Ταξίδι ταχύτερα από το φως: Η αληθινή φυσική πίσω από Star Trek, Interstellar και Star Wars

"Engage." Με μια μόνο λέξη του Πικάρ, το USS Enterprise τραβάει τα αστέρια σε φωτεινές γραμμές. Το Endurance του Interstellar πλησιάζει μια σφαίρα κοντά στον Κρόνο, διασχίζει μια σκουληκότρυπα και βρίσκεται σε άλλον γαλαξία. Το Millennium Falcon τραντάζει, τα αστέρια γίνονται μπλε ριπή, και ο Han Solo είναι ήδη μακριά από τον Tatooine. Τρεις σκηνές, τρία διαφορετικά διαστημόπλοια, τρεις διαφορετικές προτάσεις για το πώς ταξιδεύεις ταχύτερα από το φως (FTL, Faster Than Light), σπάζοντας το απόλυτο όριο ταχύτητας του σύμπαντος. Πόση αληθινή φυσική κρύβεται πίσω από κάθε μία; Η ειρωνεία της ιστορίας είναι ότι μερικοί από τους κορυφαίους θεωρητικούς φυσικούς του 20ού και του 21ου αιώνα κάθισαν, είδαν αυτές τις ταινίες και προσπάθησαν στα σοβαρά να απαντήσουν.

Warp drive: όταν το Star Trek ενέπνευσε έναν φυσικό

Όταν ο Πικάρ ζητά "warp factor nine", το Enterprise δεν επιταχύνεται απλώς. Η εξήγηση του Star Trek είναι πιο λεπτή: ο χωροχρόνος γύρω από το σκάφος συμπιέζεται μπροστά και διαστέλλεται πίσω, και το σκάφος ταξιδεύει πάνω στο κύμα. Το ίδιο το σκάφος δεν κινείται ταχύτερα από το φως στον τοπικό χώρο του. Είναι ο χώρος που μετακινείται.

Αυτή η ιδέα φάνηκε αρκετά συναρπαστική σε έναν Μεξικανό μεταπτυχιακό φοιτητή που έβλεπε Star Trek τη δεκαετία του 1990. Ο Miguel Alcubierre σπούδαζε αριθμητική γενική σχετικότητα στο University of Wales στο Cardiff και, όπως έχει πει σε συνεντεύξεις του, σκέφτηκε πως πρέπει να υπάρχει τρόπος να γίνει αυτό σωστά. Το 1994 δημοσίευσε στο περιοδικό Classical and Quantum Gravity ένα σύντομο, εμβληματικό άρθρο με τίτλο The warp drive: hyper-fast travel within general relativity, στο οποίο αναφέρει ευθέως ότι έμπνευσή του ήταν το warp drive της επιστημονικής φαντασίας. Μάλιστα, σε email του προς τον William Shatner, τον ηθοποιό που ενσάρκωσε τον κάπτεν Κερκ, παραδέχτηκε ότι ο ίδιος ο όρος της σειράς πυροδότησε την ιδέα. Και ο κύκλος έκλεισε με τον πιο συμβολικό τρόπο: στο επιτραπέζιο παιχνίδι ρόλων Star Trek Adventures εμφανίζεται σήμερα ένα σκάφος με το όνομα USS Alcubierre, φόρος τιμής του σύμπαντος του Star Trek στον φυσικό που πήρε στα σοβαρά τη φαντασία του.

Η ιδέα του Alcubierre είναι μαθηματικά κομψή. Φτιάχνεις μια "φούσκα" επίπεδου χωροχρόνου γύρω από το σκάφος. Έξω από αυτήν, αναγκάζεις τον χωροχρόνο να συρρικνωθεί μπροστά και να διασταλεί πίσω. Μέσα στη φούσκα, οι αστροναύτες κάθονται ήρεμα και πίνουν τον καφέ τους. Όλη η δουλειά γίνεται απ' έξω. Επειδή τίποτα δεν κινείται τοπικά πιο γρήγορα από το φως, η ειδική σχετικότητα δεν παραβιάζεται. Ο ίδιος ο Alcubierre, σε διάλεξη του 2017, χρησιμοποίησε τη μεταφορά του κυλιόμενου διαδρόμου του αεροδρομίου: στέκεσαι ακίνητος, αλλά το πάτωμα από κάτω σου κινείται.

