Napęd warp

Napęd warp ( English do osnowy, „zniekształcają”, „krzywa”) rozumie się hipotetyczny mechanizm napędowy , który pozwala podróżować z szybciej niż z prędkością światła przez celowo zginanie czasoprzestrzeń . Napędy warp znane są w różnych konstrukcjach z literatury science fiction , gdzie są warunkiem wstępnym międzygwiezdnych podróży kosmicznych .

Zgodność tej koncepcji napędu z ogólną teorią względności jest kontrowersyjna. Możliwość ta jest wielokrotnie omawiana w specjalistycznej literaturze fizycznej , a autorzy dochodzą do różnych wyników.

Napęd warp w science fiction

tło

Historie science fiction często rozgrywają się w układach planetarnych , mgławicach lub galaktykach oddalonych od siebie o wiele lat świetlnych . Aby w sposób jednoznaczny oddać akcję, potrzebny jest rodzaj napędu, który umożliwia podróżowanie na odległości astronomiczne w krótkim czasie według ludzkich standardów. Wymaga to ruchu z wielokrotnością prędkości światła , co jednak zgodnie z twierdzeniami teorii względności – obecnie powszechnie uznawanego i często potwierdzonego eksperymentalnie stanu nauki – jest niemożliwe. Z teorii względności wynika m.in., że do tak szybkiego ruchu potrzebna byłaby nieskończona ilość energii, a podróżnicy cofaliby się w czasie z punktu widzenia osoby trzeciej, która na nich czeka na miejscu. na przykład przybycia; przybyli wcześniej niż wyjechali. W tych okolicznościach konsekwentne działania nie byłyby już możliwe w fikcyjnych narracjach.

Napęd warp rozwiązuje ten dylemat, jak opisano w literaturze science fiction, zmieniając samą czasoprzestrzeń zamiast przemieszczania się w przestrzeni i czasie, dzięki czemu statek kosmiczny może podróżować bardzo duże odległości w stosunkowo krótkim czasie bez poruszania się z dużą prędkością. Sprawia więc, że fikcyjne działania wydają się wiarygodne.

Historia koncepcji

Autor science fiction Gene Roddenberry odwołał się do koncepcji napędu warp w swoim serialu telewizyjnym Star Trek, aby opisać manewrowanie na dużych odległościach do innych systemów gwiezdnych (→ Napęd warp w Star Trek ). Termin ten jest dziś dobrze znany w science fiction, ale jest różnie interpretowany w zależności od autora. Nawet jeśli koncepcja napędu zniekształcającego czasoprzestrzeń jest powszechnie kojarzona ze Star Trekiem, podstawowa idea jest starsza. Na przykład Chester S. Geier opisał podobny napęd w swojej powieści The Flight of the Starling , wydanej w 1948 roku – określanej tam jako „generator warp”:

Nawet powieść Stephena Baxtera The Last Ark opisuje użycie napędu warp. Z kilku kilogramów antymaterii bohaterowie tworzą maleńki „kieszonkowy wszechświat”, który z perspektywy załogi statku kosmicznego ma średnicę kilkuset metrów.

Teorie dotyczące wykonalności napędu warp

Czasoprzestrzeń w teorii względności

W ogólnej teorii wzgl , grawitacja sięgają do właściwości geometrycznych przestrzenno-czasowego . Własności te są opisane równaniami Einsteina .

${\ displaystyle R _ {\ mu \ nu} - {\ frac {1} {2}} g _ {\ mu \ nu} R = {\ frac {8 \ pi G} {c ^ {4}}} T _ {\ mu \ nu}}$

Oto klasyczny stała grawitacyjna , prędkość światła i Ricci tensor . Ponadto istnieje skalarne krzywizna i tensor metryczny . Ten ostatni zawiera metrykę czasoprzestrzenną i indukuje miarę odległości. Źródłem pola grawitacyjnego jest tensor energii-pędu . ${\ styl wyświetlania G}$${\ styl wyświetlania c}$${\ styl wyświetlania R _ {\ mu \ nu}}$${\ styl wyświetlania R}$${\ styl wyświetlania g _ {\ mu \ nu}}$ ${\ styl wyświetlania T _ {\ mu \ nu}}$

