Viaggi spaziali alla velocità della luce: quando diventeranno realtà?

L'idea di viaggiare alla velocità della luce ha affascinato non solo gli scrittori di fantascienza, ma anche gli scienziati per molti anni. La luce viaggia alla sorprendente velocità di 299,792,458 metri al secondo. A questa velocità, potresti fare il giro della Terra più di sette volte in un solo secondo e gli esseri umani potrebbero finalmente esplorare l'universo oltre il nostro sistema solare. Nel 1947, gli esseri umani hanno superato per la prima volta la velocità del suono (che è molto più lenta, tra l'altro), aprendo la strada ad aerei commerciali come il Concorde e altri aerei supersonici. Ma saremo mai in grado di viaggiare alla velocità della luce?

Sulla base della nostra attuale comprensione della fisica e dei limiti del mondo naturale, la risposta è purtroppo no. Secondo Albert Einstein teoria speciale della relatività, descritta dalla famosa equazione E=mc², la velocità della luce (c) agisce come una sorta di limite di velocità cosmico che non può essere superato. Quindi, viaggiare alla velocità della luce o più velocemente di essa è fisicamente impossibile, specialmente per qualsiasi cosa abbia massa, come le astronavi e gli esseri umani.

Anche per cose molto piccole, come le particelle subatomiche, la quantità di energia (E) richiesta per avvicinarsi alla velocità della luce rappresenta una sfida significativa. Il Large Hadron Collider (LHC), il più grande e potente acceleratore di particelle sulla Terra, ha accelerato i protoni il più vicino possibile alla velocità della luce. Tuttavia, anche un piccolo protone richiederebbe un'energia quasi infinita per raggiungere la velocità della luce, e gli esseri umani devono ancora capire cosa significhi realmente "energia quasi infinita".

Tuttavia, fisici e appassionati sono convinti che non ci sia alcuna legge fondamentale della fisica che impedisca agli esseri umani di viaggiare nello spazio: è solo molto, molto difficile. Quindi oggi, discutiamo di alcuni potenziali metodi per il viaggio interstellare, dal meno al più plausibile, come visto dagli esperti del settore.

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Viaggiare più veloce della velocità della luce

Non sarai mai in grado di viaggiare più velocemente della velocità della luce. Almeno, questo è ciò che comprendiamo grazie alla teoria della relatività speciale di Einstein, una teoria rivoluzionaria che ha unito spazio e tempo, rendendoli interconnessi. Mentre è facile dire che i futuri progressi della fisica potrebbero superare questa limitazione, implementare un tale concetto nella pratica potrebbe essere molto più complesso.

La relatività speciale è una delle teorie più ampiamente testate in tutta la fisica. Questo perché non è solo una teoria; è una meta-teoria. È un insieme di istruzioni che ci aiuta a costruire altre teorie fisiche. La relatività speciale ci insegna come spazio e tempo siano fondamentalmente interconnessi. La natura di questa connessione stabilisce la velocità della luce come limite di velocità fondamentale. Non riguarda solo la luce o persino il movimento; riguarda la causalità stessa.

Questa teoria getta le basi per la connessione tra passato, presente e futuro. In altre parole, viaggiare più velocemente della luce potrebbe consentire il viaggio nel tempo, il che sembra impossibile nel nostro universo. Poiché tutte le altre teorie fisiche moderne sono basate sulla relatività, ogni volta che ne mettiamo alla prova una, stiamo anche mettendo alla prova la teoria della relatività. Anche se potremmo sbagliarci sulla struttura fondamentale dello spazio-tempo, è improbabile che il limite della velocità della luce venga ribaltato.

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wormholes

Il limite della velocità della luce è anche legato all'apparente impossibilità dei wormhole. I wormhole sono scorciatoie nello spazio che collegano due punti qualsiasi nell'universo. Questi strani oggetti sono una previsione naturale della teoria generale della relatività di Einstein, che spiega come la gravità nasca dalla curvatura e dalla distorsione dello spazio-tempo.

La relatività generale consente l'esistenza dei wormhole distorcendo lo spazio-tempo in un modo molto peculiare. Tuttavia, c'è una piccola avvertenza: questi oggetti sono catastroficamente instabili. Nel momento in cui qualcosa, anche un singolo fotone, cerca di passare attraverso la gola di un wormhole, si lacera immediatamente. L'unico modo noto per stabilizzare un wormhole è introducendovi un filo di materia esotica. Questa materia ha massa negativa, che, come il viaggio nel tempo, sembra essere proibita nel nostro universo.

