Unidad de alcubierre

Visualización bidimensional de una unidad Alcubierre, mostrando las regiones opuestas de la ampliación y contratación de tiempo espacial que desplazan a la región central

La unidad de Alcubierre ([alˈkubie:re]) es una idea especulativa de impulso warp según la cual una nave espacial podría lograr un viaje aparentemente más rápido que la luz al contraer el espacio frente a ella y expandir el espacio detrás de ella, bajo el supuesto de que una nave configurable Se podría crear un campo de densidad de energía más bajo que el del vacío (es decir, masa negativa). Propuesto por el físico teórico Miguel Alcubierre en 1994, el impulsor 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, la unidad de Alcubierre cambia el espacio alrededor de un objeto para que el objeto llegue a su destino más rápido de lo que lo haría la luz en el espacio normal sin romper ninguna ley física.

Aunque la métrica propuesta por Alcubierre es consistente con las ecuaciones de campo de Einstein, la construcción de tal unidad 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 energía oscura. Si no puede existir materia exótica con las propiedades correctas, entonces no se puede construir la unidad. Sin embargo, al final de su artículo original, Alcubierre argumentó (siguiendo un argumento desarrollado por físicos que analizaban agujeros de gusano atravesables) que el vacío de Casimir entre placas paralelas podría cumplir con el requisito de energía negativa para el impulso de Alcubierre. Algunas investigaciones han afirmado que tal concepto es posible con energía puramente positiva usando 'solitón' ondas.

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 (ver la conjetura de protección de la cronología) y, por lo tanto, haría la unidad de Alcubierre no es válida.

Historia

En 1994, Miguel Alcubierre propuso un método para cambiar la geometría del espacio mediante la creación de una onda que haría que la estructura del espacio delante de una nave espacial se contrajera y el espacio detrás de ella se expandiera. Luego, la nave montaría esta ola dentro de una región de espacio plano, conocida como burbuja warp, y no se movería dentro de esta burbuja, sino que sería transportada a medida que la región misma se mueve debido a las acciones de la conducir. La velocidad local relativa al espacio-tiempo deformado sería sublumínica, pero la velocidad a la que podría moverse una nave espacial sería superlumínica, lo que posibilitaría un vuelo interestelar, como una visita a Proxima Centauri dentro de unos pocos días.

Metrica de Alcubierre

La métrica de Alcubierre define el espacio-tiempo del impulso warp. Es una variedad lorentziana 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 superior a 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 más rápidas que 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 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 luz.

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, en términos generales "empujando el espacio a un lado".

La unidad de Alcubierre sigue siendo un concepto hipotético con problemas aparentemente difíciles, aunque ya no se cree que la cantidad de energía requerida sea inalcanzable. Además, Alexey Bobrick y Gianni Martire afirman que, en principio, se puede construir una clase de espaciotiempos de impulso warp subluminales y esféricamente simétricos en base a principios físicos actualmente conocidos por la humanidad, como la energía positiva.

Matemáticas

Utilizando el formalismo ADM de la relatividad general, el espacio-tiempo se describe mediante una foliación de hipersuperficies similares al espacio de tiempo de coordenadas constantes t, tomando la métrica la siguiente forma general:

${displaystyle ¿Por qué? ♪♪ Dx^{i},dt+gamma _{ij},dx^{i},dx^{j}$

dónde

• α es la función lapse que da el intervalo de tiempo adecuado entre hipersuperficies cercanas,
• βⁱ es el vector de cambio que relaciona los sistemas de coordenadas espaciales en diferentes hipersuperficies,
• γ_ij es una métrica positiva-definida en cada una de las hipersuperficies.