Το πρόβλημα είναι ότι, αν και οι εξισώσεις του Einstein επιτρέπουν θεωρητικά μια μηχανή στρέβλωσης, απαιτούν κάτι που δεν ξέρουμε αν υπάρχει: αρνητική ενέργεια ή εξωτική ύλη. Πρόκειται για μια παράξενη μορφή ύλης με ιδιότητες που δεν έχουμε παρατηρήσει ποτέ σε μεγάλες ποσότητες.

Οι πρώτοι υπολογισμοί, το 1994, ήταν απογοητευτικοί. Για να κινηθεί ένα διαστημόπλοιο περίπου 200 μέτρων, θα χρειαζόταν εξωτική ύλη με μάζα μεγαλύτερη από ολόκληρο το παρατηρήσιμο Σύμπαν. Αργότερα όμως οι εκτιμήσεις έγιναν πιο αισιόδοξες. Το 1999 ο Chris Van Den Broeck έδειξε ότι η απαιτούμενη ποσότητα θα μπορούσε να μειωθεί σε λίγες ηλιακές μάζες. Το 2012, ο Harold White της NASA πρότεινε ότι, με διαφορετικό σχήμα της «φούσκας» στρέβλωσης, ίσως αρκούσε μάζα αντίστοιχη με εκείνη του Voyager 1. Εξακολουθούν να είναι τεράστιες ποσότητες, αλλά η διαφορά είναι εντυπωσιακή.

Η έρευνα συνεχίζεται. Το 2021, ο φυσικός Erik Lentz πρότεινε ότι μια μηχανή στρέβλωσης ίσως μπορεί να λειτουργήσει χωρίς εξωτική ύλη, χρησιμοποιώντας μόνο θετική ενέργεια. Η ιδέα αυτή όμως παραμένει υπό συζήτηση. Την ίδια περίοδο, οι Alexey Bobrick και Gianni Martire έδειξαν ότι είναι θεωρητικά εφικτές μηχανές στρέβλωσης που ταξιδεύουν πιο αργά από το φως και βασίζονται σε γνωστή φυσική. Επιπλέον, μια μελέτη του 2024 έδειξε ότι το ισχυρό βαρυτικό πεδίο μιας μαύρης τρύπας θα μπορούσε να μειώσει σημαντικά την ποσότητα αρνητικής ενέργειας που απαιτείται για να διατηρηθεί μια «φούσκα» στρέβλωσης.

Όλα αυτά παραμένουν σε επίπεδο εξισώσεων. Δεν έχει κατασκευαστεί τίποτα. Όπως γράφει το Scientific American, η ίδια η ιδέα του warp drive ξεκίνησε από έναν φοιτητή που λάτρευε τη σειρά. Από όλα τα συστήματα διαστημόπλοιων FTL του σινεμά, αυτό του Star Trek είναι το μόνο που πραγματικά παρήγαγε νέα φυσική.

Σκουληκότρυπες: από τον Einstein στο Interstellar

Σε μια από τις πιο όμορφες σκηνές του Interstellar (2014), το Endurance πλησιάζει μια σφαίρα κοντά στον Κρόνο. Δεν είναι αστέρι. Δεν είναι μαύρη τρύπα. Είναι μια σκουληκότρυπα (wormhole), και όταν περάσει από μέσα, οι αστροναύτες βρίσκονται σε άλλον γαλαξία. Η σκηνή έχει κάτι ασυνήθιστο για ταινία: είναι σχεδόν επιστημονικά ακριβής.

