La teoría de ese motor —propuesto en los años 90 por el matemático mexicano Miguel Alcubierre— permite que una nave espacial viaje más rápido que la luz curvando el espacio, expandiéndolo detrás de la nave mientras lo contrae por su proa.

Hoy hablaremos sobre la posible solución Miguel Alcubierre, planteamiento que dentro de la comunidad muchos conocen como 'Motor Warp', un dispositivo que en lugar de mover un objeto a velocidades altas, deforma el espacio - tiempo a su alrededor.

¿Cómo funciona el motor warp?

Se trata del motor de curvatura, y a diferencia de lo que hacen los motores químicos tradicionales, que utilizan reacciones químicas para liberar energía y acelerar los gases para generar empuje, se apoya en las propiedades de expansión y contracción del tejido espacial para recorrer enormes distancias en poco tiempo.

Los ‘warp drive’ para ir a otros sistemas estelares a velocidades cercanas a la luz son posibles

Científicos han diseñado un nuevo motor de curvatura que funciona sin la necesidad de la escurridiza energía oscura y que podría llegar a fabricarse en el futuro

El concepto de nave espacial con motor 'warp drive' que se necesitaría para llegar a una Alfa Centauri en pocos meses (LSI)

El Warp Drive (motor de curvatura) es un tipo de propulsor teórico que puede llevar una nave a otros sistemas estelares a velocidades superiores a las de la luz sin romper ninguna ley física. Applied Physics, un grupo internacional de investigadores e ingenieros, ha creado un simulador virtual que permite diseñar y testar con rigor científico nuevos motores de curvatura. El primero de estos diseños acaba de salir a la luz y promete una nueva tecnología que es posible fabricar. Muchas historias de ciencia ficción hablan de naves espaciales capaces de ir de un sistema planetario a otro en un abrir y cerrar de ojos. Naves como el Halcón Milenario de La Guerra de las Galaxias o el Enterprise de Star Trek superan la velocidad de la luz para lograrlo sin problemas, pero en el mundo real las leyes físicas son tozudas y desde Einstein sabemos que hay límite universal de 300.000 km/s y no se puede exceder.

Sin embargo, el astrofísico mexicano Miguel Alcubierre publicó en 1994 un estudio en el que hablaba de un diseño de motor espacial teórico que puede superar este límite físico de velocidad sin contradecir a Einstein. Se trata del motor de curvatura, y a diferencia de lo que hacen los motores químicos tradicionales, que utilizan reacciones químicas para liberar energía y acelerar los gases para generar empuje, se apoya en las propiedades de expansión y contracción del tejido espacial para recorrer enormes distancias en poco tiempo. Alcubierre publicó este apasionante concepto en Classical and Quantum Gravity. Ahora, 30 años después, un nuevo artículo publicado en la misma revista sugiere un Warp Drive mucho más sencillo que el de Alcubierre. "Este estudio cambia el debate sobre los warp drives", afirma en un comunicado el autor principal, Jared Fuchs, investigador de la Universidad de Alabama (EEUU) y del grupo de investigación Applied Physics. "Al demostrar un modelo inédito, hemos demostrado que los motores warp podrían no quedar relegados a la ciencia ficción".

Cómo funciona un Warp Drive

Para entender cómo funciona el nuevo motor propuesto por Fuchs y su equipo hay que entender primero los entresijos del motor de curvatura de Alcubirre. El propio investigador cuenta sus fundamentos de manera sencilla en esta charla de TED (que pueden ver bajo estas líneas). Pero lo que viene a decir básicamente es que se puede contraer el espacio-tiempo enfrente de la nave y expandirlo por detrás para movernos a velocidades superiores a las de la luz.

