Vinniger as ligreis is die enigste manier waarop mense ooit in 'n redelike tyd na ander sterre kan kom. Krediet: NASA
Die naaste ster aan die aarde is Proxima Centauri. Dit is ongeveer 4.25 ligjare weg, of ongeveer 25 biljoen myl (40 biljoen km). Die vinnigste ruimtetuig ooit, die Parker Solar Probe wat nou in die ruimte is, sal 'n topspoed van 450,000 20 mph bereik. Dit sal net 6,633 sekondes neem om teen daardie spoed van Los Angeles na New York City te gaan, maar dit sal die sonsonde sowat XNUMX XNUMX jaar neem om die Aarde se naaste naburige sonnestelsel te bereik.
As die mensdom ooit maklik tussen sterre wil reis, sal mense vinniger as lig moet gaan. Maar tot dusver is vinniger-as-lig-reis slegs in wetenskapfiksie moontlik.
In Issac Asimov se Foundation-reeks kan die mensdom van planeet tot planeet, ster na ster of oor die heelal reis deur gebruik te maak van springdrywers. As kind het ek soveel van daardie stories gelees as wat ek in die hande kon kry. Ek is nou 'n teoretiese fisikus en studeer nanotegnologie, maar ek is steeds gefassineer deur die maniere waarop die mensdom eendag in die ruimte kan reis.
Sommige karakters – soos die ruimtevaarders in die flieks “Interstellar” en “Thor” – gebruik wurmgate om binne sekondes tussen sonnestelsels te reis. Nog 'n benadering - bekend aan "Star Trek"-aanhangers - is warp-aandrywing-tegnologie. Warp-aandrywers is teoreties moontlik as dit steeds vergesogte tegnologie is. Twee onlangse referate opslae gemaak in Maart wanneer navorsers beweer om het oorkom een van die vele uitdagings wat tussen die teorie van warp drives en werklikheid staan.
Maar hoe werk hierdie teoretiese warp-aandrywers werklik? En sal mense binnekort die sprong maak om spoed te verdraai?
Hierdie 2-dimensionele voorstelling toon die plat, ongedraaide borrel van ruimtetyd in die middel waar 'n skeingaandrywing omring sal word deur saamgeperste ruimtetyd na regs (afwaartse kurwe) en uitgebreide ruimtetyd na links (opwaartse kurwe). Krediet: AllenMcC/Wikimedia Commons
Kompressie en uitbreiding
Fisici se huidige begrip van ruimtetyd kom van Albert Einstein se teorie van Algemene Relatiwiteit. Algemene Relatiwiteit sê dat ruimte en tyd saamgesmelt is en dat niks vinniger as die spoed van lig kan beweeg nie. Algemene relatiwiteit beskryf ook hoe massa en energie ruimtetyd verdraai – stewige voorwerpe soos sterre en swart gate krom ruimtetyd om hulle. Hierdie kromming is wat jy voel as swaartekrag en hoekom baie ruimtevaarthelde bekommerd is om "in 'n gravitasieput vas te sit" of "in te val". Vroeë wetenskapfiksieskrywers John Campbell en Asimov het hierdie verdraaiing gesien as 'n manier om die spoedgrens te oortref.
Wat as 'n ruimteskip ruimte voor hom kan saamdruk terwyl ruimtetyd agter hom uitbrei? "Star Trek" het hierdie idee geneem en dit die warp drive genoem.
In 1994 het Miguel Alcubierre, 'n Mexikaanse teoretiese fisikus, gewys dat om ruimtetyd voor die ruimteskip saam te druk terwyl dit agteruit uitgebrei word wiskundig moontlik binne die wette van Algemene Relatiwiteit. So, wat beteken dit? Stel jou voor dat die afstand tussen twee punte 10 meter (33 voet) is. As jy by punt A staan en een meter per sekonde kan reis, sal dit 10 sekondes neem om by punt B uit te kom. Kom ons sê egter jy kan op een of ander manier die spasie tussen jou en punt B saamdruk sodat die interval nou net een meter is . As jy dan deur ruimtetyd beweeg teen jou maksimum spoed van een meter per sekonde, sal jy in ongeveer een sekonde punt B kan bereik. In teorie weerspreek hierdie benadering nie die wette van relatiwiteit nie, aangesien jy nie vinniger as lig in die ruimte om jou beweeg nie. Alcubierre het gewys dat die warp drive van "Star Trek" in werklikheid teoreties moontlik was.
