Un rayo tractor es un dispositivo que puede atraer un objeto hacia otro desde la distancia. [1] El concepto se origina en la ficción: el término fue acuñado por EE Smith (una actualización de su anterior "rayo atractor") en su novela Spacehounds of IPC (1931). Desde la década de 1990, la tecnología y la investigación han trabajado para convertirlo en realidad y han tenido cierto éxito a nivel microscópico. [2] Con menos frecuencia, un rayo similar que repele se conoce como rayo presor o rayo repulsor . Los rayos de impulso gravitatorio y de propulsión gravitatoria son tradicionalmente áreas de investigación de la física marginal que coinciden con los conceptos de rayos tractores y repulsores.
Un campo de fuerza confinado a un haz colimado con bordes limpios es una de las principales características de los haces tractores y repulsores. [3] Varias teorías han predicho que los efectos repulsivos no caen dentro de la categoría de haces tractores y repulsores debido a la ausencia de colimación de campo. [ cita requerida ] Por ejemplo, [ aclaración necesaria ] Robert L. Forward de Hughes Research Laboratories demostró que la teoría de la relatividad general permitió la generación de un impulso muy breve de una fuerza repulsiva similar a la gravedad a lo largo del eje de un toro helicoidal que contiene materia condensada acelerada . [4] [5] La comunidad científica convencional ha aceptado el trabajo de Forward. [ cita requerida ]
Una variante de la teoría de Burkhard Heim , elaborada por Walter Dröscher , del Institut für Grenzgebiete der Wissenschaft (IGW), Innsbruck, Austria, y Jocham Häuser, de la Universidad de Ciencias Aplicadas y CLE GmbH, Salzgitter, Alemania, predijo que un campo de fuerza repulsivo de gravitofotones podría ser producido por un anillo que rotara sobre un campo magnético muy fuerte. [6] La teoría de Heim y sus variantes han sido tratadas por la comunidad científica convencional como física marginal. Pero los trabajos de Forward, Dröscher y Häuser no podían considerarse como una forma de rayo repulsor o tractor porque los impulsos y efectos de campo predichos no estaban confinados a una región colimada bien definida. [ cita requerida ]
A continuación se presentan resúmenes de otros experimentos y teorías notables que se asemejan a los conceptos de repulsor y rayo tractor:
En julio de 1960, la revista especializada Missiles and Rockets informó que Martin N. Kaplan, un ingeniero de investigación de Ryan Aeronautical Company , había llevado a cabo experimentos que podrían conducir a la capacidad de dirigir una fuerza antigravitatoria hacia o desde un segundo cuerpo. [7]
En 1964, los físicos Leopold Halpern del Instituto Niels Bohr y B. Laurent del Instituto Nórdico de Física Teórica indicaron que la teoría de la relatividad general y la teoría cuántica permitían la generación y amplificación de gravitones de manera similar al láser. [8] Demostraron que, en principio, la radiación gravitacional en forma de haz de gravitones podía generarse y amplificarse utilizando emisiones resonantes inducidas.
En 1992, el profesor Yevgeny Podkletnov y R. Nieminen, de la Universidad Tecnológica de Tampere , descubrieron fluctuaciones de peso en objetos sobre un disco superconductor compuesto, masivo y levitado electromagnéticamente. [9] Tres años después, Podkletnov informó los resultados de experimentos adicionales con un superconductor de disco toroidal. [10] Informaron que el peso de las muestras fluctuaría entre −2,5% y +5,4% a medida que aumentaba la velocidad angular del superconductor. Ciertas combinaciones de velocidades angulares del disco y frecuencias electromagnéticas hicieron que las fluctuaciones se estabilizaran en una reducción del 0,3%. Los experimentos con el disco toroidal produjeron reducciones que alcanzaron un máximo de 1,9-2,1%. Los informes sobre ambos conjuntos de experimentos indicaron que la región de pérdida de peso era cilíndrica, extendiéndose verticalmente al menos tres metros por encima del disco. En el otoño de 1995 se informaron observaciones cualitativas de una fuerza expulsiva en el borde de la zona protegida. [11] [ dudoso – discutir ] Varios grupos en todo el mundo intentaron replicar las observaciones de Podkletnov sobre el blindaje gravitacional. [12] [ se necesita más explicación ]
