El impulso de Alcubierre , el impulso de deformación de Alcubierre o la métrica de Alcubierre (refiriéndose al tensor métrico ) es una idea de impulso de deformación especulativa basada en una solución de las ecuaciones de campo de Einstein en relatividad general propuesta por el físico teórico Miguel Alcubierre durante su estudio de doctorado en la Universidad de Gales. , Cardiff, mediante el cual una nave espacial podría lograr un viaje aparente más rápido que la luz si se pudiera crear un campo de densidad de energía configurable menor que el del vacío (es decir, masa negativa ). [1] [2]
En lugar de exceder la velocidad de la luz dentro de un marco de referencia local , una nave espacial atravesaría distancias contrayendo el espacio frente a ella y expandiendo el espacio detrás de ella, lo que resultaría en un viaje efectivo más rápido que la luz. 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 el objeto 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 Alcubierre implica una densidad de energía negativa y, por lo tanto, requiere materia exótica o manipulación de energía oscura . [4] Si no puede existir materia exótica con las propiedades correctas, entonces no se puede construir la unidad. Al final de su artículo original, [5] sin embargo, 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 cumplir con el requisito de energía negativa para el impulso 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 el viaje en el tiempo hacia atrás ( ver la conjetura de protección cronológica ) y así invalidaría la unidad de Alcubierre.
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. [5] [1] [2] El barco luego montaría esta ola dentro de una región de espacio plano, conocida como burbuja de deformación , 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 unidad.
Métrica de Alcubierre
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 de deformación en un espacio-tiempo previamente plano y se aleje a una velocidad efectivamente más rápida 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 más rápidas que la luz con respecto al contenido de la burbuja warp; es decir, un rayo de luz dentro de la burbuja de deformación siempre se movería más rápidamente 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 (es decir, 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.
Sin embargo, el impulso de Alcubierre sigue siendo un concepto hipotético con problemas aparentemente difíciles, aunque ya no se cree que la cantidad de energía requerida sea inalcanzable. [8]
Matemáticas
Utilizando el formalismo ADM de la relatividad general , el espacio-tiempo se describe por una foliación de espacio-como hipersuperficies de constante de coordenadas de tiempo t , con la toma métrica la siguiente forma general:
dónde
- α es la función de lapso que da el intervalo de tiempo adecuado entre hipersuperficies cercanas,
- β i es el vector de desplazamiento que relaciona los sistemas de coordenadas espaciales en diferentes hipersuperficies,
- γ ij es una métrica definida positiva en cada una de las hipersuperficies.
La forma particular que estudió Alcubierre [5] está definida por:
dónde
con parámetros arbitrarios R > 0 y σ > 0 . Por tanto, la forma específica de la métrica de Alcubierre puede escribirse
Con esta forma particular de la métrica, se puede demostrar que la densidad de energía medida por observadores cuya 4 velocidades es normal a las hipersuperficies viene 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] No se descarta teóricamente 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 requerida ] Según el escritor Robert Low, dentro del contexto de la relatividad general es imposible construir un impulso warp en ausencia de materia exótica. [9]
Conexión con la energía oscura y la materia oscura.
El astrofísico Jamie Farnes de la Universidad de Oxford propuso una teoría, publicada en la revista científica Astronomy & Astrophysics , que unifica la energía oscura y la materia oscura en un solo fluido oscuro , y que puede ser probada por nuevos instrumentos científicos alrededor de 2030. . [10] Farnés encontró que Albert Einstein había explorado la idea de masas negativas gravitatoriamente repulsiva, mientras que el desarrollo de las ecuaciones de la relatividad general , una idea que conduce a una hipótesis "hermosa", donde los cosmos tiene la misma cantidad 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, proporcionando una solución natural para la actual "crisis en la cosmología" debido a un parámetro de Hubble variable en el tiempo . [11]
Como la teoría de Farnes permite que una masa positiva (es decir, un barco) alcance una velocidad igual a la de la luz, se la ha calificado de "controvertida". [12] Si la teoría es correcta, que ha sido muy debatida en la literatura científica, explicaría la energía oscura, la materia oscura, permitiría curvas cerradas en forma de tiempo (ver viajes en el tiempo ) y sugeriría que un impulso de Alcubierre es físicamente posible con materia exótica. . [13]
