26 de abril de 2021
26.04.2021
L'Empordà

Estem a punt de convertir-nos en una civilització galàctica

En teoria és possible disposar d'una nau hiperlumínica que ens permetria anar a l'Estrella Polar a prendre un te i tornar a casa per a sopar amb la família.

26.04.2021 | 18:09
Estem a punt de convertir-nos en una civilització galàctica

En teoria és possible disposar d'una nau hiperlumínica que ens permetria anar a l'Estrella Polar a prendre un te i tornar a casa per a sopar amb la família. Aquesta hipotètica nau és compatible amb la Teoria de la Relativitat General i a més realitzable, sempre que disposem de la tecnologia per a manipular a antull l'energia (massa-energia) negativa.

Una recent recerca en el camp de la Relativitat General sobre els "motors curvatura" ("warp drives") sembla haver estat majoritàriament malinterpretada. Estableix que és teòricament possible que existeixin mòbils warp hiperlumínicos, però no que sigui possible construir vehicles warp hiperlumínicos dins dels quals viatjar, més aviat el contrari. L'origen de l'embolic, els secrets de la Relativitat.

Recentment s'ha parlat molt d'un article científic publicat fa uns mesos (setembre de 2020) sobre els "warp drives" o "motors de curvatura" de Star Trek, però des de la perspectiva de la física formal. Això és, la física de la Teoria de la Relativitat General, la magna obra sortida de la imaginació d'Einstein.

Com la cosa movia la meva curiositat, em vaig disposar a dedicar temps a estudiar-la. Els resultats van ser completament inesperats i, per tant, interessants. Això crec jo.

Per onsevulla s'ha dit que l'esmentat article prova que aquests motors de curvatura són possibles (llegeixi's, compatibles amb el coneixement físic actual) i, per tant, és teòricament possible construir vehicles hiperlumínicos.

Això ens permetria desdir al comandant Joseph Cooper (Interstellar) en la seva frase que citem en l'article de la setmana passada, sobre la nova tecnologia de propulsió per manipulació magnètica de plasma que ens permetrà reduir dràsticament la durada del viatge a Mart.

En efecte, atès que cap mena de propulsió ens permet superar la velocitat de la llum (així ens l'imposa la Teoria de la Relativitat Especial, el germà petit de la Relativitat General) podríem replicar a Cooper: no, amic, no és cert que "l'única forma que coneixen els humans d'arribar a alguna part és deixant alguna cosa enrere".

Doncs bé, segons he pogut veure, les coses no són així. Basat en l'estudi d'aquest article, així com d'un article molt anterior que va ser el que va obrir el meló dels "warp drives", he vist que l'afirmació anterior és falsa.

L'article recent no diu que puguem construir vehicles hiperlumínicos. Tot el contrari, estableix que no són possibles com a vehicles de transport. Però, malgrat això, podria ser que aquests vehicles fins i tot resultin factibles. Si bé això últim està per veure.

Doncs bé, per si vol vostè acompanyar-me, en el que segueix contaré el que aquests dos articles diuen i no diuen sobre la qüestió dels "warp drives" des de la seva perspectiva de física acadèmica.

Anava a escriure "física seriosa" però, d'una banda, conec bastants físics i físiques amb molt de saler i, per un altre, Star Trek i la ciència-ficció en general em semblen coses molt serioses. Per què dir «física seriosa» quan només volem dir «bona física», amb independència que aquesta hagi estat creada per un físic seriós o per una física jovial?

Com a aperitiu, atès que tot això es fonamenta en la Teoria de la Relativitat General, unes breus paraules sobre ella:

La Relativitat General és una teoria científica que explica l'univers físic com sustentat per un teixit d'espai i temps acoblats, i la curvatura dels quals és la gravetat. Escrita en l'intimidatori llenguatge matemàtic de la geometria diferencial, la qual cosa en línies generals ens narra és que: "l'espaitemps li diu a la matèria (llegeixi's, massa-energia) com moure's i la matèria li diu a l'espaitemps com corbar-se" (en paraules del físic teòric John Archibald Wheeler).

Comencem pel principi: primer article

El primer article (per ordre cronològic) data de 1994 i va ser escrit per Miguel Alcubierre, un físic teòric mexicà especialitzat en relativitat general que actualment dirigeix el Departament de Gravitació i Teoria de Campos de la Universitat Nacional Autònoma de Mèxic.

