La propulsione a curvatura: è possibile viaggiare più veloce della luce?

La propulsione a curvatura è un concetto teorico che si basa su un fenomeno già presente in natura: è davvero possibile viaggiare più veloce della luce?

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Quando Einstein espose al mondo intero la teoria della relatività speciale nel 1905, i fisici teorici, gli scienziati e in generale l'intera comunità scientifica iniziò ad indagare questa nuova veste con cui Einstein aveva descritto l'universo. Si interessarono alle restrizioni imposte da un universo relativistico.
Una delle più famose restrizioni, il più celebre limite fisico, è quello legato all'insuperabilità della velocità della luce. Una velocità così elevata permetterebbe di arrivate sulla Luna in circa 2 secondi e di raggiungere Marte in 4 minuti. Ma ancora nessun viaggio Faster than Light quindi? Non proprio.

L'idea è semplice

Anche se generazioni successive di scienziati e ingegneri riuscirono a rompere la barriera del suono e a sconfiggere l'attrazione della gravità terrestre, la velocità della luce sembrò essere una barriera che era destinata a reggere. Ma poi, nel 1994, un fisico messicano di nome Miguel Alcubierre propose un'idea con alla base un metodo per allungare il tessuto dello spazio-tempo in modo che, in teoria, il limite della velocità della luce potesse diventare valicabile.

In breve, il metodo in questione consiste nell' "allungare" il tessuto dello spazio-tempo attraverso un'onda causando la contrazione dello spazio davanti ad un oggetto in movimento, espandendo al contempo il tessuto dello spazio-tempo posto dietro l'oggetto in questione. Un oggetto "a cavallo" di questa onda (che possiamo immaginare come un velivolo aerospaziale), sarebbe quindi in grado di cavalcare questa regione e beneficiare di questa condizione come un surfista che si muove grazie all'azione dell'onda marina che interagisce con la sua tavola da surf.
L'onda deformante appena introdotta agirebbe in una zona detta "bolla di curvatura". L'immagine seguente può aiutare nella visualizzazione del concetto appena espresso:

(nell'immagine in alto, l'onda viaggia verso destra, essendo presente una contrazione dello spaziotempo a destra della figura)

"Più veloce della luce": ecco perchè

Questo concetto è noto come "Metrica Alcubierre". Interpretata nel contesto della Relatività Generale, la metrica consentirebbe ad una bolla di curvatura di apparire in una regione dello spazio-tempo precedentemente piatta ed allontanarsi seguendo una direzione a velocità che supera quella della luce.
La caratteristica interessante è che all'interno di questa bolla l'astronave è ferma. Poiché il velivolo non si muove all'interno di questa bolla, ma viene trasportato in quanto è la regione stessa a muoversi, non intervengono effetti relativistici convenzionali come la dilatazione del tempo.

Quindi, le regole dello spazio-tempo e le leggi della relatività non sarebbero violate all'interno della bolla. Un raggio di luce all'interno di questa bolla si muoverebbe sempre più velocemente dell'astronave. Ma allo stesso tempo, l'astronave è più veloce di un raggio di luce che viaggia al di fuori della bolla di curvatura.
Nell'immagine sopra, spesso utilizzata per visualizzare il fenomeno, si può vedere come all'interno della "bolla" azzurra, lo spazio rimanga indeformato (i quadrati restano quadrati) mentre al di fuori della bolla si osserva una dilatazione nella zona posteriore del velivolo, ed una contrazione davanti allo stesso. L'effetto è, come già detto, simile a quello di un onda che porta con se una tavola da surf.

Il rinnovato interesse

Questo concetto è stato oggetto di una presentazione avvenuta all'American Institute of Aeronautics and Astronautics Propulsion and Energy, che si è tenuto dal 19 al 22 agosto a Indianapolis. La presentazione è stata condotta da Joseph Agnew, un ingegnere universitario e assistente di ricerca dell'Università dell'Alabama nel Propulsion Research Center di Huntsville.
In uno degli interventi, Agnew ha condiviso i risultati di uno studio che ha condotto intitolato "An Examination of Warp Theory and Technology to Determine the State of the Art and Feasibility". In breve, anche per Agnew, la teoria alla base di un sistema di propulsione a curvatura è relativamente semplice.

Per quanto riguarda la realizzazione pratica, tale teoria è stata generalmente respinta in quanto è del tutto teorica e altamente speculativa, ma negli ultimi anni è stata oggetto di un rinnovato interesse. Il merito di ciò va in gran parte a Harold "Sonny" White, capo del team di propulsione avanzata del laboratorio di fisica del NASA Johnson Space Center.

Secondo White, la teoria di Alcubierre era solida, ma necessitava di alcuni test e approfondimenti condotti con una maggiore serietà, decidendo così di interessarsi personalmente alla questione presso gli Eagleworks Lab. Allo stesso modo, Agnew ha trascorso gran parte della sua carriera accademica alla ricerca della teoria e della meccanica alla base della "bolla a curvatura". Il lavoro di Agnew è culminato in uno studio che affronta i principali ostacoli e vantaggi offerti dalla ricerca sulla meccanica della curvatura.

