Hipertérugrással az Alfa Centaurira: tényleg építhetünk működő térhajtóművet?

Nincsen jövőnk tudomány nélkül, nincsen Qubit nélkületek. Támogasd a munkánkat!

A térhajtómű (warp drive) koncepcióját az amerikai tévénézők az 1960-as évek óta ismerik. Amikor a Star Trekben az Enterprise legénységének villámgyorsan el kellett jutnia valahová, Kirk kapitány csak kiadta a parancsot („execute, Mr. Sulu”), és az űrhajó egy pillanat alatt megtette a célállomásig vezető utat. A Föderáció tagjai térhajtóművet használtak a csillagközi utazáshoz, ami az anyag és az antianyag ütköztetésének robbanásszerű energiáját használta az űrhajó mozgatásához.

Persze, a filmekben minden olyan egyszerű. A moziban Matthew McConaughey könyvespolcokon morzézik az eseményhorizont belsejéből, Keir Dullea a sziporkázó monolit végtelenjébe bámul, Harrison Ford meg odaszól az anyósülésre, hogy Csubi, kapcsolj fénysebességre. Papíron jól hangzik, de tudjuk, hogy ez csak mese. Pedig az elképzelés a tündérmeséken kívül az elméleti fizika világában is életképes.

A gyakorlatba ültetés már nehezebb feladat. Noha a térhajtómű koncepcióját több mint fél évszázada ismerhetjük a fantasztikus irodalomból (illetve még régebben, ha Albert Einstein speciális relativitáselméletéig megyünk vissza), és a fizikusok évtizedek óta foglalkoznak a fénynél gyorsabb űrhajózás elméletével, a gyakorlati megvalósítással egy centit sem haladtunk.

Hogy mi szükség van térhajtóművekre, az egyértelmű: ezek nélkül valószínűleg sosem jutnánk el más csillagrendszerekbe. A fénysebességgel haladó űrhajók négy év alatt érhetik el a szomszédos Alfa Centauri csillagrendszert, a mai rakétatechnológiával pedig nagyjából 50 000 évig tartana az út. Mármint az odavezető.

Nem legyorsulja a fényt, hanem túlgörbüli

Albert Einstein speciális relativitáselmélete szerint lehetetlen egy testet a fénynél nagyobb sebességre gyorsítani, mert a tömege végtelenül nagyra nőne. A fizikusok emiatt általában nem veszik komolyan a térhajtómű koncepcióját, mert az elképzelés azt sugallja, hogy létrehozható a fénynél gyorsabb űreszköz.

Pedig egy térhajtómű nem is gyorsítaná fénysebesség fölé az űrhajót, csak meggörbítené a téridőt a hajó körül. (Sci-fikben ezt úgy szemléltetik, hogy egy papírdarabra felrajzolnak egy indulási és egy érkezési pontot, egy vonallal megrajzolják a két pont közti távolságot, majd úgy hajtják meg a papírt, hogy a két, egymást fedő pont távolsága nullára rövidüljön.)

Két fizikus, Alexey Bobrick és Gianni Martire tanulmánya (Introducing physical warp drives) egy lépéssel közelebb visz hozzá, hogy a gyakorlatba ültethessük az elképzelést. A Classical and Quantum Gravity folyóiratban megjelent tanulmány egy olyan űrhajó modelljét írja le, ami elvileg gyorsabban haladhat a fénynél, anélkül, hogy megszegné a fizika törvényeit.

Bobrick és Martire tanulmánya az Alcubierre-meghajtás koncepcióját használta kiindulópontként, amely a világhírű elméleti fizikus, Miguel Alcubierre 1994-es tanulmányára épül. Alcubierre (csak elméletben létező) hajtóműve összehúzná a téridőt az űrhajó előtt, mögötte pedig kibővítené.

Az Alcubierre-hajtómű koncepciója azért izgalmas, mert elvileg úgy használható fel a fénynél nagyobb sebességű űrutazáshoz, hogy ne cáfolja az Einstein általános relativitáselméletében lefektetett fizikai törvényeket.

„Az űrhajó mögötti téridő tisztán lokális kiterjesztésével és az űrhajó előtti, ellentétes irányú összehúzódásával lehetségessé válik az, amit a kérdéses régión kívüli szemlélők fénynél gyorsabb mozgásnak érzékelhetnek.”

írta Alcubierre a tanulmány absztraktjában.