Ha treballat en diversos camps, entre altres, simulació numèrica de la Relativitat General, teories alternatives de la gravitació i solitones gravitatoris (ones d'espaitemps solitàries) que podrien fer compatible la gran teoria d'Einstein amb el principi de no-localitat que opera en física quàntica.

Sí, parlem aquí de "entrellaçament quàntic" o, segons ho va sobrenomenar Einstein, "aquesta acció a distància esborronadora" i les objeccions de la qual sobre aquest tema estan recollides en aquest article de 1937 del qual és coautor. Però aquesta és una altra història.

Com hem dit, en 1994 Alcubierre va publicar el seu article descrivint un model matemàtic que permet viatjar a la velocitat de la llum i que, segons ell mateix compta, se li va ocórrer veient un episodi de Star Trek. Va ser el primer a fer-ho. No a veure un episodi de Star Trek€ sinó a concebre un vehicle per a fer turisme espacial de llarga distància de manera compatible amb l'aparell matemàtic de la Relativitat General.

I això ho va demostrar descrivint la matemàtica fonamental d'un exemple concret de vehicle tal. Això és, trobant una mètrica dins d'un volum finit (el tancat per la carrosseria del vehicle) de manera que:

1) dins d'aquest volum el món és tal com el de la Terra, fet d'espaitemps essencialment pla, sense curvatura (i aquest és l'habitacle del vehicle);
2) fos d'ell ídem (i aquest és l'exterior del vehicle);
3) aquest volum es pot accelerar a velocitats arbitràriament grans (fins i tot per sobre de la velocitat de la llum), i això a força de manipular la mètrica;
4) el temps dins de l'habitacle discorre al mateix ritme que el temps en l'exterior del vehicle (això és, sense dilatació temporal o "paradoxa dels bessons"), i
5) tot això€ sense violar la Relativitat General i, per tant, tampoc la Relativitat Restringida (voilá!).

Repassant les condicions veiem que sí, caramba, estem parlant d'un tros de nau espacial. Una del tipus que ens permetria "anar a prendre el te a €€€€ (posi vostè el nom de la seva estrella favorita) i estar de tornada a casa per a sopar amb la família" (parafrasejant al propi Alcubierre en la seva xerrada TED).

Ara bé, què és això que hem anomenat "mètrica"? Doncs bé, en la imponent maquinària de rellotgeria de la matemàtica de la Relativitat General, les "mètriques" són els engranatges mitjançant els quals "l'espaitemps diu a la matèria com moure's" (la meitat de l'adagi de Wheeler que esmentem a dalt).

Però com és que aconseguim això?: fent que la nau vagi comprimint l'espai que té davant mentre va expandint l'espai que té darrere. Com un cuc que s'alimentés d'espai, menjant espai i evacuant espai.

Considero probable que aquesta fos la intuïció que Alcubierre va tenir mentre veia Star Trek. Secundada pel fet que està acceptat des de fa temps per la física (la cosmologia), que l'univers nounat va experimentar l'anomenada "inflació còsmica". Un procés mitjançant el qual el cosmos es va engegantir de manera espectacular sense que res es mogués. No va ser la matèria la que es va separar, sinó el propi teixit de l'espaitemps el que es va dilatar.

Aquesta figura extreta de l'article de Alcubierre ens mostra com, en cada instant, l'espai està contret en la proa (dreta) i expandit en la popa (esquerra).


Què diu el segon article?

El vehicle de Alcubierre no és gratis. Per a res. El seu disseny (la seva mètrica) requereix ingents quantitats de matèria i, a més, viola les condicions d'energia.

Ull, no estem parlant aquí del principi de conservació de l'energia. No, les condicions d'energia són unes condicions que s'afegeixen a la Teoria de la Relativitat General atès que aquesta, per si sola, resulta massa permissiva i és compatible amb configuracions de l'espaitemps que l'estat de coneixement de la física ha vingut considerant irreals. En termes generals, la qual cosa aquestes condicions estableixen és que la massa o l'energia (que la mateixa cosa són) han de ser sempre positives.

