Questa modalità fantascientifica di viaggio interstellare pratico, che il pubblico televisivo vide per la prima volta nel 1966, ispirò il fisico messicano Miguel Alcubierre Moya a indagare sulla fattibilità di un metodo reale per la propulsione alla velocità della luce.
Decenni dopo, pubblicò la sua ricerca davanti a una stupita comunità di fisici teorici.
L’omonimo motore a curvatura di Alcubierre contrae ipoteticamente lo spaziotempo davanti a un’astronave mentre lo espande dietro di essa, in modo che la nave si muova dal punto A al punto B a una velocità “arbitrariamente veloce”.
Questo motore a curvatura, in pratica, potrebbe piegare lo spaziotempo – il continuum che avvolge le tre dimensioni dello spazio e del tempo – in un modo per cui un osservatore esterno alla “bolla di curvatura”, vedrebbe la nave muoversi più velocemente della velocità della luce, anche se gli osservatori all’interno della nave non avvertirebbero forze di accelerazione.
Se un motore a curvatura superluminale, cioè più veloce della velocità della luce, come quello di Alcubierre funzionasse, rivoluzionerebbe gli sforzi dell’umanità nell’universo, permettendoci, forse, di raggiungere Alpha Centauri, il nostro sistema stellare più vicino, in giorni o settimane anche se sono quattro anni luce di distanza.
La clip qui sopra è tratta dal film Star Trek Beyond e rende abbastanza bene l’idea di come apparirebbe distorto lo spazio mentre il motore a curvature è in funzione.
Detto questo, agli scenziati apparve subito evidente un problema intrinseco nel progetto del motore di Alcubierre: la forza dietro il suo funzionamento, chiamata “energia negativa”, coinvolge particelle esotiche di una materia ipotetica che, per quanto ne sappiamo, non esiste nel nostro universo.
Descritte solo in termini matematici, le particelle esotiche agiscono in modi inaspettati, ad esempio hanno massa negativa e lavorano in opposizione alla gravità (in effetti, avrebbero proprietà antigravitazionali). Negli ultimi 30 anni, gli scienziati hanno pubblicato ricerche che eliminano gli ostacoli intrinseci alla velocità della luce rivelati nell’articolo fondamentale di Alcubierre del 1994 pubblicato sulla rivista peer-reviewed Classical and Quantum Gravity.
Il motore a curvatura ad energia normale
Come abbiamo visto in un precedente articolo, i ricercatori del think tank Applied Physics con sede a New York credono di aver trovato un nuovo approccio creativo per risolvere l’ostacolo fondamentale insito nella realizzazione del motore a curvatura. Insieme ai colleghi di altre istituzioni, il team ha immaginato un sistema di “energia positiva” che non viola le leggi conosciute della fisica.
Questo perché la densità del guscio, così come la pressione che esercita all’interno, è controllata attentamente, spiega Fuchs. Niente può viaggiare più velocemente della velocità della luce, secondo i principi legati alla gravità della teoria della relatività generale di Albert Einstein.
La bolla, infatti, è progettata in modo tale che gli osservatori nel loro ambiente spaziotemporale locale – all’interno della bolla – sperimentino il normale movimento nel tempo. Allo stesso tempo, la bolla stessa comprime lo spaziotempo davanti alla nave e lo espande dietro la nave, traghettando se stessa e a nave all’interno in modo incredibilmente veloce. Le pareti della bolla generano la quantità di moto necessaria, simile alla quantità di moto delle palline che rotolano, spiega Fuchs. “È il movimento della materia nelle pareti che crea effettivamente l’effetto per i passeggeri all’interno“.
Basandosi sul suo articolo del 2021 pubblicato su Classical and Quantum Gravity, che descrive in dettaglio il lavoro precedente degli stessi ricercatori sui motori fisici a curvatura, il team è stato in grado di modellare la complessità del sistema utilizzando il proprio programma computazionale, Warp Factory.
Questo kit di strumenti per modellare lo spaziotempo del motore a curvatura consente ai ricercatori di valutare le equazioni di campo di Einstein e calcolare le condizioni energetiche richieste per varie geometrie del motore a curvatura. Chiunque può scaricarlo e utilizzarlo gratuitamente.
Questi esperimenti hanno portato a quello che Fuchs chiama un mini modello, il primo modello generale di un motore a curvatura a energia positiva. Il loro lavoro ha anche dimostrato che la quantità di energia richiesta da una bolla di curvatura dipende dalla forma della bolla; ad esempio, più la bolla è piatta nella direzione di marcia, minore è l’energia necessaria.
