Alcubierre stasjon - Alcubierre drive

To-dimensjonal visualisering av en Alcubierre-stasjon, som viser de motsatte områdene av ekspanderende og kontraherende romtid som fortrenger den sentrale regionen

Den Alcubierre stasjonen , Alcubierre warp , eller Alcubierre metrisk (henviser til metriske tensoren ) er en spekulativ warp idé basert på en løsning av Einsteins feltligninger i den generelle relativitetsteorien som foreslått av teoretisk fysiker Miguel Alcubierre under sitt PhD-studiet ved University of Wales , Cardiff, der et romfartøy kunne oppnå tilsynelatende raskere reise enn lys hvis et konfigurerbart energitetthetsfelt lavere enn vakuum (det vil si negativ masse ) kunne opprettes.

I stedet for å overskride lysets hastighet i en lokal referanseramme , ville et romfartøy krysse avstander ved å trekke plass foran det og utvide rommet bak det, noe som resulterer i effektiv hurtigere reise enn lys. Objekter kan ikke akselerere til lysets hastighet innen normal romtid ; i stedet forskyver Alcubierre -stasjonen plass rundt et objekt slik at objektet ville komme frem til destinasjonen raskere enn lyset ville gjort i normalt rom uten å bryte fysiske lover .

Selv om beregningen foreslått av Alcubierre er i samsvar med Einstein -feltligningene, er konstruksjon av en slik stasjon ikke nødvendigvis mulig. Den foreslåtte mekanismen for Alcubierre -stasjonen innebærer en negativ energitetthet og krever derfor eksotisk materiale eller manipulering av mørk energi . Hvis eksotisk materiale med de riktige egenskapene ikke kan eksistere, kan ikke stasjonen konstrueres. På slutten av den opprinnelige artikkelen argumenterte imidlertid Alcubierre (etter et argument utviklet av fysikere som analyserte traverbare ormehull ) at Casimir-vakuumet mellom parallelle plater kunne oppfylle kravet til negativ energi for Alcubierre-stasjonen.

Et annet mulig problem er at selv om metoden Alcubierre er i samsvar med Einsteins ligninger, inneholder generell relativitet ikke kvantemekanikk . Noen fysikere har presentert argumenter som antyder at en teori om kvantegravitasjon (som ville inkorporere begge teoriene) ville eliminere de løsningene i generell relativitet som gir rom for tidsreise bakover ( se formodningen om kronologisk beskyttelse ) og dermed gjøre Alcubierre -stasjonen ugyldig.

Historie

I 1994 foreslo Miguel Alcubierre en metode for å endre romets geometri ved å lage en bølge som ville få romstoffet foran et romfartøy til å trekke seg sammen og rommet bak det ekspandere. Skipet ville deretter sykle med denne bølgen inne i et område med flat plass, kjent som en warp bubble , og ville ikke bevege seg innenfor denne boblen, men i stedet bli båret med seg mens regionen selv beveger seg på grunn av handlingene til stasjonen.

Alcubierre metrisk

Alcubierre- metrikken definerer warp-drive romtiden . Det er et Lorentziansk mangfold som, hvis det blir tolket i sammenheng med generell relativitet , lar en warpboble dukke opp i tidligere flat romtid og bevege seg bort med en raskere hastighet enn lyshastighet. Det indre av boblen er en treghetsreferanseramme og innbyggerne opplever ingen skikkelig akselerasjon. Denne transportmetoden involverer ikke objekter i bevegelse med raskere enn lyshastigheter med hensyn til innholdet i varpeboblen; det vil si at en lysstråle i varpsboblen fortsatt alltid ville bevege seg raskere enn skipet. Fordi objekter i boblen ikke beveger seg (lokalt) raskere enn lys, er den matematiske formuleringen av Alcubierre -metriken i samsvar med de konvensjonelle påstandene om relativitetens lover (nemlig at et objekt med masse ikke kan oppnå eller overskride lysets hastighet ) og konvensjonelle relativistiske effekter som tidsutvidelse vil ikke gjelde som de ville med konvensjonell bevegelse ved hastigheter nær lys.

