محرك الالتواء

حمل سفينة أسرع من الضوء بتحريك الفضاء نفسه: ما يلزم لذلك والمنظر من الداخل

فرضية: تسمح بها الفيزياء على الورق، لكن لم يرها أحد قط. كل ما يُعرض يتبع النظرية كما هي اليوم.

خطوة بخطوة

تحريك الفضاء، لا السفينة

حد السرعة في النسبية لما يتحرك عبر الفضاء. ولا يقول شيئًا ضد حركة الفضاء نفسه: تتباعد المجرات البعيدة أسرع من الضوء لأن الفضاء بينها يواصل النمو. وفكرة ألكوبيير أن يُحدَث جزء صغير من ذلك عمدًا وتُحمل فيه سفينة.

الفقاعة منطقة من فضاء مسطح يحيط بها جدار يُضغط فيه الفضاء في الأمام ويُمدَّد في الخلف. تستقر السفينة في الوسط ساكنة، كراكب أمواج تحمله موجة. وسيكون طاقمها في سقوط حر في فضاء مسطح: بلا دفع ولا تمدد زمني، والساعات تسير كما في الخارج.

إنه حل لمعادلات أينشتاين، لا آلة. والرسم البياني في الزاوية للحل نفسه: بأي سرعة يُمدَّد الفضاء (فوق الخط) أو يُضغط (تحته) على امتداد خط السفر. والصورة هي ما يراه مراقب خلف الفقاعة وهي تنطلق بضعف سرعة الضوء: قرص من سماء ملتوية في الأمام، ينكمش وهي تبتعد.

ما الذي يُبقي الجدار

لإبقاء الجدار تلزم مادة ذات طاقة سالبة حول الفقاعة كلها، وأكثر ما تكون على جانبيها. وفي عام 1997 وجد فنينغ وفورد أن فقاعة لنقل سفينة عبر درب التبانة في عشر سنوات تحتاج نحو −10⁶⁴ كغ، أكثر بكثير مما يحويه الكون المرصود.

في صيغة ألكوبيير للطاقة إشارة سالبة في كل مكان: النوع نفسه من المادة الغريبة الذي يُبقي الثقب الدودي مفتوحًا. وهي صفر على امتداد خط السفر وأكبر ما تكون في الجدار حول وسط السفينة، الحلقة البنفسجية. والحلقة مرسومة.

في عام 1997 طبّق مايكل فنينغ ولاري فورد على الفقاعة الحدود التي تفرضها نظرية الكم على الطاقة السالبة. ووجدا أن جدارها لا يمكن أن يزيد سمكه على بضع مئات من أطوال بلانك، وأن طاقة فقاعة كبيرة بما يكفي لحمل سفينة بعيدًا نحو −10⁶⁴ كغ: نحو مئة مليار ضعف كتلة الكون المرصود، نحو 10⁵³ كغ.

خفّضت تصاميم لاحقة الفاتورة. فتصميم فان دن بروك عام 1999 يحتاج أقل من ثلاث شموس لفقاعة تحمل شيئًا صغيرًا كذرة. وفي عام 2021 بيّن بوبريك ومارتير أن فقاعات أبطأ من الضوء يمكن صنعها من مادة عادية، واقترح لِنتس فقاعة أسرع لا تحتاج إلا طاقة موجبة، وهو ما يعترض عليه آخرون. ولا واحدة رخيصة، ولا واحدة متفق عليها.

كيف يُبنى واحد

على الورق، يُبنى محرك الالتواء في ثلاث خطوات: صنع قدر هائل من الطاقة السالبة، وتشكيلها في جدار رقيق حول السفينة، وتشغيله أمام السفينة. لا أحد يعرف كيف يُنجَز أيٌّ منها. والحلقة هنا مرسومة.

1. صنع الطاقة السالبة. النوع الوحيد الذي نستطيع صنعه ضئيل: يعطي تأثير كازيمير نحو −4 × 10⁻⁴ جول لكل متر مكعب بين لوحين يفصلهما ميكرومتر، ويصنع الضوء المضغوط نبضات قصيرة. وتسمح الحدود التي وجدها فورد ورومان بهذا القدر فقط ولمدة قصيرة. تحتاج الفقاعة إلى نحو −10⁶⁴ كيلوغرام.