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 se 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 del espacio 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 original del impulso de distorsión y las variantes simples de la misma tienen la forma ADM , que se usa a menudo al discutir la formulación de valor inicial 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 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 warp" en términos de una contracción del espacio delante de la burbuja y una expansión detrás, pero esta interpretación podría ser engañosa, [14] ya que la contracción y la expansión en realidad se refieren al movimiento relativo de los miembros cercanos de la familia. de los observadores de 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, 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 interrogantes acerca de 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 espacio-tiempos dinámicos de impulso de deformación en en el que se forma una burbuja de urdimbre en un espacio previamente plano. [4] Además, según Serguei Krasnikov , [15] generar una burbuja en un espacio previamente plana para una sola vía viaje FTL requiere forzar la materia exótica para moverse a nivel local más rápido que la luz velocidades, 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 de la ruta de viaje y programándolos para que entren en funcionamiento en momentos preasignados y para operar en 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. [16] [17] 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 pudieran usarse como medio de viaje superlumínico. Solo 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. [18]
Por ejemplo, si uno quisiera viajar a Deneb (2.600 años luz de distancia) y llegar menos de 2.600 años en el futuro según relojes externos, sería necesario que alguien ya haya comenzado a trabajar para deformar el espacio desde la Tierra hasta Deneb al menos. Hace 2.600 años:
Una nave espacial ubicada apropiadamente con respecto a la trayectoria de la burbuja podría elegir entrar en la burbuja, como 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 de organizar, 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, al alterar la métrica a lo largo de la trayectoria de su viaje de ida. [18]
Dificultades
La métrica de esta forma tiene dificultades significativas porque todas las teorías espaciotemporales de impulso de distorsión conocidas violan diversas condiciones energéticas . [19] Sin embargo, un impulso warp de tipo Alcubierre podría realizarse mediante la explotación de ciertos fenómenos cuánticos verificados experimentalmente, como el efecto Casimir , que conducen a tensores de energía de estrés que también violan las condiciones de energía, como masa-energía negativa , cuando descrito en el contexto de las teorías cuánticas de campos. [20] [21]
Requisito de masa-energía
Si ciertas desigualdades cuánticas conjeturadas por Ford y Roman se sostienen, [22] los requisitos de energía para algunos impulsores warp pueden ser inviablemente grandes y negativos. Por ejemplo, la energía equivalente de −10 64 kg podría ser necesaria [23] 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]
Chris Van den Broeck de la Katholieke Universiteit Leuven en Bélgica, en 1999, trató de abordar los problemas potenciales. [24] Al contraer el área de superficie tridimensional de la burbuja transportada por el motor, mientras que al mismo tiempo expandía el volumen tridimensional contenido en su interior, Van den Broeck pudo reducir la energía total necesaria para transportar pequeños átomos 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] [19] Van den Broeck detalló esto diciendo que la energía total se puede reducir drásticamente manteniendo el área de la 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, al igual que el pequeño tamaño (unos pocos órdenes de magnitud por encima de la escala de Planck ) de las estructuras de espacio-tiempo necesarias. [dieciséis]
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-energía para una nave espacial macroscópica desde el equivalente del planeta Júpiter al de la nave espacial Voyager 1 (c. 700 kg) [8 ] o menos, [25] y declararon su intención de realizar experimentos a pequeña escala en la construcción de campos warp. [8] White propuso engrosar la pared extremadamente delgada de la burbuja warp, por lo que la energía se concentra en un volumen mayor, pero la densidad de energía máxima general es en realidad menor. En una representación plana en 2D, el anillo de energía positiva y negativa, inicialmente muy delgado, se vuelve una forma de rosquilla más grande y difusa. Sin embargo, como esta burbuja de deformación menos energética también se espesa hacia la región interior, deja menos espacio plano para albergar la nave espacial, que tiene que ser más pequeña. [26] Además, si la intensidad de la deformación espacial puede oscilar con el tiempo, la energía requerida se reduce aún más. [8] 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. [25] [27] Alcubierre ha expresado su escepticismo sobre el experimento, diciendo: "a mi entender, no hay forma de que se pueda hacer, probablemente no durante siglos, si es que lo hace". [28] [29]
Colocación de materia
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 pongan en movimiento de tal manera que se produzca el campo requerido. Pero en este caso, la embarcación motriz Alcubierre solo puede recorrer rutas que, como una vía férrea, hayan sido previamente equipadas con la infraestructura necesaria. El piloto dentro de la burbuja está desconectado causalmente 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 arreglar todo para que aparezca la burbuja que se mueve hacia Vega con una velocidad superluminal; tales arreglos siempre llevarán más de 25 años. [15]
