La Métrica de Alcubierre es una propuesta realizada por un físico mexicano, en la que prueba de manera teórica que existe la posibilidad de viajar a la velocidad de la luz. Si quiere conocer sobre esta teoría, lo invitamos a continuar la lectura de este interesante artículo.
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Métrica de Alcubierre: El impulso por deformación
Es importante que comencemos este artículo valorando todos los aportes científicos que se han realizado durante toda la historia de la humanidad. De no ser por las buenas e incluso por las malas ideas, por las reales y las posiblemente inciertas, el desarrollo de la humanidad no se encontraría en donde está actualmente.
Es necesario que como sociedad científica se valoren las ideas de todos, porque el disentir de una teoría o una hipótesis, nos obliga como investigadores a demostrar que están posiblemente equivocados y esto necesariamente es un aporte a la comprobación.
Se preguntarán ¿por qué la introducción?, porque la Métrica de Alcubierre ha sido criticada con ferocidad, al punto incluso de estigmatizar la idea. Es por ello que en este artículo daremos a conocer de esta propuesta que abre la posibilidad de viajar a la velocidad de la luz y al concluir la lectura, ustedes se crearán su propia opinión.
La Métrica de Alcubierre es una idea que se fundamenta en el desarrollo de un modelo matemático que supone que los viajes pueden realizarse a velocidades incluso mayores que la velocidad de la luz. El tema es probablemente un poco denso, pero acá vamos a explicarlo de manera que sea para usted de fácil comprensión.
Miguel Alcubierre es un joven físico teórico de origen mexicano, quien creó un modelo matemático que propone la resolución de las ecuaciones de Albert Einstein referidas a la Teoría General de la Relatividad. Su propuesta fue dada a conocer como un artículo científico en el año 1994. Actualmente Miguel Alcubierre se desempeña como Director del Instituto de Ciencias Nucleares de México.
La métrica de Alcubierre propone que se pueden realizar viajes dentro de una burbuja de deformación plana, dentro de esta se encontraría la nave espacial, por delante de la burbuja de deformación el espacio-tiempo se comportaría de tal manera que se contraería, por lo que el punto de destino se encontraría mucho más cerca, mientras que la parte de atrás, o mejor dicho el espacio tiempo que se encuentra por detrás de la burbuja de deformación, se expandiría, empujando años luz.
Por su parte el espacio-tiempo dentro de la burbuja de deformidad y por ende de la nave, tendría cambios mínimos. Adicionalmente, con la propuesta no se violenta ninguna ley física de la teoría de la relatividad, debido a que dentro de la burbuja de deformación no se supera la velocidad de la luz, ya que la nave está siendo llevada por la burbuja.
Con esta teoría, la nave y los tripulantes de la misma no estarían expuestos a los efectos de viajar a la velocidad de la luz, así como tampoco a la fuerza de gravedad, o a la contracción de Lorentz, que es un efecto relativista, en donde el cuerpo se contrae en dirección al movimiento a medida que se acerca a la velocidad de la luz.
Tampoco se verían afectados por la dilatación del tiempo a altas velocidades, que es la diferencia en el tiempo transcurrido tomado desde la medición de dos observadores, las cuales se pueden generar por una diferencia de velocidad relativa entre sí, o por estar situados de forma diferente en referencia a un campo gravitacional.
Si están pensando en las fuerzas de marea que se presentarían en la periferia de la burbuja, provocadas por las curvaturas del espacio-tiempo; estas fuerzas son despreciables en el interior de la burbuja, porque la misma es plana.
Como es conocido, la Teoría de la Relatividad señala que es imposible que los objetos puedan desplazarse a velocidades superiores a la velocidad de la luz en el espacio-tiempo, sin embargo, aún se desconoce cuál es la velocidad máxima en la que se mueve el espacio-tiempo.
En oportunidades se ha dicho que esa velocidad es justo el momento inicial del Big Bang. Recordemos que es justo ese momento en que se formó la materia, el espacio y el tiempo. Se trata de una gran explosión que se produjo a velocidades supralumínicas, hace unos 13.800 millones de años.
En la física, hay una premisa que señala que existe una velocidad máxima a la que un objeto puede desplazarse sobre el suelo, al suponer que se trata de una superficie movediza, como una banda transportadora, que tiene la posibilidad de superar la máxima velocidad de desplazamiento, se debe realizar un cambio en el sistema de coordenadas.
El cambio del sistema de coordenadas se sustenta en la necesidad de que se mueva en la misma dirección del desplazamiento, respecto a un segundo sistema de referencia externo al propio espacio-tiempo, esa es la manera como la nave puede aumentar su velocidad de manera indefinida respecto del segundo sistema de referencia.
Como podemos observar, la posibilidad de viajar a la velocidad de la luz presupone una serie de condiciones y es necesario adecuar el tiempo y espacio. Aún falta crear un dispositivo como la burbuja de deformación, que es lo que permitirá el impulso de deformación.