El espacio se puede deformar, curvar, torcer o expandir. Estos movimientos pueden resultar contraintuitivos a nuestra experiencia aquí en la Tierra, pero el científico mexicano lo explica de esta manera: “Seguramente han oído de la expansión del universo alguna vez. Las galaxias se alejan todas unas de otras y esto no se debe a que estén alejándose de un punto central en el que hubo una explosión, no es así, las galaxias están quietecitas, y el espacio en medio está creciendo. El espacio se expande. Entonces yo puedo usar esta idea y hacerlo en chiquito”. Alcubierre explica que no es la nave (ni los pasajeros que van dentro) la que viaja a la velocidad de la luz, porque eso sería contradictorio con la teoría general de la relatividad de Einstein, sino que es el propio espacio el que se contrae o se extiende alrededor de ese objeto. Y como esto puede suceder a cualquier velocidad, en teoría, no tendría límite. El gran problema de esta teoría es que ese movimiento requeriría de una gran cantidad de energía oscura para producirse y a día de hoy no hay evidencia científica de que ese tipo de fenómeno exista. Afortunadamente, en los últimos años ha habido un resurgimiento en el campo de los motores de curvatura, gracias también a una serie de artículos de Applied Physics. Ya se han observado burbujas de curvatura (warp bubbles) que encajan con la matemática del motor de Alcubierre. Y también hay nuevos trabajos científicos que han avanzado en el diseño de este tipo de motores y proponen arquitecturas y enfoques que no requieren el uso de energía oscura.

Un nuevo motor de curvatura

El estudio del equipo de Fuchs y de Applied Physics, describe una nueva forma en la que esta teórica tecnología podría ser posible algún día. Su idea se basa en el concepto de "warp drive sublumínico de velocidad constante", un nuevo modelo de propulsión que se acerca a la velocidad de la luz. En su lugar, utiliza una mezcla de técnicas gravitatorias tradicionales y novedosas para crear una burbuja de curvatura que pueda transportar objetos a altas velocidades sin romper los principios de la relatividad. El equipo asegura que a pesar de que un diseño de este tipo seguiría necesitando una cantidad considerable de energía, el nuevo estudio demuestra que se pueden conseguir efectos warp sin energía oscura ni otras formas exóticas de materia. Lo que hace que esta idea de ciencia ficción esté más cerca de ser una realidad. El estudio se ha probado en el Warp Factory, el simulador virtual de código abierto creado por Applied Physics que permite generar y perfeccionar los diseños de motores de curvatura de manera rigurosa y con unos pocos clics. "Aunque todavía no nos estamos preparando para viajes interestelares, esta investigación anuncia una nueva era de posibilidades", asegura Gianni Martire, Director General de Applied Physics. "Seguimos avanzando con paso firme mientras la humanidad se embarca en la ‘Era Warp’".

Gráfico de la impulsión de Alcubierre, mostrando las regiones opuestas, contraída y extendida, del espacio-tiempo respecto al sector central en el cual se ubica la burbuja plana de deformación.

La Métrica de Alcubierre es una idea especulativa basada en un modelo matemático que supondría posibles los viajes a velocidades mayores que c (velocidad de la luz), es decir, superlumínicos. Con base en algunas de las instancias teóricas pero probables estudiadas del espacio-tiempo, Alcubierre plantea la métrica que lleva su nombre como una solución a las ecuaciones de Einstein en el marco de la Teoría General de la Relatividad.

Fue publicada en la revista científica Classical and Quantum Gravity1​ en 1994 por el físico mexicano Miguel Alcubierre.

Idea general (el Impulso por deformación)

La métrica de Alcubierre tiene, como una de sus conclusiones más llamativas, la posibilidad de un viaje a mayor velocidad que la luz al crearse una burbuja de deformación plana dentro de la cual se situaría estacionariamente la cosmonave; detrás de la cosmonave el espacio-tiempo sería deformado extendiéndolo mientras que por contraparte delante de la cosmonave el espacio-tiempo sería contraído o contractado poniendo así el punto de destino mucho más cerca, mientras que "detrás" de la nave el espacio-tiempo quedaría expandido "empujado" hacia atrás gran cantidad de años luz, todo esto sin que el espacio y el tiempo dentro de la burbuja de deformación plana en que se hallaría la cosmonave se modificara notoriamente.

En tal caso la nave (para hacer una analogía) "surfearía" sobre una especie de ola espaciotemporal dentro de la "burbuja de deformación plana" que es plana por permanecer estable entre las dos distorsiones (la anterior y la posterior) provocadas en el espacio-tiempo (se crearía una distorsión local del espacio-tiempo).

Existirían enormes fuerzas de marea en la región periférica de la supuesta burbuja debidas a las curvaturas provocadas en el espacio-tiempo; sin embargo, tales fuerzas serían despreciables en el interior de la burbuja dado el carácter plano que allí tendría el espacio-tiempo (véase gráfico).