Proxima Centauri hier kom ons, reg? Ongelukkig het Alcubierre se metode om ruimtetyd saam te druk een probleem gehad: dit vereis negatiewe energie of negatiewe massa.
Hierdie 2-dimensionele voorstelling wys hoe positiewe massa ruimtetyd kromme (linkerkant, blou aarde) en negatiewe massa ruimtetyd in 'n teenoorgestelde rigting (regterkant, rooi aarde). Krediet: Tokamac/Wikimedia Commons, CC BY-SA
'n Negatiewe energieprobleem
Alcubierre se warp-aandrywing sal werk deur 'n borrel van plat ruimtetyd om die ruimteskip te skep en ruimtetyd om daardie borrel te buig om afstande te verminder. Die warp-aandrywing sal óf negatiewe massa vereis – 'n teoretiseerde soort materie – óf 'n ring van negatiewe energiedigtheid om te werk. Fisici het nog nooit negatiewe massa waargeneem nie, so dit laat negatiewe energie as die enigste opsie.
Om negatiewe energie te skep, sal 'n warp-aandrywing 'n groot hoeveelheid massa gebruik om 'n wanbalans tussen deeltjies en teendeeltjies te skep. Byvoorbeeld, as 'n elektron en 'n anti-elektron naby die warp-aandrywing verskyn, sal een van die deeltjies deur die massa vasgevang word en dit lei tot 'n wanbalans. Hierdie wanbalans lei tot negatiewe energiedigtheid. Alcubierre se warp-aandrywing sal hierdie negatiewe energie gebruik om die ruimtetydborrel te skep.
Maar vir 'n warp drive om genoeg negatiewe energie te genereer, sal jy baie materie nodig hê. Alcubierre het beraam dat 'n warp-aandrywing met 'n 100-meter-borrel sou vereis die massa van die hele sigbare heelal.
In 1999 het fisikus Chris Van Den Broeck getoon dat die uitbreiding van die volume binne-in die borrel maar om die oppervlakte konstant te hou verminder die energiebehoeftes aansienlik, tot omtrent die massa van die son. 'n Beduidende verbetering, maar steeds ver bo alle praktiese moontlikhede.
’n Wetenskap-fiksie toekoms?
Twee onlangse referate – een deur Alexey Bobrick en Gianni Martire en nog een deur Erik Lentz – bied oplossings wat blykbaar warp-dryf nader aan die werklikheid bring.
Bobrick en Martire het besef dat deur ruimtetyd binne die borrel op 'n sekere manier te wysig, hulle die behoefte om negatiewe energie te gebruik kan verwyder. Hierdie oplossing produseer egter nie 'n warp-aandrywing wat vinniger as lig kan gaan nie.
Onafhanklik het Lentz ook 'n oplossing voorgestel wat nie negatiewe energie vereis nie. Hy het 'n ander meetkundige benadering gebruik om die vergelykings van Algemene Relatiwiteit op te los, en deur dit te doen, het hy gevind dat 'n warp-aandrywing nie negatiewe energie hoef te gebruik nie. Lentz se oplossing sal die borrel vinniger laat beweeg as die spoed van lig.
Dit is noodsaaklik om daarop te wys dat hierdie opwindende ontwikkelings wiskundige modelle is. As 'n fisikus sal ek nie modelle ten volle vertrou totdat ons eksperimentele bewys het nie. Tog kom die wetenskap van warp-aandrywing in sig. As 'n wetenskapfiksie-aanhanger verwelkom ek al hierdie innoverende denke. In die woorde van kaptein Picard, dinge is net onmoontlik totdat dit nie is nie.
Geskryf deur Mario Borunda, medeprofessor in fisika, Oklahoma State University.
Oorspronklik gepubliseer op Die gesprek.