Alcubierre -stasjonen er fortsatt et hypotetisk konsept med tilsynelatende vanskelige problemer, selv om mengden energi som kreves ikke lenger antas å være uoppnåelig stor. Videre hevder Alexey Bobrick og Gianni Martire at i prinsippet kan en klasse med subluminale, sfærisk symmetriske varpedrev mellomrom konstrueres basert på fysiske prinsipper som for tiden er kjent for menneskeheten, for eksempel positiv energi.

Matematikk

Ved å bruke ADM-formalismen for generell relativitet , blir romtiden beskrevet av en foliering av romlignende overflater med konstant koordinattid t , hvor metrikken har følgende generelle form:

hvor

  • α er forløpsfunksjonen som gir intervallet mellom riktig tid mellom nærliggende overflater,
  • β i er skiftvektoren som relaterer de romlige koordinatsystemene på forskjellige overflater,
  • γ ij er en positiv-bestemt metrikk på hver av overflatene.

Den spesielle formen som Alcubierre studerte er definert av:

hvor

med vilkårlige parametere R > 0 og σ > 0 . Alcubierres spesifikke form for metriket kan dermed skrives

Med denne spesifikke formen for metriket kan det vises at energitettheten målt av observatører hvis 4-hastighet er normal for overflatene er gitt av

hvor g er determinanten for den metriske tensoren .

Fordi energitettheten er negativ, trenger man derfor eksotisk materiale for å reise raskere enn lysets hastighet. Eksistensen av eksotisk materie er ikke teoretisk utelukket; Imidlertid antas det å være upraktisk å generere og opprettholde nok eksotisk materie til å utføre bragder som raskere enn lysreise (og å holde "halsen" på et ormhull åpen ). I følge forfatter Robert Low, er det innenfor konteksten for generell relativitet umulig å konstruere en vridningsdrift i fravær av eksotisk materie.

Tilkobling til mørk energi og mørk materie

Se også: Negativ masse

Astrofysiker Jamie Farnes fra University of Oxford har foreslått en teori, publisert i det fagfellevurderte vitenskapelige tidsskriftet Astronomy & Astrophysics , som forener mørk energi og mørk materie til en enkelt mørk væske , og som kan testes med nye vitenskapelige instrumenter rundt 2030 Farnes fant ut at Albert Einstein hadde utforsket ideen om gravitasjonelt frastøtende negative masser mens han utviklet likningene for generell relativitet , en idé som fører til en "vakker" hypotese der kosmos har like mange positive og negative kvaliteter. Farnes 'teori er avhengig av negative masser som oppfører seg identisk med fysikken til Alcubierre-stasjonen, og gir en naturlig løsning for den nåværende "krisen i kosmologi" på grunn av en tidsvariabel Hubble-parameter .

Ettersom Farnes 'teori tillater at en positiv masse (dvs. et skip) når en hastighet som er lik lysets hastighet, har den blitt kalt "kontroversiell". Hvis teorien er korrekt, som har vært sterkt debattert i vitenskapelig litteratur, ville den forklare mørk energi, mørk materie, tillate lukkede tidlignende kurver (se tidsreiser ) og antyde at en Alcubierre -stasjon fysisk er mulig med eksotisk materie .

Fysikk

Når det gjelder visse spesifikke effekter av spesiell relativitet, for eksempel Lorentz -sammentrekning og tidsutvidelse , har Alcubierre -metrikken noen tilsynelatende særegne aspekter. Spesielt har Alcubierre vist at et skip som bruker en Alcubierre-stasjon, reiser på et geodesisk fritt fall, selv om warpboblen akselererer: mannskapet vil være i fritt fall mens det akselererer uten å oppleve akselerasjonsg -krefter . Enorme tidevannskrefter ville imidlertid være tilstede nær kantene på flat-space volumet på grunn av den store romkrumningen der, men passende spesifikasjon av metrikken ville holde tidevannskreftene svært små innenfor volumet som skipet okkuperte.

Den opprinnelige metoden for warp-drive og enkle varianter av den har tilfeldigvis ADM-formen , som ofte brukes for å diskutere den opprinnelige verdiformuleringen av generell relativitet. Dette kan forklare den utbredte misforståelsen om at denne romtiden er en løsning på feltligningen for generell relativitet. Beregninger i ADM -form er tilpasset en viss familie av treghetsobservatører, men disse observatørene skiller seg egentlig ikke fysisk fra andre slike familier. Alcubierre tolket sin "warp bubble" i form av en sammentrekning av plass foran boblen og en ekspansjon bak, men denne tolkningen kan være misvisende, siden sammentrekningen og utvidelsen faktisk refererer til den relative bevegelsen til medlemmer i nærheten av familien til ADM -observatører .