Το κάθε καρέ αυτής της σκηνής σχεδιάστηκε από την ομάδα οπτικών εφέ Double Negative με βάση εξισώσεις που έδωσε ο Kip Thorne, ο φυσικός που το 2017 μοιράστηκε το Νόμπελ Φυσικής για τη συμβολή του στην ανίχνευση βαρυτικών κυμάτων. Ο Thorne ήταν εκτελεστικός παραγωγός της ταινίας. Μετά την κυκλοφορία της, ο ίδιος μαζί με τους Oliver James, Eugénie von Tunzelmann και Paul Franklin δημοσίευσαν στο American Journal of Physics άρθρο με τίτλο "Visualizing Interstellar's Wormhole", όπου εξηγούν πώς υπολόγισαν τη γεωμετρία του τούνελ. Το άρθρο γράφτηκε για να χρησιμοποιείται σε πανεπιστημιακά μαθήματα σχετικότητας. Σύμφωνα με τους συγγραφείς του, το Interstellar είναι η πρώτη ταινία που αποδίδει σωστά πώς θα φαινόταν μια σκουληκότρυπα σε έναν παρατηρητή που στέκεται δίπλα της.

Η ιδέα δεν ξεκίνησε με το Hollywood. Ξεκίνησε με τον ίδιο τον Albert Einstein. Το 1935, ο Einstein και ο Nathan Rosen δημοσίευσαν μια λύση στις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας που περιέγραφε δύο σημεία του χωροχρόνου ενωμένα με μια γέφυρα, γνωστή σήμερα ως γέφυρα Einstein-Rosen. Στη μαθηματική της μορφή, αυτή η γέφυρα ήταν αυστηρά ασταθής. Καταρρέει τόσο γρήγορα που ούτε το φως δεν προλαβαίνει να περάσει από μέσα της. Άχρηστη για ταξίδι.

Το άλμα έγινε στα τέλη της δεκαετίας του 1980, και πάλι μια ταινία ήταν στη μέση. Ο αστρονόμος Carl Sagan έγραφε το μυθιστόρημά του Contact και ήθελε να στείλει την ηρωίδα του σε μακρινό αστέρι χωρίς να παραβιάσει τη φυσική. Ζήτησε τη βοήθεια του Thorne. Εκείνος, μαζί με τον φοιτητή του Michael Morris, δημοσίευσε το 1988 ένα άρθρο με τίτλο "Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel", στο οποίο έδειξαν ότι μια σταθερή, διαβατή σκουληκότρυπα είναι μαθηματικά δυνατή. Η προϋπόθεση όμως ήταν ξανά η ίδια: εξωτική ύλη με αρνητική ενεργειακή πυκνότητα, για να κρατά τον λαιμό της σκουληκότρυπας ανοιχτό ενάντια στη βαρύτητα που τον σφίγγει.

Από τότε, οι σκουληκότρυπες είναι βασικός εξοπλισμός της επιστημονικής φαντασίας. Στο Stargate, το άνοιγμα της πύλης είναι κυριολεκτικά μια τεχνητή σκουληκότρυπα ανάμεσα σε δύο πλανήτες. Στο Star Trek: Deep Space Nine, η σταθερή σκουληκότρυπα του Bajor είναι το κεντρικό σκηνικό όλης της σειράς. Στο Thor (2011), η Jane Foster αναφέρει τις γέφυρες Einstein-Rosen ως επιστημονική εξήγηση για το Bifrost. Σε όλες τις περιπτώσεις, οι σεναριογράφοι δανείστηκαν τη φυσική και την προσάρμοσαν στη μυθολογία τους.

