Det är svårt att leva i ett relativistiskt universum, där även de närmaste stjärnorna är så långt borta och ljusets hastighet är absolut. Det är därför inte konstigt varför science fiction-franchiseanläggningar rutinmässigt använder FTL (snabbare än ljus) som en plottanordning. Tryck på en knapp, tryck på en pedal, och det snygga drivsystemet - vars funktioner ingen kan förklara - kommer att skicka oss till en annan plats i rymden.
Men under de senaste åren har det vetenskapliga samhället blivit förståeligt upphetsat och skeptiskt till påståenden om att ett visst koncept - Alcubierre Warp Drive - faktiskt kan vara genomförbart. Detta var föremål för en presentation som gjordes vid årets American Institute of Aeronautics and Astronautics Propulsion and Energy Forum, som ägde rum 19-19-22 augusti i Indianapolis.
Denna presentation genomfördes av Joseph Agnew - en forskaringenjör och forskningsassistent från University of Alabama i Huntsville's Propulsion Research Center (PRC). Som en del av en session med titeln "Framtiden för kärnkrafts- och genombrottsframdrivning" delade Agnew resultaten från en studie som han genomförde med titeln "En undersökning av varpteori och teknik för att bestämma den senaste tekniken och genomförbarheten".
Som Agnew förklarade för ett packat hus, är teorin bakom ett varpframdrivningssystem relativt enkel. Ursprungligen föreslog av den mexikanska fysikern Miguel Alcubierre 1994, detta koncept för ett FTL-system betraktas av människan som en mycket teoretisk (men möjligen giltig) lösning på Einstein-fältekvationerna, som beskriver hur rymd, tid och energi i vårt universum interagerar.
I lekmannens termer uppnår Alcubierre Drive FTL-resor genom att sträcka utrymmet i rymdtid i en våg, vilket får utrymmet framför den att dras samman medan utrymmet bakom det expanderar. I teorin skulle ett rymdskepp inom denna våg kunna rida på denna ”varpbubbla” och uppnå hastigheter utöver ljusets hastighet. Detta är vad som kallas "Alcubierre Metric".
Tolkat i samband med den allmänna relativiteten skulle den inre av denna varpbubbla utgöra den tröghetsreferensramen för allt som finns i den. På samma sätt kan sådana bubblor uppträda i ett tidigare platt område i rymdtiden och överskrida ljusets hastighet. Eftersom fartyget inte rör sig genom rymdtid (utan själva rymdtid), kommer konventionella relativistiska effekter (som tidsutvidgning) inte att gälla.
Kort sagt, Alcubierre Metric möjliggör FTL-resor utan att kränka relativitetslagarna i konventionell mening. Som Agnew berättade för Space Magazine via e-post inspirerades han av detta koncept redan i gymnasiet och har bedrivit det sedan dess:
”Jag gick mer in i matematik och naturvetenskap och började bli intresserad av science fiction och avancerade teorier i en mer teknisk skala. Jag började titta på Star Trek, Originalserien och The Next Generation, och märkte hur de hade förutsett eller inspirerat uppfinningen av mobiltelefoner, surfplattor och andra bekvämligheter. Jag tänkte på några av de andra teknologierna, som fotontorpedon, fasare och varpdrivning, och försökte undersöka både "star trek science" och "real world science equivalent" hade att säga om det. Jag snubblade sedan över originalpapperet av Miguel Alcubierre, och efter att ha smält det ett tag började jag följa andra nyckelord och papper och kom djupare in i teorin. ”
Medan konceptet i allmänhet avskedades för att vara helt teoretiskt och mycket spekulativt, har det fått nytt liv in i det de senaste åren. Krediten för detta går till stor del till Dr. Harold "Sonny" White, den ledande avancerade framdrivningsteamet vid NASA Johnson Space Center's Advanced Propulsion Physics Laboratory (alias "Eagleworks Laboratory").
Under 100 års Starship Symposium 2011 delade Dr. White några uppdaterade beräkningar av Alcubierre Metric, som var föremål för en presentation med titeln “Warp Field Mechanics 101” (och en studie med samma namn). Enligt Dr. White var Alcubierres teori sund men behövde allvarliga tester och utveckling. Sedan dess har han och hans kollegor gjort just dessa saker genom Eagleworks Lab.
På liknande sätt har Agnew tillbringat mycket av sin akademiska karriär för att undersöka teorin och mekaniken bakom varpmekanik. Under mentorskapet av Dr. Jason Cassibry - docent i mekanik och flyg- och rymdteknik och en fakultetsmedlem i UAH: s framdrivningsforskningscenter - har Agnews arbete kulminerat i en studie som tar upp de stora hinder och möjligheter som varpmekanikforskningen presenterar.
Som Agnew berättade är en av de största faktumet att begreppet ”varpdrivning” fortfarande inte tas särskilt allvarligt i vetenskapliga kretsar:
“Enligt min erfarenhet tenderar omnämningen av varpdrivning att få chuckles till konversationen eftersom det är så teoretiskt och rätt ur science fiction. I själva verket möts det ofta avvisande anmärkningar och används som ett exempel på något helt outlandiskt, vilket är förståeligt. Jag vet i mitt eget fall att jag ursprungligen hade grupperat det, mentalt, i samma kategori som typiska superluminala begrepp, eftersom de uppenbarligen bryter mot antagandet om "ljusets hastighet är den ultimata hastigheten". Det var inte förrän jag grävde in teorien mer noggrant att jag insåg att det inte hade dessa problem. Jag tror att det skulle / kommer att bli mycket mer intresse när individer fördjupar de framsteg som har gjorts. Idéns historiskt teoretiska natur är också i sig ett avskräckande medel, eftersom det är mycket svårare att se betydande framsteg när du tittar på ekvationer istället för kvantitativa resultat.“
Även om fältet fortfarande är i sin spädbarn har det skett ett antal senaste utvecklingen som har hjälpt. Till exempel upptäckten av naturligt förekommande gravitationsvågor (GWS) av LIGO-forskare 2016, som båda bekräftade en förutsägelse gjord av Einstein för ett sekel sedan och bevisar att grunden för varpdrivningen finns i naturen. Som Agnew antydde är detta kanske den mest betydande utvecklingen, men inte den enda:
“Under de senaste 5-10 åren eller så har det gjorts en hel del utmärkta framsteg i takt med att förutsäga de förväntade effekterna av frekvensomriktaren, bestämma hur man kan få det till, stärka grundläggande antaganden och begrepp och min personliga favorit , sätt att testa teorin i ett laboratorium.
