Warp drives: นักฟิสิกส์เพิ่มโอกาสในการเดินทางในอวกาศที่เร็วกว่าแสง

ดาวที่อยู่ใกล้โลกที่สุดคือ Proxima Centauri อยู่ห่างออกไปประมาณ 4.25 ปีแสง หรือประมาณ 25 ล้านล้านไมล์ (40 ล้านล้านกิโลเมตร) ยานอวกาศที่เร็วที่สุดเท่าที่เคยมีมา Parker Solar Probeซึ่งอยู่ในอวกาศจะมีความเร็วสูงสุด 450,000 ไมล์ต่อชั่วโมง จะใช้เวลาเพียง 20 วินาทีในการเดินทางจากลอสแองเจลิสไปยังนิวยอร์กซิตี้ด้วยความเร็วดังกล่าว แต่ยานสำรวจสุริยะจะใช้เวลาประมาณ 6,633 ปีจึงจะไปถึงระบบสุริยะเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุดของโลก

หากมนุษยชาติต้องการเดินทางระหว่างดวงดาวอย่างง่ายดาย มนุษย์จะต้องไปให้เร็วกว่าแสง แต่จนถึงตอนนี้ การเดินทางที่เร็วกว่าแสงเป็นไปได้ในนิยายวิทยาศาสตร์เท่านั้น

ใน ซีรีส์เรื่อง Foundationของ Issac Asimov มนุษยชาติสามารถเดินทางจากดาวหนึ่งไปยังอีกดาวหนึ่ง ดาวหนึ่งไปอีกดาวหนึ่ง หรือข้ามจักรวาลโดยใช้จัมป์ไดร์ฟ ตอนเป็นเด็ก ฉันอ่านเรื่องราวเหล่านี้มากที่สุดเท่าที่ฉันจะทำได้ ตอนนี้ฉันเป็นนักฟิสิกส์เชิงทฤษฎีและศึกษานาโนเทคโนโลยี แต่ฉันก็ยังรู้สึกทึ่งกับวิธีที่มนุษยชาติสามารถเดินทางในอวกาศได้ในวันหนึ่ง

ตัวละครบางตัว เช่น นักบินอวกาศในภาพยนตร์เรื่อง “Interstellar” และ “Thor” ใช้รูหนอนเพื่อเดินทางระหว่างระบบสุริยะในเวลาไม่กี่วินาที อีกแนวทางหนึ่งซึ่งแฟน ๆ “Star Trek” คุ้นเคยก็คือเทคโนโลยีขับเคลื่อนแบบวาร์ป ไดรฟ์ Warp เป็นไปได้ในทางทฤษฎีหากเทคโนโลยียังห่างไกล เอกสารล่าสุด 2 ฉบับพาดหัวข่าวในเดือนมีนาคม เมื่อนักวิจัยอ้างว่าได้เอาชนะหนึ่งในความท้าทายมากมายที่อยู่ระหว่างทฤษฎีการบิดเบี้ยวและความเป็นจริง

แต่แรงผลักดันทางทฤษฎีเหล่านี้ทำงานอย่างไร? และมนุษย์จะกระโดดไปสู่ความเร็ววาร์ปในเร็ว ๆ นี้หรือไม่?

การบีบอัดและการขยายตัว
ความเข้าใจในปัจจุบันของนักฟิสิกส์เกี่ยวกับกาลอวกาศมาจากทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของ อัลเบิร์ต ไอน์สไต น์ ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไประบุว่าอวกาศและเวลาถูกหลอมรวมกัน และไม่มีอะไรสามารถเดินทางได้เร็วกว่าความเร็วแสง ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปยังอธิบายว่ามวลและพลังงานแปรปรวนกาลอวกาศอย่างไร วัตถุขนาดใหญ่อย่างดาวฤกษ์และหลุมดำจะโค้งงอกาลอวกาศรอบๆ พวกมัน ความโค้งนี้เป็นสิ่งที่คุณรู้สึกว่าเป็นแรงโน้มถ่วง และเหตุใดฮีโร่ในอวกาศหลายคนจึงกังวลเกี่ยวกับการ “ติดอยู่ใน” หรือ “ตกลงไปใน” หลุมแรงโน้มถ่วง จอห์น แคมป์เบลล์ และอาซิมอฟ นักเขียนนิยายวิทยาศาสตร์ในยุคแรกๆมองว่าการบิดเบี้ยวนี้เป็นวิธีการหลบเลี่ยงความเร็วที่จำกัด

จะเกิดอะไรขึ้นถ้ายานอวกาศสามารถบีบอัดอวกาศข้างหน้าในขณะที่ขยายกาลอวกาศด้านหลัง “Star Trek” ได้แนวคิดนี้และตั้งชื่อมันว่า warp drive

