Forze esotiche: i raggi traenti infrangono le leggi della fisica?

Motore a curvatura. Tecnologia di trasporto da sito a sito. Una vasta rete di wormhole interstellari che ci portano in lontani mondi alieni. Al di là di una ricca lista di desideri per le vacanze, le idee presentate in franchise di fantascienza come “Star Trek” di Gene Roddenberry hanno ispirato milioni di persone a sognare un’epoca in cui gli esseri umani possono usare la tecnologia per superare i limiti quotidiani della natura ed esplorare l’universo.

Ma per garantire il percorso più breve per trasformare almeno alcune di queste idee in autentiche scoperte scientifiche, dobbiamo spingere idee come la relatività generale al punto di rottura. I raggi traenti, una delle idee più esotiche proposte dal genere che prevede la manipolazione dello spazio-tempo per tirare o spingere oggetti a distanza, ci portano oltre il paradigma quotidiano della scienza, fino ai limiti della fisica teorica.

E un team di scienziati ha esaminato come potrebbero funzionare in un recente studio condiviso sul server di prestampa arxiv.

“Nella ricerca di idee fantascientifiche come i raggi traenti, l’obiettivo è quello di spingere e cercare di trovare un punto di demarcazione in cui è necessario qualcosa di più, come la gravità quantistica”, ha affermato Sebastian Schuster, uno scienziato con un dottorato in fisica matematica presso la Charles University di Praga. E, studiando se i raggi traenti potrebbero funzionare, potremmo anche scoprire forze ancora più esotiche, come la gravità quantistica

Teoria dell’azionamento della curvatura a flessione negli studi sui raggi traenti

“Azionamenti a curvatura, raggi traenti, wormhole: sono idee esotiche che spesso troviamo nella fantascienza”, ha detto Schuster.

Insieme ai suoi colleghi, ha esaminato come i raggi traenti potrebbero funzionare in un quadro di relatività generale, in cui il tessuto dello spazio-tempo si piega e si contorce alla presenza della massa, in un processo che conosciamo come gravità. All’inizio di quest’anno, Schuster e i suoi colleghi, Matt Visser e Jessica Santiago, entrambi della Victoria University di Wellington, hanno analizzato una serie di studi a sostegno della possibilità di un valido motore a curvatura. Le loro conclusioni non sono state influenzate dal clamore che ha circondato le nuove teorie sui viaggi più veloci della luce, ma hanno visto la promessa di testare altre idee di fantascienza sotto la relatività generale.

“L’idea di base è quella di modificare in modo significativo e adattare lo spazio-tempo del warp drive in modo adeguato, dandogli un profilo simile a un raggio e analizzando le sollecitazioni e le forze indotte”, hanno scritto i ricercatori nello studio preliminare.

“Invece di un’astronave che viaggia all’interno di una bolla di curvatura, assumeremo che il campo di curvatura abbia la forma di un raggio generato per tirare/respingere un bersaglio”. Naturalmente, ci manca l’abilità tecnologica per piegare lo spazio-tempo con le macchine, motivo per cui Schuster e i suoi colleghi “presumono che una civiltà arbitrariamente avanzata potrebbe aver sviluppato la tecnologia necessaria per una generazione del raggio appropriata”.

Violare la condizione di energia nulla sotto la relatività generale

Le implicazioni di una capacità di controllare la forza di attrazione gravitazionale e di “tirare” oggetti enormi verso di noi cambierebbero tutto. Immagina di allontanare dalla Terra un enorme asteroide in grado di provocare un’apocalisse piegando il tessuto dello spazio-tempo attorno ad esso, come una nave respinta da un’onda gigante. O, meglio ancora, perché non catturare quell’asteroide?

Almeno uno degli asteroidi che conosciamo è stato stimato avere un valore di 11 trilioni di dollari, e se lo portassimo in un’orbita comoda avremmo ricchezze indicibili parcheggiate a pochi minuti di distanza con un razzo. Forse potremmo anche appoggiarlo lentamente sulla superficie della Terra e scavarci dentro.

“Se consideriamo la forza di trazione, questo è sia ciò che fa un raggio traente sia ciò che farebbero due pianeti se fossero vicini e rilasciati (prima della collisione)”, ha affermato Schuster. “Ma con un raggio hai qualcosa di limitato nelle dimensioni: è direzionale e non va oltre la distanza che desideri”. Purtroppo, delimitare (o limitare) l’area in cui vogliamo creare un raggio traente, “è già abbastanza per richiedere strani materiali esotici, anche se abbiamo diversi esempi fisici di questi materiali esotici che violano le versioni locali delle condizioni energetiche (quindi non sono poi così esotici)”.

