Podróże z prędkością światła są możliwe, twierdzą naukowcy

Nowa matematyka, stary pomysł: dlaczego to twierdzenie ma znaczenie

Pytanie zadane w ostatnich nagłówkach – „podróż z prędkością światła możliwa, naukowcy” – oddaje zmianę tonu. Przez dziesięciolecia podróże szybsze niż światło istniały albo w algebrze prac teoretycznych, albo w napędowej fantazji science fiction; w tym tygodniu ta przepaść się zmniejszyła, gdy seria recenzowanych modeli i analogów eksperymentalnych wykazała metryki bąbla warp, które są fizycznie spójne z ogólną teorią względności, opierając się przy tym w znacznie mniejszym stopniu na spekulatywnej „ujemnej energii”. Te osiągnięcia nie oznaczają, że w przyszłym roku statek kosmiczny wystartuje z niskiej orbity okołoziemskiej, ale zmieniają sposób, w jaki badacze ustalają priorytety dla eksperymentów, symulacji i finansowania tego zagadnienia.

U podstaw idea ta jest prosta do sformułowania i diabelnie trudna do wdrożenia: nie poruszasz się w przestrzeni szybciej niż światło; przeorganizowujesz samą przestrzeń tak, aby odległość między punktami A i B uległa skróceniu. Metryka Miguela Alcubierre’a z 1994 roku sformalizowała tę intuicję, proponując geometrię czasoprzestrzeni, która rozszerza przestrzeń za pojazdem i kurczy ją przed nim. Niedawne badania przyniosły alternatywne metryki i modele fizyczne, które respektują warunki energetyczne, o których wcześniej myślano, że uniemożliwiają budowę napędów warp, co wznowiło dyskusję na temat tego, jakie przełomy byłyby wymagane, aby przekuć teorię w testy laboratoryjne, a ostatecznie – w sprzęt napędowy.

Ponowne zainteresowanie płynie z wielu kierunków: formalnych dowodów, że niektóre rozwiązania warp przestrzegają przyjętych ograniczeń energetycznych; analogów laboratoryjnych, które odtwarzają aspekty krzywizny czasoprzestrzeni w skalach mikroskopowych; oraz szerszych poszukiwań gęstych, kontrolowanych źródeł energii, które w zasadzie mogłyby zaspokoić ogromne budżety masa–energia wymagane przez te metryki. Podsumowując, prace te przenoszą pytanie z „czy matematyka na to pozwala?” na „jakie narzędzia i źródła energii sprawiłyby, że byłoby to praktyczne z inżynieryjnego punktu widzenia?”.

Dlaczego podróż z prędkością światła jest możliwa – co mówią teraz naukowcy

W ostatnich artykułach argumentowano, że największe oczywiste przeszkody – potrzeba egzotycznej ujemnej energii i niewyobrażalnie wielkich mas – można ominąć lub znacznie zredukować. Jedna klasa wyników pokazuje solitonowe bąble warp, które zachowują swój kształt i propagują się bez naruszania słabego warunku energetycznego stosowanego przez ogólną teorię względności. Inne podejście redefiniuje problem: zamiast próbować umieścić statek wewnątrz bąbla zakrzywionej przestrzeni, buduje się i manipuluje małymi zniekształceniami czasoprzestrzeni (bąblami), które można łączyć lub skalować.

Wyniki te nie są jedynie przyrostowymi poprawkami; to algorytmiczne i matematyczne przeorganizowanie problemu, które zmienia to, co wydaje się niemożliwe, a co wyzwaniem inżynieryjnym. Co kluczowe, kilka zespołów opublikowało w recenzowanych czasopismach prace wykazujące istnienie fizycznie spójnych metryk, które nie wymagają niepotwierdzonej materii o ujemnej masie, w przeciwieństwie do oryginalnej publikacji Alcubierre’a. Krótko mówiąc, twierdzenie, że „podróż z prędkością światła możliwa, naukowcy”, odnosi się do zmiany postawy naukowej: istnieją obecnie wykonalne rozwiązania matematyczne, których pozostałymi barierami są problemy zasobowe i technologiczno-inżynieryjne, a nie bezpośrednie naruszenia znanych praw fizyki.

Energia i ciemna materia: podróż z prędkością światła możliwa, naukowcy szukają „świętego Graala”

Powracającym tematem we wszystkich ostatnich pracach jest energia. Wczesne metryki warp wymagały astronomicznie wielkich gęstości ujemnej energii – ilości porównywalnych z masami planetarnymi lub gwiezdnymi. Nowsze rozwiązania kompresują te wymagania, ale tylko do rzędów wielkości, które wciąż przyćmiewają dzisiejsze największe elektrownie. Skłoniło to badaczy do zadania pragmatycznego pytania: jakie źródła energii, obecnie teoretyczne lub będące przedmiotem aktywnych badań, mogłyby kiedykolwiek zostać przeskalowane i wykorzystane do inżynierii czasoprzestrzeni?