Πέρα από τις οθόνες, η κατάσταση παραμένει υποθετική. Καμία φυσικά υπάρχουσα σκουληκότρυπα δεν έχει παρατηρηθεί στο σύμπαν. Τον Δεκέμβριο του 2022, η ομάδα της Maria Spiropulu στο Caltech, σε συνεργασία με την Google Quantum AI, δημοσίευσε στο Nature ένα πείραμα στο οποίο προσομοίωσε δυναμικά σκουληκότρυπας σε εννέα qubits του κβαντικού επεξεργαστή Sycamore. Η εργασία προκάλεσε ενθουσιασμό αλλά και κριτική. Φυσικοί όπως ο Peter Shor του MIT επισήμαναν ότι το πείραμα είναι ολογραφική αναλογία, όχι κατασκευή πραγματικής γέφυρας στον χωροχρόνο. Η φύση επιτρέπει μαθηματικά τις γέφυρες Einstein-Rosen, αλλά μέχρι στιγμής δεν έχει δείξει σε εμάς ότι τις δημιουργεί.

Hyperdrive και jump drive: όταν η φαντασία βγαίνει εκτός εξίσωσης

"Punch it, Chewie." Το Millennium Falcon τραντάζει, τα αστέρια γίνονται γραμμές, και ο Han Solo είναι έξω από το ηλιακό σύστημα της Tatooine σε δευτερόλεπτα. Στο Battlestar Galactica, ο Adama δίνει εντολή για jump, ο διακόπτης γυρίζει, και ολόκληρο το πολεμικό απλά εξαφανίζεται από εδώ και εμφανίζεται εκεί. Δύο από τα πιο δημοφιλή FTL συστήματα του σινεμά. Πόσο όμως έχουν να κάνουν με τη φυσική;

Το hyperdrive της Star Wars λειτουργεί με κάπως διαφορετική λογική. Στον μύθο της σειράς, υπάρχει ένα παράλληλο σύμπαν που λέγεται hyperspace, στο οποίο οι κανόνες της κανονικής χωροχρονικής γεωμετρίας δεν ισχύουν. Το σκάφος "πηδά" σε αυτή τη διάσταση, διασχίζει την απόσταση πολύ πιο γρήγορα, και εξέρχεται στο πραγματικό σύμπαν αλλού. Τα αντικείμενα στον πραγματικό χώρο ρίχνουν μια "σκιά μάζας" στο hyperspace. Γι' αυτό και ο πιλότος χρειάζεται προσεκτικούς υπολογισμούς, για να μην βρει έναν πλανήτη στη μέση της διαδρομής. Σύμφωνα με την επίσημη βάση δεδομένων της StarWars.com, το σύστημα τροφοδοτείται από ένα υλικό που λέγεται coaxium και χρειάζεται έναν "hyperdrive motivator" για να ξεκινήσει τη μετάβαση.

Η Star Wars δεν προσπάθησε ποτέ να είναι σκληρή επιστημονική φαντασία. Είναι, όπως είπε ο ίδιος ο George Lucas, ένα παραμύθι σε γαλαξιακό σκηνικό. Το hyperdrive δεν έχει ξεκάθαρη αντιστοιχία στις εξισώσεις της γενικής σχετικότητας. Η ιδέα ενός παράλληλου σύμπαντος όπου τα πράγματα πάνε γρήγορα δεν προκύπτει από καμία γνωστή λύση των εξισώσεων του Einstein. Αυτό δεν σημαίνει ότι είναι λάθος. Σημαίνει ότι είναι μυθοπλασία, με συνεπή εσωτερική λογική αλλά χωρίς πραγματικό επιστημονικό σκάφρωμα.

Το jump drive του Battlestar Galactica είναι πιο κοντά στη φυσική, παραδόξως. Σύμφωνα με τους παραγωγούς της σειράς και τις σημειώσεις παραγωγής, ο τρόπος που λειτουργεί είναι μέσω "διαστατικού φαινομένου μεταφοράς": το σκάφος αναδιπλώνει τον χωροχρόνο γύρω του και βρίσκεται αλλού, σχεδόν στιγμιαία. Αυτή είναι μια αρκετά καλή λαϊκή περιγραφή του πώς δουλεύει μια σκουληκότρυπα. Οι παραγωγοί έχουν αναφέρει ότι η ιδέα είναι εμπνευσμένη από τη δουλειά του Kip Thorne για το Contact. Με άλλα λόγια, αν θες να βάλεις το jump drive μέσα σε γνωστή φυσική, καταλήγεις πάλι στις σκουληκότρυπες, και πάλι στην εξωτική ύλη ως προϋπόθεση.

