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La resa di un artista di come potrebbe apparire la velocità di curvatura a un viaggiatore spaziale.
A bordo dell'astronave Enterprise, stai uscendo con i membri dell'equipaggio, godendo di una partita a poker. Stai viaggiando a velocità impulsiva durante una piacevole esplorazione dello spazio profondo, e tutti hanno dei tempi morti. Ma aspetta -- all'improvviso, la nave riceve un messaggio urgente da un ammiraglio della Federazione, informare l'equipaggio di uno scoppio di guerra nella Zona Neutrale. All'Enterprise viene ordinato di riferire sulla situazione il prima possibile. L'area in questione dista circa 20 anni luce (117 trilioni di chilometri) di distanza, ma questo non è un problema nell'universo di "Star Trek". Il capitano regola adeguatamente il motore di curvatura della nave, e ti accontenti velocità di curvatura . Viaggiando più veloce della velocità della luce, dovresti arrivare a destinazione in pochi minuti.
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Da quando gli uomini hanno alzato gli occhi al cielo, lo spazio ci ha affascinato, e astronomi e filosofi allo stesso modo hanno posto le domande più fondamentali mentre fissavano le stelle. Cosa stiamo facendo qui, comunque? Come è iniziato l'universo, e ce ne sono altri, universi paralleli che rispecchiano il nostro? C'è vita là fuori in altre galassie, e come sarebbe viaggiare lì?
Anche se non abbiamo ancora risposto a queste domande, abbiamo almeno fantascienza come "Star Trek" per testare l'immaginazione umana. Tutto, da "The Time Machine" di H.G. Wells a "Star Trek" alla serie "Firefly" di Joss Whedon, ha toccato le possibilità del viaggio nel tempo, teletrasporto e, Certo, velocità di curvatura. Ma come si inserisce qualcosa come la velocità di curvatura nella realtà e nel nostro universo? La velocità di curvatura è solo uno stravagante dispositivo di fantascienza, oppure è teoricamente possibile? Come funziona nell'universo di "Star Trek"? Per tutto sulla velocità di curvatura, infinito e oltre, leggere le pagine seguenti.
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Quando gli autori di "Star Trek" si sono seduti per pianificare la serie, si sono trovati di fronte ad alcuni problemi. Stavano essenzialmente creando un opera spaziale , un sottogenere della fantascienza che si svolge nello spazio e copre l'arco di diverse galassie e milioni di anni luce. I film "Star Wars" sono un altro esempio del sottogenere dell'opera spaziale. Come suggerisce la parte "opera" del nome, uno spettacolo come "Star Trek" non è pensato per essere lento o ordinario - quando la gente pensa alla serie, probabilmente pensano a trame melodrammatiche che coinvolgono alieni, viaggi nello spazio e combattimenti laser ricchi di azione.
Quindi il creatore della serie, Gene Roddenberry, e gli altri scrittori hanno dovuto trovare un modo per spostare i personaggi dello show nell'universo in modo tempestivo, moda drammatica. Allo stesso tempo, volevano fare del loro meglio per attenersi alle leggi della fisica. Il problema più grande era che anche se un'astronave potesse viaggiare alla velocità della luce, il tempo per passare da una galassia all'altra potrebbe richiedere ancora centinaia, forse migliaia di anni. Un viaggio dalla Terra al centro della nostra galassia, Per esempio, ci vorrebbero circa 25, 000 anni se viaggiassi appena alla velocità della luce. Questo, Certo, non sarebbe una televisione molto eccitante.
L'invenzione della velocità di curvatura ha risolto la parte operistica del problema, poiché consentiva all'Enterprise di andare molto più veloce della velocità della luce. Ma qual era la spiegazione? Come potrebbero spiegare un oggetto che viaggia più veloce della velocità della luce, qualcosa che Einstein si è dimostrato impossibile nella sua Teoria della Relatività Speciale?
