Motor de curvatura

Llevar una nave más rápido que la luz moviendo el propio espacio: qué haría falta y cómo se vería desde dentro

Una hipótesis: la física lo permite sobre el papel, pero nadie lo ha visto nunca. Todo sigue la teoría tal como es hoy.

Paso a paso

Mover el espacio, no la nave

El límite de velocidad de la relatividad vale para las cosas que se mueven por el espacio. No dice nada contra que el propio espacio se mueva: las galaxias lejanas se alejan más rápido que la luz porque el espacio entre ellas sigue creciendo. La idea de Alcubierre es hacer que un pequeño trozo de eso ocurra a propósito y llevar una nave dentro.

La burbuja es una región de espacio plano con una pared alrededor, en la que el espacio se comprime delante y se estira detrás. La nave está en reposo en el centro, como un surfista llevado por una ola. Su tripulación estaría en caída libre en espacio plano: sin empuje, sin dilatación del tiempo, con los relojes marchando como fuera.

Es una solución de las ecuaciones de Einstein, no una máquina. El gráfico de la esquina es de la propia solución: con qué rapidez se estira el espacio (sobre la línea) o se comprime (bajo ella) a lo largo de la línea de viaje. La imagen es lo que vería un observador detrás de la burbuja cuando se aleja al doble de la velocidad de la luz: un disco de cielo deformado delante, que se encoge a medida que avanza.

Qué sostiene la pared

Para sostener la pared hace falta materia de energía negativa alrededor de toda la burbuja, sobre todo en sus lados. En 1997 Pfenning y Ford hallaron que una burbuja para llevar una nave por la Vía Láctea en diez años necesita unos −10⁶⁴ kg, mucho más de lo que contiene el universo observable.

La fórmula de Alcubierre para la energía tiene un signo menos en todas partes: el mismo tipo de materia exótica que mantiene abierto un agujero de gusano. Es cero a lo largo de la línea de viaje y máxima en la pared alrededor del medio de la nave, el anillo violeta. El anillo está dibujado.

En 1997 Michael Pfenning y Larry Ford aplicaron a la burbuja los límites que la teoría cuántica pone a la energía negativa. Hallaron que su pared solo podría tener unos cientos de longitudes de Planck de grosor, y la energía para una burbuja capaz de llevar una nave lejos, unos −10⁶⁴ kg: unas cien mil millones de veces la masa del universo observable, unos 10⁵³ kg.

Diseños posteriores rebajaron la cuenta. El de Van Den Broeck, de 1999, necesita menos de tres Soles para una burbuja que lleve algo tan pequeño como un átomo. En 2021 Bobrick y Martire mostraron que las burbujas más lentas que la luz se pueden hacer con materia ordinaria, y Lentz propuso una más rápida que necesita solo energía positiva, algo que otros discuten. Ninguna es barata y ninguna está aceptada.

Cómo se construiría uno

Sobre el papel, un motor de curvatura se construye en tres pasos: fabricar muchísima energía negativa, darle forma de pared fina alrededor de la nave, y encenderla por delante de la nave. Nadie sabe cómo hacer ninguno. El anillo de aquí está dibujado.

1. Fabricar energía negativa. La única que podemos hacer es minúscula: el efecto Casimir da unos −4 × 10⁻⁴ julios por metro cúbico entre placas separadas un micrómetro, y la luz comprimida hace pulsos breves. Los límites hallados por Ford y Roman permiten solo tanta durante tan poco. La burbuja necesita unos −10⁶⁴ kilogramos.

2. Darle forma de pared. La fórmula de Alcubierre pone la materia en una cáscara alrededor de la nave: nada a lo largo de la línea de viaje, lo máximo en los lados, con una pared suave. Pfenning y Ford hallaron que la pared tendría que ser de solo unos cientos de longitudes de Planck, unos 10⁻³³ metros, más fina que cualquier materia que sepamos hacer.

3. Encenderla por delante de la nave. La nave no puede enviar una señal a la pared que tiene delante, así que no puede arrancar la burbuja desde dentro. Krasnikov sugirió en 1995 que una nave más lenta podría preparar la ruta sobre la marcha, dejando tras de sí un tubo de espacio alterado, de modo que los viajes posteriores por él serían rápidos.

Nada de esto existe como máquina. Cada paso es lo que piden las matemáticas, no una tecnología. El anillo de energía negativa de la imagen y la ruta por delante están dibujados.

Dentro de la burbuja

Dentro, no sentirías nada. La nave está en reposo en espacio plano: sin empuje, sin dilatación del tiempo, con los relojes marchando como en cualquier otro sitio. Lo que cambia es el cielo. Sube el motor y las estrellas de delante se amontonan, se vuelven más brillantes y azules.

En el centro el espacio es plano y está en reposo. Nada te empuja cuando la burbuja acelera, pues tú no aceleras; es la pared de la burbuja la que se mueve. Tu reloj marca el tiempo que marca el de todos.

Solo la luz que entra muestra lo que ocurre. Tiene que cruzar la pared, donde el espacio fluye, y sale desplazada: la luz de delante sube en frecuencia en 1 más la velocidad, la de detrás baja en 1 menos la velocidad. Cada rayo aquí se sigue a través de la geometría de la burbuja.

Los tintes son un sustituto sencillo de los colores desplazados, y el brillo sigue el factor Doppler. La nave misma, en el centro, no está dibujada.