Teoria napędu warp według Alcubierre i Van den Broeck

Ilustracja metryki osnowy według Alcubierre

Działający napęd warp musiałby zmienić obszar czasoprzestrzenny wokół statku kosmicznego w taki sposób, aby zmniejszyć odległość między punktem początkowym a punktem docelowym. Czasoprzestrzeń musiałaby zostać skompresowana w kierunku podróży i ponownie rozszerzona po przejściu statku. Te zmiany w czasoprzestrzeni spowodowane falami grawitacyjnymi musiałyby zachodzić z prędkością większą niż prędkość światła, a statek kosmiczny poruszałby się wzdłuż tej „bańki osnowy”.

Teoretycznie można to opisać definiując pewien tensor energii-pędu . Taki opis, zgodny z formalizmem ogólnej teorii względności, po raz pierwszy zaproponował w 1994 roku meksykański fizyk Miguel Alcubierre . Nie jest to jednak ścisłe rozwiązanie równań Einsteina , lecz zostało skonstruowane bezpośrednio z pożądanymi właściwościami. Do wypełnienia równań potrzebne byłoby paliwo o ujemnej gęstości energii, zwane również materią egzotyczną .

Ponieważ koncepcja napędu Alcubierra wymagałaby około -10 ⁶⁴ kg egzotycznej materii, aby przetransportować mały statek kosmiczny przez Drogę Mleczną, więcej niż normalna materia widzialnego wszechświata jako całości, została ona odpowiednio ulepszona przez holenderskiego fizyka Chrisa van den Broecka. Aby to zrobić, zamknął bańkę osnowową Alcubierre'a wokół dwóch kolejnych baniek. Jego obliczenia doprowadziły do ​​wniosku, że zapotrzebowanie na egzotyczną materię zmniejszy się do kilku mas Słońca . Bańka zewnętrzna, czyli pęcherzyk faktyczne Alcubierre-Osnowa jest  zakłada się bardzo małe (R = 3 x 10 ^-15 m). Jednak najbardziej wewnętrzny pęcherzyk ma powierzchnię, która odpowiada pęcherzykowi o średnicy 200 m. Ta pozornie paradoksalna rozbieżność powinna być możliwa dzięki geometrii czterowymiarowej . Jednak gęstość materii w obu napędach jest tak wysoka, jak we wszechświecie tuż po Wielkim Wybuchu .

Alcubierre i Broeck przyjęli wcześniej niezakrzywioną czasoprzestrzeń. Jeśli jednak czasoprzestrzeń jest zakrzywiona, zdaniem Siergieja Krasnikowa, 10 kg egzotycznej materii powinno wystarczyć do stworzenia takiego systemu bąbelków osnowy. Krasnikov twierdzi nawet, że zredukował niezbędną ilość egzotycznej materii do kilku miligramów, modyfikując metrykę Van den Broecka.

Badania przeprowadzone przez Finazzi, Liberati i Barceló kwestionowały stabilność bańki osnowy.

McMonigal, Lewis i O'Byrne z Uniwersytetu w Sydney doszli do wniosku, że gdy samochód zwalnia, emituje promieniowanie, które jest śmiertelne dla środowiska.

Badania NASA: przełomowy projekt fizyki napędów Pro

W latach 1996-2002 NASA sfinansowała projekt Breakthrough Propulsion Physics Project, aby ocenić egzotyczne koncepcje napędów. W ramach tego projektu opisano różne spekulacyjne koncepcje napędu warp i zbadano je matematycznie lub przy użyciu modeli komputerowych. W 2008 r. NASA ostatecznie wstrzymała ten projekt, ale sfinansowała dalsze badania podstawowe na uczelni.

