Warp Drive. When? Parte seconda

Andare più veloci della luce come la U.S.S. Enterprise è sicuramente uno dei sogni fantascientifici dell’umanità.

E’ grazie a Star Trek che la parola “warp” è ora praticamente sinonimo di viaggi superluminali.

(New design for a Warp Drive Ship by Nasa)

Dalla relatività generale sappiamo che ci sono solo due modi per viaggiare rapidamente nello spazio: uno sono i cunicoli o varchi spazio-temporali, l’altro è la curvatura dello spazio.
In questo secondo caso si tratterebbe di costruire una navicella a curvatura dello spazio di modo che con una opportuna energia lo spazio davanti alla navicella si contrarrebbe, mentre quello alle sue spalle si espanderebbe accorciando la distanza tra due punti nello spazio, con il risultato che la nave interstellare potrebbe coprire grandi distanze in tempi brevi.

Ma con quale e quanta energia?
Bruciare 1 kg di petrolio fornisce 4,2×10⁷ J, mentre dalla fusione nucleare di 1 kg di idrogeno si otterrebbero 2,6×10¹⁵J.

Ma sappiamo anche che quando una quantità di antimateria viene a contatto con della materia ordinaria si annichilisce. Tutta la massa delle particelle ed antiparticelle annichilite viene convertita in energia.

Questo processo permetterebbe di ottenere enormi quantità di energia da quantità molto piccole di materia ed antimateria, al contrario di quanto avviene per le reazioni nucleari e chimiche, dove a parità di massa di combustibili utilizzati viene prodotta una quantità di energia molto più piccola.

La reazione di 1 kg di antimateria con 1 kg di materia produce 1,8×10¹⁷ J di energia in base all’equazione E=mc². (Formula per eccellenza, sempre utilizzata nei calcoli anche da quei fisici che la considerano superata).

In altre parole, l’annichilazione della materia con l’antimateria produce circa 70 volte l’energia prodotta dalla fusione nucleare dell’idrogeno in elio e quattro miliardi di volte l’energia prodotta dalla combustione del petrolio.

Tuttavia gli stessi esperti della Nasa dicono che l’energia prodotta dall’annichilamento della materia con l’antimateria non sarebbe comunque sufficiente a spingere una nave stellare a velocità superiori a quella della luce.

E allora?
La risposta arriva ancora una volta dalle equazioni di Alcubierre.
Si può dimostrare (non chiedetemi come) che la densità di energia misurata è data da:

dove g è il determinante del tensore metrico (il tensore metrico è una funzione tramite la quale è possibile determinare distanza, angolo, lunghezza di una curva)

Come si può vedere è una energia di tipo negativa che ha caratteristiche tipiche di una “materia esotica”.

Secondo la teoria di Alcubierre, quindi, si potrebbe creare una bolla di curvatura mediante l’applicazione di energia negativa,  l’energia creata nel vuoto dalla “materia esotica”.

L’esistenza della materia esotica non è teoricamente escluso.
Questo processo si basa su l’effetto Casimir che afferma che il vuoto non è in realtà vuoto ma pieno di onde elettromagnetiche fluttuanti. Tali onde creano energia negativa, che distorce, forse, lo spazio – tempo, generando una bolla di curvatura.

L’importanza della materia esotica è data dal fatto che nel contesto della relatività generale, è impossibile costruire un motore a curvatura, in assenza di tale materia esotica.
Tuttavia, generare abbastanza materia esotica per compiere imprese di viaggi a velocità maggiori della luce (e anche per tenere aperta la ‘gola’ di un wormhole) è ritenuta impraticabile.

Sembrerebbe quindi un progetto destinato a restare soltanto un sogno.

D’altra parte, anche se teoricamente possibile, gli studi più realisti  sull’argomento confermano che ci vorrebbe una quantità di energia comparabile a quella della massa di Giove.

Per questo l’idea del motore a curvatura era stata liquidata come impraticabile.
Ecco la svolta.

Il professor Harold White della NASA è tornato sul tema.
Basandosi sulle analisi svolte negli ultimi tempi, e su  qualcosa che era nella matematica da sempre, si è realizzato che se si aumenta lo spessore dell’anello di energia di vuoto negativa, e si fa oscillare la bolla di curvatura si può ridurre molto l’energia necessaria (non chiedetemi perchè, non saprei rispondere).

Secondo questo scienziato in teoria quindi è possibile ridurre la quantità di materia esotica necessaria per creare un motore a curvatura, e alimentarlo con una massa grande più o meno quanto il Voyager 1  circa 725 Kg.
Ciò sarebbe capace di muovere una bolla di 32 metri a una velocità equivalente a 10c (dieci volte al velocità della luce).
Secondo Harold White sembra quasi che nell’arco di pochi decenni potremmo vedere nascere una nuova epoca dell’esplorazione spaziale.