Wciąż pojawiają się dwie odpowiedzi. Pierwszą jest fuzja jądrowa: kilka grup zauważa, że jeśli metryka warp mogłaby zostać sprowadzona do poziomu energii reaktora termojądrowego, misje, które obecnie wyglądają na stulecia, mogłyby realnie zostać skrócone do dziesięcioleci lub lat. Fuzja to główne wyzwanie inżynieryjne z ogromnymi globalnymi inwestycjami; jej ewentualne dopracowanie usunęłoby jedną główną barierę. Drugim, bardziej spekulatywnym kandydatem jest ciemna materia. W mediach popularnych okrzyknięto ciemną materię „nieograniczonym źródłem energii”, a niektórzy fizycy wskazują, że gdyby odkryto, że ciemna materia anihiluje sama ze sobą lub posiada dostępne interakcje, mogłaby stać się niezwykle gęstym magazynem energii. To daleka droga od rzeczywistości – skład ciemnej materii jest wciąż nieznany – ale perspektywa ta stała się częścią dyskusji o napędzie warp, ponieważ odnosi się do głównego wąskiego gardła: surowej, kontrolowanej energii.

Wyjaśnijmy jasno: ścieżka ciemnej materii jest hipotezą. Programy eksperymentalne, takie jak głębokie podziemne detektory ksenonowe i germanowe, próbują zidentyfikować naturę cząstek ciemnej materii. Jeśli im się uda, będzie to sejsmiczne odkrycie dla fizyki fundamentalnej i mogłoby, w zasadzie, zmienić myślenie o napędach. Do tego czasu fuzja pozostaje najbliższym realistycznym punktem wyjścia dla skalowania energii potrzebnej dla niektórych z fizycznie spójnych metryk warp leżących na stole.

Analogi laboratoryjne, narzędzia symulacyjne i postęp eksperymentalny

Postęp nie był czysto teoretyczny. Kilka laboratoriów zbudowało nablatowe lub hydrodynamiczne analogi, które emulują wybrane cechy krzywizny czasoprzestrzeni, a zespoły wykorzystywały lasery, fale dźwiękowe i układy materii skondensowanej do badania sposobu redystrybucji gęstości energii. Eksperymenty te nie tworzą bąbli warp w sensie relatywistycznym, ale testują mechanizmy matematyczne, za pomocą których metryka mogłaby zostać zrealizowana, i służą jako weryfikacja poprawności narzędzi symulacyjnych.

Jednocześnie zestawy narzędzi programowych i publiczne aplikacje pozwalają badaczom wprowadzać metryki warp i natychmiast sprawdzać, czy naruszają one warunki energetyczne lub zawierają wewnętrzne sprzeczności. Skraca to długą pętlę informacji zwrotnej między matematyką a walidacją społeczności i przyspieszyło tempo testowania nowych metryk. Kilka artykułów, które trafiły na nagłówki gazet w tym roku, również skorzystało z tych ram symulacyjnych, aby wykazać, że niektóre projekty są przynajmniej wewnętrznie spójne, a zatem warte dalszych prac laboratoryjnych.

Wszystko to ma znaczenie, ponieważ walidacja eksperymentalna – nawet małych, nierelatywistycznych analogów – jest sposobem, w jaki fizyka przechodzi od idei do problemu inżynieryjnego. Społeczność traktuje teraz badania nad napędem warp tak, jak traktuje inne wielodekadowe przedsięwzięcia: przyrostowo, w ramach współpracy międzynarodowej i z tolerancją dla ślepych zaułków.

Przeszkody, które sprawiają, że podróże szybsze niż światło pozostają poza zasięgiem

Nawet przy optymistycznym podejściu przeszkody są nadal ogromne i konkretne. Po pierwsze, skala energii: metryki, które są fizycznie spójne, nadal wymagają ilości masy–energii o rzędy wielkości przekraczających obecne możliwości przemysłowe, chyba że zostanie odkryta nowa fizyka lub nowe paliwa. Po drugie, kontrola i sterowanie: bąbel warp jest obszarem zakrzywionej przestrzeni, z którego nie można w prosty sposób przesyłać sygnałów na zewnątrz, co rodzi pytania o to, jak celować, hamować lub przerywać podróż. Po trzecie, bezpieczeństwo: modele przewidują gwałtowne gradienty na ściankach bąbla, co oznacza, że kolizje z pyłem lub cząstkami międzygwiezdnymi mogłyby wywołać katastrofalne skutki dla statku, który w przeciwnym razie byłby dobrze chroniony.