Il primo ostacolo che gli scrittori hanno dovuto affrontare è molto più semplice di quanto si pensi. Una delle cose più importanti che devi sapere prima di capire la velocità di curvatura è in realtà uno dei trucchi più antichi nel libro di fisica, Terza legge del moto di Newton . Probabilmente l'avrai già sentito:questa legge afferma che per ogni azione, c'è una reazione uguale e contraria. Significa semplicemente che per ogni interazione tra due oggetti, una coppia di forze sta lavorando su entrambi. Ad esempio, se fai rotolare una palla da biliardo dritta in un'altra che è ferma, entrambi eserciteranno una forza uguale l'uno sull'altro. La palla in movimento colpirà la palla ferma e la spingerà via, ma sarà anche respinto da quest'ultimo.
Senti che questa legge entra in gioco ogni volta che acceleri in macchina o voli in aereo. Man mano che il veicolo accelera e avanza, senti pressione sul tuo sedile. Il sedile sta spingendo su di te, ma stai anche esercitando una forza contro il sedile.
Quindi cosa ha a che fare questo con "Star Trek" e l'Enterprise? Anche se fosse possibile accelerare a qualcosa come la metà della velocità della luce, un'accelerazione così intensa ucciderebbe una persona sbattendola contro il sedile. Anche se respingerebbe con una forza uguale e contraria, la sua massa rispetto all'astronave è troppo piccola -- lo stesso genere di cose accade quando una zanzara colpisce il tuo parabrezza e schizza. Quindi, come può l'Enterprise andare più veloce della luce senza uccidere i membri a bordo?
Nella sezione successiva, vedremo come i creatori di "Star Trek" hanno iniziato ad aggirare il problema dell'invio di materia attraverso lo spazio a velocità superluminali.
Per eludere il problema della terza legge del moto di Newton e dell'impossibilità che la materia viaggi più velocemente della velocità della luce, possiamo guardare ad Einstein e al rapporto tra spazio e tempo. Presi insieme, spazio, composto da tre dimensioni (alto-basso, sinistra destra, e avanti-indietro) e il tempo fanno tutti parte di ciò che viene chiamato il continuum spazio-temporale .
È importante capire il lavoro di Einstein sul continuum spazio-temporale e come si relaziona con l'Enterprise che viaggia nello spazio. Nel suo Teoria della relatività speciale , Einstein afferma due postulati:
Mettendo insieme queste due idee, Einstein si rese conto che lo spazio e il tempo sono relativi:un oggetto in movimento in realtà sperimenta il tempo a un ritmo più lento di uno a riposo. Anche se questo ci può sembrare assurdo, viaggiamo incredibilmente lenti rispetto alla velocità della luce, quindi non ci accorgiamo che le lancette dei nostri orologi ticchettano più lentamente quando stiamo correndo o viaggiando su un aereo. Gli scienziati hanno effettivamente dimostrato questo fenomeno inviando orologi atomici con razzi ad alta velocità. Tornarono sulla Terra leggermente indietro rispetto agli orologi a terra.
Cosa significa questo per il Capitano Kirk e la sua squadra? Più un oggetto si avvicina alla velocità della luce, quell'oggetto vive effettivamente il tempo a un ritmo significativamente più lento. Se l'Enterprise viaggiasse in sicurezza a una velocità prossima alla luce verso il centro della nostra galassia dalla Terra, ci vorrebbero 25, 000 anni del tempo terrestre. Per l'equipaggio, però, il viaggio durerebbe probabilmente solo 10 anni.
Sebbene tale lasso di tempo possa essere possibile per le persone a bordo, ci viene presentato un altro problema:una Federazione che tentasse di gestire una civiltà intergalattica incontrerebbe alcuni problemi se ne prendesse 50, 000 anni perché un'astronave colpisca il centro della nostra galassia e torni indietro.
Quindi l'Enterprise deve evitare la velocità della luce per mantenere i passeggeri a bordo sincronizzati con l'ora della Federazione. Allo stesso tempo, deve anche raggiungere velocità superiori a quella della luce per potersi muovere nell'universo in modo efficiente. Sfortunatamente, come afferma Einstein nella sua Teoria della Relatività Speciale, niente è più veloce della velocità della luce. I viaggi spaziali quindi sarebbero impossibili se si considera la relatività ristretta.
