06/Ago/08

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Poner el "warp" en la propulsión warp

Durante la última década, ha habido un respetable nivel de interés científico respecto al concepto de "impulso warp". Es un hipotético dispositivo de propulsión que teóricamente podría eludir las tradicionales limitaciones de la relatividad especial que restringe a las naves espaciales a velocidades inferiores a la luz

Cualquier progreso en este campo revolucionaría la exploración espacial y abriría la puerta al viaje interestelar. Este artículo habla de un novedoso enfoque para generar la "burbuja warp" necesaria para dicha propulsión; los detalles matemáticos de esta teoría son expuestos en un artículo publicado en la revista de la Sociedad Interplanetaria Británica. La teoría se basa en algunas excitantes predicciones que salen de la teoría de cuerdas y el objetivo de este artículo es presentar la idea de la propulsión warp desde una perspectiva no-matemática que sería accesible a una amplia gama de lectores.

I. ¿Por qué propulsión warp?

El universo es realmente vasto, y la actual tecnología de propulsión nos restringe seriamente a la exploración de nuestro propio Sistema Solar. Si quisiéramos visitar aun los sistemas estelares más cercanos, deberíamos enfrentar tiempos de recorrido de muchas decenas de miles de años, en el mejor de los casos. Una razón convincente por la que realmente querríamos visitar otras estrellas son las recientes evidencias de "planetas extrasolares", que son planetas que giran alrededor de otras estrellas que no son nuestro Sol. Hasta la fecha, conocemos al menos 250 planetas extrasolares. Aún más excitante es la posibilidad de que algunos de estos planetas puedan ser parecidos a la Tierra, con la capacidad teórica de sustentar vida.

Este año, un equipo suizo descubrió un planeta designado Gliese 581c; este planeta gira alrededor de la estrella Gliese, a 20,4 años-luz de la Tierra. El planeta es extraordinario en lo que respecta a que es el único planeta extrasolar conocido hasta ahora en el área conocida como "zona habitable" de una estrella (Figura 1). Es la zona que rodeaba a una estrella donde la temperatura de la superficie puede mantener el agua en estado líquido. Se cree que Gliese 581c tiene 5 veces la masa de la Tierra, y una temperatura de superficie similar a la de la Tierra.

Figura 1: Gliese está dentro de la "zona habitable" de su estrella anfitriona,
y significa que puede haber agua líquida sobre su superficie

Teniendo en cuenta estas sorprendentes semejanzas, uno se pregunta naturalmente si Gliese 581c podría albergar vida. Aunque podría ser indirectamente posible verificar la existencia de la vida usando algunas técnicas de observación desde la Tierra, la profundidad del análisis sería particularmente limitada. Por otro lado, podríamos obtener datos de mayor valor científico si pudiéramos visitar estos planetas con sondas, o incluso con humanos, para comprender mejor el origen y el desarrollo de la vida, y ver si existe sólo en la forma de organismos elementales, o si efectivamente se ha desarrollado la inteligencia. El descubrimiento de vida fuera de la Tierra sería obviamente de una trascendencia científica enorme, y podría ser recordado históricamente como el descubrimiento científico más importante de todos los tiempos. La única manera en que podríamos visitar estos mundos de manera real, en tiempos del orden de una vida humana sería desarrollando lo que popularmente ha sido denominado "propulsión warp".

II. Orígenes del impulso warp

El término "impulso warp" se originó en la ciencia ficción. Un trabajo de 1994 del físico teórico Miguel Alcubierre puso al concepto sobre una base más científica. El trabajo de Alcubierre demostró que una solución para las ecuaciones del campo de Einstein podía "estirar" el espacio de modo que el espacio mismo se expandiera detrás de una hipotética nave espacial, mientras se contrajera delante de ella, creando el efecto de movimiento (Figura 2). En contraste con la tecnología convencional que produce el movimiento de una nave en el espacio, en esta teoría el mismo espacio se mueve alrededor de la nave espacial. Éste es un cambio radical del concepto tradicional de movimiento, porque la nave espacial está, en un sentido clásico, inmóvil dentro de una hipotética burbuja de espacio-tiempo.