En principio es necesario contar con materia de densidad negativa para crear una burbuja de energía negativa que envuelva a la nave. En este caso de energía negativa, también conocida como energía exótica, cuyo contenido se mide por unidad de volumen, es decir, que la densidad de energía puede ser menor que cero.
Si hacemos uso de la ley de la relatividad general de Einstein, la presencia de materia y energía deforma las estructuras geométricas del espacio y del tiempo. Por lo tanto, lo que se percibe como fuerza de gravedad es en realidad una distorsión del espacio-tiempo producida con energía positiva. Ahora bien, si es esto posible, entonces también es posible la formación de agujeros de gusano, viajar a la velocidad de la luz y más.
Siendo así, como la densidad de energía sería negativa entonces es posible viajar a una velocidad mayor que la de la luz. Es importante señalar que la existencia de la materia con energía negativa no está descartada, de hecho existe una explicación física con base en la física cuántica, que demuestra la existencia bajo ciertas condiciones de una fuerza no gravitacional, que es identificada como energía negativa, se conoce como el Efecto Casimir.
También existe una propuesta desarrollada por Robert J. Low, dos años antes de la propuesta de Alcubierre, que respalda la posibilidad de construir una burbuja de deformación, sin la presencia de energía negativa. Alcubierre ha logrado demostrar que la nave viaja en una caída libre geodésica.
Las ecuaciones geodésicas determinan cómo la luz o cualquier otro objeto en caída libre, se mueve en presencia de un campo gravitacional, sin embargo es importante que la burbuja de deformación tenga la capacidad de superar la velocidad de la luz.
Forma de la métrica
Antes de comenzar a analizar la manera como Alcubierre llegó a la teoría de la posibilidad de viajar a la velocidad de la luz, debemos quedarnos con lo básico del impulso de deformación. Recordemos que tenemos la burbuja de deformación con la nave dentro de ella, en donde el ambiente es relativamente estable.
Mientras que por delante de la burbuja se contrae el tiempo y espacio, acercando el lugar de destino, y el espacio en la parte de atrás se expande en años luz. Esto es básicamente lo que produce el impulso de deformación. Ahora vamos a entender la métrica o fórmula que explica la posibilidad de viajar a la velocidad de la luz, según Alcubierre.
Debemos iniciar por citar a Albert Einstein, cuando señala que la velocidad de la luz en el vacío es una constante. Lo que significa que no importa la velocidad relativa que existe en referencia a una fuente emisora de luz, siempre la velocidad será c.
Esta es la explicación que relaciona el espacio-tiempo como una sola entidad, sobre la cual se fundamenta la Métrica de Alcubierre. Siendo así debemos ubicar el foco de luz y para que llegue a todos los posibles observadores a la misma velocidad, la luz se mueve en la superficie de una forma geométrica de cono.
Esto se conoce como Cono de Luz, en donde la superficie del mismo serían los caminos del espacio-tiempo por donde se mueven los objetos a la velocidad de la luz. La parte interna del cono y sus vértices son los lugares por donde viajaría a una velocidad menor que la velocidad de la luz. Y la parte exterior del Cono es el lugar para viajar más rápido que la velocidad de la luz.
La métrica es lo que nos permite calcular distancias en un espacio y, además, construir y poder calcular las áreas, determinar los ángulos, el volumen, entre otros. Utilizando la métrica de Minkowski para la relatividad especial con la que se obtiene la distancia espacio temporal, se tiene:
Ds2 = – c*dt2 + dx2 + dy2 + dz2
Por su parte, la Relatividad General nos dice que los sistemas con masa o energía afectan a la geometría del espacio-tiempo. Por lo tanto mientras más masa tenga el objeto, más se curva el espacio-tiempo. Siendo estas las llamadas geodésicas. Dando lugar a la ecuación de Einstein:
Gab = 8πG Tab
Por supuesto que es mucho más complicado, pero este es el resultado en donde las energías están distribuidas por el espacio-tiempo. Pero no solo la velocidad forma parte del desplazamiento, mucho menos si deseamos desplazarnos sin movernos del sitio. Entonces comenzamos hablar de la expansión del universo.
Así fue como el astrónomo y científico estadounidense Hubble determinó que el universo se expandía, se dio cuenta de que las galaxias se alejaban de la nuestra y mientras más lejos se encontraban, se separaban más rápido. Entonces si la distancia coordenada (dx²+dy²+dz²) aumenta en un factor a²(t) en cada instante de tiempo, nos queda:
a²(t) (dx²+dy²+dz²)
Debido a que estamos en un espacio-tiempo, la métrica del mismo queda:
Ds2 = – dt2 + a²(t) (dx2 + dy2 + dz2)
Quedando entonces comprobada la expansión del universo, sabemos que no se trata de una velocidad real, ni de un desplazamiento en el espacio por unidad de tiempo, es un efecto de la geometría expansiva del espacio y esto no entra en conflicto con la relatividad. Es decir, que el universo puede expandirse al ritmo que deseemos, solo se debe encontrar la manera de distribuir las energías.