Questo ultimo progresso suggerisce nuove possibilità per studiare la progettazione del viaggio di curvatura, dice Erik Lentz, Ph.D.. Nella sua attuale posizione di fisico presso il Pacific Northwest National Laboratory di Richland, Washington, Lentz contribuisce alla ricerca sul rilevamento della materia oscura e alla ricerca sulla scienza dell’informazione quantistica. La sua ricerca indipendente sulla teoria della propulsione a curvatura si fonda sulla fisica convenzionale mentre reinventa la forma dello spazio deformato. L’argomento deve superare molti ostacoli pratici, dice.
I problemi insiti nella progettazione del motore a curvatura
Il controllo delle bolle di curvatura richiede una grande quantità di coordinamento perché coinvolgono enormi quantità di materia ed energia per mantenere i passeggeri al sicuro e con un passaggio di tempo simile a quello della destinazione. “Potremmo anche progettare lo spaziotempo in cui il tempo scorre in modo molto diverso all’interno [dell’abitacolo] rispetto all’esterno. Se non stiamo attenti, potremmo perdere il nostro appuntamento con Proxima Centauri”, afferma Lentz.
“Questo è ancora un rischio se viaggiamo a una velocità inferiore a quella della luce”. La comunicazione tra le persone all’interno e all’esterno della bolla potrebbe essere distorta mentre passa attraverso la curvatura dello spazio deformato, aggiunge.
Sebbene la soluzione proposta da Applied Physics richieda un motore a curvatura che viaggi al di sotto della velocità della luce, il modello deve ancora collegare una massa equivalente a circa due Giove, altrimenti, non raggiungerà mai la forza gravitazionale e lo slancio sufficientemente elevati da causare un effetto di curvatura significativo.
Il problema purtroppo è ancora che nessuno sa quale potrebbe essere la fonte di questa massa, almeno non ancora. Alcune ricerche suggeriscono che se potessimo in qualche modo sfruttare la materia oscura, potremmo usarla per viaggiare alla velocità della luce, ma Fuchs e Martire hanno dubbi, dal momento che attualmente è un grande mistero (e una particella esotica).
Nonostante i numerosi problemi che gli scienziati devono ancora risolvere per costruire un motore a curvatura funzionante, il team di fisica applicata sostiene che il suo modello alla fine dovrebbe avvicinarsi alla velocità della luce. E anche se un modello fattibile rimanesse al di sotto della velocità della luce, si tratterebbe di un notevole miglioramento rispetto alla tecnologia odierna. Ad esempio, viaggiare anche alla metà della velocità della luce verso Alpha Centauri richiederebbe nove anni. In netto contrasto, la nostra navicella spaziale più veloce, la Voyager 1, che attualmente viaggia a 38.000 miglia all’ora, che impiegherebbe 75.000 anni per raggiungere il sistema stellare a noi più vicino.
Naturalmente, man mano che ci si avvicina alla velocità effettiva della luce, le cose diventano davvero strane, secondo i principi della relatività speciale di Einstein. La massa di un oggetto che si muove sempre più velocemente aumenterebbe all’infinito, richiedendo infine una quantità infinita di energia per mantenere la velocità.
“Questa è la limitazione principale e la sfida chiave che dobbiamo superare: come possiamo avere tutta questa materia nella nostra [bolla], ma non a una scala tale da non poterla nemmeno mettere insieme?” Dice Martire. È possibile che la risposta risieda nella fisica della materia condensata, aggiunge. Questa branca della fisica si occupa in particolare delle forze tra atomi ed elettroni nella materia. Si è già dimostrato fondamentale per molte delle nostre tecnologie attuali, come i transistor, i laser a stato solido e i supporti di memorizzazione magnetici.
L’altro grosso problema è che i modelli attuali consentono una bolla di curvatura stabile, ma solo a velocità costante. Gli scienziati devono ancora capire come progettare un’accelerazione iniziale. Inoltre, alla fine del viaggio, come rallenterà e si fermerà la nave?
“È come cercare di creare l’automobile per la prima volta”, dice Martire. “Non abbiamo ancora un motore, ma vediamo la luce alla fine del tunnel“. La tecnologia della trasmissione a curvatura è allo stadio della tecnologia automobilistica del 1882, dice: quando viaggiare in automobile era possibile, ma sembrava ancora un problema molto, molto difficile.
Il team di fisica applicata ritiene che le future innovazioni nel viaggio a curvatura siano inevitabili. Il modello generale di energia positiva è un primo passo. Inoltre non è necessario zoomare alla velocità della luce per raggiungere distanze che oggi sono solo un sogno, spiega Martire. “L’umanità è ufficialmente, matematicamente, su un percorso interstellare”.
