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CIENCIA. Impulsores Warp y energía negativa: un impulso a viajes espaciales más rápidos que la luz

 

Un viaje más rápido que la luz es la única forma en que los humanos podrían llegar a otras estrellas en un período de tiempo razonable. Fuente: NASA

La estrella más cercana a la Tierra es Proxima Centauri. Está a unos 4,25 años luz de distancia, o unos 40 billones de kilómetros. La nave espacial más rápida de la historia, la sonda solar Parker , ahora en el espacio , alcanzará una velocidad máxima de 450.000 mph. Le llevaría solo 20 segundos ir de Los Ángeles a la ciudad de Nueva York a esa velocidad, pero la sonda solar tardaría unos 6.633 años en llegar al sistema solar vecino más cercano a la Tierra.

Si la humanidad alguna vez quiere viajar fácilmente entre las estrellas, la gente necesitará ir más rápido que la luz. Pero hasta ahora, los viajes más rápidos que la luz solo son posibles en ciencia ficción. En la serie Foundation de Issac Asimov, la humanidad puede viajar de un planeta a otro, de una estrella a otra a través del universo utilizando unidades de salto. 

Algunos personajes, como los astronautas de las películas "Interstellar" y "Thor", usan agujeros de gusano para viajar entre sistemas solares en segundos. Otro enfoque, familiar para los fanáticos de "Star Trek", es la tecnología "warp drive". Las unidades Warp son teóricamente posibles. Dos artículos recientes en marzo pasado, son el ejemplo cuando los investigadores aseguraron haber superado uno de los muchos retos que se interponen entre la teoría de los impulsos de la urdimbre y la realidad.

Pero, ¿cómo funcionan realmente estos impulsores warp teóricos? 

Esta representación bidimensional muestra la burbuja plana y sin deformaciones del espacio-tiempo en el centro, donde se ubicaría un impulso warp rodeado por un espacio-tiempo comprimido a la derecha (curva descendente) y un espacio-tiempo expandido a la izquierda (curva ascendente). Fuente: AllenMcC / Wikimedia Commons

Compresión y expansión

La comprensión actual del espacio-tiempo por parte de los físicos proviene de la teoría de la relatividad general de Albert Einstein. La relatividad general establece que el espacio y el tiempo están fusionados y que nada puede viajar más rápido que la velocidad de la luz. La relatividad general también describe cómo la masa y la energía deforman el espacio-tiempo: objetos pesados ​​como estrellas y agujeros negros curvan el espacio-tiempo a su alrededor. Esta curvatura es lo que sientes como gravedad y por qué muchos héroes espaciales se preocupan por "quedarse atascados" o "caer" en un pozo de gravedad. Los primeros escritores de ciencia ficción John Campbell y Asimov vieron esta deformación como una forma de eludir el límite de velocidad.

¿Qué pasaría si una nave estelar pudiera comprimir el espacio frente a ella mientras expande el espacio-tiempo detrás de ella? "Star Trek" tomó esta idea y la llamó "warp drive".

En 1994, Miguel Alcubierre, un físico teórico mexicano, demostró que comprimir el espacio-tiempo frente a la nave espacial y expandirlo detrás era matemáticamente posible dentro de las leyes de la relatividad general. 

¿Entonces que significa eso? Imagina que la distancia entre dos puntos es de 10 metros. Si está parado en el punto A y puede viajar un metro por segundo, le tomaría 10 segundos llegar al punto B. Sin embargo, digamos que de alguna manera podría comprimir el espacio entre usted y el punto B para que el intervalo sea ahora de solo un metro.  Luego, moviéndose a través del espacio-tiempo a su velocidad máxima de un metro por segundo, podría alcanzar el punto B en aproximadamente un segundo. En teoría, este enfoque no contradice las leyes de la relatividad, ya que no te mueves más rápido que la luz en el espacio que te rodea. Alcubierre demostró que el impulso warp de "Star Trek" era, de hecho, teóricamente posible.

Desafortunadamente, el método de Alcubierre para comprimir el espacio-tiempo tenía un problema: requiere energía negativa o masa negativa.

Esta representación bidimensional muestra cómo la masa positiva curva el espacio-tiempo (lado izquierdo, tierra azul) y la masa negativa curva el espacio-tiempo en una dirección opuesta (lado derecho, tierra roja). Fuente: Tokamac / Wikimedia Commons, CC BY-SA

Un problema de energía negativa

El impulso warp de Alcubierre funcionaría creando una burbuja de espacio-tiempo plano alrededor de la nave espacial y curvando el espacio-tiempo alrededor de esa burbuja para reducir las distancias. El impulso warp requeriría masa negativa, un tipo de materia teorizado, o un anillo de densidad de energía negativa para funcionar. Los físicos nunca han observado masa negativa, por lo que la energía negativa es la única opción.

Para crear energía negativa, un impulso warp usaría una gran cantidad de masa para crear un desequilibrio entre partículas y antipartículas. Por ejemplo, si un electrón y un antielectrón aparecen cerca del impulso warp, una de las partículas quedaría atrapada por la masa y esto daría como resultado un desequilibrio. Este desequilibrio produce una densidad de energía negativa. El impulso warp de Alcubierre usaría esta energía negativa para crear la burbuja del espacio-tiempo.

Pero para que un impulso warp genere suficiente energía negativa, necesitaría mucha materia. Alcubierre estimó que un impulso warp con una burbuja de 100 metros requeriría la masa de todo el universo visible .

En 1999, el físico Chris Van Den Broeck demostró que expandir el volumen dentro de la burbuja pero manteniendo constante el área de la superficie reduciría significativamente los requisitos de energía , casi a la masa del sol. Una mejora significativa, pero aún mucho más allá de todas las posibilidades prácticas.

¿Un futuro de ciencia ficción?

Dos artículos recientes, uno de Alexey Bobrick y Gianni Martire y otro de Erik Lentz , brindan soluciones que parecen acercar los impulsores warp a la realidad.

Bobrick y Martire se dieron cuenta de que al modificar el espacio-tiempo dentro de la burbuja de cierta manera, podrían eliminar la necesidad de usar energía negativa. Sin embargo, esta solución no produce una unidad de deformación que pueda ir más rápido que la luz.

Independientemente, Lentz también propuso una solución que no requiere energía negativa. Usó un enfoque geométrico diferente para resolver las ecuaciones de la relatividad general y, al hacerlo, descubrió que un impulso warp no necesitaría usar energía negativa. La solución de Lentz permitiría que la burbuja viajara más rápido que la velocidad de la luz.

Es esencial señalar que estos interesantes desarrollos son modelos matemáticos. No debemos confiar completamente en los modelos hasta que tengamos pruebas experimentales. Sin embargo, la ciencia de los impulsores warp está apareciendo a la vista. En palabras del Capitán Picard , las cosas solo son imposibles hasta que dejan de serlo.

Fuente: Mario Borunda, profesor asociado de física de la Universidad Estatal de Oklahoma. Publicado originalmente en The Conversation .

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