Badania Lentza dotyczące solitonów

Wcześniejsze badania nad transportem szybszym niż światło na podstawie ogólnej teorii względności Einsteina wymagały ogromnych ilości hipotetycznych cząstek i stanów materii, które mają właściwości fizyczne, takie jak ujemna gęstość energii. Ten rodzaj materii albo nie jest obecnie znaleziony, albo nie może być wyprodukowany w ilościach użytkowych. Erik W. Lentz, naukowiec z Uniwersytetu w Getyndze , zaprezentował nowe podejście do zjawisk szybszych od światła w dziedzinie znanej fizyki. Są to zniekształcenia czasoprzestrzeni, specjalny rodzaj fal stojących zwanych solitonami, które poruszają się nieustannie, nie zmieniając swojego kształtu. Wewnątrz takiego zniekształcenia czas biegłby tak samo szybko jak na zewnątrz, więc nie byłoby dylatacji czasu . Jego praca przybliżyła problem podróżowania szybciej niż światło „o krok bliżej technologii”. Największym problemem jest tutaj ilość potrzebnej energii. Możliwe, że istnieją oznaki takich napędów warp w magnetarach .

Badania Laboratorium Zaawansowanej Fizyki Napędów

Dwóch naukowców z NASA Advanced Propulsion Physics Laboratory wyjaśniło w badaniu, że napędy warp, które kontrolują tempo czasu wewnątrz statku kosmicznego i działają tylko z dodatnią energią, mogą być możliwe. Dostarczają również kolejnego argumentu, dlaczego napędy warp, które są szybsze od światła, musiałyby być niemożliwe i przypisują czasoprzestrzeń warp z badania Lentza do „nowej klasy”.

Eksperymenty

W następstwie projektu Breakthrough Propulsion Physics, fizyk z NASA Harold White próbował zmierzyć najmniejsze krzywizny czasoprzestrzeni w laboratorium, ale bez powodzenia.

literatura

• Miguel Alcubierre: Napęd warp: superszybka podróż w ramach ogólnej teorii względności. Grawitacja klasyczna i kwantowa 11 (5), 1994, L73, doi: 10.1088/0264-9381 /11 /5 /001 , arxiv : gr-qc / 0009013v1 .
• Allen E. Everett, Thomas A. Roman: Metro superluminalne - Tuba Krasnikowa. Physical Review D, 56 (4), 1997, s. 2100-2108, doi: 10.1103 / PhysRevD.56.2100 , arxiv : gr-qc / 9702049v1 .
• Lawrence M. Krauss: Fizyka Star Trek . Heyne 1996, ISBN 3-453-10981-3 .
• Francisco SN Lobo, Matt Visser: Podstawowe ograniczenia czasoprzestrzeni „napędu warp”. Classical and Quantum Gravity 21 (24), 2004, s. 5871-5892, doi: 10.1088/0264-9381 /21 /24 /011 , arxiv : gr-qc / 0406083v2 .
• Mohammad Mansouryar: O makroskopowej przejezdnej przestrzeni kosmicznej w praktyce. 2006. arxiv : gr-qc/0511086v2 .
• Rüdiger Vaas: Tunel w czasie i przestrzeni . Wydanie II. Franckh-Kosmos, Stuttgart 2006, ISBN 3-440-09360-3 .
• Marc G. Millis (i in.): Frontiers of Propulsion Science. Amerykański Instytut Aeronautyki i Astronautyki, Reston 2009, ISBN 1-56347-956-7 , streszczenie (pdf; 1,18 MB).

linki internetowe

Wikisłownik: Warp drive  - wyjaśnienia znaczeń, pochodzenie słów, synonimy, tłumaczenia

• Napęd warp w wiki Star Trek Pamięć Alpha
• Gregory V. Meholic: Zaawansowane koncepcje napędu kosmicznego dla podróży międzygwiezdnych Koncepcje dla podróży międzygwiezdnych . Przedstawienie w Los Angeles rozdziale Dinner Zgromadzenia w AIAA , 24 kwietnia 2008.
• Audycja radiowa The Space Show z 24 czerwca 2008 o zaawansowanych koncepcjach napędu kosmicznego do podróży międzygwiezdnych
• Dlaczego napęd warp nie działa w Spiegel Online
• Status „Warp Drive” nasa.gov, dostęp 31 stycznia 2012 r.