Coule ha argumentado que los esquemas, como el propuesto por Alcubierre, no son factibles porque la materia colocada en la ruta de la trayectoria prevista de una nave debe colocarse a una velocidad superluminal; que la construcción de una transmisión Alcubierre requiere una transmisión 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 una unidad Alcubierre. [17]
Supervivencia dentro de la burbuja
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. [30]
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 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 a velocidades superlumínicas y desestabilizar la burbuja misma; el artículo también argumenta que estos problemas están ausentes si la velocidad de la burbuja es subluminal, aunque el impulso todavía requiere materia exótica. [4]
Efecto dañino sobre el destino
Brendan McMonigal, Geraint F. Lewis y Philip O'Byrne han argumentado que si una nave impulsada por Alcubierre desacelerara desde la velocidad superluminal, las partículas que su burbuja había reunido en tránsito se liberarían en explosiones energéticas similares a la radiación infinitamente desplazada al azul. hipotetizado para ocurrir en el horizonte de eventos interno de un agujero negro de Kerr ; Las partículas que miran hacia adelante serían, por lo tanto, lo suficientemente enérgicas como para destruir cualquier cosa en el destino directamente en frente de la nave. [31] [32]
espesor de pared
La cantidad de energía negativa requerida para tal propulsión aún no se conoce. Pfenning y Allen Everett de Tufts sostienen que una burbuja de deformación 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. [33] 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 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" curvada de espacio-tiempo cuyo cuello mide unos 10-32 metros. [dieciséis]
Violación de causalidad e inestabilidad semiclásica
Los cálculos del físico Allen Everett muestran que las burbujas de deformación podrían usarse para crear curvas cerradas en forma de tiempo en la relatividad general, lo que significa que la teoría predice que podrían usarse para viajes en el tiempo hacia atrás . [34] Si bien es posible que las leyes fundamentales de la física permitan curvas cerradas en forma de tiempo, la conjetura de protección cronológica plantea la hipótesis de que en todos los casos donde la teoría clásica de la relatividad general lo permite, los efectos cuánticos intervendrían para eliminar la posibilidad, haciendo estos espaciotiempos imposible 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, haciendo 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 de los efectos cuánticos en el espacio-tiempo de impulso de deformación que sugirió que las burbujas de deformación serían semiclásicamente inestables, [4] [35] pero en última instancia, la conjetura solo puede ser decidida por un teoría completa de la gravedad cuántica . [36]
Alcubierre analiza brevemente algunos de estos temas en una serie de diapositivas de conferencias publicadas en línea, [37] donde escribe: "cuidado: en relatividad, cualquier método para viajar más rápido que la luz puede, en principio, usarse para viajar atrás en el tiempo (una máquina del tiempo ) ". En la siguiente diapositiva, trae a colación la conjetura de protección cronológica y escribe: "La conjetura no ha sido probada (no sería una conjetura si lo hubiera hecho), 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. Solo 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 lo hará crear un agujero negro ".
Relación con la unidad warp de Star Trek
Las series de televisión y películas de Star Trek utilizan el término "impulso warp" para describir su método de viajar más rápido que la luz. Ni la teoría de Alcubierre, ni nada similar, existía cuando se concibió la serie; el término "impulso warp" y concepto general se originó con la novela de ciencia ficción de John W. Campbell de 1931 Islands of Space . [38] Alcubierre declaró en un correo electrónico a William Shatner que su teoría se inspiró directamente en el término utilizado en el programa [39] y cita el "'impulso warp' de la ciencia ficción" en su artículo de 1994. [40] Un USS Alcubierre aparece en Star Trek RPG Star Trek Adventures (2017) . [41]
Ver también
- EmDrive
- Soluciones exactas en relatividad general (para más información sobre el sentido en el que el espacio-tiempo de Alcubierre es una solución)
- IXS Enterprise
- Propulsor de vacío cuántico
- Impulso sin reacción
- Propulsión de naves espaciales
- Efecto unruh
Notas
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Estos resultados sugieren que cualquier barco que utilice un motor warp de Alcubierre que lleve personas necesitaría un blindaje para protegerlos de posibles partículas peligrosamente desplazadas al azul durante el viaje, y cualquier persona en el destino sufriría rayos gamma y partículas de alta energía destruidas en el olvido debido a los cambios extremos al azul. para partículas de la región P +.
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Referencias
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enlaces externos
- Página de Marcelo B. Ribeiro sobre la teoría del impulso de deformación
- Un breve videoclip de los hipotéticos efectos del impulso warp.
- Pedro González-Díaz (14 de julio de 2000). "Warp Drive Espacio-Tiempo". Physical Review D . Sociedad Estadounidense de Física . 62 (4): 044005. arXiv : gr-qc / 9907026 . Código Bibliográfico : 2000PhRvD..62d4005G . doi : 10.1103 / PhysRevD.62.044005 . S2CID 59940462 .
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