar en la burbuja, como un pasajero que toma un tranvía que pasa, y así hacer el viaje superluminal... como señala Krasnikov, las consideraciones de causalidad no impiden que la tripulación de una nave espacial se las arregle, por sus propias acciones, para completar un viaje de ida y vuelta desde la Tierra a una estrella distante y de regreso en un tiempo arbitrariamente corto, medido por los relojes en la Tierra, alterando la métrica a lo largo del camino de su viaje de ida. [23]
La métrica de esta forma tiene importantes dificultades porque todas las teorías conocidas del espacio-tiempo del impulso warp violan diversas condiciones energéticas . [24] Sin embargo, se podría realizar un impulso warp tipo Alcubierre 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 descrito en el contexto de las teorías cuánticas de campos. [25] [26]
Si se mantienen ciertas desigualdades cuánticas conjeturadas por Ford y Roman, [27] los requisitos de energía para algunos motores warp pueden ser inviablemente grandes, además de negativos. Por ejemplo, podría ser necesaria la energía equivalente a −10 64 kg [28] para transportar una pequeña nave espacial a través de la Vía Láctea, una cantidad de órdenes de magnitud mayor que la masa estimada del universo observable . También se han ofrecido contraargumentos a estos aparentes problemas, [3] aunque las necesidades energéticas todavía requieren en general una civilización de Tipo III en la escala de Kardashev . [8]
Chris Van Den Broeck, de la Katholieke Universiteit Leuven (Bélgica), intentó en 1999 abordar los posibles problemas. [29] Al contraer el área de superficie tridimensional de la burbuja transportada por el propulsor, mientras al mismo tiempo expandía el volumen tridimensional contenido en su interior, Van Den Broeck pudo reducir la energía total necesaria para transportar pequeñas burbujas. átomos a menos de tres masas solares . Más tarde, en 2003, modificando ligeramente la métrica de Van den Broeck, Serguei Krasnikov redujo la cantidad total necesaria de masa negativa a unos pocos miligramos. [3] [24] Van Den Broeck detalló esto diciendo que la energía total se puede reducir drásticamente manteniendo el área de superficie de la burbuja warp 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 necesarias aún son inalcanzables, al igual que el pequeño tamaño (algunos órdenes de magnitud por encima de la escala de Planck ) de las estructuras espacio-temporales necesarias. [21]
En 2012, el físico Harold White y sus colaboradores anunciaron que modificar la geometría de la materia exótica podría reducir los requisitos de masa-energía para una nave espacial macroscópica del equivalente del planeta Júpiter al de la nave espacial Voyager 1 (aprox. 700 kg) [12 ] o menos, [30] y declararon su intención de realizar experimentos a pequeña escala en la construcción de campos warp. [12] White propuso engrosar la pared extremadamente delgada de la burbuja warp, de modo que la energía se concentre en un volumen mayor, pero la densidad de energía máxima general es en realidad más pequeña. En una representación plana 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, como esta burbuja warp menos energética también se espesa hacia la región interior, deja menos espacio plano para albergar la nave espacial, que tiene que ser más pequeña. [31] Además, si la intensidad de la deformación espacial puede oscilar con el tiempo, la energía requerida se reduce aún más. [12] 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 los dispositivos de prueba estuvieran energizados. [30] [32] Alcubierre ha expresado escepticismo sobre el experimento, diciendo: "según tengo entendido, no hay manera de que se pueda hacer, probablemente no durante siglos, en todo caso". [33] [34]
En 2021, el físico Erik Lentz describió una forma en que podrían existir los impulsos warp provenientes de energía puramente positiva conocida y familiar: burbujas warp basadas en ondas superluminales de "solitones" autoreforzadas. [35] [36] [37] [38] [39] La afirmación es controvertida, y otros físicos argumentan que todos los impulsos warp físicamente razonables violan la condición de energía débil , así como las condiciones de energía fuerte y dominante . [40]
Krasnikov propuso que si no se puede encontrar o utilizar materia taquiónica , entonces una solución podría ser disponer que las masas a lo largo de la trayectoria del recipiente se pusieran en movimiento de tal manera que se produjera el campo requerido. Pero en este caso el buque de propulsión Alcubierre sólo puede recorrer 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 delante de la burbuja mientras está "en tránsito". Por ejemplo, viajar a Vega (que está a 25 años luz de la Tierra) requiere disponer todo de manera que aparezca la burbuja que se mueve hacia Vega con una velocidad superluminal; tales acuerdos siempre llevarán más de 25 años. [20]
Coule ha argumentado que los esquemas, como el propuesto por Alcubierre, son inviables porque la materia colocada en la ruta prevista de una nave debe colocarse a una velocidad superluminal; que construir un motor Alcubierre requiere un motor Alcubierre incluso si la métrica que permite es físicamente significativo. Coule sostiene además que una objeción análoga se aplicará a cualquier método propuesto para construir un motor Alcubierre. [22]