Indywidualne dowody

1. ↑ Alcubierre, 1994.
2. ↑ Michael J. Pfenning, LH Ford: Niefizyczna natura „Napędu Warp” . taśma 14 , nie. 7 , 1997, s. 1743-1751 , doi : 10.1088/0264-9381/14/7/ 011 , arxiv : gr-qc/9702026 , bibcode : 1997CQGra..14.1743P . 
3. ↑ Chris van den Broeck: „Napęd warp” z bardziej rozsądnym całkowitym zapotrzebowaniem na energię. Classical and Quantum Gravity 16 (12), 1999, s. 3973-3979, doi: 10.1088/0264-9381 /16 /12 /314 , arxiv : gr-qc / 9905084v5 .
4. ↑ Siergiej Krasnikow: Hiperszybkie podróże międzygwiezdne w ogólnej teorii względności. ks. D57 (1998) 4760-4766, arxiv : gr-qc / 9511068v6 ; Allen Everett i in.: Podróże w czasie i napędy warp – naukowy przewodnik po skrótach w czasie i przestrzeni. Uniw. of Chicago Pr., Chicago 2012, ISBN 978-0-226-22498-5 , s. 122nn.
5. ↑ Siergiej Krasnikow: Nierówności kwantowe nie zabraniają skrótów czasoprzestrzennych. Przegląd fizyczny D, 67, 2003, doi: 10.1103 / PhysRevD.67.104013 , arxiv : gr-qc / 0207057 . (Sztuczki Van Den Broecka, strony 18-19)
6. ↑ Stefano Finazzi, Stefano Liberati, Carlos Barceló: Półklasyczna niestabilność dynamicznych napędów warp. Przegląd fizyczny D, 79 (12), 2009, doi: 10.1103 / PhysRevD.79.124017 , arxiv : 0904.0141v2 .
7. ^ Carlos Barceló, Stefano Finazzi, Stefano Liberati: O niemożliwości podróży superluminalnej: lekcja napędu warp. , 2010. arxiv : 1001.4960v1 .
8. ↑ Brendan McMonigal, Geraint F. Lewis, Philip O'Byrne: The Alcubierre Warp Drive: O sprawie materii. Physical Review D, w druku (4 czerwca 2012), arxiv : 1202.5708v1 .
9. ↑ Napęd warp: zagrożenie dla cywilizacji w miejscu podróży. ( Pamiątka z 17 czerwca 2012 r. w archiwum internetowym ) Wissenschaft aktuell, 14 marca 2012 r. (Podsumowanie badania przeprowadzonego przez McMonigal i in.; dostęp 4 czerwca 2012 r.)
10. ^ Przełomowy projekt fizyki napędów . NASA, 19 listopada 2008 r.
11. ↑ Keith Cowing: Wyjaśnienie programu napędu warp NASA . SpaceRef, 12 kwietnia 2013.
12. ^ Georg-August-Universität Göttingen - Public Relations: Komunikaty prasowe z Uniwersytetu - Georg-August-Universität Göttingen. Źródło 18 marca 2021 . 
13. ↑ Erik W Lentz: Przełamanie bariery warp: hiperszybkie solitony w teorii plazmy Einsteina-Maxwella . W: Grawitacja klasyczna i kwantowa . taśma 38 , nie. 7 , 2021, ISSN  0264-9381 , s. 075015 , doi : 10.1088/1361-6382/abe692 , arxiv : 2006.07125v2 ( iop.org [dostęp 18 marca 2021]). 
14. ↑ Potencjalny model rzeczywistego fizycznego napędu warp (en) . W: phys.org . Pobrano 9 maja 2021 r. 
15. ↑ Alexey Bobrick, Gianni Martire: Przedstawiamy fizyczne napędy warp . W: Grawitacja klasyczna i kwantowa . 38, nr 10, 20 kwietnia 2021, ISSN  0264-9381 , s. 105009. arxiv : 2102.06824 . doi : 10.1088/1361-6382/abdf6e .
16. ^ Eksperyment laboratoryjny do testowania zniekształceń czasoprzestrzeni . centauri-dreams.org.
17. ↑ Jeff Lee, Gerald Cleaver: Niezdolność interferometru pola Warp White-Juday do spektralnego rozwiązywania zniekształceń czasoprzestrzeni . 29 lipca 2014, arxiv : 1407.7772 .