Figura 2: La métrica del sombrero de Alcubierre. Una burbuja
de curvatura asimétrica de espacio-tiempo rodea a una
nave espacial, que estaría en el centro de la burbuja

Lo que es particularmente atractivo en este enfoque de la propulsión es que la nave espacial podría desplazarse efectivamente, en teoría, más rápido que la velocidad de la luz. La relatividad especial prohíbe que los objetos se muevan en el espacio a la velocidad de la luz o más rápido, pero la misma trama del espacio no está restringida de ninguna manera. Por lo tanto, aunque la nave espacial no puede viajar más rápido que la luz en un sentido local, podría hacer un viaje redondo entre dos puntos en un período de tiempo arbitrariamente breve, medido por un observador que permanece en descanso en el punto de partida.

III. Física elemental de propulsión warp

El concepto propulsión warp está basado en la teoría general de relatividad de Einstein (GR), una teoría física aceptada y sumamente bien probada. Uno de los componentes necesarios para la propulsión warp es una forma exótica de energía llamada energía negativa, que tendría que ser producida en copiosas cantidades para que ocurra la propulsión de una nave espacial (Ver figura 3). La energía negativa es clásicamente prohibida en la relatividad general; sin embargo la energía negativa es permitida si cambiamos al paradigma de la teoría de campo cuántico. Y en realidad, la energía negativa no sólo está permitida en esta teoría; ha sido verificada experimentalmente usando el "Efecto de Casimir".

Figura 3: Por fuera de las placas conductoras no hay ninguna restricción a
los modos en el vacío. En el interior, sólo se pueden formar ondas estacionarias.
Esta asimetría en el campo produce que las placas se mantengan juntas
por una fuerza que es puramente cuántica por naturaleza

El Efecto Casimir es una de las manifestaciones existentes más relevantes de las fluctuaciones del vacío. Su comprensión más simple se encuentra en la interacción entre un par de placas neutras, conductoras y paralelas. Las placas modifican el estado básico 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 la región de interior de las placas. En teoría, el Efecto Casimir podría ser usado para crear la energía negativa que se necesita para la propulsión warp. Desde esta perspectiva, no hay nada que teóricamente evite la creación del impulso warp.

IV. La naturaleza como maestro

En esencia, la burbuja warp consiste en una región de espacio-tiempo en expansión, y una región de espacio-tiempo en contracción. La primera etapa para desarrollar una propulsión warp que funcione involucra necesariamente aprender cómo generar esta burbuja asimétrica.

Como en todas las buenas tecnologías de ingeniería, la naturaleza misma puede proveer cierta perspicacia. Somos afortunados en que el espacio-tiempo ya se está expandiendo, aunque a una velocidad sumamente lenta. En 1929, la observación del Hubble del cambio al rojo de la galaxia consolidó el paradigma de un espacio-tiempo en expansión en la cosmología física (Figura 4).

Figura 4: Vistas desde la Tierra, la mayoría de las galaxias
parecen estar alejándose de nosotros. Eso nos suministra
las evidencias de que el universo se está expandiendo

La energía responsable de la actual expansión del espacio-tiempo es llamada genéricamente "constante cosmológica", o el equivalente, "energía del vacío" (los términos serán usados indistintamente en este artículo). A una escala local, el espacio se dilata sumamente despacio: alrededor de una mil-millonésima de una mil-millonésima de metro por segundo y por metro. Evidentemente, para desarrollar la propulsión warp se necesitaría que el espacio-tiempo sea estimulado en alguna manera para expandirse (y contraerse) a una velocidad mucho más alta, pero el hecho de que ya se esté dilatando nos da un primitivo mapa de ruta para concretar las ambiciones de la propulsión warp. El primer paso para controlar un mecanismo es comprenderlo; por lo tanto, si podemos comprender por qué el espacio-tiempo ya se está expandiendo, podremos usar ese conocimiento para generar una expansión (y contracción) de manera artificial.

V. Orígenes de la constante cosmológica

Comprender la constante cosmológica puede jugar un papel crucial en el desarrollo de la propulsión warp, porque nos ayudará a comprender por qué se dilata el espacio. Sin embargo, el origen de la constante cosmológica es todavía un misterio, casi un siglo después de su introducción en la cosmología. Físicos no están seguros de qué generar la constante cosmológica; simplemente sabemos que está ahí. Existen algunas ideas respecto a 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), que fue creado varias décadas después de la relatividad general de Einstein (GR). Sin embargo, las predicciones teóricas con el QFT están en un enorme conflicto con las observaciones, lejos por un factor de 10^120, que ha sido llamada "la peor predicción de física teórica".