La forma particular que estudió Alcubierre se define por:

${displaystyle {begin{aligned}alpha=1,\beta ¿Qué?$

dónde

${fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {fnMicrosoft Sans Serif} {f} {fnMicrosoft Sans Serif} {f} {fnMicrosoft Sans Serif} {c} {f}f}f}f}f}f} {f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f} {f}f}f} {f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f}f} {bignh {big}sigma (r_{s}+R){big)}-tanh {big (}sigma (r_{s}-R){big)}}{2tanh {sigma R)}},end{aligned}}}}}}}}}}}} {$

con parámetros arbitrarios R > 0 y σ > 0. La forma específica de la métrica de Alcubierre se puede escribir así:

${displaystyle ################################################################################################################################################################################################################################################################$

Con esta forma particular de la métrica, se puede demostrar que la densidad de energía medida por los observadores cuya 4-velocidad es normal a las hipersuperficies está dada por:

${displaystyle -{frac}{8pi} G}{frac {v_{2}} {4g^{2} {2}}}} {4g^{2}r_{2}}}}}left({frac} {f}} {fnK} {fnK}} {fnK}}}} {f}}}}}}}}}left({fnfnKf}}}}}}f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {f}}}}}}}}} {f}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}} {l} {l}}}l}}}}}}}}}}}l}}}}l}l}}l}}}}}}}}}}l}l}l}l}l}l}}l}l}l}} {df} {dr_{s}}} {2}}}$

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. No se descarta teóricamente la existencia de materia exótica; sin embargo, se cree que generar y mantener suficiente materia exótica para realizar proezas como viajar más rápido que la luz (y mantener abierta la "garganta" de un agujero de gusano) no es práctico. Según el escritor Robert Low, en el contexto de la relatividad general es imposible construir un impulso warp en ausencia de materia exótica.

Conexión con la energía oscura y la materia oscura

El astrofísico Jamie Farnes de la Universidad de Oxford ha propuesto una teoría, publicada en la revista científica revisada por pares Astronomy & Astrofísica, que unifica la energía oscura y la materia oscura en un solo fluido oscuro, y que se espera que sea comprobable por nuevos instrumentos científicos capaces de construirse alrededor de 2030. Farnes descubrió que Albert Einstein había explorado la idea de la repulsión gravitatoria masas negativas mientras se desarrollan las ecuaciones de la relatividad general, una idea que conduce a un "hermoso" hipótesis donde el cosmos tiene cantidades iguales de cualidades positivas y negativas. Farnes' La teoría se basa en masas negativas que se comportan de manera idéntica a la física del impulso de Alcubierre, proporcionando una solución natural para la actual "crisis en la cosmología" debido a un parámetro de Hubble variable en el tiempo.

Como Farnés' La teoría permite que una masa positiva (es decir, una nave) alcance una velocidad igual a la velocidad de la luz, se la ha denominado 'controvertida'. Si la teoría es correcta, que ha sido muy debatida en la literatura científica, explicaría la energía oscura, la materia oscura, permitiría curvas temporales cerradas (ver viaje en el tiempo) y sugeriría que un impulso de Alcubierre es físicamente posible con materia exótica.

Física

Con 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 usa un motor 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. Enormes fuerzas de marea, sin embargo, 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 el barco.

La métrica warp-drive original y sus variantes simples resultan tener la forma ADM, que a menudo se usa al discutir 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. Las métricas en formato ADM están adaptadas a una cierta familia de observadores inerciales, pero estos observadores no se distinguen realmente físicamente de otras familias similares. Alcubierre interpretó su "burbuja warp" en términos de una contracción del espacio por delante de la burbuja y una expansión por detrás, pero esta interpretación podría ser engañosa, ya que la contracción y la expansión en realidad se refieren al movimiento relativo de los miembros cercanos de la familia de observadores ADM.

En la relatividad general, a menudo primero se especifica una distribución plausible de materia y energía, y luego se encuentra la geometría del espacio-tiempo asociada con ella; pero también es posible ejecutar las ecuaciones de campo de Einstein en la otra dirección, primero especificando una métrica y luego encontrando el tensor de energía-momento asociado con ella, y esto es lo que hizo Alcubierre al construir su métrica. Esta práctica significa que la solución puede violar varias condiciones energéticas y requerir materia exótica. La necesidad de materia exótica plantea dudas sobre si se puede distribuir la materia en un espaciotiempo inicial que carece de una burbuja warp de tal manera que la burbuja se cree en un momento posterior, aunque algunos físicos han propuesto modelos de espaciotiempos dinámicos warp-drive en el cual se forma una burbuja warp en un espacio previamente plano. Además, según Serguei Krasnikov, generar una burbuja en un espacio previamente plano para un viaje FTL de ida requiere obligar 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 con anticipación algunos dispositivos a lo largo de la ruta de viaje y programándolos para que entren en funcionamiento en momentos preasignados y para operar 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. 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 utilizarse 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 delantera contiene toda la trayectoria de la burbuja.

