La física del motor de curvatura en Star Trek

Editado: para información técnica sobre un posible motor warp basado en las ecuaciones de la relatividad general, véase este artículo del físico Miguel Alcubierre.

Corría el año 1966, y un tal Gene Roddenberry estaba empeñado en crear una serie de ciencia ficción nueva, ambientada en el siglo XXIII, y en donde la humanidad habría superado viejos rencores, uniéndose en una sociedad compacta e ideal. En ese contexto, una nave estelar, la USS Enterprise, con matrícula NCC-1701, tenía como misión llegar “a donde ningún ser humano ha llegado jamás”.

Nacía así Star Trek, una leyenda de la televisión de los sesenta que nos deleitó a muchos, y nos permitió viajar a las estrellas, con algunos efectos especiales sencillos pero encantadores, y con mucha imaginación. Porque de eso se trata: de usar la imaginación. Luego llegaron las películas y el resto de series. El que suscribe estas líneas las ha visto todas: películas, y series. Y varias veces.

De Star Trek hablaremos largo y tendido en varios artículos. En este en concreto, vamos a hablar de la física del motor de curvatura (warp engine) que impulsa a la famosa nave Enterprise.

El motor de curvatura (warp).

¿Tiene algún interés traer este tema en concreto aquí y ahora? ¿O se trata simplemente de una elección al azar? No. No se trata de una elección al azar. Se trata de esta noticia.

En la misma se explica, para gente no metida en el tema, un importantísimo descubrimiento: la presencia de ondas gravitacionales. Es el tipo de noticias que suele generar comentarios del tipo «¿y eso para qué sirve?» o «hay cosas más importantes». Sin duda. Con esa línea de pensamiento estaríamos todavía en África cazando cebras y recolectando frutos silvestres.

Pero vamos a centrarnos en el tema. La naturaleza concreta de esta noticia tiene un nivel de física bastante compleja, pero no es necesario complicarse para disfrutar de la ciencia: esta noticia se puede resumir y aclarar perfectamente de una forma sencilla en el siguiente concepto:

– El universo es una malla espacio-temporal.

Bien, hasta aquí ninguna sorpresa. Creo que todos hemos visto la imagen de una malla que es recta, y que, en presencia de un campo gravitatorio, por ejemplo el de un planeta, se dobla, concretamente por un fenómeno que puede verse en la imagen adjunta.

Todo esto no es nuevo. Un joven alemán que trabajaba en una oficina de patentes en Suiza, llamado Albert Einstein, desarrolló una teoría que, cuando se presentó, revolucionó las ideas de espacio y tiempo. Porque el espacio, y el tiempo, no son absolutos, como hasta entonces se creía.

La teoría de la relatividad especial primero (1905), y la teoría de la relatividad general después (1915) fueron un tremendo mazazo a los conceptos de física del siglo XIX, y postuló una nueva forma de entender el universo. Es de la segunda teoría más completa, la relatividad general, de la que se derivan una serie de ideas revolucionarias. De entre esas ideas, una no había sido verificada hasta ahora: el plegamiento del espacio-tiempo por acción de ondas gravitatorias. O, dicho de otro modo: verificar que existen ondas gravitacionales en el universo.

Las ondas gravitatorias y el motor de curvatura o warp.

También hablaremos de Einstein, de la relatividad, y de otros conceptos, como por ejemplo, qué límites tiene la relatividad y su relación con la mecánica cuántica en otro artículo. Pero ahora vamos a centrarnos en qué tiene que ver el motor que impulsa a la nave Enterprise con el hecho de esta reciente prueba de que el universo contiene ondas gravitatorias.

El espacio-tiempo como una superficie líquida.

Cuando estamos ante una superficie líquida (por ejemplo agua), y ante la falta de acciones externas, esa superficie se mantiene quieta. Cuando tiramos una piedra, ésta crea ondas. Estas ondas comprimen el líquido a su paso, que luego vuelve a su posición original. La onda se expande, y por supuesto va perdiendo energía mientras se mueve.

Lo que se ha comprobado empíricamente es que el universo, tal como preveía la relatividad general, es un tejido voluble que permite el paso de ondas a través de su estructura espacio-temporal. Estas ondas se llaman ondas gravitatorias, y se han empleado en la ciencia ficción, y por supuesto en Star Trek, durante muchos años, dentro de distintos argumentos de ciencia ficción.

Ahora, esta ciencia ficción deja paso a la realidad, como tantas veces ocurre. Las ondas gravitatorias comprimen y expanden el tejido del espacio-tiempo a su paso. Y sí, tú también, mi amable lector, eres comprimido y expandido cuando una de estas ondas pasa a través de ti. No lo notas porque es a una escala subatómica, y porque no tiene efectos en nuestra estructura. Sería imposible, ya que se trata de escalas extremadamente pequeñas, por debajo del diámetro de un electrón. Pero están ahí.

Esas “olas”, esas ondas, son muy pequeñas. De acuerdo. ¿Podemos imaginarnos una onda de un centímetro? ¿Por qué no de un metro? ¿Diez metros? ¿Más?

Olas gravitatorias.

Claro que sí. Otra cosa es la energía que contiene esa onda, y la energía necesaria para producir una onda de esos tamaños. Pero ¿es posible? Es posible. ¿Imaginación? ¿Cuentos de hadas?

No será así si la NASA ha abierto, hace poco, un departamento para investigar este tipo de plegamiento. ¿Por qué la NASA se mete en algo así? Porque un motor que permitiese crear una onda de este tipo permitiría plegar el espacio-tiempo de forma controlada.

