ماشین وارپ: فیزیکدانان شانس سفر سریعتر از نور به فضا را افزایش می‌دهند!!

تفسیر هنری از کرمچاله برای سفر در فضا، ثورن بحث جدی را در مورد امکان یا سفر در کرم‌چاله را در میان دانشمندان آغاز کرد. (اعتبار تصویر: ناسا)

نزدیکترین ستاره به زمین پروکسیما قنطورس است. در حدود 4.25 سال نوری یا حدود 25 تریلیون مایل (40 تریلیون کیلومتر) از ما فاصله دارد،. کاوشگر خورشیدی پارکر که در حال حاضر در فضا سریعترین فضاپیما است، حداکثر سرعت خود را به 450000 مایل در ساعت می‌رساند. فقط 20 ثانیه طول می‌کشد که با آن سرعت از لس‌آنجلس به شهر نیویورک بروید، اما کاوشگر خورشیدی حدود 6633  سال طول می‌کشد تا به نزدیکترین منظومه شمسی همسایه زمین برسد.

اگر بشریت بخواهد به راحتی بین ستاره‌ها سفر کند، مردم باید سریعتر از نور حرکت کنند. اما تاکنون، سفر سریعتر از نور فقط در داستان‌های علمی تخیلی امکان‌پذیر است.

در مجموعه بنیاد آیزاک آسیموف، بشریت می‌تواند با استفاده از ماشین‌های پرش از سیاره‌ای به سیاره دیگر، ستاره‌ای به ستاره دیگر یا سراسر جهان سفر کند. در دوران کودکی، از زمانی که ‌توانستم کتاب را دست خودم بگیرم، آن داستان‌ها را می‌خواندم. من اکنون یک فیزیکدان نظری هستم و در زمینه فناوری نانو تحصیل می‌کنم  اما هنوز شیفته روش‌هایی هستم که بشر می‌تواند بوسیله آن روزی در فضا سفر کند.

برخی از شخصیتها – مانند فضانوردان در فیلم‌های “Interstellar” و “Thor” – از کرم‌چاله برای سفر در چند ثانیه بین منظومه‌های خورشیدی استفاده می‌کنند. روش دیگر – که برای طرفداران “Star Trek” آشنا است – فناوری ماشین وارپ است. ماشینهای وارپ اگر از نظر فنی هنوز دور از ذهن باشند، از نظر تئوری امکان‌پذیر هستند.

اما این ماشینهای وارپ واقعاً چگونه کار می‌کنند؟ و آیا بشر به این زودی‌ها به سرعت به آن دست می‌یابد؟

این نمایش 2 بعدی حباب مسطح و نامرتبی از زمان-زمان را در مرکز نشان می‌دهد، جایی که یک ماشین وارپ در آن قرار می‌گیرد (اعتبار تصویر: AllenMcC / Wikimedia Commons)

فشرده‌سازی و انبساط

درک فعلی فیزیکدانان از زمان-زمان از تئوری نسبیت عمومی آلبرت انیشتین ناشی می‌شود. نسبیت عام بیان می‌کند که فضا و زمان با هم تلفیق شده‌اند و هیچ چیز نمی‌تواند سریعتر از سرعت نور حرکت کند. نسبیت عام همچنین توصیف می‌کند که چگونه جرم و انرژی فضا زمان را پیچ می‌دهند – اجسام سنگین مانند ستاره‌ها و سیاهچاله‌ها، فضا زمان اطراف خود را می‌پیچند. این پیچش همان چیزی است که شما به عنوان جاذبه احساس می‌کنید و چرا بسیاری از قهرمانان فضایی نگران “گیر افتادن” یا “افتادن” در یک چاه گرانشی هستند. نویسندگان اولیه داستان‌های علمی تخیلی جان کمپبل و آسیموف این پیچش را راهی برای محدود کردن سرعت مجاز می‌دانستند.

اگر یک سفینه فضایی بتواند فضا را در مقابل خود فشرده کند و در عین حال زمان فضایی را پشت سر خود گسترش دهد، چه می‌شود؟ “Star Trek” این ایده را در نظر گرفت و نام آن را ماشین وارپ گذاشت.

در سال 1994، میگل آلوبیر، فیزیکدان نظری مکزیکی، نشان داد که فشرده‌سازی زمان-زمان در مقابل کشتی فضایی در حالی که آن را در پشت گسترش می‌دهد، از نظر ریاضی در قوانین نسبیت عمومی امکان‌پذیر است. خب، این یعنی چه؟ تصور کنید فاصله بین دو نقطه 10 متر است (33 فوت). اگر در نقطه A ایستاده‌اید و می‌توانید یک متر در ثانیه حرکت کنید، رسیدن به نقطه B  10 ثانیه طول می‌کشد. با این حال، فرض کنید می‌توانید فضای بین خود و نقطه B را به گونه‌ای فشرده کنید، بنابراین فاصله اکنون فقط یک متر است. سپس، با حرکت در فضا-زمان با حداکثر سرعت یک متر بر ثانیه، می‌توانید در حدود یک ثانیه به نقطه B برسید. از نظر تئوری، این روش با قوانین نسبیت مغایرتی ندارد زیرا شما در فضای اطراف خود سریعتر از نور حرکت نمی‌کنید. میگل آلوبیره نشان داد كه ماشین وارپ “Star Trek” در واقع از نظر تئوریك امكان‌پذیر است.

