Trudno żyć w relatywistycznym Wszechświecie, w którym nawet najbliższe gwiazdy są tak daleko, a prędkość światła jest absolutna. Nic więc dziwnego, dlaczego franczyzy science fiction rutynowo wykorzystują FTL (Faster-than-Light) jako urządzenie fabularne. Naciśnij przycisk, naciśnij pedał, a ten wymyślny układ napędowy - którego działania nikt nie potrafi wyjaśnić - wyśle nas w inne miejsce w czasoprzestrzeni.
Jednak w ostatnich latach społeczność naukowa stała się zrozumiała i podchodzi sceptycznie do twierdzeń, że konkretna koncepcja - Napęd Osnowy Alcubierre - może być rzeczywiście wykonalna. Był to temat prezentacji na tegorocznym Forum American Aeronautics and Astronautics Propulsion and Energy Forum, które odbyło się w dniach 19–22 sierpnia w Indianapolis.
Prezentację poprowadził Joseph Agnew - inżynier studiów licencjackich i asystent naukowy z University of Alabama w Huntsville's Propulsion Research Center (PRC). W ramach sesji zatytułowanej „Przyszłość napędu jądrowego i przełomowego” Agnew podzielił się wynikami przeprowadzonego przez niego badania zatytułowanego „Badanie teorii i technologii osnowy w celu ustalenia stanu techniki i wykonalności”.
Jak wyjaśnił Agnew do zapakowanego domu, teoria systemu napędu osnowy jest stosunkowo prosta. Ta koncepcja systemu FTL, pierwotnie zaproponowana przez meksykańskiego fizyka Miguela Alcubierre'a w 1994 roku, jest postrzegana przez człowieka jako wysoce teoretyczne (ale być może słuszne) rozwiązanie równań pola Einsteina, które opisują interakcje przestrzeni, czasu i energii w naszym Wszechświecie.
Mówiąc w skrócie, Alcubierre Drive osiąga podróż FTL, rozciągając tkaninę czasoprzestrzeni na fali, powodując kurczenie się przestrzeni przed nią, podczas gdy przestrzeń za nią się rozszerza. Teoretycznie statek kosmiczny wewnątrz tej fali byłby w stanie unieść się na „bąblu osnowowym” i osiągnąć prędkości przekraczające prędkość światła. Nazywa się to „Alcubierre Metric”.
Interpretowane w kontekście ogólnej teorii względności wnętrze bańki osnowy stanowiłoby inercyjną ramę odniesienia dla wszystkiego, co się w niej znajduje. Z tego samego powodu takie bąbelki mogą pojawiać się w uprzednio płaskim obszarze czasoprzestrzeni i przekraczać prędkość światła. Ponieważ statek nie porusza się w czasoprzestrzeni (ale porusza się w samej czasoprzestrzeni), konwencjonalne efekty relatywistyczne (takie jak dylatacja czasu) nie miałyby zastosowania.
W skrócie, Alcubierre Metric pozwala na podróż FTL bez naruszania zasad względności w konwencjonalnym sensie. Jak Agnew powiedział Space Magazine e-mailem, zainspirował się tą koncepcją już w szkole średniej i kontynuuje ją odtąd:
„Zagłębiałem się bardziej w matematykę i naukę ścisłą, dzięki czemu zacząłem interesować się fantastyką naukową i zaawansowanymi teoriami na bardziej techniczną skalę. Zacząłem oglądać Star Trek, serię Original i The Next Generation i zauważyłem, jak przewidzieli lub zainspirowali wynalezienie telefonów komórkowych, tabletów i innych udogodnień. Pomyślałem o niektórych innych technologiach, takich jak torpedy fotonowe, fazery i napęd warp, i próbowałem zbadać, co na ten temat mają do powiedzenia „nauka o wędrówce gwiazd” i „odpowiednik nauki w świecie rzeczywistym”. Później natknąłem się na oryginalny artykuł Miguela Alcubierre'a i po lekturze go zacząłem szukać innych słów kluczowych i artykułów i zagłębiałem się w teorię. ”
Chociaż koncepcja została ogólnie odrzucona za całkowicie teoretyczną i wysoce spekulacyjną, w ostatnich latach tchnęła w nią nowe życie. Uznanie za to w dużej mierze przypada dr Haroldowi „Sonny” Whiteowi, kierownikowi zespołu napędów zaawansowanych w NASA Johnson Space Center w Advanced Propulsion Physics Laboratory (alias „Eagleworks Laboratory”).
