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14/09/2021 | domtotal.com

Alcubierre e as dobras espaciais

Cientistas parecem confiantes de que, em um futuro distante, o impulso de dobra se tornará uma realidade

Nasa Enterprise Starship (modelo futurístico para nave com 'propulsão de dobra')
Nasa Enterprise Starship (modelo futurístico para nave com 'propulsão de dobra') (Nasa/Harold White)

Jose Antonio de Sousa Neto*

 A estrela mais próxima da Terra é Proxima Centauri. Está a cerca de 4,25 anos-luz de distância ou cerca de 40 trilhões de km. Em passado recente abordamos um pouco este tema no texto Proxima b. A nave espacial mais rápida de todos os tempos, a Parker Solar Probe atingirá uma velocidade máxima de 720.000 km/h. Levaria poucos segundos para ir de norte a sul no Brasil a esta velocidade, mas levaria muitos anos para a sonda solar chegar ao sistema solar vizinho mais próximo da Terra. Mas se a humanidade quiser realmente viajar entre as estrelas, será preciso se deslocar mais rápido que a luz e, até agora, isto só é possível na ficção científica. Em algumas destas ficções a tecnologia seria a das "dobras espaciais". Mas como esses impulsos teóricos de dobra realmente funcionam? E os humanos estarão dando o salto para a velocidade de dobra em algum ponto no futuro?

Esta representação bidimensional mostra a bolha plana e não distorcida do espaço-tempo no centro, onde uma unidade de dobra seria cercada por um espaço-tempo comprimido à direita (curva para baixo) e espaço-tempo expandido para a esquerda (curva para cima) (Foto: AllenMcC/Wikimedia)Esta representação bidimensional mostra a bolha plana e não distorcida do espaço-tempo no centro, onde uma unidade de dobra seria cercada por um espaço-tempo comprimido à direita (curva para baixo) e espaço-tempo expandido para a esquerda (curva para cima) (Foto: AllenMcC/Wikimedia)A ideia de um warp drive nos levando por grandes áreas do espaço mais rápido do que a velocidade da luz há muito fascina cientistas e fãs da ficção científica. Embora ainda estejamos muito longe de ultrapassar os limites universais de velocidade, isso não significa que nunca iremos "navegar"as ondas do espaço-tempo distorcido.

Em passado relativamente recente um grupo de físicos elaborou uma primeira proposta de um warp drive físico, com base em um conceito criado nos anos 90. E eles dizem que não deve quebrar nenhuma das leis da física.

Miguel Alcubierre (Foto:Germán Nájera/Iván Flores)Miguel Alcubierre (Foto:Germán Nájera/Iván Flores)Teoricamente falando, os drives de dobra se curvam e mudam a forma do espaço-tempo para redimensionar as diferenças de tempo e distância que, em algumas circunstâncias, podem fazer com que os viajantes percorram distâncias mais rápido do que a velocidade da luz. Uma dessas circunstâncias foi delineada há mais de um quarto de século pelo físico teórico mexicano Miguel Alcubierre. Sua ideia, proposta em 1994, era que uma espaçonave, movida por algo que mais tarde foi chamado de 'unidade de Alcubierre', poderia realizar essa viagem mais rápida do que a luz. O problema é que requereria muita energia negativa em um lugar concentrado o que, embora seja possível de se descrever matematicamente, é algo que simplesmente não é conhecido pela física existente.

Como sumariza Mario Borunda, Professor Associado de Física da Oklahoma State University, a compreensão atual dos físicos sobre o espaço-tempo vem da teoria da relatividade geral de Albert Einstein. A relatividade geral afirma que o espaço e o tempo estão fundidos e que nada pode viajar mais rápido do que a velocidade da luz. A relatividade geral também descreve como a massa e a energia distorcem o espaço-tempo. Objetos de grande massa ("pesados") como estrelas e buracos negros curvam o espaço-tempo ao seu redor. Essa curvatura é o que nós sentimos como gravidade e o porquê de muitos viajantes do espaço na ficção científica se preocuparem em "ficar presos" ou "cair" em um poço gravitacional.

E se uma nave estelar pudesse comprimir o espaço à sua frente enquanto expande o espaço-tempo atrás dela? "Star Trek" (Jornada nas Estrelas) pegou essa ideia e a chamou de warp drive.  Pois Alcubierre mostrou que comprimir o espaço-tempo na frente da espaçonave enquanto o expande para trás era matematicamente possível dentro das leis da relatividade geral. Então, o que isso significa?