El físico italiano Giovanni Modanese, mientras era becario Von Humboldt en el Instituto Max Planck de Física , hizo el primer intento de proporcionar una explicación teórica de las observaciones de Podkletnov. [11] [13] Argumentó que el efecto de protección y la ligera fuerza expulsiva en el borde de la zona protegida podrían explicarse en términos de cambios inducidos en la constante cosmológica local . Modanese describió varios efectos relacionados con las respuestas a las modificaciones de la constante cosmológica local dentro del superconductor. [14] Ning Wu del Instituto de Física de Altas Energías (Pekín), utilizó la teoría de gravedad de calibre cuántico que había desarrollado en 2001 para explicar las observaciones de Podkletnov. [15] La teoría de Wu aproximó la pérdida de gravedad relativa en un 0,03 % (un orden de magnitud menor que el rango informado de 0,3-0,5 %). [ cita requerida ]
CS Unnikrishan, del Instituto Tata de Investigación Fundamental de Bombay, demostró que si el efecto hubiera sido causado por un blindaje gravitacional, la forma de la región protegida sería similar a una sombra del escudo gravitacional. Por ejemplo, la forma de la región protegida sobre un disco sería cónica. La altura del vértice del cono sobre el disco variaría directamente con la altura del disco de protección sobre la Tierra. [16] Podkletnov y Nieminen describieron la forma de la región de pérdida de peso como un cilindro que se extendía a través del techo por encima del criostato . [ cita requerida ]
Un equipo de científicos de la Universidad Nacional Australiana (ANU) dirigido por el profesor Andrei Rode creó un dispositivo similar a un rayo tractor para mover partículas pequeñas a 1,5 metros a través del aire. [17] Sin embargo, en lugar de crear un nuevo campo gravitatorio, el dispositivo utiliza un rayo láser Laguerre-Gaussiano en forma de rosquilla , que tiene un anillo de luz de alta intensidad que rodea un núcleo oscuro a lo largo del eje del rayo. Este método confina las partículas al centro del rayo mediante fotoforesis , por lo que las secciones iluminadas de la partícula tienen una temperatura más alta y, por lo tanto, imparten más impulso a las moléculas de aire que inciden en la superficie. Debido a este método, un dispositivo de este tipo no puede funcionar en el espacio debido a la falta de aire. Rode afirma que existen aplicaciones prácticas para el dispositivo en la Tierra, por ejemplo, el transporte de materiales peligrosos microscópicos y otros objetos microscópicos. [18] [19]
John Sinko y Clifford Schlecht investigaron una forma de propulsión láser de empuje inverso como un rayo láser tractor macroscópico. Las aplicaciones previstas incluyen la manipulación remota de objetos espaciales a distancias de hasta unos 100 km, [20] la eliminación de desechos espaciales, [21] y la recuperación de astronautas a la deriva o herramientas en órbita. [22]
En 2010, físicos de la Universidad de Nueva York demostraron que los haces tractores basados en modos solenoidales de luz funcionan . [23] La distribución de intensidad en espiral de estos haces no difractantes tiende a atrapar objetos iluminados y, por lo tanto, ayuda a superar la presión de radiación que normalmente los impulsaría hacia abajo del eje óptico. El momento angular orbital transferido desde los frentes de onda helicoidales del haz solenoidal impulsa entonces a los objetos atrapados hacia arriba a lo largo de la espiral. La NASA está considerando la posibilidad de utilizar tanto haces tractores solenoidales como de Bessel para su aplicación en la exploración espacial . [24]
En marzo de 2011, científicos chinos [ especificar ] postularon que un tipo específico de haz de Bessel (un tipo especial de láser que no difracta en el centro) es capaz de crear un efecto de atracción en una partícula microscópica dada, forzándola hacia la fuente del haz. [25] [26] La física subyacente es la maximización de la dispersión hacia adelante a través de la interferencia de los multipolos de radiación. Muestran explícitamente que la condición necesaria para lograr una fuerza óptica negativa (de atracción) es la excitación simultánea de los multipolos en la partícula. Si la proyección total del momento del fotón a lo largo de la dirección de propagación es pequeña, es posible la fuerza óptica atractiva. [27] Los científicos chinos sugieren que esta posibilidad puede implementarse para la micromanipulación óptica. [ cita requerida ]
En 2013, científicos del Instituto de Instrumentos Científicos (ISI) y de la Universidad de St Andrews crearon un rayo tractor que atrae objetos a nivel microscópico. [28] El estudio afirma que esta técnica puede tener potencial para la investigación biomédica. El profesor Zemanek dijo: "Todo el equipo ha pasado varios años investigando varias configuraciones de partículas enviadas por la luz". [ Esta cita necesita una cita ] El Dr. Brzobohaty dijo: "Estos métodos están abriendo nuevas oportunidades para la fotónica fundamental, así como aplicaciones para las ciencias de la vida". [ Esta cita necesita una cita ] El Dr. Cizmar dijo: "Debido a las similitudes entre la manipulación óptica y acústica de partículas, anticipamos que este concepto inspirará estudios futuros apasionantes en áreas fuera del campo de la fotónica". [ Esta cita necesita una cita ]
