Ταχύτερα από το φως - με την άδεια του Αϊνστάιν

Το διαστημόπλοιο «Εντερπράιζ» της τηλεοπτικής σειρά «Σταρ Τρεκ» ταξίδευε με υπερφωτεινή ταχύτητα

Η πρόσφατη απόδειξη ότι η αρχική ανακοίνωση για την παρατήρηση υπερφωτεινών νετρίνων από τους ανιχνευτές του Γκραν Σάσο (Gran Sasso) της Ιταλίας οφειλόταν σε πειραματικό σφάλμα επιβεβαίωσε, για μια ακόμη φορά, την ισχύ της Θεωρίας της Σχετικότητας. 

Ταυτόχρονα όμως ενίσχυσε και μια λανθασμένη ιδέα που έχει επικρατήσει λίγο-πολύ στο ευρύ κοινό, ότι δηλαδή η θεωρία αυτή δεν επιτρέπει σε οποιοδήποτε υλικό σώμα να ταξιδέψει πιο γρήγορα από μια φωτεινή ακτίνα.  

Η αλήθεια είναι ότι κάτι  τέτοιο μπορεί να επιτευχθεί, και μάλιστα πάντα στο πλαίσιο της Γενικής Θεωρίας της Σχετικότητας. Μέχρι στιγμής έχουν προταθεί δύο μέθοδοι για την επίτευξη αυτού του φαινομενικά εξωπραγματικού στόχου: η κοσμική σήραγγα και η στρέβλωση του χωροχρόνου.

 

Το αξιοσημείωτο είναι ότι και οι δύο μέθοδοι έχουν ήδη εμφανισθεί σε ταινίες επιστημονικής φαντασίας: η πρώτη στην ταινία Επαφή (Contact) και η δεύτερη στην τηλεοπτική σειρά «Σταρ Τρεκ».

 

Η ιδέα για ταξίδια με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός ξεκινάει από την επιθυμία των ανθρώπων να επισκεφθούν εξωπλανήτες που περιφέρονται γύρω από άλλα αστέρια (και όχι γύρω από τον Ηλιο), σε συνδυασμό με τις τεράστιες αποστάσεις των αστεριών αυτών από το δικό μας ηλιακό σύστημα. 

 

Με τις ταχύτητες που πετυχαίνουν  τα σημερινά διαστημόπλοια, για παράδειγμα το «Voyager-1», θα χρειαζόμασταν 72.000 χρόνια για να φτάσουμε στο κοντινότερο σε εμάς αστέρι, στον α Κενταύρου, και 1,5 δισεκατομμύρια χρόνια για να φτάσουμε σε ένα αστέρι στην άλλη άκρη του Γαλαξία μας. 

 

Αλλά ακόμη και αν το διαστημόπλοιό μας ταξίδευε με την ταχύτητα του φωτός, θα χρειαζόμασταν τέσσερα χρόνια για τον α Κενταύρου και 75 εκατομμύρια χρόνια για το μακρινότερο αστέρι του Γαλαξία μας. Η προφανής λύση στο πρόβλημα της μεγάλης διάρκειας των διαστρικών ταξιδιών είναι η κίνηση με υπερφωτεινή ταχύτητα, αν βέβαια γίνει ποτέ δυνατό να επιτευχθεί κάτι τέτοιο.

Σκουληκότρυπα ή το «άλλο μονοπάτι»

 

 

Η πρώτη επιστημονικά τεκμηριωμένη πρόταση για διαστρικά ταξίδια με υπερφωτεινές ταχύτητες έγινε το 1935 από τους Αϊνστάιν και Ρόζεν. Η ιδέα τους ήταν ότι είναι δυνατό μεταξύ δύο σημείων του Διαστήματος να υπάρχει και δεύτερος δρόμος, συντομότερος από αυτόν που ακολουθεί το φως. 

