آشنایی با ماشین وارپ؛ سفر فضایی سریعتر از نور
طبق نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین، هیچ چیز در فضا-زمان نمی‌تواند سریعتر از سرعت نور حرکت کند اما ماشین وارپ فراتر از این چارچوب عمل میکند و فضا-زمان را درمی‌نوردد.
در سال 1994 بود که «میگل آلکوبیر» (Miguel Alcubierre) فیزیکدان نظری اهل مکزیک تصمیم گرفت که ببیند آیا ماشین وارپ که در رمان‌های علمی-تخیلی مورد علاقه‌ی او مطرح شده بود، از نظر عملی امکانپذیر است یا خیر و این موضوع باعث شد که او به طرزی شگفت‌انگیز راهی برای امکانپذیر ساختن آن پیدا کند. اما هنوز مشخص نیست که این ایده کار میکند یا خیر؟
ماشین وارپ چیست؟
ماشین وارپ چگونه کار میکند؟
سوخت ماشین وارپ
محدودیت‌ها و چالش‌های موتور وارپ
موتور وارپ در فرهنگ عامه
ماشین وارپ کی ساخته میشود؟
آیندهی پژوهش‌های موتور وارپ
جمع‌بندی
ماشین وارپ چیست؟
«موتور وارپ» (Warp Drive) یک روش فرضی برای سفر «سریعتر از نور» (Faster Than Light) یا به اختصار FTL است که توسط داستان‌های علمی-تخیلی، به ویژه در جهان «استار ترک» (Star Trek) رایج شده است. این مفهوم پیرامون محور ایده‌ی خم کردن یا اعوجاج فضا-زمان می‌چرخد که به یک فضاپیما امکان دهد فواصل میان‌ستاره‌ای گسترده را در کسری از زمانی که با روش‌های پیشرانش رایج طول می‌کشد، بپیماید.
سفینه فضایی مبتنی بر فناوری وارپ در استار ترک
Credit: Wikimedia Commons/Getty
ماشین وارپ چگونه کار میکند؟
در قلب مفهوم موتور وارپ، نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین قرار دارد که چگونگی انحنای اجرام عظیم را در بافت فضا-زمان توصیف میکند. از نظر تئوری، اگر بتوان فضا-زمان را به گونه‌ای دستکاری کرد که در مقابل فضاپیما فشرده و در پشت آن منبسط شود، این وسیله‌ی نقلیه می‌تواند بر موجی فضا-زمانی سوار شود و سریعتر از نور حرکت کند؛ بدون اینکه عملا مفهوم محدودیت سرعت در فضا-زمان شناخته شده را بشکند.
همان‌طور که اشاره شد، برای ساخت موتور وارپ، میگوئل آلکوبیر فیزیکدان در سال 1994 میلادی مدلی نظری را ارائه کرد که امروزه با نام موتور آلکوبیر، شناخته میشود. این موتور بر اصلی استوار است که نظریه‌ی نسبیت عام اینشتین بیان میکند. معادلات او نشان می‌داد که می‌توان یک حباب ایجاد کرد و به یک فضاپیما درون آن امکان داد تا با سرعت‌های فوق‌العاده ظاهری حرکت کند. این روش، چالش فراتر رفتن مستقیم از سرعت نور را با حرکت خود فضا-زمان دور می‌زند.
طرح شماتیک از انقباض و انبساط فضا-زمان توسط موتور وارپ
Credit: Mark Garlick/Science Photo Library/Getty Images
سوخت ماشین وارپ
سوختی که برای موتور وارپ در نظر گرفته میشود، یک پیشرانه‌ی شیمیایی یا هسته‌ای متداول نیست، بلکه نوعی مادهی عجیب با چگالی انرژی منفی خواهد بود. این مادهی عجیب برای ایجاد و پایدار کردن حباب وارپ، به عنوان سازوکار اصلی موتور آلکوبیر ضروری است. بر اساس این تئوری، چگالی انرژی منفی باعث میشود تا فضا-زمان در جلوی فضاپیما منقبض و در پشت آن منبسط شود و چنان‌که اشاره شد، این ساختار امکان سفر سریعتر از نور را بدون نقض اصول نسبیت فراهم میکند.
اما چالش اصلی، در وجود و تولید این مادهی عجیب نهفته است. هرچند انرژی منفی در پدیده‌های کوانتومی خاصی مانند «اثر کازیمیر» (Casimir Effect) ظاهر میشود، اما استفاده از آن در مقیاس مورد نیاز برای سفر وارپ فراتر از قابلیت‌های فنی امروزی است. طبق اثر کازیمیر اگر دو صفحه‌ی فلزی را بسیار نزدیک به هم نگه دارید، میدان‌های کوانتومی داخل آنها محدود میشود و فقط طول موج‌های مجاز مشخصی خواهند داشت. این محدودیت منجر به ایجاد یک نیروی گرانش میان صفحات و یک ناحیه از انرژی منفی میشود.
