Motor Warp, la propulsión del futuro

 Éste es un hipotético motor de propulsión que podría, teóricamente, solventar las limitaciones tradicionales de la relatividad especial la cual restringe la velocidad de la nave a una por debajo de la luz.

Introducción

A lo largo de la última década, ha habido un respetable nivel de científicos interesados en la idea de un “motor warp”. Éste es un hipotético motor de propulsión que podría, teóricamente, solventar las limitaciones tradicionales de la relatividad especial la cual restringe la velocidad de la nave a una por debajo de la luz.

Cualquier gran avance en este campo revolucionaría la exploración espacial y abriría una puerta al viaje interestelar. Este artículo discute una novedosa aproximación a la generación de la “burbuja warp” necesaria para tal propulsión; los detalles matemáticos de este teoría se discuten en un artículo publicado en Journal of the British Interpanetary Society. La teoría está basada en algunas de las apasionantes predicciones procedentes de la Teoría de Cuerdas y el objetivo del artículo es introducir la idea de motor warp desde una perspectiva no matemática que debería ser accesible a un amplio rango de lectores.

¿Por qué un motor warp?

Es universo es verdaderamente vasto, y las actuales tecnologías de propulsión nos restringen drásticamente a la exploración de nuestro propio Sistema Solar. Si queremos visitar incluso el más cercano de los sistemas estelares, nos encontraríamos con tiempos de tránsito de muchas decenas de miles de años como poco. Una poderosa razón por la que podríamos realmente querer visitar otras estrellas es la reciente evidencia de “planetas extrasolares’, que son planetas que orbitan otras estrellas distintas a nuestro Sol. Hasta la fecha, conocemos al menos 250 planetas extrasolares. Una posibilidad incluso más apasionante es que algunos de estos planetas pueden ser “similares a la Tierra”, con la capacidad teórica de soportar vida.

Este año, un equipo suizo descubrió un planeta designado como Gliese 581c; este planeta orbita la estrella Gliese, a 20,4 años luz de la Tierra. El planeta es destacable debido a que es el único planeta extrasolar conocido hasta la fecha que está en el área conocida como ‘zona habitable’ de una estrella (Fig.1). Ésta es el área alrededor de una estrella donde las temperaturas de superficie podrían mantener agua en estado líquido. Se cree que Gliese 581c tiene aproximadamente 5 veces la masa de la Tierra, y tiene una temperatura superficial similar.

FIG. 1: Gliese está dentro de la “zona habitable” de su estrella madre, lo que significa que el agua podría existir en sus superficie.

Dadas estas asombrosas similitudes, uno se pregunta, naturalmente, si Gliese 581c podría albergar vida. Aunque puede ser posible verificar de forma indirecta la existencia de vida usando técnicas observacionales aquí en la Tierra, la profundidad del análisis sería particularmente limitado. Por otra parte, podríamos obtener datos de un valor científico mucho mayor si realmente pudiésemos visitar estos planetas con sondas, o incluso humanos, para una mejor comprensión del origen y desarrollo de la vida, y para ver si existe sólo en forma de organismos elementales o si la inteligencia ha evolucionado. El descubrimiento de vida fuera de la Tierra sería obviamente de un enorme significado científico, y muy posiblemente, sería recordado históricamente como el descubrimiento científico más significativo de todos los tiempos. La única forma realista en la que podríamos visitar estos mundos en marcos temporales de una vida humana sería desarrollar lo que popularmente se conoce como “motor warp”.

Orígenes del motor warp

El término “motor warp” se originó en la ciencia-ficción. Un artículo de 1994 del físico teórico Miguel Alcubierre colocó la idea sobre una base más científica. El artículo de Alcubierre demostró que una solución a las ecuaciones de campo de Einstein podría “estirar” es espacio de forma que el propio espacio se expandiría detrás de una hipotética nave, mientras se contrae por delante de la misma, creando un efecto de movimiento (Fig. 2). En contra de la tecnología convencional que da como resultado el movimiento de la nave a través del espacio, en esta teoría es el propio espacio el que se mueve alrededor de la nave. Esto es una salida radical del concepto tradicional de movimiento, debido a que la nave está, en un sentido clásico, inmóvil dentro de una hipotética burbuja de espacio-tiempo en movimiento.

FIG. 2: La métrica “sombrero de copa” de Alcubierre. Una burbuja de curvatura de espacio-tiempo asimétrico rodea la nave la cual se situaría en el centro de la burbuja.