 

Με αυτόν τον τρόπο η διάρκεια του ταξιδιού για ένα μακρινό αστέρι είναι δυνατό να γίνει συντομότερη από τη διάρκεια διάδοσης του φωτός, όχι επειδή το διαστημόπλοιο κινείται γρηγορότερα από το φως αλλά επειδή ακολουθεί συντομότερο δρόμο. 

 

Ετσι έχουμε ένα αποτέλεσμα που ικανοποιεί τόσο την επιθυμία μας για πραγματοποίηση διαστρικών ταξιδιών σε «λογικά» χρονικά πλαίσια, όσο και την απαίτηση της Θεωρίας της Σχετικότητας να μην ξεπερνάμε ποτέ την ταχύτητα του φωτός κατά μήκος του δρόμου που ακολουθούμε. 

 

Η ιδέα αυτής της κοσμικής σήραγγας (ή σκουληκότρυπας, όπως την αποκαλούν πολλοί από τη μετάφραση του αντίστοιχου αγγλικού όρου wormhole) χρησιμοποιήθηκε από τον Καρλ Σέιγκαν (Carl Sagan) στο σενάριο της ταινίας «Επαφή» (Contact), που γυρίστηκε το 1997. Ο Σέιγκαν, και ο σύμβουλός του στο σενάριο μεγάλος σχετικιστής Κιπ Θορν (Kip Thorne), φαίνεται ότι δεν είχαν δώσει τότε ιδιαίτερη σημασία στην επαναστατική ιδέα του μεξικανού φυσικού Μιγκέλ Αλκουμπιέρε (Miguel Alcubierre), που λίγα χρόνια πριν, το 1994, είχε δείξει ότι είναι δυνατή η επίτευξη υπερφωτεινής ταχύτητας στο πλαίσιο της Θεωρίας της Σχετικότητας ακόμη και χωρίς το τρικ του «συντομότερου δρόμου» της κοσμικής σήραγγας.

Όταν δεν πάει ο Μωάμεθ στο βουνό...

 

Ο μεξικανός φυσικός Μιγκέλ Αλκουμπιέρε

Η ιδέα του Αλκουμπιέρε θα μπορούσε να χαρακτηρισθεί «το αβγό του Κολόμβου». Αντί να προσπαθούμε να επιταχύνουμε το διαστημόπλοιο σε υπερφωτεινές ταχύτητες, πράγμα που αντίκειται στη Θεωρία της Σχετικότητας, γιατί να μην προσπαθήσουμε να μεταφέρουμε τον χωρόχρονο γύρω από το διαστημόπλοιο με τέτοια ταχύτητα; 

 

Η περίπτωση αυτή δεν αντιβαίνει καθόλου στις γενικές αρχές της Θεωρίας της Σχετικότητας, αφού άλλωστε σήμερα το γενικά παραδεκτό σενάριο για τη Μεγάλη Εκρηξη προβλέπει ότι αμέσως μετά τη δημιουργία του το Σύμπαν διαστελλόταν με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός. 

 

Ο Αλκουμπιέρε βρήκε ότι, πραγματικά, οι λύσεις των εξισώσεων του Αϊνστάιν έχουν μια λύση με την επιθυμητή μορφή. Η λύση αυτή προβλέπει ένα είδος βαρυτικού κύματος, που από τη μια μεριά συμπιέζει τον χωρόχρονο και από την άλλη τον διαστέλλει. Η παράξενη αυτή δομή έχει ως αποτέλεσμα την κίνηση της «φυσαλίδας» που περιλαμβάνεται μεταξύ των περιοχών συμπίεσης και διαστολής με πολύ μεγάλη ταχύτητα, που μπορεί να γίνει μεγαλύτερη και από την ταχύτητα του φωτός. 

