Un revolucionario descubrimiento científico acaba de crear el manual de instrucciones para viajar a la velocidad de la luz
Esta investigación supone una primicia para los motores de curvatura y obedece realmente a las leyes de la física.
Por Manasee Wagh
19/05/2024
Con la facilidad con que se arranca un coche, la tripulación de la nave estelar USS Enterprise se lanza a una nueva aventura en cada episodio de Star Trek, viajando de algún modo a varias veces la velocidad de la luz. Este modo de ciencia ficción de viaje interestelar práctico, que los telespectadores vieron por primera vez en 1966, inspiró al físico mexicano Miguel Alcubierre Moya para investigar la viabilidad de un método real de propulsión a la velocidad de la luz. Décadas más tarde, publicó su investigación de vanguardia ante una asombrada comunidad de físicos teóricos. El desplazamiento por curvatura de Alcubierre contrae hipotéticamente el espaciotiempo delante de una nave espacial y expande el espaciotiempo detrás de ella, de modo que la nave se desplaza del punto A al punto B a una velocidad "arbitrariamente rápida". Al distorsionar el espacio-tiempo -el continuo que envuelve las tres dimensiones del espacio y el tiempo-, un observador situado fuera de la "burbuja de curvatura" de la nave vería que ésta se desplaza a una velocidad superior a la de la luz, aunque los observadores situados dentro de la nave no sentirían ninguna fuerza de aceleración.
Si un motor superlumínico (es decir, más rápido que la velocidad de la luz) como el de Alcubierre funcionara, revolucionaría los esfuerzos de la humanidad a través del universo, permitiéndonos, quizás, llegar a Alfa Centauri, nuestro sistema estelar más cercano, en días o semanas, aunque esté a cuatro años luz de distancia.
El clip de arriba, de la película de 2016 Star Trek: Más allá, muestra el efecto de una nave estelar surcando el espacio dentro de una burbuja warp más rápida que la luz. Puedes ver la deformación imaginaria, pero hipotéticamente exacta, del espacio-tiempo.
Sin embargo, el motor Alcubierre tiene un problema evidente: la fuerza que lo impulsa, denominada "energía negativa", implica partículas exóticas, es decir, materia hipotética que, por lo que sabemos, no existe en nuestro universo. Descritas sólo en términos matemáticos, las partículas exóticas actúan de formas inesperadas, como tener masa negativa y funcionar en oposición a la gravedad (de hecho, tiene "antigravedad"). Durante los últimos 30 años, los científicos han venido publicando investigaciones que eliminan los obstáculos inherentes a la velocidad de la luz revelados en el artículo fundacional de Alcubierre publicado en 1994 en la revista Classical and Quantum Gravity.
Ahora, investigadores del centro de investigación Applied Physics, con sede en Nueva York, creen haber encontrado un nuevo enfoque creativo para resolver el obstáculo fundamental de la velocidad de curvatura. Junto con colegas de otras instituciones, el equipo ha ideado un sistema de "energía positiva" que no viola las leyes conocidas de la física. Según dos de los autores del estudio, se trata de un cambio radical: Gianni Martire, director general de Applied Physics, y Jared Fuchs, doctor y científico sénior de la misma empresa. Su trabajo, publicado también en Classical and Quantum Gravity a finales de abril, podría ser el primer capítulo del manual de los vuelos espaciales interestelares.
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La energía positiva marca la diferencia. Imagina que eres un astronauta en el espacio que empuja una pelota de tenis. En lugar de alejarse, la pelota empuja hacia atrás, hasta el punto de que "te arrancaría la mano" si aplicaras suficiente fuerza de empuje, explica Martire a Popular Mechanics. Eso es energía negativa y, aunque el diseño de Alcubierre la requiere, no hay forma de aprovecharla.
En su lugar, la vieja energía positiva es más factible para construir la "burbuja de curvatura". Como su nombre indica, se trata de una estructura esférica que rodea y encierra el espacio para una nave de pasajeros utilizando una cáscara de materia normal, pero increíblemente densa. La burbuja propulsa la nave espacial utilizando la poderosa gravedad de la envoltura, pero sin que los pasajeros sientan ninguna aceleración. "Un viaje en ascensor sería más emocionante", afirma Martire.
Esto se debe a que la densidad de la cáscara, así como la presión que ejerce en el interior, se controlan cuidadosamente, explica Fuchs a Popular Mechanics. Nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz, según los principios gravitatorios de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. Así pues, la burbuja está diseñada de tal manera que los observadores dentro de su entorno espaciotemporal local -dentro de la burbuja- experimentan un movimiento normal en el tiempo. Simultáneamente, la propia burbuja comprime el espaciotiempo delante de la nave y lo expande detrás de ella, transportándose a sí misma y a la nave contenida a una velocidad increíble. Las paredes de la burbuja generan el impulso necesario, similar al de las bolas al rodar, explica Fuchs. "Es el movimiento de la materia en las paredes lo que realmente crea el efecto para los pasajeros del interior".