Es entonces cuando interviene Alcubierre para intentar llegar de un punto a otro del espacio en menos tiempo del que lo haría un fotón, moviéndose a través del espacio-tiempo. Para poder entonces realizar un desplazamiento a la velocidad de la luz, como ya sabemos por el impulso de deformación, asumimos un espacio plano:
Ds2 = – dt2 + dx2 + dy2 + dz2
Se debe entonces reemplazar el factor dx2 por (dx-Vadt)² que es el arrastre de la coordenada, en donde nos encontramos con una velocidad Va. Quedando:
Ds2 = – dt2 + (dx-Va dt)² + dy2 + dz2
Pero como al modificar la coordenada en donde estamos ubicados, modificamos todas las otras coordenadas del espacio, se debe incluir la función de la distancia del lugar hacia donde nos dirigimos es decir, f(rA). Entonces la expresión queda de la siguiente forma:
Ds2 = – dt2 + (dx-Va f(rA) dt)² + dy2 + dz2
La inclusión de esta función permite entonces definir, que si nos encontramos en un entorno pequeño, veremos un espacio plano. Y si aumenta rA se anula, por lo que se mantiene un espacio plano en el espacio-tiempo. Esta es la explicación, a través de la Métrica de Alcubierre, de cómo el espacio se contrae frente a la nave y la burbuja de deformación y también por qué se estira o expande en la parte trasera.
¿Para qué sirve la Métrica de Alcubierre?
Como hemos visto el desarrollo de la propuesta de la Métrica de Alcubierre, estamos un paso más cerca de la posibilidad de viajar a la velocidad de la luz. Por supuesto que actualmente puede verse como una especulación o como un invento que puede ser utilizado en las películas de ciencia ficción, para abultar un poco los guiones de estas.
Sin embargo, definitivamente la inquietud de Alcubierre nos lleva a entender que es posible, al menos con base en la física teórica, que podemos viajar algún día a la velocidad de la luz. El beneficio de ello, es que podríamos definitivamente conocer otras galaxias, otros planetas en un tiempo real.
El tiempo y la distancia siempre han sido limitantes para poder conocer el universo, porque las distancias son años Luz, por lo tanto, si en realidad quisiéramos ir a la estrella más cercana de nuestro planeta, nos llevaría más de 8 años ir y regresar, porque se encuentra a 4 años luz.
Y a pesar que el motor de curvatura de Alcubierre pareciera un concepto propio de una película de ciencia ficción, es definitivamente la solución que permitiría viajar más rápido que la luz, sin violar las leyes de la física.
El método y la propuesta contenidos en la Métrica de Alcubierre son aceptables y si lo detalla, incluso sencillo de entender. Si se manipula el espacio-tiempo y hace que el espacio por delante de un objeto se contraiga mientras el espacio por detrás se expande, podemos recorrer el espacio, en la ya conocida burbuja de curvatura o de deformación, es lo que llamamos la Métrica de Alcubierre y es un aporte muy interesante que en un futuro puede ser de gran utilidad.
Invalidación de la Teoría
Con una propuesta tan innovadora, en la que además se deben asumir ciertas condiciones físicas en referencia al espacio- tiempo, es lógico que haya causado un revuelo enorme en el mundo científico. Pero como dijimos al principio del artículo, todo contribuye al desarrollo de la humanidad, por lo que agradecemos a todos los hombres y mujeres que durante años han hecho posible el mundo en el que vivimos actualmente.
Por supuesto que esta propuesta sobre la Métrica de Alcubierre promovió que muchos grupos científicos trataran de demostrar si era o no posible. Uno de ellos fue el Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), el cual señala dos situaciones que pueden invalidar la propuesta teórica de Alcubierre. Una de ellas es que se basa en el movimiento del propio espacio-tiempo, asegurando que puede contraerse y expandirse sin límite de velocidad.
Ante lo cual, los investigadores plantean que es posible que las partículas presentes en un estado de energía excitado no sean cero, solo que no detectamos su presencia si nacen y a la misma velocidad con que nacen se aniquilan entre ellas, pero en el momento en que esto no ocurra se harán reales, si se produce una distorsión en el espacio-tiempo.
También señalan la posibilidad de que las temperaturas que se generen al viajar a una velocidad mayor a la de la luz puedan destruir la burbuja y por ende la nave, por lo que proponen que se viaje a menos de la velocidad de la luz.
Por último, el propio Alcubierre en su diseño indica la construcción de una burbuja que debe ser elaborada con energía negativa y esta es de las mayores limitaciones que existen en este momento, porque no se ha comprobado la existencia de la energía negativa, que no es más que la ausencia de la gravedad. Sin embargo, no sabemos qué depara el futuro y si este pequeño escollo de hoy es solucionado, estaremos viajando a la velocidad de la luz más adelante.
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