Propulsão Alcubierre

A Medida alcubierre define a chamada propulsão de dobra espacial. Esta é um tubo de Lorentzian que, se interpretada no contexto da relatividade geral, apresenta características parecidas com a dobra espacial de Jornada nas Estrelas: uma bolha de dobra aparece no anteriormente plano tecido do espaço-tempo e se move a velocidade superluminal de forma efetiva. Os habitantes da bolha não sentem efeitos inerciais. Os objetos dentro da bolha não viajam (localmente) mais rápida do que a luz, em vez disso, o espaço à sua volta se move para que os objetos cheguem ao seu destino mais rápido do a luz viajaria, caso a viagem se fizesse em espaço normal.[2]

Alcubierre escolheu uma forma específica para a função ${\displaystyle f}$, mas outras formas podem exibir de forma mais clara e simples os efeitos da Propulsão de Dobra. Além disso, Alexey Bobrick e Gianni Martire afirmam que, em princípio, uma classe de dobras subluminais e esféricas podem ser construídas com base em princípios físicos atualmente conhecidos da humanidade, como a energia positiva.[3]

Utilizando o formalismo 3+1 da relatividade geral, o espaço-tempo é descrito por uma foliação de uma hipersuperfície com coordenada de tempo ${\displaystyle t}$ constante. A forma geral da medida de Alcubierre é:

${\displaystyle ds^{2}=-\left(\alpha ^{2}-\beta _{i}\beta ^{i}\right)\,dt^{2}+2\beta _{i}\,dx^{i}\,dt+\gamma _{ij}\,dx^{i}\,dx^{j}}$

onde ${\displaystyle \alpha }$ é a função que dá o intervalo de tempo adequado entre hipersuperfícies próximas, ${\displaystyle \beta ^{i}}$ é o vetor que relaciona o deslocamento espacial em diferentes sistemas de coordenadas e hipersuperfícies e ${\displaystyle \gamma _{ij}}$ é uma métrica positiva definida em cada uma das hipersuperfícies. A forma particular do estudo de Alcubierre[1] é definida da seguinte forma:

${\displaystyle \alpha =1\,}$

${\displaystyle \beta ^{x}=-v_{s}(t)f\left(r_{s}(t)\right),}$

${\displaystyle \beta ^{y}=\beta ^{z}=0\,\!}$

${\displaystyle \gamma _{ij}=\delta _{ij}\,\!}$

onde

${\displaystyle v_{s}(t)={\frac {dx_{s}(t)}{dt}},}$

${\displaystyle r_{s}(t)={\sqrt {(x-x_{s}(t))^{2}+y^{2}+z^{2}}}}$

e

${\displaystyle f(r_{s})={\frac {\tanh(\sigma (r_{s}+R))-\tanh(\sigma (r_{s}-R))}{2\tanh(\sigma R)}}}$

com ${\displaystyle R>0}$ e ${\displaystyle \sigma >0}$ são parâmetros arbitrários. Dessa forma, o formato específico da medida de Alcubierre pode ser escrita da seguinte forma:

${\displaystyle ds^{2}=\left(v_{s}(t)^{2}f(r_{s}(t))^{2}-1\right)\,dt^{2}-2v_{s}(t)f(r_{s}(t))\,dx\,dt+dx^{2}+dy^{2}+dz^{2}}$

Com esta forma particular da medida, é possível provar que a densidade energética medida por observadores cuja velocidade é a normal à das hipersuperfícies é dada por

${\displaystyle -{\frac {c^{4}}{8\pi G}}{\frac {v_{s}^{2}(x^{2}+y^{2})}{4g^{2}r_{s}^{2}}}\left({\frac {df}{dr_{s}}}\right)^{2}}$

onde ${\displaystyle g}$ é o determinante para a medida tensor. Assim, como a densidade de energia necessária é negativa, é necessário um tipo de matéria exótica para que a viagem mais rápida que a luz possa ser alcançada.[1] A existência de matéria exótica não é teoricamente excluída, o efeito Casimir e a aceleração do Universo são indícios que apoiam a existência de tal tipo de matéria.

De qualquer forma, tudo indica que a geração e a sustentação da quantidade necessária de matéria exótica para esse tipo de viagem mais rápido que a luz é impraticável.

Alguns tem argumentado que, no contexto da relatividade geral, seria impossível construir um motor de dobra espacial sem que seja utilizada alguma matéria exótica.[4] Geralmente acredita-se que uma teoria quântica da gravidade poderá resolver esse problema.

Para aqueles familiarizados com os efeitos da relatividade especial, tal como a dilatação do tempo, a métrica Alcubierre aparentemente tem alguns aspectos peculiares. Em particular, Alcubierre demonstrou que, mesmo quando a nave espacial está acelerando, ela viaja em queda livre. Em outras palavras, uma nave usando a dobra para acelerar e desacelerar estará sempre em queda livre, e a tripulação não teria nenhuma sensação de aceleração. Enormes forças gravitacionais estarão presentes junto à fronteira da bolha de dobra, devido à grande curvatura do espaço lá, mas de acordo com a especificação da medida, estas seriam muito pequenas dentro do volume ocupado pela nave.

