Motore a curvatura: è davvero possibile alla luce delle ultime scoperte?

Con la facilità con cui si avvia un’auto, l’equipaggio dell’astronave USS Enterprise si lancia verso una nuova avventura in ogni episodio di Star Trek, viaggiando in qualche modo a una velocità molte volte superiore a quella della luce.

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.

Come hanno affermato due degli autori dello studio, Gianni Martire, CEO di Applied Physics, e Jared Fuchs, Ph.D., questo potrebbe essere un punto di svolta. Il loro lavoro, pubblicato su Classical and Quantum Gravity a fine aprile, potrebbe essere il primo capitolo del manuale per il volo spaziale interstellare.
Nel nuovo studio, a fare la differenza è l’energia positiva.
Immagina di essere un astronauta nello spazio e di spingere lontano da te una pallina da tennis. Invece di allontanarsi, la palla spinge la tua mano indietro, al punto che “te la strapperebbe dal braccio” se applicassi abbastanza forza di spinta“, come spiega Martire. “
Questo è ciò che fa l’energia negativa e, sebbene il progetto di Alcubierre lo richieda, non c’è modo di ottenerla”.
Invece, la vecchia energia positiva che utilizziamo tutti i giorni può servire per costruire la “bolla di curvatura ”. Come suggerisce il nome, parliamo di una struttura sferica che circonda e racchiude lo spazio in cui si trova una nave spaziale con un guscio di materia regolare, ma incredibilmente densa. La bolla spinge l’astronave sfruttando la potente gravità del guscio, ma senza far avvertire alcuna accelerazione ai passeggeri. “Un viaggio in ascensore sarebbe più movimentato“, dice Martire.

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“.

modello di unità alcubierre
Fisiche applicate Il modello computazionale della bolla di curvatura di Alcubierre, che richiede energia negativa per raggiungere la velocità della luce e addirittura superarla. L’energia negativa è un concetto matematico, non un tipo reale di energia che obbedisce alle leggi della fisica, quindi questo modello tradizionale di motori a curvatura rimane saldamente nel regno ipotetico. L’immagine è stata creata sulla Warp Factory di Applied Physics.
nuovo modello a bolla di trasmissione ordito blu con anello bianco
Fisiche applicate Il modello computazionale di una bolla di curvatura stabile e a velocità costante, progettata con “massa positiva” ed “energia positiva” per evitare di violare le leggi della fisica. I passeggeri viaggerebbero all’interno di una nave inclusa nella bolla e raggiungerebbero velocità subluminali (meno della luce). La nuova ricerca del team di fisica applicata ha creato questo modello ipotetico utilizzando il toolkit software Warp Factory.

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”.

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