Podczas 100-letniego sympozjum statku kosmicznego w 2011 r. Dr White podzielił się kilkoma zaktualizowanymi obliczeniami metryki Alcubierre, które były przedmiotem prezentacji zatytułowanej „Warp Field Mechanics 101” (i studium o tej samej nazwie). Według dr White'a teoria Alcubierre'a była słuszna, ale wymagała poważnych testów i rozwoju. Od tego czasu on i jego koledzy robią te rzeczy za pośrednictwem Eagleworks Lab.
W podobny sposób Agnew spędził większość swojej kariery naukowej na badaniu teorii i mechaniki stojącej za mechaniką osnowy. Pod kierunkiem dr. Jason Cassibry - profesor nadzwyczajny inżynierii mechanicznej i lotniczej oraz wykładowca Centrum Badań nad Napędem w UAH - prace Agnew zakończyły się badaniem, które dotyczy głównych przeszkód i możliwości związanych z badaniami w zakresie mechaniki osnowy.
Jak powiedział Agnew, jednym z największych jest fakt, że koncepcja „napędu warp” nadal nie jest traktowana bardzo poważnie w kręgach naukowych:
“Z mojego doświadczenia wynika, że wzmianka o napędzie warp wywołuje chichoty w rozmowie, ponieważ jest ona tak teoretyczna i zupełnie nie z science fiction. W rzeczywistości często spotykają się z lekceważącymi uwagami i są wykorzystywane jako przykład czegoś całkowicie dziwacznego, co jest zrozumiałe. Wiem, że w moim przypadku początkowo pogrążyłem je mentalnie w tej samej kategorii, co typowe superluminalne koncepcje, ponieważ oczywiście wszystkie one naruszają „prędkość światła jest założeniem prędkości ostatecznej”. Dopiero po dokładniejszym zagłębieniu się w teorię zdałem sobie sprawę, że nie ma tych problemów. Myślę, że zainteresowanie będzie / będzie znacznie większe, gdy jednostki zagłębią się w poczynione postępy. Historycznie teoretyczna natura tego pomysłu jest również prawdopodobnie czynnikiem odstraszającym, ponieważ znacznie trudniej jest zauważyć znaczny postęp, gdy patrzy się na równania zamiast wyników ilościowych.“
Chociaż dziedzina ta jest jeszcze w powijakach, pojawiło się wiele najnowszych osiągnięć, które pomogły. Na przykład odkrycie naturalnie występujących fal grawitacyjnych (GWS) przez naukowców z LIGO w 2016 r., Które potwierdziło prognozę Einsteina sprzed stu lat i dowodzi, że podstawa napędu osnowy istnieje w naturze. Jak wskazał Agnew, jest to być może najważniejszy, ale nie jedyny rozwój:
“W ciągu ostatnich 5–10 lat poczyniono wiele doskonałych postępów w zakresie przewidywania oczekiwanych efektów popędu, ustalenia, w jaki sposób można go wprowadzić, wzmocnienia fundamentalnych założeń i koncepcji oraz mojego osobistego faworyta , sposoby przetestowania teorii w laboratorium.
„Odkrycie LIGO sprzed kilku lat było moim zdaniem ogromnym skokiem do przodu w nauce, ponieważ eksperymentalnie udowodniło, że czasoprzestrzeń może„ wypaczać się ”i wyginać w obecności ogromnych pól grawitacyjnych, a to rozprzestrzenia się w całym wszechświat w sposób, który możemy zmierzyć. Wcześniej istniało zrozumienie, że prawdopodobnie tak było dzięki Einsteinowi, ale teraz wiemy na pewno. ”
Ponieważ system opiera się na rozszerzaniu i kompresji czasoprzestrzeni, powiedział Agnew, odkrycie to wykazało, że niektóre z tych efektów występują naturalnie. „Teraz, gdy wiemy, że efekt jest prawdziwy, moim zdaniem następne pytanie brzmi:„ jak go badamy i czy możemy go sami wygenerować w laboratorium? ”- dodał. „Oczywiście coś takiego byłoby ogromną inwestycją czasu i zasobów, ale byłoby ogromnie korzystne”.