Lo que es particularmente atractivo de esta aproximación a la propulsión es que la nave podría, en teoría, viajar de forma efectiva más rápido que la velocidad de la luz. La relatividad especial prohíbe que los objetos se muevan por el espacio a la velocidad de la luz o superiores, pero el propio tejido del espacio no está restringido de ninguna forma. De esta forma, incluso aunque la nave no pueda viajar más rápido que la luz en un sentido local, ésta podría hacer un viaje de ida y vuelta entre dos puntos en periodo de tiempo arbitrariamente corto medido por un observador que permaneciera en reposo en el punto inicial.

Física elemental de los motores warp

La idea de motor warp está basada en la Teoría de la Relatividad General de Einstein (GR), una teoría física aceptad y extremadamente bien comprobada. Uno de los componentes necesarios para un motor warp es una exótica forma de energía conocida como energía negativa, la cual debería generarse en copiosas cantidades para que tuviera lugar la propulsión de una nave (Ver Fig. 3). La energía negativa está clásicamente prohibida en la relatividad general; no obstante, se permite si nos movemos al paradigma de la teoría de campo cuántico. Y en realidad, la energía negativa no sólo se permite en esta teoría; se ha verificado experimentalmente usando el ‘Efecto Casimir’.

FIG. 3: Fuera de las placas conductoras no hay restricción en los modos del vacío. En el interior sólo pueden formarse ondas estacionarias. Esta asimetría en el campo provoca que las placas se vean empujadas entre sí por una fuerza de naturaleza puramente cuántica.

El Efecto Casimir es uno de las más prominentes manifestaciones de las fluctuaciones del vacío. Su forma más simple se encuentra en la interacción de un par de placas conductoras paralelas neutras. Las placas modifican el estado base del vacío cuántico en el volumen entre las placas, creando una fuerza atractiva entre las placas.

La interpretación física es que existe un estado de energía negativa en el interior de la región de las placas. Teóricamente, el Efecto Casimir podría usarse para crear la energía negativa requerida para un motor warp. Desde esta perspectiva, no hay nada que impida teóricamente la creación de un motor warp.

La naturaleza como profesor

Esencialmente, la burbuja warp consiste en una región del espacio-tiempo en expansión, y una región de espacio-tiempo en contracción. La primera fase en el desarrollo de una motor warp necesariamente implica aprender cómo generar estas burbujas asimétricas.

Como en todas las buenas tecnólogas de ingeniería, la propia naturaleza puede proporcionaros un grado de visión. Somos afortunados de que el espacio-tiempo ya se esté expandiendo, aunque a un ritmo extremadamente lento. En 1929, la observación de Hubble del desplazamiento al rojo galáctico cimentó el paradigma de un espacio-tiempo en expansión en la cosmología física (Fig. 4).

FIG. 4: Vistas desde la Tierra la mayor parte de las galaxias parecen estar retrocediendo de nosotros. Esto nos proporciona pruebas de que el universo se expande.

La energía responsable de la actual expansión del espacio-tiempo es generalmente conocida como “constante cosmológica”, o su equivalente 2energía del vacío” (los términos se usarán de forma indistinta en este artículo). A escala local, el espacio se expande de una forma extremadamente lenta: aproximadamente una mil millonésima de mil millonésima de metro por segundo. Claramente, para construir un motor warp se requeriría que el espacio-tiempo fuese estimulado de alguna forma a expandirse (y contraerse) a un índice mucho mayor, pero el hecho de que ya se está expandiendo nos da una primitiva guía para darnos cuenta de las ambiciones del motor warp. El primer paso para controlar un mecanismo es comprenderlo; por tanto, si podemos comprender por qué el espacio-tiempo está en expansión, podríamos ser capaces de usar este conocimiento para generar de forma artificial una expansión (y contracción) del espacio-tiempo.

Orígenes de la constante cosmológica

Comprender la constante cosmológica puede desempeñar un papel crucial en el desarrollo de un motor warp, dado que ayudará a comprender por qué el espacio se expande. No obstante, el origen de la constante cosmológica es aún un misterio casi un siglo después de su introducción en la cosmología. Los físicos no saben con certeza qué genera la constante cosmológica; simplemente sabemos que está ahí. Existen varias ideas sobre la naturaleza de este campo. La energía oscura, por ejemplo, es una frase contemporánea popular. Se han realizado esfuerzos para explicar la constante cosmológica usando la Teoría de Campo Cuántico (QFT), la cual se creó varias décadas después de la relatividad general de Einstein (GR). No obstante, las predicciones teóricas usando la QFT están en un conflicto tan enorme con las observaciones, siendo de un factor de 10¹²⁰ que la predicción se ha dado en conocer como la peor predicción de la física teórica”.