A koncepció lényege, hogy a hajó előtt és után képződő tér-idő buborékokban továbbra is érvényesek lennének a fizikai törvények, de az űrhajó a téren kívül kerülne. Az elmélet hátulütője, hogy a buborékok létrehozásához és a hajtómű üzemeltetéséhez annyi energiára lenne szükség, amennyi talán az egész univerzumban sincs – legalábbis korábban így gondolták.

Bobrick és Martire tanulmányukban azt írják, hogy a fizikusok által lenézett Alcubierre-hajtóművel lehetségessé válhat a fénysebességnél gyorsabb űrutazás, de ehhez hatalmas mennyiségű, negatív sűrűségű energiára van szükség. A két fizikus által leírt gömbszimmetrikus térhajtómű két nagyságrenddel csökkentené a térhajtómű aktiválásához szükséges negatívenergia-igényt.

Erre azért van szükség, hogy kiküszöbölje az einsteini relativitáselméletben lefektetett, a fénynél gyorsabb utazás problémáit, és lehetővé tegye, hogy a tér a fénynél nagyobb sebességgel táguljon és zsugorodjon, miközben a görbületen belül minden az univerzális sebességhatárok között maradna.

Negatív energiasűrűség helyett gravitáció

Persze ennek a megoldásnak is megvannak a hiányosságai. A fénysebességet megközelítő gyorsaság eléréséhez a negatív energiasűrűségen túl egzotikus anyagra is szükség van – márpedig ez utóbbi létezésére nincs bizonyíték, csak több egybehangzó elmélet alapján sejtjük, hogy létezhet. És ebből nem valamennyi kellene, hanem rengeteg: nagyjából a Nap tömegével megegyező mennyiség. Enélkül esélytelen, hogy működő térhajtóművet építsünk.

Bobrick és Martire kutatása ezt a problémát próbálja áthidalni. Tanulmányukban azt írják, hogy a hajtómű-koncepciójukhoz nincs szükség negatív energiasűrűségre, sem egzotikus anyagra. A két fizikus elképzelése szerint a téridő meghajlítása hatalmas gravitációs erővel is kiváltható. Ha hatalmas, a nagyobb bolygókéval vetekedő tömeget űrhajó méretűvé kicsinyítenének, a gravitációs erejével meghajlíthatnák a teret.

„Más irányt választottunk a kutatáshoz, mint a NASA és mások, és a kutatási eredményeink azt mutatják, hogy az általános relativitásban valójában többféle térhajtóművet is létrehozhatunk. Olyan térhajtómű-megoldásokat mutattunk be, amelyekhez nincs szükség negatív energiára, ennélfogva fizikailag is megvalósíthatók lehetnek.”

mondta Bobrick, a svédországi Lund Egyetem munkatársa.

Azt ugyanakkor a tanulmány szerzői is elismerték, hogy az ő megoldásaikra épülő térhajtóművek sebessége a vártnál alacsonyabb lehet. Az időkorrekció mértékét ugyanis a térhajlításhoz használt test tömege határozná meg.

„Ha a Föld bolygó tömegét vennénk alapul, és összetömörítenénk egy 10 méter átmérőjű tömbbé, az időkorrekciója mértéke még így is olyan parányi lenne, hogy csupán egy órát spórolnánk meg vele egy év alatt.”

– mondta Bobrick a New Scientist hírportálnak.

Hogy a tanulmányban leírtakat hogyan lehetne a gyakorlatba ültetni, azt még a kutatók sem tudják, de a munkájuk abból a szempontból fontos, hogy egyre több konkrétummal helyettesítik az eddig ismeretlen változókat.

Szolitonkonfigurációval az ikerparadoxon ellen

A negatívenergia-igény kiküszöbölésére egyre több új megoldás születik; úgy tűnik, a terület szakértői kezdik komolyan venni a térhajtómű-kutatást. A németországi Göttingeni Egyetem fizikusa, dr. Erik W. Lentz nemrég publikált egy tanulmányt, amely szerint a probléma egy új, hipergyors szolitonosztály létrehozásával is megkerülhető. Ha Lenz számításai helyesek, egy ilyen elvre épülő térhajtómű akármekkora utazósebességet elérhetne, méghozzá kizárólag pozitívenergia-forrásokkal.

A szolitonok alapvetően nagy amplitúdójú nemlineáris hullámok. de Lentz tanulmánya a térgörbületi buborékot (warp bubble) jelöli ezzel a kifejezéssel. Minden hullámtípus ide sorolható, ami a kis amplitúdójú lineáris hullámokkal ellentétben megtartja eredeti alakját és sebességét.