Ecco perché dobbiamo guardare alla teoria successiva di Einstein, il Teoria della Relatività Generale , che descrive come la gravità influenza la forma dello spazio e il flusso del tempo. Immagina un lenzuolo steso. Se metti una palla da bowling al centro del lenzuolo, il foglio si deformerà quando il peso della palla spingerà su di esso. Se metti una palla da baseball sullo stesso foglio, rotolerà verso la palla da bowling. Questo è un design semplice, e lo spazio non si comporta come un lenzuolo bidimensionale, ma può essere applicato a qualcosa come il nostro sistema solare:oggetti più massicci come il nostro sole possono deformare lo spazio e influenzare le orbite dei pianeti circostanti. I pianeti non cadono nel sole, Certo, a causa delle alte velocità a cui viaggiano.
Nella pagina successiva, vedremo come questo entra in gioco sull'Enterprise.
La capacità di manipolare lo spazio è il concetto più importante per quanto riguarda la velocità di curvatura. Se l'Enterprise potesse deformare il continuum spazio-temporale espandendo l'area dietro di essa e contraendo l'area davanti, l'equipaggio potrebbe evitare di andare alla velocità della luce. Finché crea il proprio campo gravitazionale, l'astronave potrebbe viaggiare localmente a velocità molto basse, evitando quindi le insidie della terza legge del moto di Newton e mantenendo gli orologi sincronizzati con il sito di lancio e la destinazione. La nave non sta realmente viaggiando a una "velocità, " di per sé - è più come se tirasse la sua destinazione verso di sé mentre spingeva indietro il suo punto di partenza.
Una bolla di curvatura che circonda un'astronave, che protegge la nave e i membri dell'equipaggio mentre lo spazio e il tempo si distorcono.
Poiché le idee alla base della Teoria della Relatività Generale di Einstein sono complesse e ancora aperte all'interpretazione, questo lascia ampie possibilità agli scrittori di fantascienza. Potremmo non sapere come piegare lo spazio e il tempo con la nostra tecnologia attuale, ma una civiltà immaginaria ambientata nel futuro potrebbe essere completamente in grado di inventare un simile dispositivo con la giusta immaginazione.
Nell'universo di "Star Trek", velocità di curvatura si ottiene attraverso l'uso di a motore di curvatura . Il motore di curvatura è alimentato da reazioni materia-antimateria, che sono regolati da una sostanza chiamata dilitio . Questa reazione crea plasma altamente energetico noto come elettroplasma , un tipo di materia con un proprio campo magnetico, che reagisce con l'astronave bobine di ordito . Le bobine di curvatura sono in genere racchiuse in ciò che gli scrittori di "Star Trek" chiamano a curvare la navicella . L'intero pacchetto crea un "campo di curvatura" o "bolla" attorno all'Enterprise, permettendo alla nave e al suo equipaggio di rimanere al sicuro mentre lo spazio manipola intorno a loro.
Tra la prima serie televisiva ("Star Trek:The Original Series") e la seconda ("Star Trek:The Next Generation"), gli autori hanno deciso di assegnare un limite alla velocità di curvatura -- usando una scala da Warp-1 a Warp-10, all'Enterprise non era permesso viaggiare ovunque e in qualsiasi momento, visto che ciò renderebbe la trama troppo facile. Nello spettacolo, Warp-10 divenne una velocità massima impossibile, un infinito in cui l'astronave sarebbe in tutti i punti dell'universo allo stesso tempo. Ordito-9.6, secondo il manuale tecnico "Next Generation", è la massima velocità raggiungibile consentita -- è impostata su 1, 909 volte la velocità della luce. Nonostante ci siano alcune incongruenze, il seguente elenco delle diverse velocità nell'universo di "Star Trek":
Fattore di curvatura
Numero di volte la velocità della luce 1 1 2 10 3 39 4 102 5 215 6 392 7 656 8 1, 024 9 1, 516 9.6 1, 909 10 Infinito
Nella sezione successiva, daremo un'occhiata ad alcuni dei problemi che incontra il concetto di velocità di curvatura.