Basándose en su artículo de 2021 publicado en Classical and Quantum Gravity -que detalla el trabajo anterior de los mismos investigadores sobre los impulsores factoriales físicos-, el equipo pudo modelizar la complejidad del sistema utilizando su propio programa computacional, Warp Factory. Este conjunto de herramientas para modelar los espacios-tiempo de los impulsores factoriales permite a los investigadores evaluar las ecuaciones de campo de Einstein y calcular las condiciones energéticas necesarias para diversas geometrías de impulsores factoriales. Cualquiera puede descargarlo y utilizarlo gratuitamente. Estos experimentos condujeron a lo que Fuchs denomina un mini-modelo, el primer modelo general de un motor de curvatura de energía positiva. Sus trabajos anteriores también demostraron que la cantidad de energía que necesita una burbuja factorial depende de la forma de la burbuja; por ejemplo, cuanto más plana es la burbuja en la dirección del viaje, menos energía necesita.
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Este último avance sugiere nuevas posibilidades para estudiar el diseño de los viajes de curvatura, explica a Popular Mechanics el doctor Erik Lentz. En su puesto actual de físico en el Laboratorio Nacional del Noroeste del Pacífico, en Richland (Washington), Lentz contribuye a la investigación sobre la detección de la materia oscura y la ciencia de la información cuántica. Su investigación independiente sobre la teoría de los motores de curvatura también pretende basarse en la física convencional y, al mismo tiempo, reimaginar la forma del espacio deformado. El tema tiene que superar muchos obstáculos prácticos, afirma.
El control de las burbujas de curvatura requiere una gran coordinación, ya que implican enormes cantidades de materia y energía para mantener a los pasajeros a salvo y con un paso del tiempo similar al del destino. "También podríamos diseñar un espaciotiempo en el que el tiempo transcurriera de forma muy distinta dentro del habitáculo que fuera. Podríamos perder nuestra cita en Próxima Centauri si no tenemos cuidado", afirma Lentz. "Eso sigue siendo un riesgo si viajamos a menos de la velocidad de la luz". La comunicación entre las personas dentro y fuera de la burbuja también podría distorsionarse al atravesar la curvatura del espacio deformado, añade.
Aunque la solución actual de Applied Physics requiere un motor de curvatura que viaje por debajo de la velocidad de la luz, el modelo aún necesita introducir una masa equivalente a unos dos Júpiter. De lo contrario, nunca alcanzará la fuerza gravitatoria y el impulso suficientes para causar un efecto de curvatura significativo. Pero nadie sabe cuál podría ser la fuente de esta masa, al menos todavía. Algunas investigaciones sugieren que si pudiéramos aprovechar de algún modo la materia oscura, podríamos utilizarla para viajar a la velocidad de la luz, pero Fuchs y Martire lo dudan, ya que actualmente es un gran misterio (y una partícula exótica).
A pesar de los muchos problemas que aún deben resolver los científicos para construir un motor de curvatura que funcione, el equipo de Física Aplicada afirma que su modelo debería acabar acercándose a la velocidad de la luz. E incluso si un modelo viable se queda por debajo de la velocidad de la luz, supondría una gran mejora con respecto a la tecnología actual. Por ejemplo, viajar a la mitad de la velocidad de la luz hasta Alfa Centauri llevaría nueve años. Por el contrario, nuestra nave espacial más rápida, la Voyager 1, que actualmente viaja a 61.155 kilómetros por hora, tardaría 75.000 años en llegar a nuestro sistema estelar vecino más cercano.
Por supuesto, a medida que nos acercamos a la velocidad real de la luz, las cosas se vuelven realmente extrañas, según los principios de la relatividad especial de Einstein. La masa de un objeto que se mueve cada vez más deprisa aumentaría infinitamente, requiriendo finalmente una cantidad infinita de energía para mantener su velocidad.
"Esa es la principal limitación y el reto clave que tenemos que superar: ¿cómo podemos tener toda esta materia en nuestra burbuja, pero no a una escala tal que nunca podamos ni siquiera juntarla?". afirma Martire. Es posible que la respuesta esté en la física de la materia condensada, añade. Esta rama de la física se ocupa especialmente de las fuerzas entre átomos y electrones en la materia. Ya ha demostrado ser fundamental para varias de nuestras tecnologías actuales, como los transistores, los láseres de estado sólido y los medios de almacenamiento magnético.
El otro gran problema es que los modelos actuales permiten una burbuja de curvatura estable, pero sólo para una velocidad constante. Los científicos aún tienen que averiguar cómo diseñar una aceleración inicial. En el otro extremo del viaje, ¿cómo frenará y se detendrá la nave? "Es como intentar comprender el automóvil por primera vez", dice Martire. "Aún no tenemos motor, pero vemos la luz al final del túnel". La tecnología de los motores de curvatura está en la fase de la tecnología automovilística de 1882, dice: cuando viajar en automóvil era posible, pero aún parecía un problema muy, muy difícil.
El equipo de Física Aplicada cree que las futuras innovaciones en viajes de curvatura son inevitables. El modelo general de energía positiva es un primer paso. Además, no hace falta ir a la velocidad de la luz para alcanzar distancias que hoy son sólo un sueño, dice Martire. "La humanidad está oficialmente, matemáticamente, en una vía interestelar".
_Manasee Wagh
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Before joining Popular Mechanics, Manasee Wagh worked as a newspaper reporter, a science journalist, a tech writer, and a computer engineer. She’s always looking for ways to combine the three greatest joys in her life: science, travel, and food.
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