اثر کازیمیر
Credit: BYJU’S
طبق محاسبات نظری، برای حرکت موتور وارپ هم به مقادیر زیادی انرژی منفی نیاز است که این موضوع چالش‌های مهندسی و تولید انرژی قابل توجهی را ایجاد میکند. اگرچه برخی از پژوهشگران مدل‌هایی را بررسی کرده‌اند که انرژی مورد نیاز را کاهش می‌دهند، اما همچنان به صورت حدس و گمان باقی می‌مانند.
علاوه بر این، پایداری حباب وارپ هم یکی دیگر از نگرانی‌های مهم است. حفظ این حباب و کنترل شکل و مسیر حرکت آن، نیازمند دستکاری دقیق مادهی عجیب است چون هر شکل ناپایداری در این حباب می‌تواند باعث فروپاشی آن شود و به طور بالقوه، فضاپیما را به خطر بیندازد. علاوه بر این، هنوز پرسش‌هایی درباره‌ی شیوه‌ی برهم‌کنش میان حباب وارپ و فضا-زمان اطراف، از جمله تجمع بالقوه‌ی ذرات خطرناک و انرژی پیرامون آن بی‌پاسخ مانده‌اند.
محدودیت‌ها و چالش‌های موتور وارپ
با وجود امکانات جالبی که دارد، ماشین وارپ هنوز به صورت یک موتور صرفا نظری باقی مانده است. برای نمونه موتور آلکوبیر برای پایدار کردن حباب وارپ، به موادی عجیب با چگالی انرژی منفی نیاز دارد؛ ماده‌ای که هنوز کشف نشده است یا وجود ندارد. علاوه بر این، انرژی مورد نیاز که اساسا طبق محاسبات، نجومی خواهد بود، مانع قابل توجهی ایجاد میکند.
محاسبات نشان می‌دهد که مقدار انرژی منفی که برای ساختن یک حباب وارپ در ابعاد ماکروسکوپی (برای نمونه با عرض 100 متر) نیاز است، 10 برابر بیشتر از تمام انرژی مثبت موجود در کل جهان است. هرچند طبق برخی محاسبات دیگر، می‌توان شکل حباب را به گونه‌ای تغییر داد که برای فشرده‌سازی فضا-زمان، یک گلوگاه کوچک در جلو داشته باشد و سپس منبسط شود تا حباب وارپ را در خود جای دهد. این امر هر نوع نیازهای عجیب کوانتومی را به حداقل می‌رساند، به طوری که برای راه‌اندازی ماشین وارپ فقط به انرژی منفی یک ستاره نیاز خواهد بود. با این حال چنین پیشنهادهایی فراتر از فناوری امروزی است.
طرحی گرافیکی از موتور وارپ و حباب آن
Credit: Zamanda Yolculuk
از سویی، محاسبات دیگر نشان می‌دهد که حتی اگر مقداری انرژی منفی یا جرم منفی در اختیار داشته باشید، به محض شروع به حرکت، با مشکلاتی مواجه خواهید شد؛ بدین صورت که جرم منفی بلافاصله با سرعتی بیشتر از نور از لبه‌ی حباب خارج میشود و بدین ترتیب در نهایت مادهی عجیب سازنده‌ی حباب وارپ نمی‌تواند با خود حباب همگام شود و حباب پاره خواهد شد که می‌تواند امواج گرانشی را هم شکل دهد. نگرانی عمده‌ی دیگر، خطرات احتمالی مرتبط با سفر به روش وارپ است. برخی از تئوری‌ها نشان می‌دهد که ذرات به دام افتاده در حباب وارپ می‌توانند به عنوان تابش‌های پرانرژی در بدو ورود آزاد شوند و خطراتی را، هم برای فضاپیما و هم برای مقصد آن ایجاد کنند.
موتور وارپ در فرهنگ عامه
موتور وارپ بیش و پیش از اینکه موضوعی تحقیقاتی باشد، به بخشی مهم از داستان‌های علمی-تخیلی تبدیل شده و علاقه‌ی عمومی را به سفرهای فضایی پیشرفته تقویت کرده است. سریال «پیشتازان فضا» (Star Trek) بود که مخاطبان را با این مفهوم آشنا کرد و آن را به عنوان ابزاری استاندارد برای کاوش‌های کهکشانی به تصویر کشید. چنین نگاهی به سفرهای فضایی پرسرعت همان‌طور که اشاره شد علاوه بر فرهنگ عامه، بر بحث‌های علمی درباره‌ی آینده سفرهای فضایی هم تأثیر گذاشته است و به همین دلیل پژوهش‌های بسیاری در این زمینه در جریان است.