Quindi Einstein ha aiutato gli scrittori di "Star Trek" a manipolare lo spazio in un universo di fantascienza, ma è davvero possibile costruire un'astronave in grado di spingere le persone attraverso vaste galassie in un periodo di tempo relativamente breve?
Il fisico Miguel Alcubierre ha suggerito l'uso della cosiddetta "materia esotica, "un tipo teorico di materia con energia negativa. Se potesse essere trovata o creata, la materia esotica farebbe il lavoro di respingere lo spazio e il tempo e creare il campo gravitazionale.
Sfortunatamente, questo è quanto riguarda le possibili fonti di carburante:ci sono più problemi che soluzioni quando si tratta del concetto di alimentazione della velocità di curvatura. Anche se l'Enterprise viaggiasse a velocità subluce, conosciuto come impulso d'impulso ai fan di "Star Trek", la quantità di carburante e di energia necessaria per viaggiare velocemente nello spazio sarebbe eccessiva per una singola astronave. Il motore a impulsi dell'Enterprise è alimentato dalla fusione nucleare, lo stesso tipo di reazione che illumina il sole e crea enormi esplosioni da certe bombe nucleari. Secondo il dottor Lawrence Krauss, un fisico teorico e autore di "La fisica di Star Trek, " se il capitano Kirk volesse viaggiare alla metà della velocità della luce (150, 000 chilometri al secondo), l'astronave dovrebbe bruciare 81 volte la sua massa in idrogeno, il combustibile utilizzato per la fusione nucleare. Il manuale tecnico di "Star Trek:The Next Generation" elenca l'Enterprise con un peso di oltre 4 milioni di tonnellate, quindi la nave avrebbe bisogno di più di 300 milioni di tonnellate di idrogeno solo per andare avanti. Certo, rallentare fino a fermarsi, l'astronave avrebbe bisogno di altri 300 milioni di tonnellate di carburante, e un potenziale viaggio attraverso le galassie richiederebbe 6, 642 volte la massa dell'"Impresa".
Alcune persone hanno proposto un sistema in cui un dispositivo raccoglie idrogeno mentre l'astronave viaggia, rinunciando alla necessità di immagazzinare enormi quantità di carburante, ma Krauss suggerisce che questo dispositivo dovrebbe essere largo circa 25 miglia per catturare qualsiasi cosa valga la pena usare. Anche se l'idrogeno è l'elemento più abbondante nella galassia, c'è solo circa un atomo di idrogeno per ogni pollice quadrato cubo.
Far funzionare il motore di curvatura sarebbe un'altra cosa. Il motore di curvatura in "Star Trek" ottiene il suo potere facendo reagire la materia con l'antimateria:il risultato è l'annientamento completo e il rilascio di pura energia. Poiché l'antimateria non è molto comune in tutto il nostro universo, la Federazione dovrebbe produrlo, qualcosa che possiamo fare oggi al Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Illinois. Ancora, il problema risulta essere un problema della quantità di carburante necessaria per alimentare un motore a curvatura. Kruass osserva che il Fermilab è in grado di produrre 50 miliardi di antiprotoni in un'ora, abbastanza per produrre 1/1000 di watt. Avresti bisogno di 100, 000 Fermilab per alimentare una singola lampadina. Produrre abbastanza antiprotoni per piegare il continuum spazio-temporale sembra quasi impossibile per quanto riguarda la nostra tecnologia attuale.
Sebbene in questo secolo ci siano poche possibilità che gli umani sviluppino un'astronave in grado di piegare lo spazio e viaggiare verso galassie lontane più velocemente della velocità della luce, questo non ha impedito agli scienziati e ai fan della serie di pensare al potenziale. Fino a novembre 2007, la British Interplanetary Society ha riunito diversi fisici per una conferenza chiamata "Faster Than Light:Breaking the Interstellar Distance Barrier" [fonte:Guardian].
La scienza di "Star Trek"Per molte altre informazioni sullo spazio e sui viaggi intergalattici, vedere la pagina successiva.
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