Động cơ warp

Đưa một con tàu nhanh hơn ánh sáng bằng cách dịch chuyển chính không gian: cần gì, và cảnh nhìn từ bên trong

Một giả thuyết: vật lý cho phép trên giấy, nhưng chưa ai từng thấy. Mọi thứ theo lý thuyết hiện nay.

Từng bước

Dịch chuyển không gian, không phải con tàu

Giới hạn tốc độ của thuyết tương đối áp dụng cho vật chuyển động trong không gian. Nó không nói gì chống lại việc chính không gian chuyển động: các thiên hà xa lùi ra nhanh hơn ánh sáng vì không gian giữa chúng cứ lớn lên. Ý tưởng của Alcubierre là cố ý làm một mảnh nhỏ như thế xảy ra và mang một con tàu đi trong đó.

Bong bóng là một vùng không gian phẳng có bức tường bao quanh, trong đó không gian bị nén ở phía trước và giãn ở phía sau. Con tàu đứng yên ở giữa, như người lướt sóng được sóng mang đi. Phi hành đoàn sẽ ở trạng thái rơi tự do trong không gian phẳng: không bị đẩy, không giãn thời gian, đồng hồ chạy như bên ngoài.

Đây là một nghiệm của các phương trình Einstein, không phải một cỗ máy. Biểu đồ ở góc là của chính nghiệm: không gian bị kéo giãn (phía trên đường) hay bị nén (phía dưới) nhanh thế nào dọc đường đi. Hình là điều một người quan sát phía sau bong bóng sẽ thấy khi nó phóng đi với tốc độ gấp đôi ánh sáng: một đĩa bầu trời cong vênh phía trước, nhỏ dần khi nó đi.

Cái gì giữ bức tường

Để giữ bức tường cần vật chất có năng lượng âm bao quanh bong bóng, nhiều nhất ở hai bên. Năm 1997 Pfenning và Ford thấy rằng một bong bóng đưa tàu băng qua Ngân Hà trong mười năm cần khoảng −10⁶⁴ kg, nhiều hơn hẳn những gì vũ trụ quan sát được chứa.

Công thức năng lượng của Alcubierre có dấu trừ ở mọi nơi: cùng loại vật chất lạ giữ cho hố sâu mở. Nó bằng không dọc đường đi và lớn nhất ở bức tường quanh giữa con tàu, vòng tím. Vòng đó được vẽ ra.

Năm 1997 Michael Pfenning và Larry Ford áp dụng cho bong bóng những giới hạn mà lý thuyết lượng tử đặt lên năng lượng âm. Họ thấy bức tường của nó chỉ có thể dày vài trăm độ dài Planck, và năng lượng cho một bong bóng đủ lớn để mang tàu đi xa khoảng −10⁶⁴ kg: chừng một trăm tỉ lần khối lượng vũ trụ quan sát được, khoảng 10⁵³ kg.

Các thiết kế sau đó giảm hóa đơn. Thiết kế 1999 của Van Den Broeck cần dưới ba Mặt Trời cho một bong bóng mang thứ nhỏ như nguyên tử. Năm 2021 Bobrick và Martire chỉ ra rằng bong bóng chậm hơn ánh sáng có thể làm từ vật chất thường, và Lentz đề xuất một cái nhanh hơn chỉ cần năng lượng dương, điều người khác tranh cãi. Không cái nào rẻ, và không cái nào được thống nhất.

Một cái sẽ được chế tạo thế nào

Trên giấy, động cơ warp được chế tạo trong ba bước: tạo ra rất nhiều năng lượng âm, định hình nó thành vách mỏng bao quanh con tàu, và bật nó trước con tàu. Không ai biết cách làm bước nào. Vòng ở đây được vẽ.

1. Tạo năng lượng âm. Loại duy nhất ta làm được rất nhỏ: hiệu ứng Casimir cho khoảng −4 × 10⁻⁴ jun trên mỗi mét khối giữa hai bản cách nhau một micrô-mét, và ánh sáng bị nén tạo các xung ngắn. Các giới hạn của Ford và Roman chỉ cho phép chừng ấy trong thời gian ngắn ấy. Bong bóng cần khoảng −10⁶⁴ ki-lô-gam.