Uma forma de pensar a respeito disso é usar o mar como metáfora. Na nossa percepção atual o espaço sideral é um espaço vazio entre corpos celestes. Para um peixe o meio aquático também "seria percebido" como um "espaço vazio" por onde se desloca / flutua até o seu destino. Se houver um terremoto subaquático as ondas de choque submarinas vão agitar o "ambiente vazio" tridimensional do peixe. Isto também acontece no espaço tempo em nosso entorno. Grandes eventos como a explosão de uma supernova geram ondas gravitacionais em três dimensões, assim como uma mina de profundidade lançada por um navio de guerra do tipo destroyer (contratorpedeiro) à caça de um submarino gera ondas tridimensionais no ambiente submarino quando ela explode. 

Agora voltemos ao terremoto submarino e imaginemos que ele venha a gerar um tsunami. Estas ondas gigantes se movimentam a uma enorme velocidade empurradas por uma grande energia gerada por trás delas. Dependendo da quantidade de energia, esta velocidade seria muitas vezes maior comparada à velocidade que o atrito permitiria a uma embarcação como um submarino ou mesmo uma lancha de corrida. Ou em outras palavras, o atrito na água cria um limite para a velocidade das embarcações, mas a própria água em si mesma, acionada por uma força externa, pode se movimentar a velocidades maiores do que qualquer coisa dentro da própria água. A energia do impacto de um meteoro no meio do oceano pacífico também poderia, dependendo da dimensão do evento, criar ondas que viajariam até a velocidades hipersónicas. A mesma coisa é matematicamente e, dependendo da energia gerada, também teoricamente / fisicamente possível no contexto do ("tecido do") espaço-tempo em nosso entorno.

Mas nem tudo precisa ser algum tipo de catástrofe em nossas metáforas marítimas. Podemos também pensar em nossas medalhas no surf. A energia do vento cria as ondas e o surfista com sua prancha, "quase parado" em relação à água, vai embalado pela onda atrás dele em velocidades muito maiores do que seria possível em um mar sem ondas. Este seria exatamente o mesmo princípio das viagens em velocidades acima da velocidade da luz sem ferir as leis da física no espaço-tempo como demonstradas por Einstein através da relatividade. Em outras palavras, a matéria seria arranjada de modo a expandir o espaço-tempo atrás de uma nave estelar (empurrando assim o ponto de partida muitos anos-luz para trás) e a contrair o espaço-tempo na frente (trazendo o destino para mais perto), enquanto a própria nave estelar permaneceria em uma região localmente "plana" do espaço-tempo limitado por uma "bolha de dobra" que fica entre as duas distorções. A nave, então, surfaria em sua bolha a uma velocidade arbitrariamente alta, empurrada para a frente pela expansão do espaço na parte traseira e a contração do espaço na frente. Além disso, estando localmente estacionária, a nave estelar e sua tripulação seriam imunes a quaisquer acelerações e desacelerações devastadoramente altas (evitando a necessidade de "amortecedores inerciais") e também imunes aos efeitos relativísticos da dilatação temporal (uma vez que a passagem do tempo dentro da bolha de dobra seria a mesma que fora dela).

Como descreve o Prof Borunda, "Imagine que a distância entre dois pontos é de 10 metros. Se você está no ponto A e pode viajar um metro por segundo, levaria 10 segundos para chegar ao ponto B. No entanto, digamos que você pudesse de alguma forma comprimir o espaço entre você e o ponto B para que o intervalo agora seja de apenas um metro. Então, movendo-se através do espaço-tempo em sua velocidade máxima de um metro por segundo, você seria capaz de alcançar o ponto B em cerca de um segundo.

Em teoria, essa abordagem não contradiz as leis da relatividade, pois você não está se movendo mais rápido do que a luz no espaço ao seu redor. Alcubierre mostrou que o warp drive de Star Trek era, de fato, teoricamente possível.

Proxima Centauri aqui vamos nós, certo? Infelizmente, o método de Alcubierre de compressão do espaço-tempo tem um problema: requer energia negativa ou massa negativa".

Esta representação bidimensional mostra como a massa positiva curva o espaço-tempo (lado esquerdo, terra azul) e a massa negativa curva o espaço-tempo em uma direção oposta (lado direito, terra vermelha) (Foto: Tokamac/Wikimedia)Esta representação bidimensional mostra como a massa positiva curva o espaço-tempo (lado esquerdo, terra azul) e a massa negativa curva o espaço-tempo em uma direção oposta (lado direito, terra vermelha) (Foto: Tokamac/Wikimedia)

"A unidade de dobra de Alcubierre funcionaria criando uma bolha de espaço-tempo plano em torno da nave espacial e curvando o espaço-tempo em torno dessa bolha para reduzir as distâncias. O mecanismo de dobra exigiria massa negativa - um tipo de matéria teorizado - ou um anel de densidade de energia negativa para funcionar. Os físicos nunca observaram massa negativa, de modo que deixa a energia negativa como única opção". Embora, no final das contas, massa e energia estejam diretamente relacionadas. O impulso de dobra de Alcubierre usaria essa energia negativa para criar uma "bolha" no espaço-tempo. Mas para um impulso de dobra gerar energia negativa suficiente um mecanismo de dobra com uma bolha de 100 metros exigiria a massa de todo o universo visível. E, infelizmente, isso é inviável...