ในปี พ.ศ. 2537 มิเกล อัลคูเบียร์เร นักฟิสิกส์ทฤษฎีชาวเม็กซิกัน ได้แสดงให้เห็นว่าการบีบกาลอวกาศด้านหน้ายานอวกาศขณะที่ขยายออกไปทางด้านหลังนั้นเป็นไปได้ทางคณิตศาสตร์ภายใต้กฎของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป. แปลว่าอะไร? ลองจินตนาการว่าระยะห่างระหว่างจุดสองจุดคือ 10 เมตร (33 ฟุต) หากคุณยืนอยู่ที่จุด A และสามารถเดินทางได้หนึ่งเมตรต่อวินาที จะต้องใช้เวลา 10 วินาทีเพื่อไปยังจุด B อย่างไรก็ตาม สมมติว่าคุณสามารถบีบอัดช่องว่างระหว่างคุณกับจุด B เพื่อให้ระยะห่างเหลือเพียงหนึ่งเมตร . จากนั้น เคลื่อนที่ผ่านกาลอวกาศด้วยความเร็วสูงสุดหนึ่งเมตรต่อวินาที คุณจะสามารถไปถึงจุด B ได้ภายในหนึ่งวินาที ตามทฤษฎีแล้ว วิธีการนี้ไม่ขัดแย้งกับกฎสัมพัทธภาพ เนื่องจากคุณไม่ได้เคลื่อนที่เร็วกว่าแสงในอวกาศรอบตัวคุณ Alcubierre แสดงให้เห็นว่าการขับวาร์ปจาก “Star Trek” นั้นเป็นไปได้ในทางทฤษฎี

Proxima Centauri มาแล้วใช่ไหม? น่าเสียดายที่วิธีบีบอัดกาลอวกาศของ Alcubierre มีปัญหาอย่างหนึ่ง นั่นคือต้องใช้พลังงานลบหรือมวลติดลบ
แรงขับวิปริตของ Alcubierre จะทำงานโดยสร้างฟองอากาศของกาลอวกาศรอบยานและบิดกาลอวกาศรอบๆ ฟองนั้นเพื่อลดระยะทาง การขับเคลื่อนแบบวาร์ปนั้นต้องการมวลติดลบ ซึ่งเป็นประเภทของสสารที่ถูกตั้งทฤษฎีไว้ หรือวงแหวนที่มีความหนาแน่นของพลังงานเป็นลบในการทำงาน นักฟิสิกส์ไม่เคยสังเกตมวลติดลบ จึงปล่อยให้พลังงานลบเป็นเพียงทางเลือกเดียว

ในการสร้างพลังงานเชิงลบ แรงขับแบบวาร์ปจะใช้มวลจำนวนมากเพื่อสร้างความไม่สมดุลระหว่างอนุภาคและปฏิอนุภาค ตัวอย่างเช่น ถ้าอิเล็กตรอนและแอนติอิเล็กตรอนปรากฏขึ้นใกล้กับตัวขับวาร์ป อนุภาคตัวใดตัวหนึ่งจะถูกมวลกักขังไว้ และส่งผลให้เกิดความไม่สมดุล ความไม่สมดุลนี้ส่งผลให้เกิดความหนาแน่นของพลังงานเป็นลบ แรงขับวิปริตของ Alcubierre จะใช้พลังงานเชิงลบนี้เพื่อสร้างฟองอากาศกาลอวกาศ

แต่เพื่อให้แรงขับวิปริตสร้างพลังงานเชิงลบได้มากพอ คุณจะต้องมีเรื่องมากมาย Alcubierre คาดการณ์ว่าไดรฟ์วิปริตที่มีฟองอากาศ 100 เมตรจะเป็นเช่นนั้นต้องการมวลของจักรวาลที่มองเห็นทั้งหมด.

ในปี 1999 Chris Van Den Broeck นักฟิสิกส์ได้แสดงให้เห็นว่าการขยายปริมาตรภายในฟองแต่การรักษาพื้นที่ผิวให้คงที่นั้นลดความต้องการพลังงานลงอย่างมากไปจนถึงมวลเกือบเท่าดวงอาทิตย์ การปรับปรุงที่สำคัญ แต่ก็ยังไกลเกินกว่าความเป็นไปได้ในทางปฏิบัติทั้งหมด

อนาคตไซไฟ?
เอกสารล่าสุดสองฉบับ – หนึ่งฉบับAlexey Bobrick และ Gianni Martireและอีกอันโดยเอริก เลนต์ซ– จัดหาวิธีแก้ปัญหาที่ดูเหมือนจะนำการวาร์ปเข้าใกล้ความเป็นจริงมากขึ้น

Bobrick และ Martire ตระหนักว่าการปรับเปลี่ยนกาลอวกาศภายในฟองสบู่ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง พวกเขาสามารถขจัดความจำเป็นในการใช้พลังงานเชิงลบได้ วิธีแก้ปัญหานี้ไม่ได้สร้าง warp drive ที่สามารถไปได้เร็วกว่าแสง

Lentz ยังเสนอวิธีแก้ปัญหาที่ไม่ต้องใช้พลังงานเชิงลบ เขาใช้วิธีการทางเรขาคณิตที่แตกต่างออกไปเพื่อแก้สมการของทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป และโดยการทำเช่นนั้น เขาพบว่าแรงขับวาร์ปไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานเชิงลบ วิธีแก้ปัญหาของ Lentz จะทำให้ฟองสบู่เดินทางได้เร็วกว่าความเร็วแสง

สิ่งสำคัญคือต้องชี้ให้เห็นว่าการพัฒนาที่น่าตื่นเต้นเหล่านี้เป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ ในฐานะนักฟิสิกส์ ฉันจะไม่เชื่อถือแบบจำลองทั้งหมดจนกว่าเราจะมีหลักฐานการทดลอง ถึงกระนั้น วิทยาศาสตร์ของการขับเคลื่อนวิปริตกำลังปรากฏให้เห็น ในฐานะแฟนนิยายวิทยาศาสตร์ ฉันยินดีต้อนรับความคิดสร้างสรรค์ทั้งหมดนี้ ในคำพูดของกัปตัน Picardสิ่งต่าง ๆ เป็นไปไม่ได้จนกว่าพวกเขาจะไม่เป็นเช่นนั้น