Una (parcial) posición para los cálculos de la energía del vacío es la introducción de la súper simetría (SUSY). Una discusión completa de SUSY está más allá del alcance de este artículo; sin embargo, la idea básica es que todas las partículas conocidas tienen una súper partícula asociada cuyo "giro" difiere en medio giro. Por lo tanto, en SUSY todas las partículas de giro entero (bosons) son equilibradas por las partículas de medio giro (fermions) en el contenido de partículas elementales del universo.

Esta idea es particularmente atractiva en que la existencia de las partículas súper simétricas amansa las embarazosas predicciones del QFT con respecto a los cálculos de la energía del vacío. En nuestro modelo analiza las contribuciones a la densidad de la energía del vacío que están puramente en una dimensión más alta en el origen.

VI. La física en dimensiones más altas

La idea de las dimensiones adicionales no nueva. El físico Theodore Kaluza la presentó en 1919, en un esfuerzo por unificar las leyes de gravitación y electromagnetismo. La teoría principal de Kaluza era presentar una 5ª dimensión. Para resolver las ecuaciones de Einstein (o más técnicamente, variar la acción Einstein-Hilbert), Kaluza pudo producir un conjunto de ecuaciones que contenían tanto las ecuaciones de campo de Einstein como las ecuaciones de campo de Maxwell. Oskar Klein sugirió en 1926 que la quinta dimensión compacta tanto para tener la geometría de un círculo con un radio extremadamente pequeño, refiriéndose a la pregunta de dónde se ubicaba la dimensión adicional. Una manera de ver este espacio-tiempo es imaginar un tubo. Desde gran distancia, parece una línea unidimensional, pero una inspección más cercana revela que cada punto sobre la línea es de hecho un círculo (Figura 5). Aunque la teoría sí contenía leyes, fue la primera pista de que las dimensiones extra-espaciales pueden jugar un papel importante en la física.

Más recientemente, las dimensiones adicionales se han convertido en una parte aceptada de la física teórica moderna. La teoría de las súper cuerdas, o M-teoría en su modo más moderno, es una teoría que intenta unificar toda la física conocida bajo un único marco matemático y conceptual, y predice la existencia de las dimensiones espaciales adicionales. Otros dos modelos extra-dimensionales contemporáneos son el modelo Randall-Sundrum (RS) de las dimensiones adicionales "curvadas", y el modelo Arkani-Hamed-Dimopoulos-Dvali (ADD) de las dimensiones adicionales grandes. Ambas teorías intentan explicar la observación de que la gravedad es mucho más débil que las otras fuerzas conocidas. Una manera de pensar en el modelo ADD es imaginar a la gravedad con libertad para propagarse en todas las dimensiones (incluyendo las adicionales), mientras que otras fuerzas están restringidas a nuestras tres dimensiones espaciales conocidas. Por lo tanto, la gravedad está, en cierto sentido, diluida, y por eso resulta ser mucho más débil que las otras fuerzas.

VII. Manipular las dimensiones adicionales para crear la propulsión warp

Actualmente hay numerosos modelos que intentan explicar el origen físico de la constante cosmológica. Un modelo sugiere que podría ser responsable en última instancia la energía del punto-cero de las fluctuaciones del gravitón en las dimensiones adicionales del modelo ADD. La energía del punto cero es precisamente la energía que hace que las placas se atraigan con el Efecto Casimir, como se ha mencionado. Esta energía de punto cero también debería existir en las dimensiones más altas. En esta imagen, la periodicidad de la dimensión adicional juega exactamente el mismo papel que las placas paralelas en el Efecto Casimir tradicional. Así como las placas aseguran que la interferencia deconstructiva destruye las frecuencias no-resonantes del vacío cuántico, también lo hace una dimensión adicional circular, que sólo permite las frecuencias que son resonantes a lo largo de su circunferencia. En este modelo, el tamaño de la dimensión adicional regula directamente esa magnitud de la constante cosmológica, y por lo tanto la expansión del espacio-tiempo.