Credibile? Giudicate voi.
Vediamo lo stato dell’arte.

Materia esotica.
La materia esotica  è materia composta da particelle “effimere”, comunemente chiamate anche particelle virtuali, ovvero particelle che decadono dopo poco tempo dalla loro produzione.
Sembrano venire da un mare di fluttuazioni quantistiche per alcuni millesimi o milionesimi di secondo per poi sparire ancora nel vuoto. In pratica la materia esotica è composta da una parte negativa e la sua controparte positiva di maggiore intensità che la farebbe decadere.

Queste particelle, ipotizzate dalla meccanica quantistica,  non sono quindi abbastanza stabili per rimanere nella nostra realtà.

Quantità di materia esotica.
Non ci sono dubbi, la quantità di materia da utilizzare è proprio la materia esotica, la energia negativa creata nel vuoto fruttando l’effetto Casimir.

Questo processo, lo ricordo,  afferma che il vuoto non è in realtà vuoto ma pieno di onde elettromagnetiche fluttuanti.
Secondo l’effetto Casimir due specchi con un’area di 1 cm2 separati da una distanza di 1 µm (micron) possiedono una forza attrattiva di Casimir di 10^-7 N. Una energia estremamente modesta.

Lawrence H. Ford e Thomas A. Roman hanno calcolato, per esempio, che generare una bolla di Alcubierre con un raggio di 100 metri richiederebbe un’energia negativa pari a 3 x 10²⁰ volte la massa della Via Lattea (stimata pari a mille miliardi di Soli). Si tratta di una quantità di energia all’incirca dieci ordini di grandezza superiore alla massa totale dell’universo visibile.

Ma anche solo creare una bolla di raggio pari alla dimensione di un singolo elettrone richiederebbe, secondo i due autori, un’energia negativa corrispondente a circa 400 masse solari.

Per superare tali ostacoli, Van Den Broek ha escogitato una soluzione che richiedeva “solo” alcune masse solari di energia negativa e positiva, a fronte degli innumerevoli miliardi di masse galattiche usciti dai calcoli di Ford e Roman.

Il vistoso calo del fabbisogno energetico era stato ottenuto da Van Den Broek grazie a una sorta di gioco di prestigio (teorico), reso possibile dalla relatività generale: il volume racchiuso da una superficie completamente ripiegata su se stessa a causa della curvatura dello spazio può essere enormemente maggiore del volume racchiuso dalla medesima superficie nello spazio piatto.
Poco per crederci.

Bolla di curvatura
Il primo passo da fare, secondo White, è dimostrare che una bolla a curvatura è possibile e può essere creata artificialmente, anche se ancora non si sono ancora ottenuti chiari risultati: il problema è che il campo di energia negativa è così piccolo che è facilmente influenzabile da qualsiasi minima variazione sulla Terra.

A ciò si aggiungono altri  vincoli quantistici sul “prestito” energetico che sono tali per cui non è possibile separare efficacemente l’energia negativa, richiesta per il funzionamento del motore a curvatura, dalla correlata e maggiore quantità di energia positiva, inevitabilmente liberata dall’impiego di una qualsivoglia quantità di energia negativa.

Per usare l’energia negativa e soddisfare al contempo i vincoli imposti dalle disuguaglianze quantistiche occorrerebbe creare strutture limitate a dimensioni submicroscopiche, per esempio la grandezza di un protone o di un elettrone.

Se, invece, si volesse realizzare una struttura macroscopica, come il motore a curvatura proposto originalmente da Alcubierre, allora l’energia negativa dovrebbe essere confinata in una banda incredibilmente sottile, con uno spessore appena maggiore della lunghezza di Planck.

When?
Per ora abbiamo solo delle equazioni convincenti senza riscontro sperimentale.
La teoria quindi va dimostrata in laboratorio, ed è su questo passaggio che ora White si sta concentrando.

Si tratta quindi di dimostrare la teoria, perché “matematicamente, le equazioni di campo ci dicono che è possibile”, ma realizzarlo in pratica è un altro paio di maniche.

Di certo non si sa come disposrre di energia negativa sufficiente né, tantomeno, si sa come distribuirla e mantenerla concentrata nei punti in cui occorre creare la voluta distorsione spaziotemporale.

Per questa e per molte altre ragioni il viaggio a velocità superluminale rimane per il momento solo una bella aspirazione e il motore a curvatura un interessante esercizio di fisica teorica.

Del resto lo stesso Alcubierre ha riconosciuto, in un’intervista telefonica rilasciata di recente a Popular Science, che non esiste modo di aggirare gli ostacoli che impediscono la realizzazione del suo motore a curvatura:

Si tratta di una bella idea. Mi piace perché l’ho scritta io stesso. Ma ha una serie di limitazioni, di cui mi sono reso conto nel corso degli anni, e non vedo come possano essere superate.

Allora:
Warp drive, when?

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