Naturalmente, ci sono altre forme non gravitazionali di raggi traenti. “L’esempio più famoso utilizza una sorta di dispositivo audio”, ha detto Schuster. “In questi casi, in genere hai una serie di piccoli altoparlanti e usi il suono per tirare o spingere qualcosa verso o lontano da te, creando in pratica un raggio acustico traente”.

Tuttavia, come onde sonore, questa attraente armonia si basa su un volume di materia per propagare l’onda sonora, o qualcosa in cui un oggetto da “trarre” più vicino o più lontano può muoversi. “Di solito è aria”. Ma nello spazio, “non c’è niente con cui creare un’onda sonora”. Questo è il motivo per cui Schuster si è rivolto all’idea dei campi gravitazionali come mezzo per spostare oggetti nello spazio.

Per testare un raggio traente che manipola il tessuto dello spazio-tempo (gravità), Schuster e i suoi colleghi hanno invocato diverse condizioni energetiche, una delle quali è chiamata condizione di energia nulla (NEC).

“Fondamentalmente, il NEC è un’affermazione per le particelle che si muovono alla velocità della luce – non importa quale direzione o traiettoria ha una particella alla velocità della luce, vedrà determinate quantità fisiche e il NEC è un’affermazione sul fatto che queste saranno o meno positivo o negativo”, ha spiegato Schuster. “Se una particolare combinazione di queste quantità è sempre positiva, il NEC è soddisfatto”.

Il team di Schuster ha utilizzato un semplice tipo di luce per costruire un modello teorico per i raggi traenti, a cominciare dal NEC, e poi ha aggiunto delle implicazioni. Fino a quando non hanno incontrato un intoppo teorico. In un quadro di relatività generale, le implicazioni per i raggi traenti virati sopra il NEC non sono vere.

Una teoria della gravità quantistica potrebbe rivelare il segreto della trasmissione a curvatura, dei raggi traenti e altro ancora

“Da quando abbiamo iniziato a sviluppare modelli con il NEC, sapevamo che il NEC non poteva reggere”, ha affermato Schuster, riassumendo perché i raggi traenti hanno avuto problemi con la relatività generale.

“Avevamo un elenco di implicazioni che sono state violate nel nostro caso, e quindi sappiamo che il NEC è violato nel nostro tipo di spazio-tempo”. E poiché NEC è la più debole di tutte le condizioni energetiche, i ricercatori hanno dedotto che anche tutte le altre condizioni saranno violate. Ma questo non significa che tutte le speranze per un raggio traente fattibile siano perse.

“L’effetto Casimir è un effetto reale e misurato in cui sappiamo che queste condizioni energetiche vengono violate”, ha aggiunto, riferendosi a un effetto quantistico che ci sono voluti decenni per misurarlo con successo. Se violare condizioni energetiche come il NEC non esclude necessariamente i raggi traenti, forse siamo sull’orlo di un nuovo tipo di fisica. Di per sé, l’effetto Casimir è troppo piccolo e sensibile per dare credito diretto a qualcosa come lo spazio-tempo esotico (come un raggio traente) che vediamo raffigurato in programmi di fantascienza come “Star Trek”.

Tuttavia, l’effetto Casimir mostra ancora che una soglia cruciale, cioè la creazione di una forza reale, esotica che viola anche il NEC, è già soddisfatta.

“Questo dimostra che le condizioni energetiche possono essere violate, ma solleva anche la domanda: può essere violata in modo controllabile, su una scala a noi più accessibile?” Ha chiesto Schuster, riferendosi a qualcosa di più pratico, come un’astronave. In altre parole, un nuovo corpus di teorie sulla gravità potrebbe cambiare le regole.

“Una teoria della gravità quantistica potrebbe rispondere in modo definitivo alla possibilità di costruire un raggio traente praticabile o meno, e potrebbe anche rispondere ad alcune domande sulla materia esotica”, ha detto Schuster. Ma, ahimè, non rimane un consenso fermo su come funzionerebbe la gravità quantistica. “A molte persone piace dire che è la teoria delle stringhe, altri dicono che è la teoria degli insiemi causali”, ha aggiunto.

“Basta dire che esistono molte teorie diverse sulla gravità quantistica, il che significa che c’è molto spazio per la nascita di altra fisica da qui a una versione sperimentalmente funzionale della gravità quantistica”, ha detto Schuster.

E abbiamo ancora molta strada da fare prima di poterlo fare. È “una frontiera che sappiamo essere là fuori, ma non conosciamo tutta la terra che dobbiamo attraversare per arrivarci. In un certo senso, è peggio del viaggio di Frodo nel ‘Il Signore degli Anelli'”. Quindi, mentre il lavoro va avanti, per padroneggiare concetti gravitazionali esotici come i motori a curvatura o i raggi traenti, potremmo aver bisogno di una nuova teoria per governarli tutti .

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