پوستر پیشتازان فضا
ماشین وارپ کی ساخته میشود؟
توسعهی یک موتور وارپ واقعی و عملکردی، یقینا تا سال‌ها همچنان در حوزه‌ی فیزیک نظری باقی می‌ماند و نمی‌توان هیچ جدول زمانی قطعی برای تحقق آن ارائه داد. هرچند مفهوم اصلی ماشین وارپ، بر اساس پیشنهاد میگل آلکوبیر، نشان می‌دهد که سفر سریعتر از نور می‌تواند با اعوجاج خود فضا-زمان به جای شتاب دادن به فضاپیما امکانپذیر است، اما هنوز چالش‌های مهم علمی و مهندسی زیادی وجود دارد. برای نمونه نیاز به مادهی عجیب با چگالی انرژی منفی، یک مانع اساسی در این زمینه است.
طرحی گرافیکی از ماشین وارپ
Credit: Elconfidencial
بدین ترتیب هرچند تلاش‌هایی در جریان است، اینکه یک موتور وارپ چه زمانی ساخته میشود، همچنان در حد گمانه‌زنی باقی خواهد ماند. چون ابتدا مدل‌های نظری باید بر موانع اساسی در این زمینه غلبه کنند؛ از جمله ترکیب مواد عجیب را شناسایی و روش‌هایی برای کنترل ایمن مقادیر عظیم انرژی توسعه دهند. علاوه بر این، نگرانی درباره‌ی خطرات احتمالی، مانند انتشار تشعشعات پرانرژی پس از خروج از حباب وارپ، نیاز به بررسی بسیار بیشتری دارد. با توجه به این پیچیدگی‌ها، به باور کارشناسان اگر فناوری ماشین وارپ روزی عملی شود، احتمالا قرنها بعد خواهد بود.
آیندهی پژوهش‌های موتور وارپ
با وجود چالش‌ها، تحقیقات در زمینه‌ی مکانیک کوانتومی، نسبیت عام و روش‌های تولید پیشرانه‌ی پیشرفته، ادامه دارد و هم توسط سازمان‌های دولتی و هم سازمان‌های خصوصی پشتیبانی میشود. از جمله آزمایشگاه «ایگل‌ورکس» (Eagleworks) ناسا و سازمان غیرانتفاعی «لیمیتلس اسپیس» (Limitless Space) که از تحقیقات علمی با هدف توسعهی دسترسی بشر به فراسوی منظومه‌ی شمسی حمایت میکند، روی مفاهیمی مانند موتور آلکوبیر کار می‌کنند.
موتور وارپ واقعی امکان سفر میان‌کهکشانی را فراهم میکند.
Credit: NASA / Glenn Research Center
امروزه این فرآیند کاوش علمی، سه دهه پس از توضیح اولیه‌ی آلکوبیر منجر به بینش‌های جالب و گاهی متضاد در مورد ماهیت ماشین وارپ شده است. در عین حال که این تلاش‌ها ساخت زودهنگام یک موتور وارپ را تضمین نمی‌کنند، اما نشان‌دهنده‌ی گام‌های کلیدی به سوی درک فیزیک این وسیله‌ی نقلیه هستند که رؤیای سفر میان‌ستاره‌ای را زنده نگه می‌دارند و پایه‌های چیزی را شکل می‌دهند که ممکن است روزی به واقعیت تبدیل شود. اگر پیشرفت‌های آینده در فراهم کردن انرژی و مادهی مورد نیاز صورت بگیرد، ایده‌ی سفر وارپ می‌تواند از داستان‌های تخیلی به یک شکل انقلابی برای حمل‌ونقل تغییر کند و اساسا رویکرد بشر را به کاوش فضا تغییر دهد.
جمع‌بندی
موتور وارپ اگرچه در ابتدا به عنوان مفهومی علمی-تخیلی مطرح شده است، اما پیشنهادها برای عملیاتی ساختن آن، اصول علمی واقعی را دنبال میکند که درک ما را از فضا-زمان به چالش می‌کشد. این ماشین آینده، هنوز هم یک آزمایش فکری سرگرم‌کننده است که به ما امکان می‌دهد چند ارتباط جالب و شگفت‌انگیز بین نسبیت عام و مکانیک کوانتومی کشف کنیم و البته، تماشای نمایش‌های علمی-تخیلی در این زمینه هم قطعا سرگرم‌کننده است. برای ساخت یک ماشین وارپ واقعی هرچند موانع مهمی باقی مانده است، اما تحقیقات پیشرفته و گسترده‌ای که در جریان است، می‌تواند مرزهای فیزیک را جابه‌جا کند و رؤیای سفر میان‌ستاره‌ای با سرعت مطلوب را محقق کند.
عکس کاور: طرحی گرافیکی از موتور وارپ
Credit: Science Photo Library
منابع: Space (1, 2), Phys.Org, Science Alert, Max Planck Institute