I generell relativitet spesifiserer man ofte først en plausibel fordeling av materie og energi, og finner deretter geometrien til romtiden knyttet til den; men det er også mulig å kjøre Einstein -feltligningene i den andre retningen, først spesifisere en metrikk og deretter finne energimoment -tensoren knyttet til den, og dette er hva Alcubierre gjorde for å bygge sin metrikk. Denne praksisen betyr at løsningen kan bryte ulike energibetingelser og kreve eksotisk materiale . Behovet for eksotisk materie reiser spørsmål om hvorvidt man kan distribuere saken i en innledende romtid som mangler en warpboble på en slik måte at boblen blir opprettet på et senere tidspunkt, selv om noen fysikere har foreslått modeller for dynamiske warp-drive mellomrom i som en varpeboble dannes i et tidligere flatt rom. Videre krever det ifølge Serguei Krasnikov å generere en boble i et tidligere flatt rom for en enveis FTL-tur å tvinge det eksotiske stoffet til å bevege seg med lokale raskere enn lyshastigheter, noe som vil kreve eksistensen av takyoner , selv om Krasnikov også bemerker at når romtiden ikke er flat fra begynnelsen, kan et lignende resultat oppnås uten takyoner ved å forhåndsplassere noen enheter langs kjørebanen og programmere dem til å komme i drift på forhåndsordnede øyeblikk og til å operere på en forhåndstildelt måte. Noen foreslåtte metoder unngår problemet med takyonisk bevegelse, men vil trolig generere en naken singularitet på forsiden av boblen. Allen Everett og Thomas Roman kommenterer Krasnikovs funn ( Krasnikov -rør ):

[Funnet] betyr ikke at Alcubierre -bobler, hvis det var mulig å lage dem, ikke kunne brukes som et middel for superluminal reise. Det betyr bare at handlingene som kreves for å endre metriken og lage boblen må utføres på forhånd av en observatør hvis lyskegle fremover inneholder hele boblens bane.

For eksempel, hvis man ønsket å reise til Deneb (2600 lysår unna) og komme mindre enn 2600 år i fremtiden i henhold til eksterne klokker, ville det være nødvendig at noen allerede hadde begynt arbeidet med å forvride rommet fra jorden til Deneb minst 2600 år siden:

Et romskip som er passende plassert i forhold til boblebanen, kan da velge å gå inn i boblen, snarere som en passasjer som fanger en forbipasserende vogn, og dermed gjøre den superluminale reisen ... som Krasnikov påpeker, årsakssammenheng forhindrer ikke mannskapet på et romskip fra å arrangere, ved sine egne handlinger, å fullføre en rundtur fra jorden til en fjern stjerne og tilbake på vilkårlig kort tid, målt ved klokker på jorden, ved å endre metriken langs veien for deres utreise.

Vanskeligheter

Metriken til denne formen har betydelige vanskeligheter fordi alle kjente teorier om vridning av romtiden bryter med forskjellige energibetingelser . Likevel kan en kjededrift av Alcubierre-typen realiseres ved å utnytte visse eksperimentelt verifiserte kvantefenomener, for eksempel Casimir-effekten , som fører til stressenergitensorer som også bryter energibetingelsene, for eksempel negativ masseenergi , når det er beskrevet i konteksten til kvantefeltteoriene.

Masse - energibehov

Hvis visse kvantemessige ulikheter som Ford og Roman antar holder, kan energikravene for noen kjededrev være både umulig store og negative. For eksempel kan energikvivalenten på −10 64 kg være nødvendig for å transportere et lite romskip over Melkeveien - en mengde størrelsesordener større enn den estimerte massen av det observerbare universet . Motargumenter mot disse tilsynelatende problemene har også blitt tilbudt.

