Putem călători mai repede ca lumina?

Cu mult timp înainte de Imperiul Contraatacă (Star Wars: The Empire Strikes Back), înainte de Federația Unită a Planetelor (United Federation of Planets), Isaac Asimov a creat Fundaţia (Foundation), povestea epică a declinului şi căderii Imperiului Galactic (Galactic Empire).

Imperiul lui Asimov cuprindea 25 milioane de planete, călătoriile între acestea fiind efectuate cu ajutorul unor elegante nave spaţiale ce străbăteau galaxia.

Putem merge mai repede! Credit: Craig Cormack, CC BY

Cum reuşeau aceste nave spaţiale să parcurgă uriaşele distanţe dintre stele? Deplasându-se prin hiperspaţiu, desigur, aşa cum chiar Asimov explică în Foundation:

„Deplasarea prin spaţiul obişnuit cu viteze care nu depăşeau viteza luminii ar fi putut continua … ceea ce ar fi însemnat că durata călătoriei până la cele mai apropiate sistemele stelare locuibile ar fi fost de ordinul anilor.

Prin hiperspaţiu, această regiune inimaginabilă care nu era nici spaţiu, nici timp, nici materie, nici energie, nici ceva anume, nici nimic, se putea traversa Galaxia într-un interval foarte scurt de timp”.

Despre ce vorbeşte Asimov aici? Ştia ceva despre o modalitate secretă cu ajutorul căreia s-ar fi putut efectua călătorii cu viteze mai mari decât a luminii?

Greu de crezut. Asimov a fost un scriitor de literatură ştiinţifico-fantastică care atunci când se confrunta în romanele sale cu o problemă fără rezolvare, inventa, pur şi simplu, o soluţie pentru aceasta.

Nu ne putem deplasa mai repede ca lumina. Credit: Bastian Hoppe, CC BY-NC-ND

Nu puteți depăşi viteza luminii

Pe baza a ceea ce știm în prezent, este imposibil să ne deplasăm mai repede decât lumina, ceea ce înseamnă că imperiile, federațiile, confederațiile galactice sunt practic imposibile. Acest lucru este un inconvenient.

Pentru a putea totuşi depăşi viteza limită cosmică, scriitorii de literatură ştiinţifico-fantastică au inventat „motoarele warp”, „hiperspațiul”, „subspațiul” și alte trucuri care s-au întipărit în memoria cititorilor.

Toată lumea știe de nava spaţială Enterprise şi de modul prin care aceasta se putea deplasa prin spaţiul cosmic:

De asemenea, cu toţii ştim de nava spaţială Millennium Falcon:

Viteza luminii este viteza limită de deplasare în spaţiul cosmic

De ce nu putem depăşi viteza luminii?

Să ne amintim că oamenii au vorbit despre „bariera sunetului” până când aceasta a fost depăşită. Cu toate acestea, este mult mai greu să depăşim bariera reprezentată de viteza luminii.

În secolul al XIX-lea oamenii de ştiinţă au dezvoltat teoria luminii care a iscat multă nedumerire. În conformitate cu aceasta, pentru orice observator viteza luminii trebuie să fie aceeaşi (299.792.458 m/s).

Aceasta înseamnă că dacă încercaţi să prindeţi din urmă un fascicul de lumină, fasciculul luminos se va îndepărta de voi cu viteza de 299.792.458 m/s indiferent de cât de repede vă deplasaţi.

Şi ceea ce este chiar mai bizar este faptul că, chiar dacă vă deplasaţi cu 99% din viteza luminii, veţi constata că lumina se îndepărtează cu exact aceeaşi viteză de 299.792.458 m/s. La aceeași constatare va ajunge și un prieten de-al vostru care stă pe loc.

Mulţi oameni de ştiinţă din acea vreme nu au crezut această predicție ciudată, iar fizicianul american Albert Michelson (împreună cu colaboratorul său Edward Morley) au realizat un montaj experimental prin care au încercat să determine cum se modifică viteza luminii ca urmare a deplasării Pământului prin spațiu.