Una corrección (parcial) a los cálculos de la energía del vacío es la introducción de supersimetría (SUSY). Una discusión completa de SUSY va más allá del ámbito de este artículo; no obstante, la idea básica es que todas las partículas conocidas tienen asociada una superpartícula cuyo “espín” difiere en media unidad. Por tanto, en SUSY todas las partículas de espín entero (bosones) están equilibradas por partículas de espín semientero (fermiones) en el contenido de partículas elementales del universo.

Esta idea es particularmente atractiva dado que la existencia de partículas supersimétricas suaviza las avergonzantes predicciones de la QFT con respecto a los cálculos de la energía del vacío. En nuestro modelo se analizan las contribuciones a la densidad de energía del vacío que son de dimensiones puramente superiores en origen.

La física en las dimensiones superiores

La idea de dimensiones extra no es nueva. Se introdujo por primera vez en 1919 por el físico Theodore Kaluza, en un esfuerzo por unificar las leyes de la gravitación y el electromagnetismo. La teoría principal de Kaluza fue introducir una quinta dimensión. Una vez resueltas las ecuaciones de Einstein (o más técnicamente, variaciones de la acción Einstein-Hilbert), Kaluza fue capaz de producir un conjunto de ecuaciones el cual combinó tanto con las ecuaciones de campo de Einstein como con las ecuaciones de campo de Maxwell. L cuestión de dónde se situaban las dimensiones extra fue abordada por Oskar Klein quien, en 1926, sugirió que la quinta dimensión estaba compactada deforma que tenía una geometría de círculo con un radio extremadamente pequeño. Una forma de ver el espacio-tiempo es imaginárselo como una manguera. Desde una larga distancia parece una línea unidimensional pero una inspección más cercana revela que cada punto de la línea es, de hecho, un círculo (Fig. 5). Aunque la teoría contiene fallos, fue la primera pista de que las dimensiones espaciales extra pueden desempeñar un papel importante en la física.

FIG. 5: Una dimensión extra permanece oculta a nosotros debido a su tamaño.

Más recientemente, las dimensiones extra se han aceptado como una parte de la física teórica moderna. La teoría de supercuerdas, o Teoría M- en su formato más moderno, es una teoría que trata de unificar toda la física moderna ajo un único marco conceptual matemático, y predice la existencia de dimensiones espaciales extra. Otros dos modelos de dimensiones extra contemporáneos son el modelo de Randall-Sundrum (RS) de dimensiones extra “curvadas”,y el modelo de Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali (ADD)de dimensiones extra grandes. Ambas teorías intentan explicar la observación de que la gravedad es mucho más débil que el resto de fuerzas conocidas. Una forma de pensar en el modelo ADD es describir la gravedad como algo libre de propagarse en todas las dimensiones (incluyendo las dimensiones extra), mientras que las otras fuerzas están restringidas a nuestras tres dimensiones espaciales familiares. De esta forma, la gravedad, en cierto sentido, se diluye, lo cual da como resultado que sea mucho más débil que las otras fuerzas.

Manipular las dimensiones extra para crear un motor warp

Existen actualmente numerosos modelos que intentan explicar el origen físico de la constante cosmológica. Uno de los modelos sugiere que la energía de punto cero de las fluctuaciones del gravitón en las dimensiones extra del modelo ADD puede ser el responsable final. La energía de punto cero es precisamente la energía que provoca que las placas del Efecto Casimir se atraigan entre sí, como discutimos anteriormente. Esta energía de punto cero debería existir también en dimensiones superiores. En esta descripción, es la periodicidad de la dimensión extra la que desempeña exactamente el mismo papel que las placas paralelas del Efecto Casimir tradicional. Así como las placas aseguran que la interferencia deconstructiva destruya las frecuencias no resonantes del vació cuántico, también lo hace una dimensión extra circular, la cual permite sólo las frecuencias resonantes a lo largo de su circunferencia. En este modelo es el tamaño de la dimensión extra el que regula directamente la magnitud de la constante cosmológica, y por tanto la expansión del espacio-tiempo.