Un artículo de José Natário (2002) sostiene que los miembros de la tripulación no podían controlar, dirigir o detener el barco en su burbuja warp porque el barco no podía enviar señales al frente de la burbuja. [19]
Un artículo de 2009 de 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 superluminales y desestabilizar la propia burbuja; El artículo también sostiene que estos problemas no existen si la velocidad de la burbuja es subluminal, aunque el impulso todavía 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 superluminal, las partículas que su burbuja había acumulado en tránsito se liberarían en estallidos energéticos similares a la radiación infinitamente desplazada hacia el azul. se supone que ocurre en el horizonte de sucesos interno de un agujero negro de Kerr ; De este modo, las partículas orientadas hacia adelante tendrían suficiente energía para destruir cualquier cosa en el destino directamente frente al barco. [41] [42]
Aún no se conoce la cantidad de energía negativa necesaria para tal propulsión. Pfenning y Allen Everett de Tufts sostienen que una burbuja warp 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. [43] 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 forzar la materia exótica a una banda extremadamente delgada de 10 - 32 metros se considera poco práctico. Se aplican restricciones similares al metro superluminal 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" curva de espacio-tiempo cuyo cuello mide unos 10 −32 metros. [21]
Los cálculos del físico Allen Everett muestran que las burbujas warp podrían usarse para crear curvas temporales cerradas en la relatividad general, lo que significa que la teoría predice que podrían usarse para viajar hacia atrás en el tiempo . [44] Si bien es posible que las leyes fundamentales de la física permitan curvas temporales cerradas, la conjetura de protección cronológica plantea la hipótesis de que en todos los casos en los que la teoría clásica de la relatividad general las permita, los efectos cuánticos intervendrían para eliminar la posibilidad, haciendo que estos espacios-tiempos imposible de realizar. Un posible tipo de efecto que lograría esto es una acumulación de fluctuaciones del vacío en el borde de la región del espacio-tiempo donde el viaje en el tiempo sería posible por primera vez, causando que la densidad de energía sea lo suficientemente alta como para destruir el sistema que de otro modo se convertiría en una máquina del tiempo. . Algunos resultados sobre la gravedad semiclásica parecen respaldar la conjetura, incluido un cálculo que trata específicamente de los efectos cuánticos en los espacios-tiempos warp que sugirieron que las burbujas warp serían semiclásicamente inestables, [4] [45] pero, en última instancia, la conjetura sólo puede decidirse mediante una Teoría completa de la gravedad cuántica . [46]
Alcubierre analiza brevemente algunas de estas cuestiones en una serie de diapositivas de conferencias publicadas en línea, [47] donde escribe: "cuidado: en relatividad, cualquier método para viajar más rápido que la luz puede, en principio, usarse para viajar hacia atrás en el tiempo (una máquina del tiempo )". En la siguiente diapositiva, menciona la conjetura de la protección de la cronología y escribe: "La conjetura no ha sido probada (no sería una conjetura si lo fuera), pero hay buenos argumentos a su favor basados en la teoría cuántica de campos. Esta conjetura no prohíbe los viajes más rápidos que la luz, sino que simplemente afirma que si existe un método para viajar más rápido que la luz y se intenta utilizarlo para construir una máquina del tiempo, algo saldrá mal: la energía acumulada explotará o explotará. creará un agujero negro."
Las series de televisión y películas de Star Trek utilizan el término "warp drive" para describir su método de viajar más rápido que la luz. Ni la teoría de Alcubierre ni nada similar existían cuando se concibió la serie; el término "impulsión warp" y el concepto general se originaron en la novela de ciencia ficción de John W. Campbell de 1931 , Islas del espacio . [48] Alcubierre declaró en un correo electrónico a William Shatner que su teoría se inspiró directamente en el término utilizado en el programa [49] y cita el "'impulso warp' de la ciencia ficción" en su artículo de 1994. [50] Un USS Alcubierre aparece en el juego de rol de mesa Star Trek Star Trek Adventures . [51] Desde el lanzamiento de Star Trek, la serie original, las series derivadas más recientes de Star Trek han hecho un uso más cercano de la teoría detrás de Alcubierre Drive, 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}}: Mantenimiento CS1: falta el editor de la ubicación ( enlace )Estos resultados sugieren que cualquier barco que utilice un motor warp Alcubierre que transporte personas necesitaría un escudo para protegerlas de posibles partículas peligrosamente desplazadas hacia el azul durante el viaje, y cualquier persona en el destino sería arrojada al olvido por rayos gamma y partículas de alta energía. a los cambios extremos al azul para las partículas de la región P+.