Experimentul Michelson-Morley nu a evidenţiat nicio variaţie a vitezei luminii. Aceasta părea să fie la fel, indiferent dacă au măsurat-o în aceeași direcție cu cea în care se deplasa Pământul sau într-o altă direcție.

Einstein şi relativitatea

Albert Einstein a conceput o întreagă teorie, numită teoria relativității restrânse, în jurul ideii că viteza luminii este aceeași pentru toți observatorii care o măsoară, indiferent de cât de repede se deplasează aceştia în raport cu lumina.

Teoria lui Einstein a prezis faptul că timpul și spațiul ar trebui să se întindă sau să se contracte atunci când cineva se deplasează cu o viteză tot mai mare. În consecinţă, din teoria relativității restrânse a rezultat o viteză limită pentru deplasarea în spaţiu: viteza luminii. Aceasta nu poate fi depăşită.

Relativitatea este o piatră de temelie a fizicii moderne și nu avem niciun motiv să ne îndoim de ea. Nimeni nu a observat vreodată un obiect care să se deplaseze mai repede decât lumina.

Trebuie aici să menţionăm că viteza limită a lui Einstein este de fapt viteza luminii în vid. Lumina încetinește atunci când trece prin apă sau sticlă, astfel încât este perfect posibil să mărim această viteză redusă a luminii până la viteza corespunzătoare în vid.

Orice se deplasează mai repede decât lumina în apă sau sticlă produce echivalentul luminos al unui boom sonic, aşa-numita radiaţie Cerenkov. Este ceea ce le conferă reactoarelor nucleare strălucirea de culoare albastră.

Motorul warp…

Dintre toate încercările propuse pentru depăşirea vitezei limită a lui Einstein, probabil cea mai plauzibilă dintre ele este „motorul warp”. Acesta a fost propus de fizicianul Miguel Alcubierre şi el nu încalcă viteza limită de deplasare în Cosmos.

Încercaţi să umpleţi o tigaie unsuroasă cu apă şi apoi adaugaţi o picătură de săpun în tigaie. Unsoarea se va îndepărta către marginile tăvii.

Motorul warp al lui Alcubierre face exact acelaşi lucru cu spațiul. Alcubierre a arătat că printr-o distribuție adecvată a materiei se poate contracta spațiul din fața unei nave spaţiale în timp ce spaţiul din spatele acesteia se va dilata.

În acest fel se formează o bulă mică în jurul navei care se poate deplasa cu viteza dorită. Deoarece spațiul se contractă în fața navei, aceasta nu se poate deplasa mai repede decât viteza luminii.

De fapt, nava s-ar afla în repaus faţă de bula warp, iar oamenii din interiorul navei nici nu ar simți acceleraţia acesteia.

O vizualizare a deformării spațiului produsă de motorul warp. Nava se află în repaus într-o bulă warp, în timp ce spaţiul din faţa acesteia se contractă, iar spaţiul din spate se dilată.

Există însă o mică problemă… Deformarea spaţiului propusă de Alcubierre poate fi generată doar prin încălcarea „condiţiei de energie slabă” („weak energy condition”).

Oamenii de ştiinţă nu pot dovedi că această condiţie de energie slabă este întotdeauna adevărată, dar orice încălcare a acesteia ar produce o mulţime de lucruri ciudate, cum ar fi o densitate de energie negativă sau găuri de vierme.

Tot pe baza încălcării acestei condiţii s-ar putea construi maşini de călătorit în timp. Cu toate acestea, niciodată nu s-a observat vreo încălcare a condiţiei de energie slabă.

În consecinţă, soluţia motorului warp nu poate fi exclusă în totalitate, dar nici nu este foarte plauzibilă.

Şi atunci, cum va ajunge omenirea la stele? Va trebui să găsim o altă soluţie. Să trecem la treabă!

Traducere şi adaptare după Faster-than-light travel: are we there yet?