Chris Van Den Broeck ved Katholieke Universiteit Leuven i Belgia, i 1999, prøvde å løse de potensielle problemene. Ved å trekke sammen det 3+1-dimensjonale overflatearealet på boblen som transporteres av drivenheten, samtidig som det utvidede tredimensjonale volumet inne, var Van Den Broeck i stand til å redusere den totale energien som trengs for å transportere små atomer til mindre enn tre solmasser . Senere i 2003, ved å endre Van den Broeck -metrikken litt, reduserte Serguei Krasnikov den nødvendige totale mengden negativ masse til noen få milligram. Van Den Broeck detaljerte dette med å si at den totale energien kan reduseres dramatisk ved å holde overflaten til selve varpboblen mikroskopisk liten, samtidig som det utvider det romlige volumet inne i boblen. Van Den Broeck konkluderer imidlertid med at energitettheten som kreves fremdeles er utilgjengelig, det samme er den lille størrelsen (noen få størrelsesordener over Planck -skalaen ) til romtiden som kreves.

I 2012 kunngjorde fysiker Harold White og samarbeidspartnere at endring av geometrien til eksotisk materiale kan redusere masseenergibehovet for et makroskopisk romskip fra ekvivalenten til planeten Jupiter til romfartøyet Voyager 1 (ca. 700 kg) eller mindre , og uttalte at de hadde til hensikt å utføre småskala eksperimenter for å konstruere varpefelt. White foreslo å tykne den ekstremt tynne veggen i varpboblen, så energien fokuseres i et større volum, men den totale energitettheten er faktisk mindre. I en flat 2D -representasjon blir ringen av positiv og negativ energi, i utgangspunktet veldig tynn, en større, uklar donutform. Men ettersom denne mindre energiske warpboblen også tykner mot det indre området, etterlater den mindre flat plass til å huse romfartøyet, som må være mindre. Videre, hvis intensiteten til mellomrommet kan oscilleres over tid, reduseres energien som kreves enda mer. I følge White kan et modifisert Michelson - Morley interferometer teste ideen: Et av beina på interferometeret ser ut til å ha en litt annen lengde når testenhetene ble aktivert. Alcubierre har uttrykt skepsis til eksperimentet og sagt: "etter min forståelse er det ingen måte det kan gjøres, sannsynligvis ikke i århundrer om i det hele tatt".

Plassering av materie

Krasnikov foreslo at hvis takyonisk materiale ikke kan bli funnet eller brukt, kan en løsning være å arrangere masser langs fartøyets bane slik at det nødvendige feltet ble produsert. Men i dette tilfellet kan Alcubierre -drivfartøyet bare reise ruter som i likhet med en jernbane først har blitt utstyrt med den nødvendige infrastrukturen. Piloten inne i boblen er kausalt frakoblet veggene og kan ikke utføre noen handling utenfor boblen: boblen kan ikke brukes for den første turen til en fjern stjerne fordi piloten ikke kan plassere infrastruktur foran boblen mens den er "i transitt". For eksempel krever reise til Vega (som er 25 lysår fra jorden) å ordne alt slik at boblen beveger seg mot Vega med en superluminal hastighet; slike ordninger vil alltid ta mer enn 25 år.

Coule har hevdet at ordninger, slik som den som er foreslått av Alcubierre, er umulige fordi materie som er plassert underveis for den tiltenkte banen til et fartøy må plasseres med superluminal hastighet - at konstruksjon av en Alcubierre -stasjon krever en Alcubierre -stasjon selv om metrikken som tillater det er fysisk meningsfylt. Coule argumenterer videre med at en analog innvending vil gjelde for enhver foreslått metode for å konstruere en Alcubierre -stasjon.

Overlevelsesevne inne i boblen

En artikkel av José Natário (2002) argumenterer for at besetningsmedlemmer ikke kunne kontrollere, styre eller stoppe skipet i varpboblen fordi skipet ikke kunne sende signaler til forsiden av boblen.

En artikkel fra 2009 av Carlos Barceló, Stefano Finazzi og Stefano Liberati bruker kvanteteori for å argumentere for at Alcubierre-kjøringen med raskere enn lyshastigheter er umulig, hovedsakelig fordi ekstremt høye temperaturer forårsaket av Hawking-stråling ville ødelegge alt inne i boblen ved superluminale hastigheter og destabilisere selve boblen; artikkelen argumenterer også for at disse problemene er fraværende hvis boblehastigheten er subluminal, selv om stasjonen fortsatt krever eksotisk materiale.