Istnieją również przeszkody koncepcyjne i instytucjonalne. Duża część funduszy na badania nad napędem warp pochodziła od małych zespołów, prywatnych laboratoriów i grantów filantropijnych, a nie z dużych, stałych programów rządowych. Oznacza to, że postęp może być nierównomierny i zależy od przypadkowych odkryć, jak to bywało historycznie w wielu dziedzinach. Wreszcie, dopóki nie powstanie jasna eksperymentalna demonstracja kontrolowanego zakrzywienia czasoprzestrzeni, szerokie inwestycje na wysokim szczeblu są mało prawdopodobne.

Na ile wiarygodne są te twierdzenia – i co sprawiłoby, że stałyby się rozstrzygające?

Wiarygodność obecnej fali opiera się na dwóch filarach: na tym, że matematyka w recenzowanych pracach jest poprawna, oraz na tym, że analogi laboratoryjne odtwarzają niezbędne mechanizmy. Oba filary są do pewnego stopnia na miejscu. Wiele grup badawczych z szanowanych instytucji opublikowało fizycznie spójne metryki w czasopismach i preprintach; niezależne zespoły zaproponowały alternatywne metryki, które eliminują potrzebę stosowania egzotycznej ujemnej masy. Analogi laboratoryjne, choć nie są dowodem na istnienie bąbla warp w skali statku kosmicznego, dostarczają niezależnych dowodów eksperymentalnych na to, że komponenty tej idei mają sens fizyczny.

Jednak decydującym punktem zwrotnym byłaby eksperymentalna demonstracja kontrolowalnej makroskopowej deformacji czasoprzestrzeni lub odkrycie nowej, gęstej i sterowalnej formy energii, która obniżyłaby zapotrzebowanie na moc do poziomu inżynieryjnego. Wykrycie cząstki ciemnej materii o właściwościach umożliwiających pozyskiwanie energii również zmieniłoby zasady gry. Dopóki jedna z tych rzeczy się nie wydarzy, twierdzenie, że „podróż z prędkością światła możliwa, naukowcy”, oznacza, że pytanie przesunęło się z czystej teorii do mieszanki teorii i wymiernych celów inżynieryjnych – ale nie do bliskiego terminu realizacji inżynieryjnej.

Dokąd dalej prowadzą te badania

Należy spodziewać się pragmatycznej ścieżki: więcej zestawów narzędzi do symulacji, więcej małoskalowych eksperymentów analogowych oraz dalsze badania źródeł energii, takich jak fuzja i kandydaci na ciemną materię. Badacze będą również naciskać na obserwatoria fal grawitacyjnych i detektory wysokiej częstotliwości w poszukiwaniu sygnatur spójnych z dynamiką bąbla warp – nie dlatego, że detektory te buduje się do szukania napędów warp, ale dlatego, że niektóre proponowane sygnatury mogą pokrywać się z innymi celami naukowymi (na przykład poszukiwaniem małych pierwotnych czarnych dziur). Krótko mówiąc, postęp przyjdzie dzięki pracy interdyscyplinarnej, w której te same instrumenty pomagają w wielu programach naukowych.

Jeśli przeszłość może być wskazówką, perspektywa czasowa będzie długa. Wielu naukowców pracujących nad metrykami warp otwarcie mówi o horyzoncie wielu dekad lub stuleci dla jakiegokolwiek praktycznego napędu międzygwiezdnego. Podkreślają jednak również, że budowanie fundamentów w matematyce, eksperymencie i technologii energetycznej jest dokładnie tą cierpliwą, pokoleniową pracą, jakiej wymaga każda przełomowa zdolność.

Źródła

• Classical and Quantum Gravity (recenzowana praca o fizycznie realizowalnych metrykach warp)
• Applied Physics / Applied Physics (Applied Physics Laboratory) – badania nad metrykami warp i symulacje
• Limitless Space Institute (badania Harolda „Sonny'ego” White'a i raporty z mechaniki pola warp)
• NASA Eagleworks Laboratories (mechanika pola warp i powiązane białe księgi)
• Instituto Superior Técnico (prace matematyczne José Natário na temat metryk warp)
• Pacific Northwest National Laboratory (badania Erika Lentza nad solitonowymi rozwiązaniami warp)
• Monash University (badania Alexeya Bobricka nad podświetlnymi/fizycznymi metrykami warp)
• China Jinping Underground Laboratory (programy wykrywania ciemnej materii PandaX i CDEX)
• Fermilab i University of Chicago (ekspertyza z zakresu kosmologii i fizyki cząstek związana z ciemną materią)
• LIGO i LISA programy obserwatoriów fal grawitacyjnych (techniki detekcji mające zastosowanie do egzotycznych zdarzeń czasoprzestrzennych)