Lo que ve la nave

Clark, Hiscock y Larson siguieron la luz a través de la burbuja en 1999, y Thomas Müller y colegas de Stuttgart hicieron después películas de la vista. Más allá de la velocidad de la luz, las estrellas de la mitad delantera se ven más cerca de la dirección de viaje de lo que están en realidad, y se vuelven más brillantes y azules hacia ella.

Detrás de la nave el factor Doppler, 1 menos la velocidad, cae a cero a la velocidad de la luz, y más allá se abre un cono alrededor de justo detrás del que no llega ninguna luz. Su semiángulo es el ángulo cuyo coseno es 1 dividido por la velocidad: 60° al doble de la velocidad de la luz, más cuanto más rápida va la nave.

El cono es un horizonte, como el cono de Mach detrás de un reactor supersónico: lo que queda dentro es superado por su propia luz. Mirando justo hacia atrás, la tripulación solo vería oscuridad, con unas pocas estrellas rojas tenues hacia su borde.

Lo que ve un observador

Desde fuera, una burbuja de curvatura es casi invisible: sin brillo, sin pared que ver. Desde atrás se muestra como un disco de cielo deformado delante que se encoge a medida que la burbuja se aleja; desde el lado no notarías nada hasta que hubiera pasado.

La luz de las estrellas muy por delante cruza la pared de la burbuja antes de llegar a ti, y la pared la desvía decenas de grados y le cambia el color. Lo que ves es un disco de cielo que en realidad es de una amplia franja del firmamento, apretada en un pequeño círculo alrededor de la dirección de viaje: cuanto más lejos la burbuja, más pequeño el disco. La cámara está aquí en reposo en el espacio, detrás de la burbuja.

La burbuja se mueve más rápido de lo que ninguna luz podría mostrarla: su imagen te llegaría solo después de que hubiera pasado. Quien estuviera en su camino sería sobrepasado antes de verla venir, como el estampido sónico sigue a un avión supersónico.

La nave en el centro no está dibujada, ni tampoco el brillo propio de la pared, si lo tuviera: solo se muestra lo que las ecuaciones hacen a la luz de las estrellas.

Sin dirigir, sin frenar

En 1995 Sergei Krasnikov señaló que nada de lo que envíe la nave puede llegar al frente de la burbuja más rápido que la luz, así que la tripulación no puede crear la pared, ni dirigirla, ni detenerla. Todo lo relativo a la pared tendría que estar dispuesto delante de la nave, antes de que llegara.

Clark, Hiscock y Larson hallaron los dos conos dibujados aquí: delante, uno en el que la nave no puede enviar ninguna señal, y detrás, aquel del que no puede llegarle luz. Cada uno tiene un semiángulo cuyo coseno es 1 dividido por la velocidad.

Así que una nave en una burbuja de curvatura no podría detenerse en su destino a menos que lo hiciera una maquinaria ya allí. La respuesta del propio Krasnikov fue un tubo de espacio deformado tendido a lo largo de la ruta de antemano. Son ideas, no diseños.

Dos problemas más

Si la burbuja se enciende desde espacio plano, los cálculos dicen que los efectos cuánticos se acumulan sin límite en su pared delantera y la destruyen. Y una forma de ir más rápido que la luz puede ser también una forma de volver atrás en el tiempo.

Finazzi, Liberati y Barceló mostraron en 2009 que una burbuja más rápida que la luz hecha desde espacio plano adquiere un horizonte en su pared delantera, y que la energía de los campos cuánticos allí crece exponencialmente en el tiempo. Su resultado trata la gravedad de forma clásica y la materia de forma cuántica, así que una teoría completa de gravedad cuántica podría diferir.

Allen Everett mostró en 1996 que un cambio sencillo en el modelo permite que una nave recorra un bucle que la trae a casa antes de que saliera. Como el agujero de gusano, una burbuja más rápida que la luz es una máquina del tiempo además de un motor.

La conjetura de protección de la cronología de Stephen Hawking dice que la naturaleza siempre impide que se formen esos bucles. Si vale para las burbujas de curvatura no se sabe. El brillo pulsante dibujado en la pared delantera representa la energía que se acumula; está dibujado.

¿Alguien ha construido uno?

No. Un equipo de la NASA dirigido por Harold White buscó un diminuto campo de curvatura con un interferómetro láser en 2011 y 2012 y no halló ninguna señal convincente. Un motor de curvatura sigue en las ecuaciones, esperando la energía negativa que necesitaría.

En el Centro Espacial Johnson de la NASA, White y Richard Juday construyeron un interferómetro para buscar una distorsión de curvatura de un diminuto anillo de condensadores cerámicos. Los resultados no fueron concluyentes, y un análisis de 2014 sostuvo que las distorsiones que puede producir un montaje así son demasiado pequeñas para que las vea.

La relatividad general permite la forma de la burbuja; lo que falta es la materia. Ningún material conocido tiene energía negativa en las cantidades necesarias, y la teoría cuántica solo permite cantidades minúsculas, como las del efecto Casimir, durante poco tiempo.

La idea aún hace un trabajo útil. Muestra lo que la relatividad permite y prohíbe, y ha empujado a los físicos a preguntar cuáles de las reglas sobre la energía cumple de verdad la naturaleza. Las burbujas más lentas que la luz hechas de materia ordinaria se estudian ahora por lo que dicen de la gravedad, no como motores.