Lentz tanulmányát a korábbi térhajtómű-kutatásokban feltűnő hiányosságok inspirálták. A fizikus észrevette, hogy léteznek olyan, még nem feltárt téridő-görbületi konfigurációk, amik szolitonokba rendeződnek, és nemcsak elméleti, hanem tényleges fizikai szempontból is alkalmazhatók.

Lentz az Einstein-egyenletek deriválásával feltárta azokat a szolitonkonfigurációkat, amelyeknél a téridő-metrika elmozdulásvektor-komponensei hiperbolikus viszonyban álltak. Leegyszerűsítve: ez azt jelenti, hogy elvileg létezhetnek olyan tér-idő geometriai konfigurációk, amelyek hagyományos (itt: pozitív energiasűrűségű) erőforrásból is létrehozhatók. 

Ennek a megoldásnak a további előnye, hogy a téridőbuborékok úgy is konfigurálhatók, hogy bizonyos régióiban minimális legyen az árapályerő, így az s megoldható lenne, hogy például az idő múlása megegyezzen a szolitonon belül és kívül. Űrhajózáshoz ez ideális konfiguráció lenne, mert ezzel kiküszöbölhetővé válna az úgynevezett ikerparadoxon: az a jelenség, amikor a fénysebességet megközelítő gyorsasággal utazó ikertestvér lassabban öregedne, mint a Földön maradt testvére. Lentz egyenletei azt mutatják, hogy a visszatéréskor mindkét iker egyidős lenne.

Hogyan tankoljunk 300 jupiternyi energiát?

„Ez a munka a fénysebességnél gyorsabb utazás problémáját egy lépéssel elmozdította az elméleti kutatásoktól az alapfizika, illetve a gyakorlatba ültetés irányába. A következő lépés az lesz, hogy kitaláljuk, hogyan csökkentsük az ehhez szükséges, csillagászati léptékű energiaigényt a mai technológiákkal, például a nagy, modern fissziós atomerőművekkel elérhető szintre. Csak ezután beszélhetünk az első prototípusok megépítéséről.”

– mondta Lentz. Azt azonban ő is pontosan tudja, hogy ez nem lesz egyszerű, mert az ehhez szükséges energiamennyiséget csak csillagászati számokkal lehet leírni.

„Egy 100 méter sugarú, fénysebességgel haladó űrhajó meghajtásához szükséges energiamennyiség több százszorosa is lehet a Jupiter bolygó tömegének. Ehhez: drasztikus energia-megtakarításra lenne szükség: legalább harminc nagyságrendnyi csökkentésre lenne szükség, hogy elérjük a modern fissziós reaktorok szintjét. Szerencsére léteznek korábbi kutatások, amelyek olyan energia-megtakarítási mechanizmusokat javasoltak, amelyek elméletileg akár 60 nagyságrenddel is csökkenthetik a művelet energiaigényét.”

– mondta Lentz. A fizikus most azt vizsgálja, hogy ezek a módszerek módosíthatók-e, vagy új eljárásokra lenne szükség ahhoz, hogy az energiaszükségletet a ma megvalósítható szintre csökkentsék, de a kutatásai még csak a kezdeti fázisnál tartanak.

Az mindenképpen optimizmusra ad okot, hogy a korábbi energiaigény-becslésekhez képest (amelyek szerint egy térhajtómű energiatömeg-igénye akkora lehet, mint az egész univerzumé) a Jupiter nagyságrendű energiatömeg jelentős visszaesésnek tűnik. Ha ebből indulunk ki, még az is megkockáztatható, hogy idővel sikerül a művelet energiaigényét megvalósítható szintre csökkenteni.

Joseph Agnew, az Alabamai Egyetemhez tartozó Huntsville Propulsion Research Center munkatársa szerint ez sem elképzelhetetlen, de ehhez elengedhetetlen a kvantumfizika, a kvantummechanika és a metaanyag-kutatás fejlődése, és további előrelépésekre lesz szükség a szupravezető-, interferométer- és mágnesgenerátor-gyártás területén is.

Agnew, Lentz, Bobrick és Martire egyaránt biztosak benne, hogy a térhajtómű koncepciója, ha nem is egyhamar, de a távoli jövőben igenis megvalósulhat. Igaz, azt semmi nem garantálja, hogy pont úgy fog működni, mint a Millenium Falcon, vagy az Enterprise űrhajó a Star Trekben.

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: