terça-feira, 10 de setembro de 2013

Cientistas da Nasa tentam determinar se viagem mais rápida do que a luz é possível

Folha, 03/09/2013

 
Na sede do Centro Espacial Johnson, Harold White e outros engenheiros da Nasa vêm redesenhando diversos instrumentos --um laser, uma câmera e pequenos espelhos-- com o objetivo de usá-los para distorcer a trajetória de um fóton, alterando a distância que ele percorre em determinada área.

Tralhando em um laboratório imune a vibrações, construído especialmente para esse fim, a equipe está tentando determinar se uma viagem mais rápida do que a luz poderia ser possível. Dobra espacial. Como em "Star Trek".

"O espaço vem se expandindo desde o Big Bang, há 13,7 bilhões de anos", disse White, 43, físico e engenheiro de propulsão avançada que dirige o projeto de pesquisa. "Sabemos, ao examinar alguns modelos cosmológicos, que houve períodos iniciais do Universo em que ocorreu uma inflação explosiva, onde dois pontos teriam se afastado mutuamente a velocidades muito elevadas."

"A natureza é capaz de fazer isso. Então a pergunta é se podemos fazer o mesmo."

"Não excederás a velocidade da luz", postulou Einstein, o que basicamente significa impor um limite galáctico de velocidade.

Mas, em 1994, o cientista mexicano Miguel Alcubierre teorizou que velocidades superiores à da luz seriam possíveis sem contradizer Einstein.

A teoria de Alcubierre envolvia o aproveitamento da expansão e da contração do espaço. Sob essa hipótese, uma nave continuaria sem poder exceder a velocidade da luz numa região específica do espaço. Mas um sistema teórico de propulsão que ele esboçou manipulava o espaço-tempo ao gerar uma "bolha de dobra" que expandiria o espaço num lado da nave e o contrairia no lado oposto.

"Dessa forma, a nave espacial será empurrada pelo próprio espaço-tempo para longe da Terra e puxada na direção de uma estrela distante", escreveu ele.

Mas o estudo de Alcubierre era puramente teórico e sugeria obstáculos intransponíveis. Ele dependia, entre outras coisas, de enormes quantidades de um tipo de "matéria exótica" que violasse as leis típicas da física.

White acredita que os avanços obtidos por ele e por outros tornaram menos implausível o conceito de dobra espacial. Entre outras coisas, ele redesenhou a nave espacial teórica capaz de viajar nessas dobras --e em especial o anel ao seu redor, que é crucial para o sistema de propulsão-- de uma forma que ele acredita que reduziria grandemente as exigências energéticas.

Ele se apressa em apresentar ressalvas, dizendo que sua pesquisa está apenas tentando provar que uma microscópica bolha de dobra pode ser detectada em um laboratório. "Não estamos atrelando isso a uma nave espacial."

Teoricamente, uma dobra espacial poderia reduzir o tempo de viagens interestelares de dezenas de milhares de anos para semanas.

"Minha opinião pessoal é de que essa ideia ainda é maluca", disse Edwin Taylor, ex-editor da revista "The American Journal of Physics" e pesquisador sênior do Instituto de Tecnologia de Massachusetts. "Confira comigo daqui a alguns séculos."

Mas o físico Richard Obousy, presidente da ONG Icarus Interstellar, composta por voluntários que colaboram no projeto de uma nave espacial, disse que não se trata de um simples devaneio. "Tendemos a superestimar o que podemos fazer em curtas escalas de tempo, mas acho que subestimamos enormemente o que podemos fazer em escalas temporais mais prolongadas", disse ele sobre o trabalho de White, que é seu amigo e colaborador da Icarus.

O astrofísico Neil deGrasse Tyson, do Museu Americano de História Natural, disse que a viabilidade das viagens interestelares dependeria de algum salto para além da nossa atual tecnologia.

"Na minha leitura", disse ele, "a ideia de uma dobra espacial que funcione continua sendo inconcebível, mas o importante é que as pessoas estão pensando a respeito -lembrando a todos nós que a ânsia por explorar continua correndo fundo na nossa espécie".


 
Propulsão Alcubierre

A Propulsão de Alcubierre (ou Dobra Espacial) é um modelo matemático teórico para uma forma de viagem espacial mais rápida que a luz, utilizada na série de ficção científica Jornada nas Estrelas.

Em 1994, o físico mexicano Miguel Alcubierre propôs um método de alongamento do espaço em uma onda que, em teoria, poderia fazer com que o tecido do espaço à frente de uma nave espacial se contraia, enquanto que o tecido que está atrás da nave se expanda. A nave se deslocaria surfando esta onda dentro de uma região conhecida como bolha de dobra, onde as características normais do tecido espaço-tempo se manteriam inalteradas. Uma vez que a nave não estaria se movendo dentro desta bolha, mas transportada junto com ela, os efeitos de dilatação do tempo previstos pela Teoria da Relatividade Especial não se aplicariam à nave, mesmo com a altíssima velocidade de deslocamento em relação ao espaço normal em volta da nave. Além disso, esse método de viagem não implica realmente em se deslocar mais rápido que a luz, uma vez que no interior da bolha, a luz continuaria a ser mais rápida que a nave.