È del tutto possibile che i nostri futuri discendenti scoprano un modo alternativo per stabilizzare i wormhole e rendere il viaggio interstellare una realtà. Tuttavia, il tempo che potrebbe essere necessario per scoprire le necessarie innovazioni in fisica potrebbe rivelarsi più lungo del viaggio verso le stelle stesse.

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Navi di generazioni

Sebbene inviare un veicolo spaziale verso un'altra stella potrebbe non rappresentare un problema di fisica fondamentale, presenta numerose sfide ingegneristiche. Una delle idee affascinanti per il viaggio interstellare riguarda la creazione di navi generazionali, grandi imbarcazioni lente in cui la maggior parte dei passeggeri non vivrebbe abbastanza per raggiungere la propria destinazione. Invece, vivrebbero per generazioni a bordo di una nave-città autosufficiente, che alla fine raggiungerebbe un'altra stella.

Tecnicamente, l'umanità è già una specie interstellare. Molti anni fa, la sonda spaziale Voyager 1 attraversò l'eliopausa, il confine del nostro sistema solare, ed entrò nello spazio interstellare. La buona notizia è che ci vollero solo pochi decenni per compiere questa impresa. La cattiva notizia, tuttavia, è che questo è solo l'inizio. Anche a un'incredibile velocità di oltre 57,940 km/h, se la Voyager 1 si stesse dirigendo verso Proxima Centauri (anche se non lo è), la nostra stella più vicina a una distanza di circa 4.2 anni luce, la sonda impiegherebbe circa 40,000 anni per raggiungere la sua destinazione. Questo lasso di tempo precede lo sviluppo delle prime città e l'avvento dell'agricoltura. La buona notizia, tuttavia, è che la sonda solare Parker, grazie alle manovre di assistenza gravitazionale, attualmente mantiene la velocità più elevata di 700,000 km/h. Se si stesse dirigendo verso Proxima Centauri, impiegherebbe circa 6,500 anni per arrivare. I progressi sono evidenti.

Quindi, una "nave generazionale" non è solo una manciata di generazioni, ma centinaia di loro, tutte bisognose di vivere in modo autosufficiente nel vuoto tra le stelle, senza fonti aggiuntive di acqua, carburante, cibo o pezzi di ricambio. Perché anche 6,500 anni sono un immenso lasso di tempo.

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Una nave molto, molto veloce

Altri appassionati sostengono che per raggiungere altre stelle più velocemente non serve una nave gigante e ingombrante. Invece, dovrebbe essere il più piccola possibile. In questo modo, i razzi o altri tipi di carburante possono raggiungere velocità maggiori, accorciando il viaggio. Inoltre, la teoria della relatività aiuta alle alte velocità. A causa della costanza della velocità della luce, il movimento nello spazio differisce dal movimento nel tempo. Più velocemente un oggetto si muove nello spazio, più lentamente si muove nel tempo. Man mano che la velocità si avvicina a quella della luce, un anno per il viaggiatore potrebbe ridursi a mesi, giorni o persino minuti.

Sfortunatamente, questi effetti relativistici si attivano solo quando un oggetto raggiunge oltre il 90% della velocità della luce, un traguardo che l'umanità non ha ancora raggiunto. Tuttavia, gli acceleratori di particelle accelerano regolarmente le particelle a velocità prossime a quelle della luce, quindi questo non è certamente impossibile.

La sfida sta nel fatto che abbiamo a che fare con particelle minuscole, non con enormi astronavi. Per accelerare qualcosa delle dimensioni di un essere umano al 90% della velocità della luce, potrebbe essere necessaria più energia di quanta il Sole ne produca in mille anni. Ma questo è più un problema di ingegneria che una limitazione fisica fondamentale.

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Concetto tradizionale di warp drive

Il tradizionale concetto fantascientifico di warp drive implica la deformazione dello spaziotempo in un modo molto specifico: comprimendolo davanti alla nave ed espandendolo dietro. Teoricamente, ciò consentirebbe a un veicolo spaziale di viaggiare effettivamente più velocemente della luce senza effettivamente superare il limite di velocità locale. Tuttavia, ricerche precedenti su questa idea hanno suggerito che sarebbero necessarie forme esotiche di materia con "densità di energia negativa" per rendere ciò possibile. Questi materiali esotici sono puramente teorici e non sono stati osservati, e pongono sfide significative in termini di creazione e stabilizzazione.