2. تشكيلها في جدار. تضع صيغة ألكوبيير المادة في غلاف حول السفينة: لا شيء على طول خط السفر، والأكثر على الجانبين، بجدار ناعم. ووجد فنينغ وفورد أن الجدار يجب ألا يتجاوز سُمكه بضع مئات من أطوال بلانك، نحو 10⁻³³ متر، أرق من أي مادة نعرف كيف نصنعها.

3. تشغيله أمام السفينة. لا تستطيع السفينة إرسال إشارة إلى الجدار الذي أمامها، فلا تستطيع بدء الفقاعة من الداخل. واقترح كراسنيكوف عام 1995 أن سفينة أبطأ يمكنها تجهيز المسار وهي تمضي، تاركةً خلفها أنبوبًا من فضاء معدَّل، فتكون الرحلات اللاحقة عبره سريعة.

لا شيء من هذا موجود كآلة. كل خطوة هي ما تطلبه الرياضيات، لا تقنية. وحلقة الطاقة السالبة في الصورة والمسار الممتد أمامها مرسومان.

داخل الفقاعة

في الداخل لن تشعر بشيء. السفينة ساكنة في فضاء مسطح: بلا دفع ولا تمدد زمني، والساعات تسير كما في أي مكان. ما يتغير هو السماء. ارفع المحرك فتتزاحم النجوم في الأمام وتسطع وتزرق.

في المركز الفضاء مسطح وساكن. لا شيء يدفعك حين تتسارع الفقاعة، لأنك لا تتسارع؛ الجدار هو الذي يتحرك. وساعتك تحفظ الزمن الذي تحفظه ساعة كل أحد.

الضوء الداخل وحده يُظهر ما يحدث. عليه أن يعبر الجدار، حيث يجري الفضاء، ويخرج مُزاحًا: ضوء الأمام يرتفع ترددُه بمقدار 1 زائد السرعة، وضوء الخلف ينخفض بمقدار 1 ناقص السرعة. وكل شعاع هنا يُتتبَّع عبر هندسة الالتواء.

الأطياف بديل بسيط للألوان المُزاحة، والسطوع يتبع عامل دوبلر. والسفينة نفسها، في المركز، غير مرسومة.

ما تراه السفينة

تتبّع كلارك وهيسكوك ولارسون الضوء عبر الفقاعة عام 1999، وصنع توماس مولر وزملاؤه في شتوتغارت لاحقًا أفلامًا للمنظر. وما وراء سرعة الضوء تبدو نجوم النصف الأمامي أقرب إلى اتجاه السفر مما هي عليه فعلًا، وتزداد سطوعًا وزرقة نحوه.

خلف السفينة يهبط عامل دوبلر، 1 ناقص السرعة، إلى الصفر عند سرعة الضوء، وما بعدها ينفتح حول الخلف تمامًا مخروط لا يصل منه ضوء إطلاقًا. ونصف زاويته هو القوس الذي جيب تمامه 1 على السرعة: 60° عند ضعف سرعة الضوء، وأكبر كلما زادت سرعة السفينة.

المخروط أفق، كمخروط ماخ خلف طائرة أسرع من الصوت: ما بداخله يتجاوزه ضوؤه نفسه. وحين ينظر الطاقم مباشرة إلى الخلف لا يرى سوى الظلام، مع بضعة نجوم حمراء خافتة قرب حافته.

ما يراه المراقب

من الخارج تكاد فقاعة الالتواء لا تُرى: لا وهج ولا جدار يُشاهد. ومن الخلف تظهر قرصًا من سماء ملتوية في الأمام ينكمش وهي تبتعد؛ ومن الجانب لن تلاحظ شيئًا حتى تكون قد مرّت.

ضوء النجوم البعيدة في الأمام يعبر جدار الفقاعة قبل أن يصل إليك، والجدار يحرفه بعشرات الدرجات ويزيح لونه. وما تراه قرص من سماء هي في الواقع من شريط واسع من القبة، محشور في دائرة صغيرة حول اتجاه السفر: كلما بعدت الفقاعة صغر القرص. والكاميرا هنا ساكنة في الفضاء، خلف الفقاعة.

تتحرك الفقاعة أسرع مما يستطيع أي ضوء إظهارها: صورتها لا تصلك إلا بعد أن تكون قد مرّت. ومن كان في طريقها تجاوزته قبل أن يراها قادمة، كما يتبع دويُّ الصوت طائرة أسرع من الصوت.