Assim, a Propulsão Alcubierre não contradiz a alegação tradicional da relatividade que proíbe que um objeto com massa seja mais rápido que a luz. No entanto, não se conhecem métodos para criar uma bolha de dobra em uma região do espaço, ou de deixar a bolha, uma vez lá dentro, de modo a Propulsão Alcubierre continua a ser um conceito teórico.

A Medida Alcubierre define a chamada propulsão de dobra espacial. Esta é um tubo de Lorentzian que, se interpretada no contexto da relatividade geral, apresenta características parecidas com a dobra espacial de Jornada nas Estrelas: uma bolha de dobra aparece no anteriormente plano tecido do espaço-tempo e se move a velocidade superluminal de forma efetiva. Os habitantes da bolha não sentem efeitos inerciais. Os objetos dentro da bolha não viajam (localmente) mais rápida do que a luz, em vez disso, o espaço à sua volta se move para que os objetos cheguem ao seu destino mais rápido do a luz viajaria, caso a viagem se fizesse em espaço normal.

Para aqueles familiarizados com os efeitos da relatividade especial, tal como a dilatação do tempo, a métrica Alcubierre aparentemente tem alguns aspectos peculiares. Em particular, Alcubierre demonstrou que, mesmo quando a nave espacial está acelerando, ela viaja em queda livre. Em outras palavras, uma nave usando a dobra para acelerar e desacelerar estará sempre em queda livre, e a tripulação não teria nenhuma sensação de aceleração. Enormes forças gravitacionais estarão presentes junto à fronteira da bolha de dobra, devido à grande curvatura do espaço lá, mas de acordo com a especificação da medida, estas seriam muito pequenas dentro do volume ocupado pela nave.

A forma original da teoria de dobra, e as variações mais simples dela, foram escritas com o formalismo de Arnowitt, Deser e Misner, que é frequentemente utilizado em discutir a forma inicial da relatividade geral. Isto pode explicar o equívoco generalizado de que este espaço-tempo é uma solução da equação de campo relatividade geral. Métricas escritas dentro do formalismo ADM são adaptadas a uma determinada família de observadores inerciais, mas os observadores não são fisicamente distinguíveis das outras famílias. Alcubierre interpretou esta "bolha de dobra" em termos de contração do espaço à frente da bolha e expansão atrás. Mas essa interpretação pode ser ilusória, uma vez que a contração e expansão atualmente se referem ao movimento relativo próximo de observadores do tipo da família ADM.

Na relatividade geral, primeiramente se especifica uma distribuição de matéria e energia de forma plausível, e em seguida se verifica a geometria do espaço-tempo associado. Mas também é possível solucionar as equaçõs de campo de Einstein na outra direção: primeiro especificando uma medida e, em seguida, encontrando um tensor associado a ela. Foi isso que Alcubierre fez. Esta forma significa que a solução pode violar diversas condições de energia e requerer matéria exótica. A necessidade de matéria exótica leva à questão de se é realmente possível encontrar uma forma de ditribuir a matéria em um espaço-tempo inicial onde não exista uma "bolha de dobra", de forma a criar essa bolha posteriormente. Mas ainda existe outro problema, de acordo com Serguei Krasnikov, pode ser impossível criar a bolha sem que se force a matéria exótica a se mover mais rápido que a luz, o que implicaria na existência de táquions. Alguns métodos têm sido sugeridos para evitar o problema da movimento taquiônico, mas provavelmente iriam gerar uma singularidade nua na frente da bolha.


 
Dobra espacial

No universo ficcional de Star Trek, a dobra espacial (ou warp drive em inglês) é uma forma de propulsão mais rápida que a luz (FTL). Geralmente, ela é representada como sendo capaz de impulsionar uma espaçonave ou outros objetos a muitos múltiplos da velocidade da luz, ao mesmo tempo que evita os problemas associados a dilatação do tempo. Ela também é apresentada no jogo de computador Stars! e no filme Starship Troopers, bem como nos jogos de computador StarCraft e Eve Online. Não é capaz, via de regra, de criar uma viagem instantânea entre dois pontos a velocidade infinita, como tem sido sugerido em outras obras de ficção científica usando tecnologias teóricas tais como hiperdrive, salto hiperespacial e Motor de Improbabilidade Infinita. Ela é denominada FTL (Faster Than Light) nos romances Titan. Uma diferença entre a dobra espacial (ou warp drive) e o hiperespaço é que, diferentemente do hiperespaço, a nave não entra num universo ou dimensão diferente, ela cria uma pequena "bolha" de tempo-espaço normal ao seu redor. Naves em dobra podem interagir com objetos no espaço normal.

