Viajes intergalácticos: Motores WARP

En la serie de ciencia ficción Star Trek, la nave espacial Enterprise viajaba a grandes velocidades por el espacio mediante un motor ficticio llamado motor de curvatura Warp. Muchas veces, las series de ficción o los libros (como los de Verne) anticipan inventos, como el submarino. ¿Podrá ser el motor Warp una realidad algún día? Teóricamente y matemáticamente, sí. Veamos más en detalle este concepto:

Si entendemos el espacio y la gravedad desde el modelo relativista de Albert Einstein, todo lo que forma el Universo estaría incrustado en una estructura tetradimensional llamada espaciotiempo. Ya hemos hablado anteriormente de en qué consiste, pero recordémoslo. En Relatividad especial , tiempo y espacio son dos conceptos que van fuertemente unidos. Mientras que para la dinámica Newtoniana funcionaban aislados, para la de Einstein (velocidades próximas a la luz y campos gravitatorios intensos) están muy relacionados. En la práctica, es más cómodo utilizar las leyes de Newton que las de Einstein, pero a grandes velocidades...las de Newton trae problemas que solo Einstein sabe solucionar. 

Podemos imaginar el espaciotiempo como una esponja. Dentro de ella están incrustados planetas, estrellas e incluso nosotros mismos. Por el simple hecho de que algo tenga masa, deforma el espaciotiempo. Como es muy difícil imaginar algo en 4 dimensiones (yo no sé), lo simplificaremos con esta representación bidimensional. 

Simulación de cómo se curva el espaciotiempo en presenciade un objeto que posee masa.

Ondas y partículas se mueven siguiendo el espaciotiempo, en unas trayectorias llamadas geodésicas. Si en la imagen superior nosotros pasásemos con un coche cerca de la esfera amarilla, nos desviaríamos, como le ocurre a la línea amarilla de la imagen inferior (b). 

En el año 1919, esto quedó demostrado. Einstein predijo que la luz de una estrella situada detrás del Sol se curvaría para llegar a nosotros, es decir, gracias a la curvatura espaciotemporal que produce el Sol, somos capaces de ver cosas detrás de él. Como el Sol es muy brillante, la única manera de demostrarlo era durante un eclipse. Al ver dicha estrella durante el eclipse, la Teoría de Einstein cobró fuerza. 

La luz de la estrella (A) se curva por la deformación espaciotemporaldel Sol, y llega a nosotros como si estuviese en la posición (B).

Llegados a este punto, sabemos que la energía curva el espaciotiempo "hacia abajo" o positivamente. Aquí surge un tema muy complicado en astrofísica: ¿hay suficiente curvatura como para que el Universo esté tan plegado que se 'cierre' sobre sí mismo? ¿O es prácticamente plano y por consiguiente infinito en extensión?Las grandes velocidades y los campos gravitatorios suficientemente fuertes, producen la denominada contracción espacial y la dilatación temporal. En próximas entradas explicaré que la gravedad y las altas velocidades hacen que el tiempo transcurra más despacio y que el espacio se contraiga. Una vez que ya tenemos las nociones de Relatividad básicas, procedamos a explicar el funcionamiento de un motor Warp.

Motor WarpUn motor de curvatura espaciotemporal, también llamado Warp, funciona deformando el espaciotiempo de la siguiente manera:

Curva la red del espaciotiempo de manera positiva hacia delante, contrayendo el espacio y por consiguiente "atrayendo" lo que esté delante del motor hacia sí. En la parte de atrás, se produce una curvatura negativa del espaciotiempo, de manera que se "aleja". Durante el trayecto, la nave permanece inmóvil en la llamada "burbuja Warp". Es posible "viajar a

velocidades superiores a la de la luz", porque el motor permanece inmóvil todo el tiempo, y el espacio es contraído y dilatado. Se crearían puentes espaciotemporales que conectarían lugares muy remotos en el espacio o en el tiempo, lo que daría esa sensación de superar la velocidad de la luz, aunque como ya sabemos, según la Teoría de la Relatividad esto NO ES POSIBLE. Un símil podría ser: el motor Warp es un surfero que se mueve encima de las olas, que son el espaciotiempo. El surfero permanece quieto, al igual que el motor Warp.

Pero, ¿cómo conseguimos energía negativa para curvar hacia arriba el espaciotiempo?

La respuesta la hallaremos en EL EFECTO CASIMIR. Este defiende la existencia de energía negativa que curva el espaciotiempo negativamente. La física cuántica, y más en concreto el Principio de Incertidumbre, explican que en el llamado vacío cuántico se forman pares de partículas y su correspondiente antipartícula, de modo que se destruyen mutuamente liberando ondas. Si colocamos dos placas muy próximas, como en la imagen inferior, solo será posible la existencia de ondas con una longitud menor a la distancia entre las placas. Como consecuencia, entre las placas hay menos energía que en el exterior. Si en el exterior la energía es 0 porque la desprendida en la destrucción de las partículas es igual a la necesaria para que se formen, significa que en el interior esa energía necesariamente será negativa. Mediante el Efecto Casimir se podría curvar negativamente el espaciotiempo. Recomiendo leer una entrada sobre este efecto para su comprensión haciendo click sobre la imagen inferior.