Nella nostra esperienza quotidiana, l'energia è sempre vista come positiva. Anche nel vuoto, c'è una piccola quantità di energia positiva nota come "energia del vuoto" o "energia del punto zero". Ciò deriva da Il principio di indeterminazione di Heisenberg nella meccanica quantistica, che afferma che in un sistema si verificano sempre fluttuazioni di energia, anche nello stato di energia più basso possibile.

L'esistenza di densità di energia negativa è altamente speculativa e problematica nell'ambito della fisica nota. Le leggi della termodinamica e le condizioni energetiche nella relatività generale sembrano proibire l'esistenza di grandi quantità di densità di energia negativa. Alcune teorie, come la Effetto Casimir e alcune teorie quantistiche dei campi, suggeriscono la presenza di piccole quantità di densità di energia negativa in condizioni specifiche. Tuttavia, questi effetti sono generalmente molto piccoli e limitati a scale microscopiche.

È qui che entra in gioco la nuova ricerca. I ricercatori di fisica applicata hanno identificato un nuovo approccio che potrebbe un giorno rendere possibile la tecnologia warp drive. Il team ha introdotto il concetto di "motore warp drive a velocità costante", allineato ai principi della relatività.

Il nuovo modello elimina la necessità di energia esotica, utilizzando invece una combinazione complessa di metodi gravitazionali tradizionali e innovativi per creare una bolla di curvatura in grado di trasportare oggetti ad alta velocità entro i limiti della fisica nota. "Questa ricerca cambia la nostra comprensione dei motori a curvatura", ha affermato l'autore principale, il dott. Fuchs. "Dimostrando il primo modello del suo genere, abbiamo dimostrato che i motori a curvatura non sono relegati alla fantascienza".

Il modello teorico del nuovo tipo di bolla di curvatura impiega metodi gravitazionali sia tradizionali che innovativi, resi possibili dal loro strumento disponibile al pubblico, Warp Factory. Questa soluzione consente il trasporto di oggetti a velocità elevate, ma sub-luce, senza la necessità di fonti di energia esotiche. Ciò è ottenuto progettando il motore di curvatura spaziotemporale in modo che si comporti gravitazionalmente come la materia ordinaria, segnando la prima soluzione del suo genere.

"Sebbene un tale progetto richiederà comunque una notevole quantità di energia, dimostra che gli effetti di curvatura possono essere ottenuti senza forme esotiche di materia", ha aggiunto il dott. Christopher Helmerich, coautore dello studio. "Queste scoperte aprono la strada a future riduzioni dei requisiti energetici per i motori a curvatura".

A differenza di aeroplani o razzi, i passeggeri a bordo di una nave a curvatura non sperimenterebbero alcuna forza gravitazionale. Ciò è in netto contrasto con alcune rappresentazioni di fantascienza. La ricerca del team dimostra come una tale nave potrebbe essere costruita utilizzando materia ordinaria. "Sebbene non stiamo ancora preparando i bagagli per un viaggio interstellare, questo risultato segnala una nuova era di possibilità", ha spiegato Gianni Martire, CEO del Dipartimento di fisica applicata. "Continuiamo a fare progressi costanti mentre l'umanità entra nell'era del viaggio a curvatura".

Il team di Fisica Applicata è ora concentrato sulla risoluzione di queste sfide, continuando a perfezionare i propri modelli e collaborando con diverse discipline e istituzioni per trasformare quello che un tempo era un sogno fantastico in realtà.

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Conclusioni

Mentre siamo sulla soglia di una nuova era nell'esplorazione spaziale, la prospettiva di creare motori a curvatura è più allettante che mai. Con ogni nuova scoperta e svolta, ci avviciniamo di un passo alle stelle e alle infinite opportunità che ci attendono nella vasta distesa dello spazio. Mentre l'umanità si imbarca nella ricerca di viaggi più veloci della luce, potenzialmente utilizzando motori a curvatura, possiamo solo immaginare le incredibili avventure e scoperte che l'Universo ha in serbo per noi.

In un futuro lontano, supponendo che la nostra attuale comprensione della fisica sia valida (almeno in termini di viaggi più veloci della luce e wormhole), l'umanità probabilmente invierà solo una manciata di modeste missioni verso altre stelle e pianeti abitabili. Tuttavia, all'interno del nostro Sistema Solare, ci sono innumerevoli luoghi, centinaia di lune e migliaia di asteroidi, che un giorno potrebbero essere chiamati casa. È uno spazio vasto, pieno di misteri ancora da scoprire.

Non c'è nessun posto come casa.

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