A forma original da teoria de dobra, e as variações mais simples dela, foram escritas com o formalismo de Arnowitt, Deser e Misner, que é frequentemente utilizado em discutir a forma inicial da relatividade geral. Isto pode explicar o equívoco generalizado de que este espaço-tempo é uma solução da equação de campo relatividade geral. Métricas escritas dentro do formalismo ADM são adaptadas a uma determinada família de observadores inerciais, mas os observadores não são fisicamente distinguíveis das outras famílias. Alcubierre interpretou esta "bolha de dobra" em termos de contração do espaço à frente da bolha e expansão atrás. Mas essa interpretação pode ser ilusória,[5] uma vez que a contração e expansão atualmente se referem ao movimento relativo próximo de observadores do tipo da família ADM.

Na relatividade geral, primeiramente se especifica uma distribuição de matéria e energia de forma plausível, e em seguida se verifica a geometria do espaço-tempo associado. Mas também é possível solucionar as equações de campo de Einstein na outra direção: primeiro especificando uma medida e, em seguida, encontrando um tensor associado a ela. Foi isso que Alcubierre fez. Esta forma significa que a solução pode violar diversas condições de energia e requerer matéria exótica. A necessidade de matéria exótica leva à questão de se é realmente possível encontrar uma forma de distribuir a matéria em um espaço-tempo inicial onde não exista uma "bolha de dobra", de forma a criar essa bolha posteriormente. Mas ainda existe outro problema, de acordo com Serguei Krasnikov,[6] pode ser impossível criar a bolha sem que se force a matéria exótica a se mover mais rápido que a luz, o que implicaria na existência de táquions. Alguns métodos têm sido sugeridos para evitar o problema da movimento taquiônico, mas provavelmente iriam gerar uma singularidade nua na frente da bolha.[7][8]

A resolução de dificuldades em criar do motor de dobra espacial é possível usando várias formas de forma separada ou integrando-as.

Uma forma possível é baseando-se nas propriedades quânticas do espaço e na Energia Negativa. Cientistas descobriram com o Efeito Casimir que duas placas no vácuo se juntam devido a pressão das partículas virtuais em volta das placas ser maior do que entre as placas, o que contrai o espaço entre as placas e expande o espaço em volta delas, e que a surge uma da força de atração entre as placas é denominada Energia Negativa e que quanto mais próximo estão as placas mais surge Energia Negativa atraindo mais forte as placas.[11][12][13] Também é possível dizer como faz Morgan Freeman em Grandes Mistérios do Universo que a força da Energia Negativa entre as placas expande o espaço em volta, ou como faz Michio Kaku indiretamente em Física do Impossível que a força da Energia Negativa atrai as placas.

Com essas informações torna possível criar o motor de dobra espacial. Para tanto bastaria aproveitar as partículas virtuais presentes no vácuo quântico e a força da Energia Negativa e Positiva que se criaria no espaço. A forma seria empurrar as partículas virtuais a frente da nave para trás, pois quando empurrasse as partículas virtuais da frente da nave para atrás da nave, a energia atrás da nave se tornaria positiva pelo aumento da quantidade de partículas virtuais e a pressão das partículas virtuais atrás da nave afastaria a nave e o planeta de partida expandindo o espaço entre eles. Já a energia na frente da nave pela retirada de partículas virtuais se tornaria negativa, fazendo oposto que a energia positiva, o que atrairia a nave e o planeta de destino um em direção ao outro contraindo o espaço entre eles. Retirar as partículas virtuais a frente da nave seria semelhante a retirar o ar e as partículas virtuais de dentro de uma sacola, onde contrai o espaço de dentro da sacola por existir pressão atmosférica fora da sacola e por diminuir a curvatura do espaço-tempo de dentro da sacola, assim retirar as partículas virtuais a frente da nave contrairia o espaço a frente da nave pelos mesmos motivos que da sacola e também como mostra o exemplo da sacola para ter espaço é necessário ter elementos físicos presentes.

Outra forma possível de criar o motor de dobra espacial foi apresentado no documentário O Universo, que consistiria em canalizar a energia de um mini-buraco negro ( que criaria uma intensa curvatura do espaço-tempo devido a sua densidade) pendurado na parte da frente da nave para contrair o espaço a frente, e utilizando a energia escura (que é responsável pela aceleração da expansão do espaço físico do Universo) para expandir o espaço atrás.

A respeito de como criar um mini-buraco negro para contrair o espaço a frente da nave, cientistas simularam em supercomputadores colisões entre as partículas perto da velocidade da luz. As simulações que fizeram demonstraram que os buracos negros podem formar-se em energias mais baixas do que se pensava antes.[14]

Já sobre como criar a energia escura para expandir o espaço atrás, os físicos Drs. Gerald Cleaver e Richard Obousy afirmam que seria necessário manipular a 11ª dimensão para criar energia escura. Eles se baseiam na Teoria-M que afirma que existe uma dimensão de tempo e dez de espaço.[15]

• Propulsão de naves espaciais

• The Alcubierre Warp Drive by John G. Cramer
• The warp drive: hyper-fast travel within general relativity - Alcubierre's original paper (PDF File)
• Problems with Warp Drive Examined - (PDF File)
• Marcelo B. Ribeiro's Page on Warp Drive Theory
• A short video clip of the hypothetical effects of the warp drive.
• Doc Travis S. Taylor's website
  • Baen Webscription link to Warp Speed
  • Baen CD e-copy of Warp Speed^{[ligação inativa]}
• The (Im) Possibility of Warp Drive (Van Den Broeck)
• Reduced Energy Requirements for Warp Drive (Loup, Waite)
• Warp Drive Space-Time (González-Díaz)
• «Ideas Based On What We'd Like To Achieve». NASA. Consultado em 5 de julho de 2009. Arquivado do original em 9 de abril de 2013 It describes the concept in laymans terms