En un artículo reciente, abordábamos la plausibilidad de influenciar localmente el tamaño de la dimensión extra para ajustar localmente (por local, queremos decir en al vecindad de la nave) la constante cosmológica. Esto podría crear teóricamente una modificación del espacio-tiempo alrededor de una nave que podría ajustarse para adquirir las características de la burbuja de Alcubierre (ver Figura 3). La idea básica es que alterando el radio de una dimensión extra, sería posible, en principio, ajustar la densidad de energía de la del espacio-tiempo (la cual se relaciona directamente con la constante cosmológica la cual controla en último término la inflación/contracción del propio espacio). Hemos tomado dos aproximaciones a esta idea: una desde el punto de vista de la QFT y otras desde la GR. Las ecuaciones de ambas teorías indican que la física del espacio de las dimensiones extra requieren que afecta al índice de expansión del espacio “normal” mediante un efecto de “corte dimensional. Las ecuaciones de la GR demostraron que haciendo más pequeñas las dimensiones extra inflaría nuestro espacio, y que la expansión de la dimensión extra lo contraería. De estar forma, podría crearse una burbuja de expansión/contracción del espacio-tiempo en la parte trasera y delante de la nave (Fig. 6).

Los cálculos iniciales indicaron que una propulsión por encima de la velocidad de la luz para una nave de 1000m³ podría lograrse con un coste de energía estimado en 10⁴⁵J, o aproximadamente la masa-energía total contenida en el planeta Júpiter tras usar la famosa relación E = mc². Aunque este número puede parecer enorme, es ciertamente una mejora con respecto a anteriores cálculos, los cuales indicaban que el motor warp requeriría más masa-energía de la contenida en todo el universo observable.

FIG. 6: La métrica de Alcubierre (imagen inferior) es una distorsión asimétrica del espacio-tiempo. Una hipotética nave se sitúa dentro de la burbuja mientras que el espacio se expande detrás de la nave y se contrae por delante. Este efecto se logra manipulando el radio de las dimensiones extra como se ilustra en la imagen superior.

Los cálculos QFT revelaron un límite superior en la velocidad que un motor podría lograr, dando como resultado una longitud mínima para la longitud de una dimensión extra, la longitud de Planck. Si las dimensiones extra se encogiesen hasta la longitud de Planck, entonces nuestros cálculos revelarían que el límite en la velocidad del motor warp es de 10³²c (donde c es la velocidad de la luz). Este número es un límite teórico, dado que nuestros cálculos respecto a la energía requerida para lograr esta velocidad indican que se requeriría significativamente más masa de la disponible en el universo observable.

Un tema que necesita abordarse es la discrepancia entre las predicciones de la GR respecto a la expansión y contracción del espacio-tiempo y las predicciones de la QFT. En el límite de un espacio-tiempo con una constante cosmológica cero, la GR demuestra que el corte de una dimensión extra en contracción tiene el efecto de expandir las restantes dimensiones y de forma similar expandir las dimensiones extra contraerá el resto de dimensiones. No obstante, los cálculos teóricos de campo cuántico demuestran que un radio fijo compacto puede también dar como resultado una expansión de volumen tres debido al Efecto Casimir. Aunque este tema necesita claramente ser resuelto, ambas teorías sugieren que la física del espacio compactado afecta al espacio no compactado.

Perspectivas de futuro

Se ha propuesto una nueva aproximación para la generación de la burbuja warp necesaria para el motor warp; esta burbuja warp teóricamente permitiría a una nave viajar a unas velocidades arbitrariamente altas. Un aspecto vital de la futura investigación en esta área implica el estudio de cómo manipular localmente una dimensión extra. La Teoría de Cuerdas sugiere que las dimensiones se mantienen globalmente compactas por cuerdas que las rodean; si efectivamente este es el caso, entonces podría ser posible incrementar decrementar localmente la tensión de la cuerda, o incluso contrarrestar los efectos de algunos modos de vibración de la cuerda. Eso lograría el efecto deseado de modificar el tamaño de las dimensiones extra, lo cual llevaría teóricamente a una propulsión mayor que la velocidad de la luz.

Esta aproximación, aunque altamente teórica en esta etapa, nos da una visión de cómo se podrían abordar los problemas asociados con las vastas distancias implicadas en el viaje interestelar, y también abrir una puerta a nuevas avenidas para la investigación futura.

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Autor: Richard K Obousy/Gerald Cleaver
Fecha Original: 15 de julio de 2008
Enlace Original

Vía: Ciencia Kanija