پروکسیما قنطورس اینجا آمده‌ایم، درست است؟ متأسفانه، روش آلوبیره برای پیچش زمان-زمان دارای یک مشکل بود: این روش به انرژی منفی یا جرم منفی نیاز دارد.

این نمایش دو بعدی نشان می‌دهد که چطور جرم مثبت فضا-زمان (سمت چپ، زمین آبی) و منحنی جرم منفی فضا-زمان را در جهت مخالف (سمت راست، زمین قرمز) می‌پیچد. (اعتبار تصویر: Tokamac / Wikimedia Commons، CC BY-SA)

مشکل انرژی منفی

ماشین وارپ آلوبیره با ایجاد یک حباب زمان-زمان مسطح در اطراف سفینه فضایی و منحنی زمان-فضای اطراف آن حباب برای کاهش فواصل کار می‌کند. ماشین وارپ به یک جرم منفی – یک نوع ماده تئوریزه شده – یا به یک حلقه از تراکم انرژی منفی برای کار نیاز دارد. فیزیکدانان هرگز جرم منفی را مشاهده نکرده‌اند، بنابراین انرژی منفی به عنوان تنها گزینه باقی می‌ماند.

برای ایجاد انرژی منفی، یک ماشین وارپ از مقدار زیادی جرم برای ایجاد عدم تعادل بین ذرات و آنتی‌ذرات استفاده می‌کند. به عنوان مثال، اگر یک الکترون و یک ضدالکترون در نزدیکی ماشین وارپ ظاهر شوند، یکی از ذرات توسط جرم به دام می‌افتد و این منجر به عدم تعادل می‌شود. این عدم تعادل منجر به تراکم انرژی منفی می‌شود. ماشین وارپ آلوبیره از این انرژی منفی برای ایجاد حباب زمان-زمان استفاده می‌کند.

اما برای اینکه یک ماشین وارپ انرژی منفی کافی تولید کند، به مقدار زیادی ماده نیاز دارید. آلوبیر تخمین زده است که یک محرک پیچشی با حباب 100 متری به جرم کل جهان مرئی نیاز دارد.

در سال 1999، کریس ون دن بروک، فیزیکدان نشان داد که گسترش حجم داخل حباب اما ثابت نگه داشتن سطح باعث کاهش قابل توجه انرژی به میزان تقریباً جرم خورشید می‌شود. یک پیشرفت قابل توجه، اما هنوز فراتر از همه امکانات عملی.

آینده علمی تخیلی؟

دو مقاله اخیر – یکی از نویسندگان الکسی بوبریک و جیانی مارتیر و مقاله دیگر توسط اریک لنتز – راه حل‌هایی را ارائه می‌دهند که به نظر می‌رسد ماشین‌های وارپ را به واقعیت نزدیک می‌کند.

بوبریک و مارتیر دریافتند که با تغییر زمان-زمان درون حباب به روشی خاص، می‌توانند نیاز به استفاده از انرژی منفی را برطرف کنند. اگرچه این راه‌حل یک ماشین وارپ تولید نمی‌کند که بتواند سریعتر از نور باشد.

لنتز به طور مستقل راه‌حلی را نیز پیشنهاد کرد که به انرژی منفی نیاز ندارد. وی برای حل معادلات نسبیت عام از روش هندسی متفاوتی استفاده کرد و با این کار دریافت که ماشین وارپ نیازی به استفاده از انرژی منفی ندارد. راه حل لنتز اجازه می‌دهد تا حباب سریعتر از سرعت نور حرکت کند.

ذکر این نکته ضروری است که اینها پیشرفتهای مهیج مدلهای ریاضی هستند. به عنوان یک فیزیکدان، تا زمانی که اثبات تجربی نداشته باشیم، کاملاً به مدلها اعتماد نخواهم کرد. با این حال، علم ماشینهای وارپ در حال آزمایش است. من به عنوان یک طرفدار داستان علمی، از این تفکر نوآورانه استقبال می‌کنم. به قول کاپیتان پیکارد، همه چیز فقط تا وقتی نباشد غیرممکن است.

منبع:

Warp drives: Physicists give chances of faster-than-light space travel a boost

By Mario Borunda

https://www.space.com/physicists-give-warp-drives-a-boost