السفينة في الوسط غير مرسومة، ولا وهج الجدار نفسه إن كان له وهج: المعروض هو ما تفعله المعادلات بضوء النجوم فقط.

لا توجيه، ولا توقف

في عام 1995 أشار سيرغي كراسنيكوف إلى أن لا شيء ترسله السفينة يستطيع بلوغ مقدمة الفقاعة أسرع من الضوء، فلا يستطيع الطاقم إنشاء الجدار ولا توجيهه ولا إيقافه. وكل ما يخص الجدار كان لا بد من ترتيبه أمام السفينة، قبل أن تأتي.

وجد كلارك وهيسكوك ولارسون المخروطين المرسومين هنا: أمامًا، مخروطًا لا تستطيع السفينة إرسال إشارة إليه، وخلفًا، المخروط الذي لا يصلها منه ضوء. ولكل منهما نصف زاوية جيب تمامها 1 على السرعة.

فسفينة في فقاعة التواء لا تستطيع التوقف عند وجهتها إلا إذا فعلت ذلك آلات موجودة هناك من قبل. وجواب كراسنيكوف نفسه كان أنبوبًا من فضاء ملتوٍ يُمدّ على طول المسار مسبقًا. وهذه أفكار لا تصاميم.

مشكلتان أخريان

إذا شُغّلت الفقاعة من فضاء مسطح، تقول الحسابات إن التأثيرات الكمومية تتراكم بلا حد على جدارها الأمامي وتدمرها. وطريقة السفر أسرع من الضوء قد تكون أيضًا طريقة للعودة في الزمن.

بيّن فينازي وليبراتي وبارسيلو عام 2009 أن فقاعة أسرع من الضوء مصنوعة من فضاء مسطح يتكوّن لها أفق على جدارها الأمامي، وأن طاقة الحقول الكمومية هناك تنمو أُسّيًا مع الزمن. ونتيجتهم تعامل الجاذبية كلاسيكيًا والمادة كموميًا، لذا قد تختلف نظرية كاملة للجاذبية الكمومية.

بيّن ألن إيفرت عام 1996 أن تغييرًا بسيطًا في النموذج يتيح لسفينة أن تسير في حلقة تعيدها إلى بيتها قبل أن تغادر. وكالثقب الدودي، فقاعة أسرع من الضوء آلة زمن كما هي محرك.

تقول حدسية حماية التسلسل الزمني لستيفن هوكينغ إن الطبيعة تمنع دائمًا تكوّن مثل هذه الحلقات. وهل تصح على فقاعات الالتواء غير معروف. والوهج النابض المرسوم على الجدار الأمامي يمثل الطاقة المتراكمة؛ وهو مرسوم.

هل بنى أحد واحدة؟

لا. بحث فريق من ناسا بقيادة هارولد وايت عن حقل التواء صغير جدًا بمقياس تداخل ليزري في 2011 و2012 ولم يجد أي دليل مقنع. ويبقى محرك الالتواء في المعادلات، ينتظر الطاقة السالبة التي يحتاجها.

في مركز جونسون الفضائي التابع لناسا، بنى وايت وريتشارد جوداي مقياس تداخل للبحث عن تشوه في الفضاء من حلقة صغيرة من مكثفات خزفية. وكانت النتائج غير حاسمة، وجادل تحليل عام 2014 بأن التشوهات التي يمكن أن يُحدثها مثل هذا الإعداد أصغر بكثير من أن يراها.

تسمح النسبية العامة بشكل الفقاعة؛ والمفقود هو المادة. لا مادة معروفة لها طاقة سالبة بالكميات المطلوبة، ولا تسمح نظرية الكم إلا بكميات ضئيلة، كتلك في تأثير كازيمير، ولأزمنة قصيرة.

ما زالت الفكرة تؤدي عملًا مفيدًا. فهي تبيّن ما تسمح به النسبية وما تمنعه، ودفعت الفيزيائيين إلى التساؤل عن قواعد الطاقة التي تلتزم بها الطبيعة فعلًا. وتُدرس الآن فقاعات أبطأ من الضوء من مادة عادية لما تقوله عن الجاذبية، لا كمحركات.