Skadelig effekt på destinasjonen

Brendan McMonigal, Geraint F. Lewis og Philip O'Byrne har argumentert for at et parti som bobla hadde samlet seg under transitt, ville bli frigitt i energiske utbrudd som lignet på den uendelig blåskiftede strålingen, fordi det var et Alcubierre-drevet skip antas å skje ved den indre hendelseshorisonten til et Kerr -svart hull ; fremovervendte partikler ville dermed være energiske nok til å ødelegge alt på destinasjonen rett foran skipet.

veggtykkelse

Mengden negativ energi som kreves for en slik fremdrift er ennå ikke kjent. Pfenning og Allen Everett fra Tufts mener at en warpboble som beveger seg med 10 ganger lysets hastighet må ha en veggtykkelse på ikke mer enn 10 −32 meter-nær den begrensende Planck-lengden , 1,6 × 10 −35 meter. I Alcubierres originale beregninger vil en boble makroskopisk stor nok til å omslutte et skip på 200 meter kreve en total mengde eksotisk materie som er større enn massen i det observerbare universet, og å belaste det eksotiske stoffet til et ekstremt tynt bånd på 10–32 meter er anses upraktisk. Lignende begrensninger gjelder Krasnikovs superluminale T -bane . Chris Van den Broeck konstruerte en modifikasjon av Alcubierres modell som krever mye mindre eksotisk materiale, men plasserer skipet i en buet rom-tid "flaske" hvis hals er omtrent 10 −32 meter.

Kausalitetsbrudd og semiklassisk ustabilitet

Beregninger av fysiker Allen Everett viser at warpbobler kan brukes til å lage lukkede, liknende kurver i generell relativitet, noe som betyr at teorien forutsier at de kan brukes til tidsreiser bakover . Selv om det er mulig at de grunnleggende fysikklovene kan tillate lukkede, virkelighetsnære kurver, antar kronologibeskyttelsesformodningen at i alle tilfeller der den klassiske teorien om generell relativitet tillater dem, ville kvanteeffekter gripe inn for å eliminere muligheten, noe som gjør disse romtiden umulige å realisere . En mulig type effekt som ville oppnå dette er en oppbygging av vakuumfluktuasjoner på grensen til romtiden der tidsreiser først ville bli mulig, noe som får energitettheten til å bli høy nok til å ødelegge systemet som ellers ville bli en tidsmaskin . Noen resultater i semiklassisk tyngdekraft ser ut til å støtte antagelsen, inkludert en beregning som spesifikt omhandler kvanteeffekter i warp-drive-romtiden som antydet at warpbobler ville være semiklassisk ustabile, men til syvende og sist kan formodningen bare avgjøres av en full teori om kvantegravitasjon .

Alcubierre diskuterer kort noen av disse problemene i en serie forelesningsglass som er lagt ut på nettet, hvor han skriver: "pass på: i relativitet kan enhver metode for å reise raskere enn lys i prinsippet brukes til å reise tilbake i tid (en tidsmaskin)". I det neste lysbildet tar han fram formodningen om kronologisk beskyttelse og skriver: "Formodningen er ikke bevist (den ville ikke vært en formodning hvis den hadde det), men det er gode argumenter til fordel for den basert på kvantefeltteorien. Den forbyr ikke raskere enn lysreiser. Den sier bare at hvis en metode for å reise raskere enn lys eksisterer, og man prøver å bruke den til å bygge en tidsmaskin, vil noe gå galt: energien som samles opp vil eksplodere, eller det vil lage et svart hull. "

Forholdet til Star Trek warp drive

De Star Trek TV-serier og filmer bruker begrepet "warp drive" for å beskrive deres metode for raskere enn lyset reise. Verken Alcubierre -teorien eller noe lignende eksisterte da serien ble unnfanget - begrepet "warp drive" og det generelle konseptet stammer fra John W. Campbells science fiction -roman Islands of Space fra 1931 . Alcubierre uttalte i en e -post til William Shatner at teorien hans var direkte inspirert av begrepet som ble brukt i showet og siterer "" warp drive "av science fiction" i sin artikkel fra 1994. En USS Alcubierre dukker opp i Star Trek RPG Star Trek Adventures .

Se også

Merknader

Referanser

Eksterne linker