Oczywiście koncepcja Warp Drive wymaga dodatkowego wsparcia i licznych postępów, zanim możliwe będą badania eksperymentalne. Obejmują one postępy w zakresie teoretycznych ram, a także postępy technologiczne. Jeśli zostaną one potraktowane jako problemy „wielkości ugryzienia” zamiast jednego ogromnego wyzwania, powiedział Agnew, to z pewnością nastąpi postęp:
„W gruncie rzeczy to, co jest potrzebne do napędu warp, to sposób na rozszerzenie i zawężenie czasoprzestrzeni do woli i lokalnie, na przykład wokół małego obiektu lub statku. Wiemy na pewno, że bardzo wysokie gęstości energii, na przykład w postaci pól elektromagnetycznych lub masy, mogą powodować zakrzywienie czasoprzestrzeni. W naszej obecnej analizie problemu potrzeba jednak ogromnych nakładów ”.
„Z drugiej strony, działy techniczne powinny starać się dopracować sprzęt i przetwarzać jak najwięcej, aby te wysokie gęstości energii były bardziej prawdopodobne. Wierzę, że istnieje szansa, że gdy efekt będzie można powielić w skali laboratoryjnej, doprowadzi to do głębszego zrozumienia działania grawitacji i może otworzyć drzwi do jeszcze nieznanych teorii lub luk. Przypuszczam, że podsumowując, największą przeszkodą jest energia, a wraz z nią przeszkody technologiczne, wymagające większych pól elektromagnetycznych, bardziej wrażliwego sprzętu itp.“
Ogromna ilość dodatniej i ujemnej energii potrzebnej do stworzenia bańki osnowy pozostaje największym wyzwaniem związanym z koncepcją Alcubierre. Obecnie naukowcy uważają, że jedynym sposobem na utrzymanie ujemnej gęstości energii wymaganej do wytworzenia bańki jest zastosowanie materii egzotycznej. Naukowcy szacują również, że całkowite zapotrzebowanie na energię byłoby równoważne masie Jowisza.
Jest to jednak znaczny spadek w porównaniu z wcześniejszymi szacunkami energii, które twierdziły, że zajęłoby to masę energii równoważną całemu Wszechświatowi. Niemniej jednak masa Jowisza egzotycznej materii jest wciąż zbyt duża. W związku z tym nadal należy poczynić znaczne postępy, aby zmniejszyć zapotrzebowanie na energię do czegoś bardziej realistycznego.
Jedynym przewidywalnym sposobem na osiągnięcie tego jest dalsze postępy w fizyce kwantowej, mechanice kwantowej i metamateriałach, mówi Agnew. Jeśli chodzi o techniczną stronę rzeczy, konieczne będą dalsze postępy w tworzeniu nadprzewodników, interferometrów i generatorów magnetycznych. I oczywiście istnieje kwestia finansowania, która zawsze stanowi wyzwanie, jeśli chodzi o koncepcje uważane za „tam”.
Ale jak twierdzi Agnew, nie jest to nie do pokonania wyzwanie. Biorąc pod uwagę dotychczasowe postępy, istnieją
“Teoria potwierdziła do tej pory, że warto ją realizować, a teraz łatwiej niż przedtem przedstawić dowody jej zasadności. Pod względem uzasadnienia alokacji zasobów nietrudno dostrzec, że zdolność eksploracji poza Układem Słonecznym, nawet poza naszą galaktyką, byłaby ogromnym skokiem dla ludzkości. A rozwój technologii wynikający z przekraczania granic badań z pewnością byłby korzystny. ”
Podobnie jak awionika, badania nuklearne, eksploracja kosmosu, samochody elektryczne i silniki rakietowe wielokrotnego użytku, Alcubierre Warp Drive wydaje się być jedną z tych koncepcji, które będą musiały walczyć pod górę. Ale jeśli te inne historyczne przypadki są jakąkolwiek wskazówką, ostatecznie może minąć punkt bez powrotu i nagle wydaje się całkowicie możliwe!
Biorąc pod uwagę nasze rosnące zainteresowanie egzoplanetami (kolejną eksplodującą dziedziną astronomii), nie brakuje osób mających nadzieję na wysłanie misji do pobliskich gwiazd w poszukiwaniu potencjalnie nadających się do zamieszkania planet. A jak wspomniane przykłady z pewnością pokazują, czasami wszystko, co jest potrzebne, aby piłka się toczyła, to dobry pchnięcie…
Górne zdjęcie - „Statek IXS ”. Kredyt i ©: Mark Rademaker (2016)