No se violaría ninguna ley física de las previstas por la teoría de la relatividad ya que dentro de la "burbuja de deformación" nada superaría la velocidad de la luz; la nave no se desplazaría dentro de tal burbuja sino que sería llevada por la misma, la nave dentro de la burbuja nunca viajaría más rápido que un haz de luz.

La nave y sus presuntos tripulantes estarían exentos de sufrir los efectos devastadores provocados por las aceleraciones con sus correspondientes enormes fuerzas g, desaceleraciones o los efectos relativistas como la contracción de Lorentz y la dilatación del tiempo a altas velocidades. Alcubierre ha podido demostrar que incluso cuando la nave está acelerando viaja en una caída libre geodésica.

Sin embargo, el que la burbuja de deformación permita viajes superlumínicos se debe a la posibilidad de que el propio espacio-tiempo en el cual viaja la luz tenga la capacidad de superar la velocidad de la luz.
La Teoría de la Relatividad considera imposible que los objetos viajen a una velocidad mayor que la de la luz en el espacio-tiempo, pero se desconoce a qué velocidad máxima puede moverse el espacio-tiempo; se hipotetiza que en casi en el instante inicial del Big Bang nuestro universo poseía velocidades exponenciales superlumínicas (véase Universo inflacionario), se supone asimismo que algunos quásares muy lejanos pueden alcanzar velocidades de recesión translumínicas.

Aquí se introduce otra analogía: existe una velocidad máxima a la cual un objeto puede marchar sobre el suelo ¿pero qué ocurriría si es un suelo móvil —como puede ser una cinta trasportadora— que supera la velocidad de la marcha? Esto supone un cambio en el sistema de coordenadas utilizado como referencia para medir la velocidad. Si el sistema de coordenadas se mueve en la misma dirección del desplazamiento respecto a un segundo sistema de referencia (que debería ser externo al propio espacio-tiempo), el objeto debiera poder incrementar su velocidad indefinidamente respecto del segundo sistema de referencia. Lo que esta analogía plantea es si ¿sería posible "cabalgar sobre un rayo de luz"?

Para crear un dispositivo como la burbuja de deformación que permita el impulso de deformación — explica Alcubierre— se requeriría operar con materia de densidad negativa o materia exótica, creando así con tal materia una burbuja de energía negativa que englobaría a la nave (véase Dirac, Energía negativa). Según Alcubierre, la cantidad de energía negativa sería proporcional a la velocidad de propagación de la burbuja de deformación, verificándose que la distribución de la energía negativa estaría concentrada en una región toroidal perpendicular a la dirección en que se movería la burbuja plana (véase ilustración).

De este modo, dado que la densidad de energía sería negativa se podría viajar a una velocidad mayor que la de la luz merced al efecto suscitado por la materia exótica. La existencia de la materia exótica no está descartada, antes bien el efecto Casimir parece confirmar la existencia de tal materia; sin embargo producir bastante materia exótica y conservarla para realizar una proeza como el viaje superlumínico plantea los mismos actualmente irresolubles problemas que para mantener estable a un agujero de gusano.
Por otra parte en la Relatividad General primero se específica una distribución factible de la materia y de la energía para luego encontrar una geometría del espacio-tiempo asociada; si bien es posible operar con las ecuaciones de Einstein primero especificando una métrica y luego encontrando el tensor de energía e impulso asociado a tal métrica (que es lo realizado por Alcubierre), esta práctica significa que la solución podría violar varias condiciones de energía y requerir la materia exótica.

Robert J. Low, en 19992​ ha probado que dentro del contexto de la relatividad general y aún en ausencia de la materia exótica es posible construir una burbuja de deformación (los textos en francés utilizan como equivalente de burbuja de deformación las palabras «commande de chaîne»/ pedido de cadena). Una teoría coherente de la gravedad cuántica quizás sirva para resolver estas cuestiones.