Come riferito da Agnew, uno dei più grandi intoppi è il fatto che il concetto di "bolla a curvatura" non è ancora preso molto sul serio nei circoli scientifici, tanto che solo pronunciarla tende a far ridere l'interlocutore per via della natura "fantascientifica" che la caratterizza.
Agnew si espresse su queste reazioni evidenziando che solamente tramite uno studio attento della teoria ci si può convincere che essa non sia così strana come si possa pensare. In effetti, alla base di questa avversità vi è anche uno "strascico storico" altamente dissuasivo, poiché è molto più difficile vedere progressi sostanziali se ci si sofferma sulle equazioni anziché sui risultati di natura quantitativa.

E in effetti, negli ultimi anni vi sono stati numerosi sviluppi recenti che hanno aiutato ad acquisire dimestichezza con questo nuovo modo di ragionare. Ad esempio, la scoperta delle onde gravitazionali (vi rimandiamo al recente speciale per saperne di più) presenti in natura, grazie al progetto LIGO nel 2016, che hanno confermato una previsione fatta da Einstein un secolo fa e dimostrando che, in effetti, le basi per la curvatura sono presenti in natura.

Agnew pone una domanda importante: "ora che sappiamo che l'effetto è reale, la domanda successiva é come lo studiamo e come generarlo in laboratorio".
La scoperta di LIGO è stata un enorme balzo in avanti dal momento che ha dimostrato, sperimentalmente, che lo spaziotempo può "deformarsi" e piegarsi in presenza di enormi campi gravitazionali, deformazione che si propaga in tutto l'Universo in un modo che è misurabile tramite le strumentazioni attuali. Le energie in gioco all'interno di questo fenomeno sono però immense, generate da collisioni di masse difficilmente immaginabili.

Naturalmente, saranno necessarie ulteriori misurazioni, verifiche e sviluppo di altre tecnologie prima che sia possibile una ricerca sperimentale ben solida. I settori interessati da questa ondata di sviluppo e ricerca spaziano dalla robotica all'ingegneria dei materiali, alla propulsione e all'energia. Una delle sfide più impegnative risiede nel perfezionare le attrezzature attualmente disponibili per sopportare l'impiego di alte densità di energia.
Il motivo è presto detto: nell'esatto momento in cui si manifesti la possibilità di poter replicare il fenomeno in un laboratorio, dunque superato l'ostacolo legato all'energia necessaria, sopraggiungerebbero altri problemi di natura tecnologica, come attrezzature più sensibili, materiali più resistenti, tanto per citarne alcuni.

L'unico modo per superarli è attraverso ulteriori progressi nella fisica quantistica, nella meccanica quantistica e nei meta materiali. Senza contare i sicuramente necessari progressi nella creazione di superconduttori, interferometri e generatori magnetici. E questo è solo l'inizio, perché una volta sviluppata la tecnologia per supportare il viaggio alla velocità della luce, la corsa verso le stelle richiederà lo sviluppo di tecnologie non chimiche per generare, sfruttare, controllare e immagazzinare in sicurezza quantità enormi di energia. L'obbiettivo è raggiungere nuove mete avendo come base di partenza ambienti ostici come lo spazio profondo. E per leggerezza nella trattazione, si è omesso tutto ciò che riguarda l'adattamento dell'uomo a queste nuove condizioni di viaggio.

La sfida più grande

L'enorme quantità di energia positiva e negativa necessaria per creare una bolla di curvatura rimane la più grande sfida associata alla teoria di Alcubierre. Attualmente, gli scienziati ritengono che l'unico modo per ottenere la densità di energia negativa richiesta per produrre la bolla sia attraverso la materia esotica.
Gli scienziati stimano inoltre che il fabbisogno energetico totale sarebbe equivalente alla massa di Giove, ma è una notizia migliore rispetto ad una prima stima energetica effettuata anni addietro, secondo le quale si sarebbe resa necessaria una massa equivalente all'intero Universo.

Tuttavia, una quantità di massa esotica pari a quella di Giove è evidentemente ingestibile ed inottenibile. In effetti, saranno necessari ancora molti progressi per ridimensionare i requisiti energetici abbassandoli a valori più accessibili.

La teoria ha dimostrato finora che vale la pena perseguire. Non esistono scusanti, neanche di tipo economico: se anche ci si volesse azzardare nei discorsi di natura economica, non è difficile scorgere in questa rivoluzione della propulsione aerospaziale una grande opportunità per ottenere nuove risorse prendendole in prestito dai vari angoli della nostra galassia e oltre. La possibilità di esplorare oltre il nostro Sistema Solare, anche oltre la nostra Galassia, è sicuramente il prossimo "grande balzo" per l'umanità.