En un trabajo reciente, nos referíamos a la posibilidad de influir en el tamaño de la dimensión adicional para ajustar la constante cosmológica a nivel local (por local, queremos decir en la vecindad de una nave espacial). Esto podría crear teóricamente una modificación del espacio-tiempo alrededor de una nave que podría ser ajustado para adquirir las características de la burbuja de Alcubierre (ver Figura 3). La idea básica es que mediante la modificación del radio de una dimensión adicional, sería posible, en principio, ajustar la densidad de energía del espacio-tiempo (que se relaciona directamente con la constante cosmológica, que en última instancia controla la inflación / contracción del espacio mismo). Hemos tomado dos enfoques de este concepto: uno desde el punto de vista de QFT, y el otro desde GR. Las ecuaciones de ambas teorías indican que la física del espacio extra-dimensional provoca la velocidad de expansión del espacio "normal" mediante un efecto de "ruptura dimensional". Las ecuaciones de GR demostraron que al encoger la dimensión adicional se expandiría nuestro espacio, y que al expandir la dimensión adicional se contraería nuestro espacio. De este modo, una burbuja de espacio-tiempo que se expande / contrae podría ser creada detrás / adelante de una nave espacial (Figura 6).

Los primeros cálculos indicaban que la propulsión por encima de la velocidad de la luz para una nave de 1.000 m3 de volumen podía ser lograda con un costo de energía de unos 10^45 J, o más o menos la masa-energía total contenida dentro del planeta Júpiter después de usar la famosa relación E = mc2. Aunque esta cantidad puede parecer enorme, es indudablemente una mejora sobre los cálculos anteriores, que indicaban que el impulso warp requeriría más masa-energía que la contenida en el universo observable. Los cálculos QFT revelaron un salto superior en la velocidad que un impulso warp podría obtener, que resulta de una mínima longitud de una dimensión adicional, la longitud Planck. Si la dimensión adicional fuera encogida hasta la longitud Planck, entonces nuestros cálculos revelan que el límite de la velocidad de impulso warp es de 1032 c (donde c es la velocidad de la luz). Esta cantidad es un salto teórico, ya que nuestros cálculos respecto a la energía requerida para llegar a esta velocidad indican que se necesitaría significativamente más masa-energía que la disponible en el universo observable.

Figura 6: La métrica Alcubierre (imagen inferior) es una distorsión asimétrica del espacio-tiempo.
Una hipotética nave espacial está dentro de la burbuja mientras el espacio se expande
detrás de ella y se contrae delante. Este efecto se consigue mediante la manipulación
del radio de la dimensión adicional, como se ilustra en la imagen de arriba

Un asunto que debe ser abordado es la discrepancia entre las predicciones de GR con respecto a la expansión y contracción del espacio-tiempo y las predicciones de QFT. En el límite del espacio-tiempo plano con constante cosmológica cero, GR muestra que el corte de una extra dimensión que se contrae tiene el efecto de expandir las restantes dimensiones y, de forma similar, una dimensión adicional que se expande contraerá las restantes dimensiones. Sin embargo, los cálculos teóricos de campo cuántico muestran que un radio fijo comprimido también puede resultar en la expansión de las tres dimensiones por el Efecto Casimir. Aunque está claro que este asunto debe ser resuelto, ambas teorías sugieren que la física del espacio comprimido afecta al espacio no-comprimido.

VIII. Expectativas futuras

Ha sido propuesto un nuevo enfoque para generar la burbuja warp necesaria para el impulso warp; esta burbuja warp teóricamente permitiría que una nave espacial se desplace a velocidades arbitrariamente altas. Un aspecto vital de una futura investigación en esta área supondría estudiar cómo manipular localmente una dimensión adicional. La teoría de cuerdas sugiere que las dimensiones son sostenidas globalmente por las cuerdas que las envuelven; si éste es efectivamente el caso, entonces podría ser posible aumentar o reducir localmente la tensión de la cuerda, o incluso contrarrestar los efectos de alguna manera de atar las cuerdas. Esto lograría el efecto deseado de cambiar el tamaño de las dimensiones adicionales, que en teoría nos daría una propulsión a más velocidad que la luz.

Este enfoque, aunque muy teórico en esta etapa, nos ofrece una visión respecto a cómo se podrían abordar los problemas relacionados con las inmensas distancias involucradas en los viajes interestelares, y también abre nuevos caminos excitantes para futuras investigaciones.

Fuente: Arxiv. Aportado por Graciela Lorenzo Tillard