 

Ένα διαστημόπλοιο στο κέντρο αυτής της «φυσαλίδας» του χωροχρόνου θα κινείται με ταχύτητα μεγαλύτερη από αυτήν μιας ακτίνας φωτός που διαδίδεται έξω από τη φυσαλίδα. Το ωραίο είναι ότι το διαστημόπλοιο θα είναι ακίνητο μέσα στη φυσαλίδα, οπότε όχι μόνο δεν παραβιάζεται καθόλου το σχετικό αξίωμα της Θεωρίας της Σχετικότητας, αλλά και δεν εμφανίζονται όλα τα παράδοξα που συνοδεύουν κίνηση με μεγάλες ταχύτητες, όπως η διαστολή του χρόνου και η συστολή του μήκους. 

 

Ο Αλκουμπιέρε, επηρεασμένος από την αντίστοιχη συσκευή υπερφωτεινής κίνησης της τηλεοπτικής σειράς «Σταρ Τρεκ», ονόμασε τη λύση του Warp Drive, που σε ελεύθερη μετάφραση μπορεί να αποδοθεί ως προώθηση στρέβλωσης, αλλά στη μεταγλώττιση της σειράς τότε είχε μεταφραστεί ως κινητήρας δίνης.

Πώς οι χορδές στρεβλώνουν τον χωρόχρονο

 

Φυσικά το ότι υπάρχει μια  μαθηματική λύση των εξισώσεων του Αϊνστάιν με αυτές τις εντυπωσιακές ιδιότητες δεν σημαίνει ότι είναι δυνατό και να την υλοποιήσουμε. Στους φοιτητές μου χρησιμοποιώ το ακόλουθο παράδειγμα. 

 

Οι εξισώσεις του Ηλεκτρομαγνητισμού του Μάξγουελ έχουν ως λύση δύο είδη κυμάτων: ένα που εκπέμπεται από την κεραία προς το άπειρο και ένα άλλο που έρχεται από το άπειρο και καταλήγει στην κεραία. Από αυτά στην καθημερινή μας ζωή χρησιμοποιούμε το πρώτο, ενώ κανείς δεν έχει ανιχνεύσει το δεύτερο. 

 

Για τον λόγο αυτόν πολλοί φυσικοί έχουν από το 1994 προσπαθήσει να βρουν τρόπους με τους οποίους θα μπορούσε να υλοποιηθεί η «στρεβλή» μορφή του χωροχρόνου του Αλκουμπιέρε. Ο καλύτερος, ίσως, που έχει προταθεί ως σήμερα χρησιμοποιεί τη θεωρία των χορδών, δηλαδή τη θεωρία με την οποία επιχειρείται η σύνδεση της Βαρύτητας με την Κβαντομηχανική. 

Η θεωρία των χορδών υποθέτει ότι το Σύμπαν έχει 11 διαστάσεις και η ιδέα είναι να συρρικνώσουμε την ενδέκατη διάσταση μπροστά από το διαστημόπλοιο και να την επεκτείνουμε πίσω από αυτό. Το αποτέλεσμα θα είναι να κατασκευάσουμε μια φυσαλίδα σκοτεινής ενέργειας, αυτής της μυστηριώδους δύναμης που ανακαλύφθηκε πριν από μόλις 14 χρόνια και κάνει το Σύμπαν να διαστέλλεται με ολοένα και μεγαλύτερη ταχύτητα. 

 

Όπως λέει ένας από τους συγγραφείς αυτής της εργασίας: 

«Το μόνο που έχουμε να κάνουμε είναι να αναδημιουργήσουμε τις αρχικές στιγμές του Σύμπαντος πίσω από το διαστημόπλοιο». 

Το αν αυτό θα γίνει ποτέ δυνατό, καθώς και το πόση ενέργεια θα χρειαστεί για να το πετύχουμε, είναι κάτι που θα αργήσουμε να το μάθουμε.

Χάρης Βάρβογλης
καθηγητής του Τμήματος Φυσικής του ΑΠΘ

Πηγή:http://www.tovima.gr