Y aquí llegamos al quid de la cuestión: este es el método que usan las naves estelares de Star Trek para viajar por el espacio. Se supone que disponen de un “motor de curvatura” o “motor warp” que genera una esfera en la cual, la parte delantera del espacio-tiempo se pliega, y la parte trasera se expande (véase imagen superior). Esto crea un “efecto muelle” que no viola la teoría de la relatividad.

Esta teoría dice que ningún objeto puede viajar más rápido que la luz. En realidad la nave no viaja más rápido, es el propio plegamiento del espacio-tiempo el que permite ir más rápido. Luego, ¿sería posible que el capitán Kirk, al mando del USS Enterprise, se vea un día combatiendo contra los duros Klingon y sus aves de presa?

Bueno… No. Al menos, no en un futuro a corto y medio plazo. Que nadie espere que en unas semanas o meses la NASA saque un vehículo espacial para viajar a las estrellas, que , por cierto, sería el sueño de muchos de nosotros, y un paso adelante gigantesco para la humanidad. Pero la física es terca, y la ingeniería requiere de mucho, muchísimo trabajo para empezar a imaginar algo así. ¿Por qué?

Por la energía necesaria, entre otras cosas. Crear un plegamiento artificial del espacio-tiempo que permita viajar a una nave estelar dentro de ese plegamiento, requiere una cantidad de energía que no vas a conseguir con métodos tradicionales, empezando por energías químicas (combustión de gas o petróleo), siguiendo por energías nucleares de fisión (con uranio, o plutonio), y puede que con mucha suerte con energías de fusión de hidrógeno (donde se obtienen ratios muy altos de energía por unidad de masa, como ocurre en la fusión de las estrellas). Por último, y tal como proponen en Star Trek, la energía se obtendría de la fusión de materia y de antimateria, sin duda la forma de generación de energía más alta posible por unidad de masa. Pero con un «pequeño» problema: crear y mantener antimateria en un contenedor es una tarea titánica hoy por hoy.

Opciones.

¿Tiramos la toalla? No, claro que no. Al revés, nos ponemos a trabajar en este problema, e intentamos encontrar una solución. ¿Tenemos una solución a mano? Bueno, en primer lugar, hay que dirigir nuestra mirada a los físicos teóricos. Ellos son la base de todo. Sí, no lo dudes. Toda la ciencia en el mundo la mueven, casi siempre, los teóricos y sus teorías.

No siempre claro, pero sí muchas veces. Ellos teorizan, sacan conclusiones, observan, y luego verifican los resultados los físicos experimentales. Si todo va bien, hemos descubierto algo. Sino, vuelta a la mesa y a seguir teorizando. Así trabaja la ciencia. En ocasiones, una nueva teoría es mejor que otra anterior. La relatividad es mejor que la gravedad de Newton, pero ambas son ciertas dentro de sus límites. ¿He dicho límites?

Ahí está el tema. La relatividad general, y la mecánica cuántica, tienen unos límites que los físicos teóricos conocen bien. Por lo tanto, está claro que no hemos llegado al final ¿Significa eso que ambas teorías son malas? No, significa que funcionan muy bien dentro de sus límites. Fantásticamente bien. Por eso tenemos satélites, GPS, ordenadores, radioterapia, microscopios electrónicos, teléfonos móviles impresionantes, y la Playstation (o la XBOX, o la Nintendo, cada cual elija la suya). En cualquier caso, los físicos teóricos pueden darnos muchas respuestas nuevas que permitan a los físicos experimentales y a los ingenieros imaginar nuevas formas de viajar a las estrellas. En Internet podemos encontrar mucha especulación imaginativa, y sin ninguna base científica, de sistemas para viajar por la galaxia, muchas veces obtenidos de «extraterrestres» reptilianos con ganas de convertirnos en hamburguesas.

Afortunadamente hay físicos teóricos que actualmente sí trabajan en serio y con los pies en el suelo, y ellos pueden darnos algún día la alegría que queremos nos den para poder encontrar nuevas formas de viajar plausibles y compatibles con el viaje a las estrellas. Será un trabajo impresionante, quedará mucho camino, es evidente. Pero, con el tiempo y el trabajo (y el presupuesto necesario) se conseguirá. Y debe hacerse, porque es importante, por multitud de razones. De eso también hablaremos pronto.

Conclusión.

Bueno, la conclusión no puede ser más clara: tenemos un largo camino por delante. Y muchas, muchísimas preguntas que responder. ¿Nos vamos a quedar en casa viendo la tele, o vamos a movernos y a investigar? Mejor apagar la tele, y empezar a movernos. Al menos, parece una recomendación razonable desde nuestro modesto punto de vista.

En un capítulo de Star Trek: la nueva generación, se invitó al físico teórico inglés Stephen Hawking a participar en uno de los episodios. Cuando Hawking pasó por delante del plató donde se encuentra la sala de ingeniería de la Enterprise, y vio el motor de curvatura, dijo: «yo estoy trabajando en eso». Naturalmente, es una forma de hablar. Lo que quiso decir, al menos yo lo interpreto así, es que está trabajando en las teorías que, algún día, podrían llevar a construir un verdadero motor warp.

La ciencia ficción abre puertas, y la ciencia real examina esas puertas. Una las cierra, pero otras se convierten en el primer paso a un nuevo descubrimiento. Que el motor de curvatura sea o no un primer paso a las estrellas no lo sabemos. Pero sin duda estaremos muy atentos con aquellos que trabajan en esa posibilidad. Eso, sin duda, nos acercará, más que nunca, a las estrellas.

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Toda la información de Star Trek en la Wikipedia.