Doncs bé, la mètrica de Alcubierre no sols necessita ingents quantitats de massa-energia, sinó que, a més, requereix massa-energia negativa. Un dels tipus de la comunament anomenada "matèria exòtica". Ara bé, tal com hem comptat en un altre article, es van acumulant evidències experimentals de constatació i creació de petites quantitats de massa negativa.

I és aquí on entra el segon article, el publicat al setembre de 2020 per Alexey Bobrick i Gianni Martire, dos físics del Advanced Propulsion Laboratory dins del grup independent Applied Physics. Potser no està de més recordar aquí que la ciència, al contrari que altres institucions humanes, no es regeix pel principi d'autoritat. Per exemple, quan Einstein va publicar la seva imponent sèrie d'articles de 1905 era "un fosc empleat d'una oficina de patents de Berna", motiu pel qual molts no li van parar esment (i l'anterior és una cèlebre frase feta que segurament ha inspirat a milers i milers de físics i físiques per tot el món).

En aquest article, Bobrick i Martire sistematitzen, optimitzen i generalitzen tota la qüestió dels "warp drives". Defineixen de manera sistemàtica i ampliada tot el conjunt de mètriques que poden donar lloc a artefactes mòbils pel mètode de contracció-expansió d'espai, ja siguin sublumínicos o hiperlumínicos. I optimitzen la seva compatibilitat amb la mecànica quàntica, la quantitat de massa-energia que requereixen i, en concret, la quantitat de massa negativa que involucren.

Ara bé, estableixen que la mètrica de Alcubierre, en ser dependent del temps, viola el principi fonamental de conservació del cuadrimomento (el desgranem en l'apartat final).

De fet, estableixen que tot mòbil warp viable és un mòbil que, per si mateix, es mou a velocitat constant (un mòbil inercial segons Newton) i que, per tant, requereix de propulsió externa a ell per a aconseguir aquesta velocitat.

És per això que els seus "warp drives" són mòbils warp, però no vehicles warp pràctics i, menys encara, vehicles warp hiperlumínicos.

Per a ser vehicles hauríem de poder-nos muntar. I per a poder-nos muntar en ells, fa falta que estiguin parats respecte a nosaltres. Una vegada dins, sí que podrem accelerar-los. Amb propulsió exterior, per mitjà de la tècnica Cooper ("deixant alguna cosa enrere"). Però per descomptat no a velocitats hiperlumínicas perquè, segons la Teoria de la Relativitat Especial, impulsar alguna cosa amb massa no nul·la fins a la velocitat de la llum requereix una quantitat infinita d'energia.

Conclusió


Personalment no em sembla probable que Alcubierre hagi comès l'error de violar el principi de conservació del cuadrimomento. Encara que tot pot ser, clar.

El cuadrimomento és la peça de la Teoria de la Relativitat (tant Especial com General) que inclou, en un, el moment lineal newtonià (quantitat de moviment) i l'energia. Per tant, el seu principi de conservació inclou, també en un, el principi de conservació del moment lineal i el principi de conservació de l'energia. Tots dos!

Així que, violar-ho€ no és qüestió menor.

El que sospito és que, com la mètrica de Alcubierre és dependent del temps, estem parlant d'una nau feta amb una carrosseria dinàmica (que varia amb el temps). Per tant, la seva maquinària interior haurà d'exercir canvis en ella. I és la realització d'aquests canvis, el procés que podria explicar la conservació del cuadrimomento.

En definitiva, i suposant que la meva sospita no és incorrecta (acceptaria una aposta raonable, però res més : ), un vehicle hiperlumínico continuaria sent compatible amb la Teoria de la Relativitat General. I a més realitzable, sempre que disposem de la tecnologia per a manipular a antull l'energia (massa-energia) negativa.

En tal cas, sí que podríem dir al comandant Cooper que estava equivocat: deixar alguna cosa enrere ja no seria l'única forma que coneixen els humans d'arribar a alguna part.

Així, suposant que no ens autoaniquilem abans, que superem la nostra present crisi d'adolescència civilizatoria (ja prolongada, però ara en estat especialment agut)€ podríem convertir-nos en una civilització galàctica. (Ja posats a desdir, desdient també a Fermi i la seva paradoxa).

Compartir a Twitter
Compartir a Facebook