Propulsão Alcubierre

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Conceito da Propulsão de Alcubierre, mostrando as regiões de expansão e contração do espaco-tempo em torno da região central

A Propulsão de Alcubierre (ou Dobra Espacial) é um modelo matemático teórico para uma forma de viagem espacial mais rápida que a luz, utilizada na série de ficção científica Jornada nas Estrelas (Brasil) e Caminho das Estrelas (Portugal).

Em 1994, o físico mexicano Miguel Alcubierre propôs um método de alongamento do espaço em uma onda que, em teoria, poderia fazer com que o tecido do espaço à frente de uma nave espacial se contraia, enquanto que o tecido que está atrás da nave se expanda.[1] A nave se deslocaria surfando esta onda dentro de uma região conhecida como bolha de dobra, onde as características normais do tecido espaço-tempo se manteriam inalteradas. Uma vez que a nave não estaria se movendo dentro desta bolha, mas transportada junto com ela, os efeitos de dilatação do tempo previstos pela Teoria da Relatividade Especial não se aplicariam à nave, mesmo com a altíssima velocidade de deslocamento em relação ao espaço normal em volta da nave. Além disso, esse método de viagem não implica realmente em se deslocar mais rápido que a luz, uma vez que no interior da bolha, a luz continuaria a ser mais rápida que a nave.

Assim, a Propulsão Alcubierre não contradiz a alegação tradicional da relatividade que proíbe que um objeto com massa seja mais rápido que a luz. No entanto, não se conhecem métodos para criar uma bolha de dobra em uma região do espaço, ou de deixar a bolha, uma vez lá dentro, de modo a Propulsão Alcubierre continua a ser um conceito teórico.

Medida Alcubierre[editar | editar código-fonte]

A Medida alcu²bierre 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 f, mas outras formas podem exibir de forma mais clara e simples os efeitos da Propulsão de Dobra.

Matemática por trás da Propulsão Alcubierre[editar | editar código-fonte]

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

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 \alpha é a função que dá o intervalo de tempo adequado entre hipersuperfícies próximas, \beta^i é o vetor que relaciona o deslocamento espacial em diferentes sistemas de coordenadas e hipersuperfícies e \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:

\alpha=1\,
\beta^x=-v_s(t)f\left(r_s(t)\right),
\beta^y = \beta^z =0 \,\!
\gamma_{ij}=\delta_{ij} \,\!

onde

v_s(t)=\frac{dx_s(t)}{dt},
r_s(t)=\sqrt{(x-x_s(t))^2+y^2+z^2}

e

f(r_s)=\frac{\tanh(\sigma (r_s + R))-\tanh(\sigma (r_s - R))}{2 \tanh(\sigma R)}

com R > 0 e \sigma > 0 são parametros arbritários. Dessa forma, o formato específico da medida de Alcubierre pode ser escrita da seguinte forma:

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

-\frac{c^4}{8 \pi G} \frac{v_s^2 (x^2+y^2)}{4 g^2 r_s ^2} \left(\frac{df}{dr_s}\right)^2

onde 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.[3] Geralmente acredita-se que uma teoria quântica da gravidade poderá resolver esse problema.

Física da Propulsão Alcubierre[editar | editar código-fonte]

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,[4] 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 equaçõs 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 ditribuir 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,[5] 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.[6] [7]

Dificuldades[editar | editar código-fonte]

Construindo o caminho[editar | editar código-fonte]

Krasnikov propôs que, se a matéria taquiônica não puder ser encontrada ou usada, então uma solução poderia ser a disponibilizar grandes massas ao longo do trajeto da nave a ser posta em movimento de forma que o campo requerido seja produzido. Mas neste caso, a nave com propulsão Alcubierre não seria capaz de se deslocar à vontade pela galáxia. Ele só seria capaz de percorrer caminhos que, como uma estrada de ferro, teriam sido construídos com as infra-estruturas necessárias.