”LIGO-upptäckten för några år tillbaka var enligt min mening ett stort språng framåt inom vetenskapen, eftersom det experimentellt visade sig att rymdtiden kan 'varpa' och böjas i närvaro av enorma gravitationsfält, och detta sprids ut över universum på ett sätt som vi kan mäta. Tidigare fanns det en förståelse för att detta troligen var fallet, tack vare Einstein, men vi vet säkert nu. ”
Eftersom systemet förlitar sig på expansion och komprimering av rymdtiden, säger Agnew, visade denna upptäckt att vissa av dessa effekter förekommer naturligt. "Nu när vi vet att effekten är verklig är nästa fråga, enligt min mening," hur studerar vi den och kan vi generera den själva i labbet? ", Tillade han. "Naturligtvis skulle något liknande vara en enorm investering av tid och resurser, men skulle vara massivt fördelaktigt."
Naturligtvis kräver Warp Drive-konceptet ytterligare stöd och många framsteg innan experimentell forskning kommer att vara möjlig. Dessa inkluderar framsteg när det gäller teoretiska ramverk samt tekniska framsteg. Om dessa behandlas som "bett-storlek" -problem istället för en massiv utmaning, säger Agnew, är det säkert att man gör framsteg:
”I allt väsentligt är det som behövs för en varp-enhet ett sätt att utvidga och kontrahera rymdtid när som helst, och på ett lokalt sätt, till exempel runt ett litet föremål eller fartyg. Vi vet med säkerhet att mycket höga energitätheter i form av EM-fält eller massa, till exempel, kan orsaka krökning i rymden. Det krävs dock enorma mängder för att göra det med vår nuvarande analys av problemet. ”
”På baksidan bör de tekniska områdena försöka förfina utrustningen och bearbeta så mycket som möjligt, vilket gör dessa höga energitätheter mer plausibla. Jag tror att det finns en chans att när effekten kan dupliceras på en laboratorieskala kommer den att leda till en mycket djupare förståelse för hur tyngdekraften fungerar och kan öppna dörren till några ännu oupptäckta teorier eller kryphål. Jag antar att sammanfatta, det största hindret är energin, och med det kommer tekniska hinder, som behöver större EM-fält, mer känslig utrustning etc.“
Den stora mängden positiv och negativ energi som behövs för att skapa en varpbubbla är fortfarande den största utmaningen i samband med Alcubierres koncept. För närvarande tror forskare att det enda sättet att bibehålla den negativa energitätheten som krävs för att producera bubblan är genom exotiska ämnen. Forskare uppskattar också att det totala energibehovet skulle motsvara Jupiters massa.
Detta representerar emellertid ett betydande fall från tidigare energibestämningar, som hävdade att det skulle ta en energimassa motsvarande hela universum. Ändå är en mängd exotiska ämnen av Jupiter fortfarande oöverkomligt stor. I detta avseende måste det fortfarande göras betydande framsteg för att skala energikraven ner till något mer realistiskt.
Det enda förutsebara sättet att göra detta är genom ytterligare framsteg inom kvantfysik, kvantmekanik och metamaterial, säger Agnew. När det gäller den tekniska sidan av saker, måste ytterligare framsteg göras när det gäller att skapa superledare, interferometrar och magnetiska generatorer. Och naturligtvis finns det frågan om finansiering, som alltid är en utmaning när det gäller begrepp som bedöms vara ”där ute”.
Men som Agnew säger, det är inte en oöverstiglig utmaning. Med tanke på de framsteg som har gjorts hittills finns det
“Teorin har hittills visat att det är väl värt att fortsätta, och det är lättare än tidigare att bevisa att den är legitim. När det gäller motiveringar för allokering av resurser är det inte svårt att se att förmågan att utforska bortom vårt solsystem, även utanför vår galax, skulle vara ett enormt hopp för mänskligheten. Och tillväxten i teknik till följd av att driva forskningsgränserna skulle verkligen vara fördelaktigt. ”
Precis som flygelektronik, kärnkraftsforskning, rymdutforskning, elbilar och återanvändbara raketförstärkare verkar Alcubierre Warp Drive vara avsett att vara ett av de koncept som måste kämpa sig uppåt. Men om dessa andra historiska fall är någon indikation kan det så småningom passera en punkt utan återvändande och plötsligt verkar helt möjligt!
Och med tanke på vår växande upptagen med exoplaneter (ett annat exploderande fält för astronomi), finns det ingen brist på människor som hoppas att skicka uppdrag till stjärnor i närheten för att söka efter potentiellt bebodda planeter. Och som de ovannämnda exemplen säkert visar, ibland är allt som behövs för att få bollen att rulla en bra push ...
Toppbild - “IXS Starship ”. Kredit och ©: Mark Rademaker (2016)