De toda forma o conceito geral chamou a atenção de cientistas no mundo inteiro e mesmo a NASA tem investido nesta linha de pesquisa. E certamente não o faria se não visualizasse alguma perspectiva, mesmo que ainda distante, deste esforço científico. É importante se lembrar de que "espaço-tempo" inclui espaço e tempo, e a relatividade geral permite que se "manipule" ambos. É possível, baseado na teoria e com energia suficiente, desacelerar ou acelerar a passagem do tempo com a mesma facilidade com que se pode dobrar e deformar o espaço. Neste sentido, já em 1999 (5 anos após a publicação do artigo de Alcubierre), o físico Chris Van Den Broeck mostrou que expandir o volume dentro da bolha, mas mantendo a área de superfície constante, reduziria significativamente as necessidades de energia, para quase a massa do sol. Uma melhoria significativa, mas ainda muito além de todas as possibilidades práticas.  

Como também aponta o jornalista David Nield, dentre outras várias pesquisas, "um novo estudo tem uma solução alternativa. De acordo com pesquisadores do grupo de pesquisa independente Applied Physics com sede em Nova York, é possível abandonar a ficção da energia negativa e ainda fazer um warp drive, embora talvez um pouco mais lento do que gostaríamos".

"Fomos em uma direção diferente da NASA e de outros, e nossa pesquisa mostrou que existem, na verdade, várias outras classes de motores de dobra na relatividade geral", disse o astrofísico Alexey Bobrick, da Universidade de Lund, na Suécia. "Em particular, formulamos novas classes de soluções de propulsão de dobra que não requerem energia negativa e, assim, tornam-se físicas". 

Várias outras novas pesquisas também buscam contornar o problema da energia negativa. Segundo alguns modelos teóricos ela não seria mais necessária, uma vez que um campo gravitacional extremamente poderoso poderia substitui-la. A gravidade faria o trabalho pesado de dobrar o espaço-tempo, de modo que a passagem do tempo dentro e fora da máquina de dobra seria significativamente diferente. Mas ainda assim a quantidade de massa necessária para produzir um efeito gravitacional perceptível no espaço-tempo seria pelo menos do tamanho de um planeta.

Dois outros artigos, - um de Alexey Bobrick e Gianni Martire e outro de Erik Lentz também fornecem soluções que parecem aproximar as unidades de dobra da realidade. Bobrick e Martire perceberam que, ao modificar o espaço-tempo dentro da bolha de uma certa maneira, também seria possível chegar à possibilidade teórica de eliminar a necessidade de usar energia negativa. Essa solução, entretanto, não produz uma unidade de dobra que pode ir mais rápido do que a luz. Ainda assim seria um grande avanço tecnológico.

De forma independente, Lentz também propôs uma solução que não requer energia negativa. Ele usou uma abordagem geométrica diferente para resolver as equações da relatividade geral e, ao fazer isso, descobriu que uma unidade de dobra não precisaria usar energia negativa. A solução de Lentz permitiria que a bolha viajasse mais rápido do que a velocidade da luz. Uma outra descoberta interessante das pesquisas diz respeito à forma do mecanismo de dobra: uma nave mais larga e mais alta precisaria de menos energia do que uma nave longa e fina.

Embora a realidade de viajar para estrelas e planetas longínquos ainda esteja muito distante, estudos como os mencionados neste texto são adições recentes a um crescente corpo de pesquisas que sugere que os princípios dos motores de dobra são teoricamente sólidos em termos científicos.  Enfim, toda caminhada de mil léguas sempre tem seus primeiros passos. Apesar dos pesquisadores admitirem que ainda não sabem exatamente como reunir a tecnologia, parecem confiantes de que, em um futuro distante, o impulso de dobra se tornará uma realidade.

*Professor da EMGE / Dom Helder Tech

O texto reflete a opinião pessoal do autor, não necessariamente do Dom Total. O autor assume integral e exclusivamente responsabilidade pela sua opinião.



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