O piloto dentro da bolha é desconectado de suas paredes e não pode realizar qualquer ação fora da bolha. No entanto, seria necessário colocar os dispositivos ao longo da rota com antecedência e, uma vez que o piloto não pode fazer isso ao mesmo tempo em que viaja, as bolhas não podem ser utilizados para a primeira viagem a uma estrela distante. Em outras palavras, para viajar para a estrela Vega (que dista 26 anos-luz da Terra) primeiramente tem-se de organizar tudo para que se possa utilizar uma bolha que se desloque com velocidade superluminal. A primeira viagem levaria mais de 26 anos, já que não seria possível fazer essa viagem a uma velocidade superluminal .[5]

É preciso um para construir uma[editar | editar código-fonte]

Coule tem argumentado que esquemas como o proposto por Alcubierre não são viáveis, pois a matéria a ser colocada na estrada tem de ser previamente colocados à velocidade superluminal. Assim, de acordo com Coule, uma propulsão Alcubierre é necessária a fim de construir uma propulsão Alcubierre. Uma vez que já é provado que não existe nenhum, então a propulsão é impossível de construir, mesmo que a medida seja fisicamente significativa. Coule argumenta que uma objeção análoga será aplicável a qualquer proposta de método de construção de uma unidade Alcubierre.[7]

Resolvendo Dificuldades[editar | editar código-fonte]

Aparentemente a própria mecânica quântica pode resolver as dificuldades descritas acima, pois cientistas descobriram com o experimento chamado Efeito Casimir queas partículas virtuais presentes no vácuo quântico ajudam a contair e expandir o espaço. No experimento duas placas de metais são colocadas lado a lado, as partículas virtuais expandem o espaço em volta da placa e contraem o espaço interno entre as placas[8] . Assim para criar um motor de dobra espacial, se tornaria simples: bastaria aproveitar as partículas virtuais presentes no vácuo quântico. Um motor de dobra espacial absorveria partículas virtuais encolhendo o espaço a frente e expeliria partículas virtuais atrás expandindo o espaço atrás.

A NASA espantou o mundo recentemente ao informar que construiu um motor que funciona com a tecnologia descrita acima[9]

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Veja também[editar | editar código-fonte]

Referências[editar | editar código-fonte]

  1. a b c Alcubierre, Miguel. (1994). "The warp drive: hyper-fast travel within general relativity". Class. Quant. Grav. 11: L73–L77. DOI:10.1088/0264-9381/11/5/001. See also the eprint version arXiv. Visitado em 23 June 2005., and also at iop.org
  2. S. Krasnikov. (2003). "The quantum inequalities do not forbid spacetime shortcuts". Physical Review D 67: 104013. DOI:10.1103/PhysRevD.67.104013. See also the eprint version arXiv.
  3. Low, Robert J.. (1999). "Speed Limits in General Relativity". Class. Quant. Grav. 16: 543–549. DOI:10.1088/0264-9381/16/2/016. See also the eprint version arXiv. Visitado em 30 June 2005.
  4. Natario, Jose. (2002). "Warp drive with zero expansion". Class. Quant. Grav. 19: 1157–1166. DOI:10.1088/0264-9381/19/6/308. See also the eprint arXiv. Visitado em 23 June 2005.
  5. a b S. Krasnikov. (1998). "Hyper-fast travel in general relativity". Physical Review D 57: 4760. DOI:10.1103/PhysRevD.57.4760. See also the eprint version arXiv.
  6. Broeck, Chris Van Den, "On the (im)possibility of warpbubbles", 18 May 2000, See eprint,arXiv, retrieved 12 April 2008
  7. a b Coule, D H, "No Warp Drive", Class Quantum Grav 15, 1998, pp2523-2537, retrieved [1] 12 April 2008
  8. http://www.ift.unesp.br/users/matsas/sab.pdf
  9. http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=motor-espacial-quantico#.VA2rosJdVM0
  • Lobo, Francisco S. N.; & Visser, Matt. (2004). "Fundamental limitations on 'warp drive' spacetimes". Class. Quant. Grav. 21: 5871–5892. DOI:10.1088/0264-9381/21/24/011. See also the eprint arXiv. Visitado em 23 June 2005.
  • Hiscock, William A.. (1997). "Quantum effects in the Alcubierre warp drive spacetime". Class. Quant. Grav. 14: L183–L188. DOI:10.1088/0264-9381/14/11/002. See also the eprint arXiv. Visitado em 23 June 2005.
  • Berry, Adrian. The Giant Leap: Mankind Heads for the Stars. [S.l.]: Headline, 1999. ISBN 0-7472-7565-3 Apparently a popular book by a science writer, on space travel in general.
  • T. S. Taylor, T. C. Powell, "Current Status of Metric Engineering with Implications for the Warp Drive," AIAA-2003-4991 39th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, Huntsville, Alabama, July 20-23, 2003

Ligações externas[editar | editar código-fonte]