2. Tạo hình thành vách. Công thức của Alcubierre đặt vật chất trong một lớp vỏ quanh con tàu: không có dọc đường đi, nhiều nhất ở hai bên, với vách mượt. Pfenning và Ford thấy vách chỉ được dày vài trăm độ dài Planck, khoảng 10⁻³³ mét, mỏng hơn mọi vật chất ta biết làm.

3. Bật nó trước con tàu. Con tàu không thể gửi tín hiệu tới vách phía trước, nên không thể khởi động bong bóng từ bên trong. Krasnikov gợi ý năm 1995 rằng một con tàu chậm hơn có thể chuẩn bị tuyến đường dọc đường đi, để lại phía sau một ống không gian đã bị biến đổi, để các chuyến sau dọc theo đó sẽ nhanh.

Không điều nào trong này tồn tại như một cỗ máy. Mỗi bước là điều toán học đòi hỏi, không phải công nghệ. Vòng năng lượng âm trong hình và tuyến đường phía trước được vẽ.

Bên trong bong bóng

Bên trong, bạn sẽ không cảm thấy gì. Con tàu đứng yên trong không gian phẳng: không bị đẩy, không giãn thời gian, đồng hồ chạy như mọi nơi khác. Cái thay đổi là bầu trời. Tăng động cơ lên và các ngôi sao phía trước dồn lại, sáng lên và chuyển xanh.

Ở trung tâm không gian phẳng và đứng yên. Không gì đẩy bạn khi bong bóng tăng tốc, vì bạn không tăng tốc; chính bức tường của bong bóng chuyển động. Đồng hồ của bạn chỉ thời gian mà đồng hồ mọi người chỉ.

Chỉ ánh sáng đi vào mới cho thấy điều đang xảy ra. Nó phải vượt qua bức tường, nơi không gian đang chảy, và ra ngoài bị dịch: ánh sáng từ phía trước được nâng tần số lên 1 cộng tốc độ, ánh sáng từ phía sau bị hạ xuống 1 trừ tốc độ. Mỗi tia ở đây được lần theo qua hình học warp.

Các sắc là thay thế đơn giản cho màu bị dịch, và độ sáng theo hệ số Doppler. Bản thân con tàu, ở trung tâm, không được vẽ.

Con tàu thấy gì

Clark, Hiscock và Larson lần theo ánh sáng qua bong bóng năm 1999, và Thomas Müller cùng đồng nghiệp ở Stuttgart sau đó làm phim về cảnh nhìn. Vượt tốc độ ánh sáng, các ngôi sao ở nửa phía trước trông gần hướng đi hơn so với thực tế, và sáng hơn, xanh hơn về phía đó.

Phía sau con tàu, hệ số Doppler, 1 trừ tốc độ, giảm về không ở tốc độ ánh sáng, và vượt qua nó một hình nón mở ra quanh đúng phía sau mà từ đó không có ánh sáng nào đến. Nửa góc của nó là cung có cosin bằng 1 chia tốc độ: 60° ở gấp đôi tốc độ ánh sáng, lớn hơn khi tàu đi nhanh hơn.

Hình nón là một chân trời, như hình nón Mach sau một máy bay siêu thanh: cái ở trong nó bị chính ánh sáng của nó bỏ lại. Nhìn thẳng ra sau, phi hành đoàn chỉ thấy bóng tối, với vài ngôi sao đỏ mờ về phía mép.

Người quan sát thấy gì

Từ bên ngoài, bong bóng warp gần như vô hình: không phát sáng, không có tường để thấy. Từ phía sau nó hiện ra như một đĩa bầu trời cong vênh phía trước, nhỏ dần khi bong bóng phóng đi; từ bên cạnh bạn sẽ không nhận ra gì cho đến khi nó đi qua.

Ánh sáng từ những ngôi sao xa phía trước vượt qua bức tường bong bóng trước khi tới bạn, và bức tường bẻ nó đi hàng chục độ và dịch màu của nó. Điều bạn thấy là một đĩa bầu trời mà thực ra là từ một dải rộng của bầu trời, dồn vào một vòng tròn nhỏ quanh hướng đi: bong bóng càng xa, đĩa càng nhỏ. Máy quay ở đây đứng yên trong không gian, phía sau bong bóng.