Para executar a dobra espacial, um propulsor de dobra criaria uma espécie de funil, estreito à sua frente e largo à suas costas, e logo depois dilataria sua frente, comprimindo suas costas, pelo qual passaria a espaçonave envolta em sua bolha de dobra. Para quem estivesse dentro dessa bolha, a nave estaria viajando a uma velocidade comum (inferior à da luz), mas para quem estivesse fora, ela deslocar-se-ia a uma velocidade milhares ou mesmo milhões de vezes maior do que a da luz.

Um exemplo seria um tubo de 1,0 metro de diâmetro que se afunila para 0,5 metro, o fluido que corre forçado pelo seu interior a, digamos, 100 unidades de força, passaria bem mais rápido pelo diâmetro menor. E se houver outros afunilamentos sucessivos até às medidas nanômicas, esse fluido (agora teria que ser um superfluido, como o Condensado de Bose-Einstein) estaria transitando a velocidades espantosas, principalmente se a força que o empurra fosse aumentada para 1.000.000.000 de unidades de força, e o diâmetro do tubo voltar a ser igual ou maior de 1 metro ao final.

Nesta hipótese, a nave se achataria e afunilaria até se transformar em um fio do diâmetro de alguns átomos, atingindo um comprimento de alguns anos luz, ou seja, todos os átomos da nave, inclusive os dos seus tripulantes, se ordenariam em fila indiana até o limite permitido de todas as suas ligações quânticas, se comportando como um superfluido, isso em alguns segundos, alcançando estrelas facilmente apenas pelo tamanho que se transformou o fio.

A possibilidade de comprimir átomos num pequeno espaço é o que se vê nos buracos negros.

No universo ficcional de Star Trek, o warp drive é o meio de propulsão usado para se atingir outras estrelas e planetas na nossa galáxia. Em tal universo, a velocidade da nave estelar é dada em "factores Warp", iniciando-se em Warp 1 até 9,99 (sendo que o máximo ficcional, Warp 10, exigiria energia infinita para ser atingido).

Em todo o enredo de TOS (The Original Serie - A Série Original), a velocidade de Warp é regida pela equação: v = c x Warp ^ (10/3), v é a velocidade da nave e c a Constante velocidade da luz e Warp é a velocidade de dobra desejada. Ou seja, quando o capitão Kirk ordena dobra 6, significa que a nave viajará a cerca de 392 vezes a velocidade da luz:
 
 
No episódio "The Changeling", de TOS, quando a USS Enterprise é invadida por uma sonda alienígena auto-consciente, esta faz alterações nos motores da nave, fazendo com que essa atinja warp 12 (3.956 C).
 
Para evitar velocidades absurdas, os produtores criaram um hipotético limite para a velocidade Warp, conhecido como "Barreira Warp 10".
 
Esse limite é explicado pelo fato que quanto mais se desdobra o continnum espaço-tempo, mais o espaço normal é dobrado (aproximando-se um ponto no espaço a outro), maior é o gasto de energia da nave, o que por si só é um limite para velocidade. Por outro lado, nesse limite hipotético, a nave estaria em todos os lugares do universo ao mesmo tempo, ocupando o espaço de toda a matéria existente no universo, o que tornaria impossível fisicamente essa velocidade (velocidade infinita).
 
Para manter a integridade da história e regulamentar essa velocidade limite, os produtores de Jornada, criaram o conceito hipotético de "transdobra", isto é, um jeito de vencer o limite da dobra 10 sem barrar-se no conceito de velocidade infinita. Ainda que implicitamente, uma nova equação de dobra foi criada: v / c = Warp ^ (10 / 3) + (10 - Warp) ^ (-11 / 3). Na próxima cronologia Trekker, o incidente provocado no epsódio citado, fez com que os cientistas da Federação percebessem que a equação de Warp estava incompleta. E, que a velocidade atingida pela USS Enterprise, Warp 12, na verdade seria Transdobra 2, porém, "apenas" Warp 9,87227 pela equação revista.
 
Nesse caso específico, houve um sério risco de destruição da nave, pois a USS Enterprise original não teria como suportar por muito tempo essa velocidade sem a destruição da nave.
As pesquisas para criar uma nave capaz de suportar tal velocidade de modo sustentável, terminaram com o desenvolvimento da nave USS Excelsior, que acabou se tornando um grande fracasso.
 
Nas séries seguintes (com exceção de Enterprise), essa nave capaz de se sustentar em transdobra ainda não foi completada. As naves do final do séc XXIV, são capazes apenas de suportar tal velocidade (acima de dobra 9.9, pela equação revista) apenas por alguns minutos. Por exemplo: A USS Voyager é capaz de atingir dobra 9,975 (transdobra 47) por apenas 15 minutos. Isso permite que ela cubra uma distância de cerca de 20 anos-luz, porém o gasto de energia seria tal, que ela teria que ser abastecida imediatamente.
Boa parte do enredo do século XXIV, tem como base o sonho da federação atingir a capacidade de chegar a outras galáxias ou mesmo conseguir atravessar a galáxia de forma rápida e segura.
 
 

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