Por ejemplo, si uno quisiera viajar a Deneb (a 2600 años luz de distancia) y llegar a menos de 2600 años en el futuro según los relojes externos, sería necesario que alguien ya hubiera comenzado a trabajar para deformar el espacio desde la Tierra. a Deneb hace al menos 2.600 años:

Una nave espacial apropiadamente ubicada con respecto a la trayectoria de la burbuja podría entonces elegir entrar en la burbuja, más bien como un pasajero que atrapa un carro pasajero pasando, y así hacer el viaje superluminal... como señala Krasnikov, las consideraciones de causalidad no impiden a la tripulación de una nave espacial de organizar, por sus propias acciones, para completar un ida y vuelta de la Tierra a una estrella distante y de vuelta en un tiempo arbitrariamente corto, medido por los relojes en la Tierra, alterando la métrica a lo largo del camino de su viaje de salida.

Dificultades

La métrica de esta forma tiene dificultades significativas porque todas las teorías conocidas del espacio-tiempo de impulso warp violan varias condiciones de energía. Sin embargo, un impulso warp tipo Alcubierre podría realizarse 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 masa-energía negativa, cuando se describe en el contexto de las teorías cuánticas de campos.

Requisito de masa-energía

Si se cumplen ciertas desigualdades cuánticas conjeturadas por Ford y Roman, los requisitos de energía para algunos impulsores warp pueden ser inviablemente grandes y negativos. Por ejemplo, la energía equivalente a −10⁶⁴ kg podría ser necesaria para transportar una pequeña nave espacial a través de la Vía Láctea, una cantidad de varios órdenes de magnitud mayor que la masa estimada del universo observable. También se han ofrecido argumentos en contra de estos aparentes problemas, aunque los requisitos energéticos aún requieren generalmente una civilización Tipo III en la escala Kardashev.

Chris Van Den Broeck de la Katholieke Universiteit Leuven en Bélgica, en 1999, trató de abordar los posibles problemas. Al contraer el área superficial de 3+1 dimensiones de la burbuja que transporta el impulsor, 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. Posteriormente, 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. Van Den Broeck detalló esto diciendo que la energía total se puede reducir drásticamente manteniendo el área de la 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 requeridas aún son inalcanzables, al igual que el pequeño tamaño (algunos órdenes de magnitud por encima de la escala de Planck) de las estructuras de espacio-tiempo necesarias.

En 2012, el físico Harold White y sus colaboradores anunciaron que la modificación de la geometría de la materia exótica podría reducir los requisitos de masa y energía para una nave espacial macroscópica del equivalente del planeta Júpiter al de la nave espacial Voyager 1 (aproximadamente 700 kg).) o menos, y declararon su intención de realizar experimentos a pequeña escala en la construcción de campos warp. 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 máxima de energía general sea en realidad menor. En una representación 2D plana, el anillo de energía positiva y negativa, inicialmente muy delgado, se convierte en un toro borroso más grande (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. Además, si la intensidad de la deformación espacial puede oscilar en el tiempo, la energía requerida se reduce aún más. Según White, un interferómetro 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. 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 hace".

En 2021, el físico Erik Lentz describió una forma en que podrían existir impulsos warp provenientes de energía puramente positiva conocida y familiar: burbujas warp basadas en "solitón" ondas. También afirmó que trabajará para reducir el requerimiento de energía (positiva).