A la hora de crear un motor Warp tenemos dos inconvenientes:

1. La energía negativa producida por el Efecto Casimir, hoy en día, no es capaz ni de desplazar un átomo.

2. La energía positiva necesaria para desplazar una nave espacial convencional tendría que curvar el espaciotiempo al igual que el planeta Júpiter.

Con la tecnología actual no somos capaces de crear un motor así, aunque el físico teórico Miguel Alcubierre descubriese la posibilidad de su existencia, matemática y físicamente.

La NASA lleva con discreción todo lo relacionado con este tipo de componentes. Quién sabe si un día nos parecerá algo cotidiano viajar por las estrellas gracias a esta tecnología. Hasta entonces habrá que seguir investigando y descubriendo nuevas puertas en este fascinante mundo que es la FÍSICA.

Un saludo, compartid y dejad comentarios.Hasta la próxima!- See more at: http://cienciacomonunca.blogspot.com.es/2014/03/viajes-intergalacticos-motores-warp.html#sthash.LFz06TqU.dpuf

Velocidad de escape y agujeros negros

Prueba a lanzar algo hacia arriba. Seguramente ascienda unos metros y despúes vuelva a caer. Cuanto más fuerte lo tires, más tiempo tarda en caer, ¿no? ¿Nunca te has preguntado a qué velocidad lo tienes que lanzar para que no caiga jamás? Si es así, ¡continua leyendo esta entrada!

De lo que vamos a hablar es de la velocidad de escape: la velocidad mínima que debe de tener un objeto para escapar de la atracción gravitatoria de otro. ¿Cómo podemos calcularla?

Si lanzamos un objeto hacia arriba desde la Tierra, se irá frenando poco a poco hasta que se frene y caiga. Para que el objeto no caiga nunca, su velocidad deberá ser tal que solo llegue a frenarse cuando se encuentre a una distancia infinita de nuestro planeta (supongamos que no influyesen en el objeto otros astros, aunque no es así).

Por tanto, en el infinito, su velocidad tiene que ser 0, por lo que su energía cinética (relacionada con la velocidad) también será 0. ¿Cuánto valdrá su energía potencial?

Dado que consideramos que el objeto se encuentra a una distancia infinita, su energía potencial será 0, al igual que su energía cinética.

Como la gravedad es una fuerza conservativa, la energía mecánica del objeto lanzado (la suma de la cinética y la potencial) es constante, y vale 0. Por lo tanto, se deduce que ambas energías son iguales. Igualandolas obtenemos:

En este caso, R es el radio de la Tierra, G es la constante de la gravitación universal y Mt es la masa de la Tierra. Sustituyendo, nos da que la velocidad de escape de un objeto (no importa su masa) desde la superficie de la Tierra es de unos 11 Km/s.

Por tanto, si consigues lanzar algo hacia arriba a esa velocidad (o mayor), despídete de él...

Los lectores más avispados os preguntaréis qué pasa en un agujero negro. Un agujero negro es un "objeto" que crea un campo gravitatorio tan potente que ni la luz puede escapar de él. Quiere decir que posee una velocidad de escape superior a la de la luz. Igualando la fórmula obtenida anteriormente a la velocidad de la luz:

Hemos obtenido una fórmula en la que R es el radio mínimo de un agujero negro de masa M. Este "radio mínimo" se conoce como radio de Schwarzschild. En el caso de la Tierra, R vale 0,88 cm. ¿Qué significa esto? Significa que si redujésemos todo el planeta Tierra a un tamaño menor al de una canica, su densidad sería tal que se convertiría en un agujero negro, ya que su velocidad de escape sería igual o superior a la de la luz, y como sabemos que nada puede superar esa velocidad, nada* puede escapar de un agujero negro.

A partir de lo hasta aquí obtenido, podemos deducir que la densidad de un agujero negro viene dada por:

Por tanto, la densidad depende del radio: a mayor radio, menor densidad. Un agujero negro de radio 500.000 veces mayor al de la Vía Láctea podría tener una densidad inferior a la del agua.

Esto tiene que ver mucho con la Teoría General de la Relatividad, que dice que el tiempo va ralentizándose a medida que la intensidad del campo gravitatorio aumenta. Cuando esta intensidad equivale a la de un agujero negro, el tiempo se detiene (para un observador situado fuera del agujero negro).

Gracias por haber leído esta entrada. No os olvidéis de votar mi blog en la categoría de Ciencia en los Premios Bitácoras. Votar es muy fácil. Si no sabes cómo, clic aquí.

Hasta la próxima!

*Sin tener en cuenta la supuesta Radiación de Hawking.Quizás también le interese: - See more at: http://cienciacomonunca.blogspot.com.es/2014/10/velocidad-de-escape-y-agujeros-negros.html#sthash.OTwSqg89.dpuf