Υπάρχουν λεπτομέρειες στο BSG που δείχνουν ότι οι σεναριογράφοι σκέφτηκαν τη φυσική. Όταν το Galactica κάνει jump, ο χωροχρόνος γύρω του διαταράσσεται και άλλα σκάφη που είναι πολύ κοντά παθαίνουν ζημιά. Στο επεισόδιο "Exodus, Part II", το Galactica κάνει jump μέσα στην ατμόσφαιρα της Νέας Caprica και ακούγεται μια βροντή, καθώς ο αέρας σπεύδει να γεμίσει τον κενό όγκο που άφησε πίσω του. Αυτές οι λεπτομέρειες δεν είναι τυχαίες. Είναι προσπάθειες να γίνει το jump drive συνεπές με τη συμπεριφορά ενός αντικειμένου που εξαφανίζεται απότομα.

Τι μας λέει αυτό για το μέλλον

Τα τρία αυτά συστήματα διαστημόπλοιων FTL δείχνουν ένα ενδιαφέρον φάσμα. Από τη μία άκρη, το warp drive της Star Trek ενέπνευσε πραγματική επιστημονική έρευνα και διατηρεί σταθερή μαθηματική βάση. Από την άλλη, το hyperdrive της Star Wars είναι ευχάριστη φαντασία χωρίς αντιστοιχία στις εξισώσεις. Οι σκουληκότρυπες κάθονται κάπου στη μέση, μαθηματικά αξιόπιστες αλλά πρακτικά απρόσιτες. Το jump drive του Galactica, εμπνευσμένο από τη δουλειά του Thorne, ανήκει στην ίδια κατηγορία.

Η ειρωνεία είναι ότι κάθε φορά που η φυσική προσπαθεί να εξηγήσει αυτές τις ιδέες, καταλήγει στο ίδιο εμπόδιο: στην εξωτική ύλη με αρνητική ενέργεια. Μια ουσία που το κβαντικό φαινόμενο Casimir υποδηλώνει ότι μπορεί να υπάρχει σε μικροσκοπικές ποσότητες, αλλά την οποία δεν ξέρουμε να παράγουμε σε κλίμακες χρήσιμες για διαστημόπλοιο. Όταν τα σπουδαία διαστημικά franchises βάζουν τους ήρωές τους σε καμπίνες και τους πετάνε ανάμεσα στα αστέρια, δεν παραβιάζουν απλώς τους κανόνες. Ψάχνουν τα παραθυράκια τους. Και κάθε τόσο, ένας πραγματικός φυσικός κάθεται και κοιτάζει αυτά τα παραθυράκια λίγο πιο σοβαρά.

🚀

Συχνές ερωτήσεις

Είναι το warp drive της Star Trek φυσικά εφικτό;

Το warp drive είναι μαθηματικά συμβατό με τη γενική σχετικότητα, χάρη στη μετρική Alcubierre που πρότεινε ο Μεξικανός φυσικός Miguel Alcubierre το 1994. Στη θεωρία, το σκάφος ταξιδεύει μέσα σε μια φούσκα χωροχρόνου που συμπιέζεται μπροστά και διαστέλλεται πίσω. Στην πράξη, χρειάζεται εξωτική ύλη με αρνητική ενεργειακή πυκνότητα σε ποσότητες αστρονομικές, και κανείς δεν ξέρει αν τέτοια ύλη μπορεί να παραχθεί σε χρήσιμες κλίμακες. Νεότερες προτάσεις, όπως αυτή του Erik Lentz το 2021 και μελέτες του 2024 για warp bubbles κοντά σε μαύρες τρύπες, εξετάζουν εναλλακτικές, αλλά παραμένουν αμφισβητούμενες.