Colocación de la materia

Krasnikov propuso que si no se puede encontrar o utilizar la materia taquiónica, entonces una solución podría ser disponer que las masas a lo largo de la trayectoria del buque se pongan en movimiento de tal manera que se produzca el campo requerido. Pero en este caso, el buque de propulsión de Alcubierre sólo puede transitar por vías que, como un ferrocarril, hayan sido previamente dotadas de las infraestructuras necesarias. El piloto dentro de la burbuja está causalmente desconectado de sus paredes y no puede llevar a cabo ninguna acción fuera de la burbuja: la burbuja no se puede usar 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 arreglar todo para que aparezca la burbuja que se mueve hacia Vega con una velocidad superlumínica; dichos arreglos siempre tomarán más de 25 años.

Coule ha argumentado que los esquemas, como el propuesto por Alcubierre, no son factibles porque la materia colocada en el camino de la ruta prevista de una nave debe colocarse a una velocidad superlumínica: la construcción de un motor de Alcubierre requiere una unidad de Alcubierre incluso si la métrica que lo permite es físicamente significativa. Coule argumenta además que se aplicará una objeción análoga a cualquier método propuesto para construir una unidad de Alcubierre.

Supervivencia dentro de la burbuja

Un artículo de José Natário (2002) argumenta que los miembros de la tripulación no podían controlar, dirigir o detener la nave en su burbuja warp porque la nave no podía enviar señales al frente de la burbuja.

Un artículo de 2009 de Carlos Barceló, Stefano Finazzi y Stefano Liberati usa la teoría cuántica para argumentar que el impulso de Alcubierre a velocidades más rápidas que la luz es imposible principalmente porque las temperaturas extremadamente altas causadas por la radiación de Hawking destruirían cualquier cosa dentro de la burbuja en velocidades superlumínicas y desestabilizar la propia burbuja; el artículo también argumenta que estos problemas están ausentes si la velocidad de la burbuja es subluminal, aunque el impulso aún requiere materia exótica.

Efecto dañino en el destino

Brendan McMonigal, Geraint F. Lewis y Philip O'Byrne han argumentado que si una nave impulsada por Alcubierre desacelerara desde la 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 en frente de la nave.

Espesor de pared

Todavía 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. 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 forzando la materia exótica a una banda extremadamente delgada de 10 ⁻³² metros se considera poco práctico. Se aplican restricciones similares al metro superlumínico de Krasnikov. Chris Van den Broeck construyó una modificación del modelo de Alcubierre que requiere una materia mucho menos exótica pero coloca la nave en una 'botella' de espacio-tiempo curvo. cuyo cuello mide unos 10⁻³² metros.

Violación de causalidad e inestabilidad semiclásica

Los cálculos realizados por el 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 en el tiempo hacia atrás. Si bien es posible que las leyes fundamentales de la física puedan permitir curvas temporales cerradas, 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 espaciotiempos 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, 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 en la gravedad semiclásica parecen respaldar la conjetura, incluido un cálculo que trata específicamente con los efectos cuánticos en el espacio-tiempo de impulso warp que sugirió que las burbujas warp serían semiclásicamente inestables, pero en última instancia, la conjetura solo puede decidirse mediante una teoría completa de la gravedad cuántica.

Alcubierre analiza brevemente algunos de estos temas en una serie de diapositivas de conferencias publicadas en línea, donde escribe: "cuidado: en relatividad, cualquier método para viajar más rápido que la luz puede, en principio, usarse para viajar 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 teoría cuántica de campos. La conjetura no prohíbe viajar más rápido que la luz. Simplemente establece 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."

Relación con el motor warp de Star Trek

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 parecido, existía cuando se concibió la serie—el término "impulso warp" y el concepto general se originó con la novela de ciencia ficción de John W. Campbell de 1931 Islas del espacio. Alcubierre declaró en un correo electrónico a William Shatner que su teoría se inspiró directamente en el término utilizado en el programa y cita el "'impulso warp' de ciencia ficción" en su artículo de 1994. Un USS Alcubierre aparece en el RPG de mesa Star Trek Star Trek Adventures.