Bong bóng chuyển động nhanh hơn bất kỳ ánh sáng nào có thể cho thấy nó: hình ảnh của nó chỉ đến bạn sau khi nó đã đi qua. Ai ở trên đường của nó sẽ bị vượt qua trước khi thấy nó đến, như tiếng nổ siêu thanh theo sau máy bay siêu thanh.

Con tàu ở giữa không được vẽ, cũng như ánh sáng riêng của bức tường, nếu nó có: chỉ hiển thị những gì các phương trình làm với ánh sáng sao.

Không lái được, không dừng được

Năm 1995 Sergei Krasnikov chỉ ra rằng không gì tàu gửi đi có thể tới phía trước bong bóng nhanh hơn ánh sáng, nên phi hành đoàn không thể tạo ra bức tường, lái nó hay dừng nó. Mọi thứ về bức tường phải được sắp đặt trước mặt con tàu, trước khi nó đến.

Clark, Hiscock và Larson tìm ra hai hình nón được vẽ ở đây: phía trước, cái mà tàu không thể gửi tín hiệu vào, và phía sau, cái mà từ đó không ánh sáng nào đến được tàu. Mỗi cái có nửa góc mà cosin bằng 1 chia tốc độ.

Vậy một con tàu trong bong bóng warp không thể dừng ở đích trừ khi máy móc đã có sẵn ở đó làm việc ấy. Câu trả lời của chính Krasnikov là một ống không gian bị bẻ cong được đặt dọc lộ trình từ trước. Đây là ý tưởng, không phải thiết kế.

Hai vấn đề nữa

Nếu bong bóng được bật từ không gian phẳng, các tính toán nói rằng hiệu ứng lượng tử dồn lại vô hạn trên bức tường phía trước và phá hủy nó. Và một cách đi nhanh hơn ánh sáng cũng có thể là một cách quay ngược thời gian.

Finazzi, Liberati và Barceló chỉ ra năm 2009 rằng một bong bóng nhanh hơn ánh sáng tạo từ không gian phẳng có một chân trời ở bức tường phía trước, và năng lượng của các trường lượng tử ở đó tăng theo hàm mũ theo thời gian. Kết quả của họ coi hấp dẫn là cổ điển và vật chất là lượng tử, nên một lý thuyết hấp dẫn lượng tử đầy đủ có thể khác.

Allen Everett chỉ ra năm 1996 rằng một thay đổi đơn giản trong mô hình cho phép một con tàu đi một vòng đưa nó về nhà trước khi nó rời đi. Như hố sâu, một bong bóng nhanh hơn ánh sáng là một cỗ máy thời gian cũng như một động cơ.

Phỏng đoán bảo vệ trình tự thời gian của Stephen Hawking nói rằng tự nhiên luôn ngăn những vòng như vậy hình thành. Nó có đúng với bong bóng warp hay không thì chưa biết. Ánh sáng đập nhịp vẽ trên bức tường phía trước tượng trưng cho năng lượng dồn lại; nó được vẽ ra.

Đã ai chế tạo chưa?

Chưa. Một nhóm của NASA do Harold White dẫn đầu tìm một trường warp nhỏ xíu bằng giao thoa kế laser năm 2011 và 2012 và không thấy dấu hiệu thuyết phục. Một động cơ warp vẫn nằm trong các phương trình, chờ năng lượng âm mà nó cần.

Tại Trung tâm Vũ trụ Johnson của NASA, White và Richard Juday chế tạo một giao thoa kế để tìm sự biến dạng không gian do một vòng nhỏ xíu các tụ điện gốm gây ra. Kết quả không kết luận được, và một phân tích năm 2014 lập luận rằng các biến dạng mà một thiết bị như vậy có thể tạo ra quá nhỏ để nó thấy.

Thuyết tương đối rộng cho phép hình dạng của bong bóng; cái thiếu là vật chất. Không vật liệu nào đã biết có năng lượng âm với lượng cần thiết, và lý thuyết lượng tử chỉ cho phép lượng nhỏ xíu, như hiệu ứng Casimir, trong thời gian ngắn.

Ý tưởng vẫn làm được việc hữu ích. Nó cho thấy thuyết tương đối cho phép và cấm điều gì, và thúc các nhà vật lý hỏi những quy tắc nào về năng lượng thực sự được tự nhiên tuân theo. Các bong bóng chậm hơn ánh sáng từ vật chất thường nay được nghiên cứu vì điều chúng nói về hấp dẫn, không phải như động cơ.