Además, Alexey Bobrick y Gianni Martire afirman que, en principio, se puede construir una clase de espaciotiempos sublumínicos y esféricamente simétricos de impulso factorial basados en principios físicos actualmente conocidos por la humanidad, como la energía positiva.​

Forma de la métrica

La métrica de Alcubierre puede ser escrita :

𝑑𝑠²=𝑑𝑥²+𝑑𝑦²+𝑑𝑧²−2𝑣s(𝑡)𝑓(𝑟s(𝑡))𝑑𝑥𝑑𝑡+(𝑣s(𝑡)2𝑓(𝑟s(𝑡))2−1)𝑑𝑡2

donde

𝑣s(𝑡)=𝑑𝑥s(𝑡)/𝑑𝑡

𝑟s(𝑡)=[(𝑥−𝑥s(𝑡))²+𝑦²+𝑧²]1/2

.

Alcubierre eligió una forma específica para la función F pero logra una función de espacio tiempo más simple merced a su propuesta de burbuja de deformación plana.

Y así, utilizando el formalismo 3+1 de la relatividad general, describe al espacio-tiempo mediante una estructuración heterogénea (una foliación) del espacio con hipersuperficies del tiempo cuya coordenada es la constante 𝑡. Así la formalización general de la métrica de Alcubierre es:

𝑑𝑠²=−(𝛼²−𝛽i𝛽i)𝑑𝑡²+2𝛽i𝑑𝑥i𝑑𝑡+𝛾ij𝑑𝑥i𝑑𝑥j

Donde 𝛼 es la función que por defecto aporta el intervalo de tiempo conveniente entre las hipersuperficies vecinas, 𝛽i es el vector conector que relaciona los sistemas espaciales coordenados en las diversas hipersuperficies y siendo 𝛾ij una métrica positivamente definida en cada una de las hipersuperficies. La forma particular que Alcubierre estudió en 1994 es definida por:

𝛼=1

𝛽x=−𝑣s(𝑡)𝑓(𝑟s(𝑡)),

𝛽y=𝛽z=0

𝛾ij=𝛿ij

o alternativamente:

𝛼=1;

𝛽¹=𝛽x=−𝑣s(𝑡)𝑓(𝑟s(𝑡)),𝛽²=𝛽y=0,𝛽³=𝛽z=0;

𝛾ij=𝛿ij=(100.010.001)

De modo que:

𝑣s(𝑡)=𝑑𝑥s(𝑡)/𝑑𝑡,

𝑟s(𝑡)=[(𝑥−𝑥s(𝑡))²+𝑦²+𝑧²]1/2

𝑓(𝑟s)=tanh⁡(𝜎(𝑟s+𝑅))−tanh⁡(𝜎(𝑟s−𝑅))/2tanh⁡(𝜎𝑅)

Con los parámetros 𝑅>0 y 𝜎>0 arbitrarios. Con esta forma particular de métrica se puede demostrar que la densidad de energía a medir por los observadores cuyas velocidades( 4) son normales y concernientes a las hipersuperficies dado que 𝑔 es la causa determinante del tensor métrico.  

−𝑐⁴/8𝜋𝐺 · 𝑣²s(𝑥²+𝑦²)/4𝑔²𝑟²s  · (𝑑𝑓/𝑑𝑟s)²

Así la densidad de energía es negativa y se requiere por esto de la materia exótica para provocar las deformaciones del espacio-tiempo.​

Otras denominaciones

El sistema supuesto por Alcubierre para los viajes cósmicos es denominado en inglés "Warp Drive" (el mismo nombre dado en la serie Star Trek — o "Viaje a las estrellas"—), la traducción es: Impulso por deformación o Impulso de Deformación o Distorsión Impulsada, también se encuentran las siguientes traducciones: Impulso de torsión, Impulso Warp, Impulso curvado, Impulso deformativo, Viaje curvado, Viaje combado, Motor de curvatura e incluso Motor de Impulso Factorial. Todas estas denominaciones dan la noción del principio básico de este hipotético método de viaje superlumínico: en lugar de acelerar un objeto (supongase la cosmonave) a velocidad c o próxima a c se combaría o curvaría el "tejido" del espacio-tiempo de modo que los objetos a donde se viaja se acerquen sin un movimiento de la nave en el sentido usual del término movimiento: más que moverse la nave -en estas hipótesis-, es movido (curvado) el espaciotiempo.

• Ecuación del campo de Einstein

• Interferómetro de campo warp de White–Juday

• Warp drive (Impulso de deformación planteado en la ciencia ficción);

• Tubo de Krasnikov

• Agujero de gusano

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