Los físicos de la ANU construyeron un rayo tractor reversible, capaz de transportar partículas "de un quinto de milímetro de diámetro a una distancia de hasta 20 centímetros, alrededor de 100 veces más lejos que los experimentos anteriores". Según el profesor Wieslaw Krolikowski, de la Escuela de Investigación de Física e Ingeniería, "la demostración de un rayo láser a gran escala como este es una especie de santo grial para los físicos del láser". [29] El trabajo fue publicado en Nature en 2014. [30] Ese mismo año, el Dr. Horst Punzmann y su equipo en la ANU desarrollaron un rayo tractor que funciona sobre el agua, que podría usarse potencialmente para contener derrames de petróleo, controlar objetos flotantes o estudiar la formación de resacas en las playas. [31]
En 2015, un equipo de investigadores construyó el primer rayo tractor sónico del mundo que puede levantar y mover objetos utilizando ondas sonoras. [32] Se puso a disposición una página web de Instructables con instrucciones para construir un dispositivo rudimentario. [33]
En 2016, los científicos de la Universidad Rice descubrieron que las bobinas de Tesla pueden generar campos de fuerza capaces de manipular la materia a través de un proceso llamado teslaforesis. [34]
En diciembre de 2016, los investigadores pudieron manipular el movimiento de las células bacterianas utilizando un rayo tractor, abriendo así la posibilidad de que los rayos tractores puedan tener aplicaciones futuras en las ciencias biológicas. [35]
En 2018, un equipo de investigación de la Universidad de Tel Aviv, dirigido por el Dr. Alon Bahabad, demostró experimentalmente un análogo óptico del tornillo de Arquímedes donde la rotación de un rayo láser de intensidad helicoidal se transfiere al movimiento axial de partículas de carbono en el aire, a escala micrométrica y atrapadas ópticamente. Con este tornillo óptico, las partículas se transportaron fácilmente con velocidad y dirección controladas, aguas arriba o aguas abajo del flujo óptico, a lo largo de medio centímetro. [36]
En 2019, investigadores de la Universidad de Washington utilizaron un rayo tractor para ensamblar materiales a escala nanométrica en un proceso que describen como "nanosoldadura fotónica". [37]
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Las películas y programas de televisión de ciencia ficción suelen representar los rayos tractores y repulsores como rayos estrechos y audibles de luz visible que cubren una pequeña zona objetivo. Los rayos tractores se utilizan con mayor frecuencia en naves y estaciones espaciales . Por lo general, se utilizan de tres formas: [ cita requerida ]
En este último caso, se pueden emplear contramedidas contra los rayos tractores. Estas pueden incluir rayos presores (un rayo presor más fuerte contrarrestará un rayo tractor más débil) o cizalladoras planas, también conocidas como planos de cizallamiento (un dispositivo para "cortar" el rayo tractor y dejarlo ineficaz). En algunas realidades ficticias, los escudos pueden bloquear los rayos tractores, o los generadores pueden desactivarse enviando una gran cantidad de energía a lo largo del rayo hasta su fuente. [ cita requerida ]
Los rayos tractores y los rayos presores pueden utilizarse juntos como arma: al atraer un lado de una nave espacial enemiga mientras se repelen los otros, se pueden crear efectos de cizallamiento muy dañinos en su casco. Otro modo de uso destructivo de estos rayos es alternar rápidamente entre la fuerza de presión y la de tracción para causar daños estructurales a la nave, así como infligir fuerzas letales a su tripulación. [ cita requerida ]
Dos objetos que se unen mediante un rayo tractor suelen ser atraídos hacia su centro de gravedad común. Esto significa que si una nave espacial pequeña aplica un rayo tractor a un objeto grande, como un planeta, la nave será atraída hacia el planeta, en lugar de lo contrario. [3] [ se necesita una mejor fuente ]
En Star Trek , se imagina que los rayos tractores funcionan colocando un objetivo en el foco de un patrón de interferencia de subespacio/gravitón creado por dos rayos de un emisor. Cuando los rayos se manipulan correctamente, el objetivo se dibuja junto con el patrón de interferencia. El objetivo se puede mover hacia o desde el emisor cambiando la polaridad de los rayos. El alcance del rayo afecta la masa máxima que el emisor puede mover, y el emisor somete su estructura de anclaje a una fuerza significativa. [38]