Υπάρχουν αληθινές σκουληκότρυπες στο σύμπαν;

Δεν έχει παρατηρηθεί καμία πραγματική σκουληκότρυπα μέχρι σήμερα. Οι σκουληκότρυπες είναι λύσεις των εξισώσεων του Einstein και επιτρέπονται μαθηματικά από τη γενική σχετικότητα, αλλά κανένα αστρονομικό αντικείμενο που να αντιστοιχεί σε αυτές δεν έχει εντοπιστεί. Τον Δεκέμβριο του 2022, η ομάδα της Maria Spiropulu στο Caltech δημοσίευσε στο Nature μια προσομοίωση δυναμικών σκουληκότρυπας στον κβαντικό επεξεργαστή Sycamore της Google. Πρόκειται όμως για ολογραφική αναλογία, όχι για πραγματική γέφυρα στον φυσικό χωροχρόνο.

Πώς διαφέρει το hyperdrive της Star Wars από το warp drive της Star Trek;

Το warp drive της Star Trek παραμορφώνει τον τοπικό χωροχρόνο γύρω από το σκάφος, ώστε αυτό να μετακινείται μαζί με μια φούσκα επίπεδου χώρου. Το σκάφος παραμένει στο κανονικό μας σύμπαν. Το hyperdrive της Star Wars, αντίθετα, εκτοξεύει το σκάφος σε μια διαφορετική διάσταση που λέγεται hyperspace, στην οποία οι περιορισμοί της ταχύτητας δεν ισχύουν. Το warp drive έχει μαθηματική βάση σε λύση των εξισώσεων του Einstein, ενώ το hyperdrive είναι καθαρά μυθοπλασία χωρίς αντιστοιχία στη γνωστή φυσική.

Γιατί χρειάζεται αρνητική ενέργεια για warp drive και σκουληκότρυπες;

Η αρνητική ενέργεια είναι απαραίτητη επειδή η συνηθισμένη βαρύτητα σφίγγει τον χωροχρόνο. Για να ανοίξει ένας λαιμός σκουληκότρυπας ή μια φούσκα warp drive και να παραμείνει ανοιχτή, χρειάζεται κάτι που να σπρώχνει τον χωροχρόνο προς την αντίθετη κατεύθυνση. Στη γενική σχετικότητα, αυτή η ώθηση απαιτεί υλικό με ενεργειακή πυκνότητα μικρότερη από αυτή του κενού, που οι φυσικοί ονομάζουν εξωτική ύλη. Παρόλο που το κβαντικό φαινόμενο Casimir δείχνει ότι μικρές αρνητικές πυκνότητες ενέργειας υπάρχουν, η ποσότητα που χρειάζεται για διαβατό warp bubble ή σκουληκότρυπα ξεπερνά τις αστρονομικές κλίμακες.

Έχουν δημιουργήσει ποτέ επιστήμονες σκουληκότρυπα σε εργαστήριο;

Καμία πραγματική σκουληκότρυπα στον χωροχρόνο δεν έχει δημιουργηθεί. Τον Δεκέμβριο του 2022, η ερευνητική ομάδα της Maria Spiropulu στο Caltech, σε συνεργασία με την Google Quantum AI, δημοσίευσε στο Nature ένα πείραμα στο οποίο προσομοίωσε δυναμικά σκουληκότρυπας σε εννέα qubits του κβαντικού επεξεργαστή Sycamore. Φυσικοί όπως ο Peter Shor του MIT και ο Adam Brown του Stanford επισήμαναν ότι το πείραμα είναι μια κβαντική προσομοίωση μέσω της θεωρίας ολογραφίας, όχι κατασκευή φυσικής γέφυρας στον χωροχρόνο.

Το άρθρο δημιουργήθηκε με τη βοήθεια τεχνητής νοημοσύνης και βασίστηκε σε αξιόπιστες επιστημονικές πηγές. Η τελική επιμέλεια και ο έλεγχος έγιναν από την ομάδα του Infinite Odyssey πριν τη δημοσίευση. Για περισσότερες διαστημικές ειδήσεις στα ελληνικά, μείνετε συντονισμένοι.