مشغل ألكوبيير

في 1994، اقترح ألكوبيير نظرية فيزيائية عن طريقة لتغيير شكل الكون من خلال خلق موجة والتي ستسبب انكماش نسيج الكون أمام سفينة الفضاء وتمدد نسيج الكون خلفها.[2] بعد ذلك ستركب سفينة الفضاء هذه الموجة داخل منطقة من الفضاء المسطح –المعروف باسم الفقاعة المعوجة- ولن تتحرك داخل الفقاعة نفسها بل ستُحمل بدلا من ذلك مع تحرك المنطقة نفسها بسبب أفعال المشغل. كان من المعتقد أن المشغل يحتاج الكثير من الطاقة السالبة حتى قال هارولد سوني وايت[5][6] أن كمية الطاقة المطلوبة يمكن تقليلها إذا غيرنا الفقاعة المعوجة إلى خاتم معوج.

تعرّف مترية ألكوبيير زمكان المشغل المعوج، والتي تكون تشعب لورنتزيان والذي يسمح عند تفسيره في ضوء نظرية النسبية العامة بظهور فقاعة معوجة في زمكان مسطح سابقا، وبأن تتحرك فعلا أسرع من سرعة الضوء. داخل الفقاعة هو إطار قصور ذاتي مرجعي ولا يعاني الساكنون من أي تسارع. لا تشتمل طريقة النقل هذه على أجسام تتحرك بسرعة أكبر من سرعة الضوء بالنسبة إلى محتويات الفقاعة المعوجة، أي أن الحزمة الضوئية داخل الفقاعة المعوجة ستتحرك أيضا دائما أسرع من السفينة الفضائية. لأن الأجسام داخل الفقاعة لا تتحرك (محليا) أسرع من الضوء، فإن المعادلات الرياضية لمترية ألكوبيير متوافقة مع الادعاءات التقليدية لقوانين النسبية (وهي أن الأجسام ذات الكتلة لا يمكنها أن تصل إلى سرعة تفوق سرعة الضوء)، ولن تحدث التأثيرات النسبية التقليدية مثل تمدد الزمن كما تحدث في الحركة التقليدية المقتربة من سرعة الضوء.

إلا أن مشغل ألكوبيير لا يزال مفهوما نظريا مع مشاكل صعبة على ما يبدو، على الرغم من أن كمية الطاقة المطلوبة لم تعد أضخم من ما يمكن الحصول عليه.[7]

باستخدام شكلية أدم (ADM formalism) في النسبية العامة، يمكن وصف الزمكان من خلال تطريق الأسطح الفائقة للزمن الثابت المتناسق ز، مما يأخذ الصيغة العامة التالية:

${\displaystyle ds^{2}=-\left(\alpha ^{2}-\beta _{i}\beta ^{i}\right)\,dt^{2}+2\beta _{i}\,dx^{i}\,dt+\gamma _{ij}\,dx^{i}\,dx^{j},}$

حيث

• α هي معامل الخطأ الذي يرمز إلى فترة الوقت المناسبة بين سطحين فائقين متقاربين.
• βⁱ هو متجه النقل الذي يربط بين الأنظمة المكانية المتناسقة على أسطح فائقة مختلفة.
• γ_ij هي المترية الموجبة الحاسمة على كل سطح من الأسطح الفائقة.

الصيغة الفعلية التي درسها ألكوبيير هي:[2]

${\displaystyle {\begin{aligned}\alpha &=1,\\\beta ^{x}&=-v_{s}(t)f{\big (}r_{s}(t){\big )},\\\beta ^{y}&=\beta ^{z}=0,\\\gamma _{ij}&=\delta _{ij},\end{aligned}}}$

حيث:

${\displaystyle {\begin{aligned}v_{s}(t)&={\frac {dx_{s}(t)}{dt}},\\r_{s}(t)&={\sqrt {{\big (}x-x_{s}(t){\big )}^{2}+y^{2}+z^{2}}},\\f(r_{s})&={\frac {\tanh {\big (}\sigma (r_{s}+R){\big )}-\tanh {\big (}\sigma (r_{s}-R){\big )}}{2\tanh(\sigma R)}},\end{aligned}}}$

مع المؤشرات العشوائية R > 0 و σ > 0. من هنا يمكن كتابة صيغة ألكوبيير الخاصة للمترية على الصورة:

${\displaystyle ds^{2}=\left(v_{s}(t)^{2}f{\big (}r_{s}(t){\big )}^{2}-1\right)\,dt^{2}-2v_{s}(t)f{\big (}r_{s}(t){\big )}\,dx\,dt+dx^{2}+dy^{2}+dz^{2}.}$

مع هذه الصيغة الخاصة من المترية، يمكن إظهار أن كثافة الطاقة عند قيام الراصدون بقياسها (سرعتهم عادية بالنسبة إلى الأسطح الفائقة) هي:

${\displaystyle -{\frac {c^{4}}{8\pi G}}{\frac {v_{s}^{2}\left(y^{2}+z^{2}\right)}{4g^{2}r_{s}^{2}}}\left({\frac {df}{dr_{s}}}\right)^{2},}$

حيث g هي محدد الشادّة المترية.

من هنا ولأن كثافة الطاقة سالبة، نحتاج إلى مادة عجيبة لتسافر أسرع من سرعة الضوء.[2] لا يمكن نفي وجود المادة العجيبة نظريا، إلا أن توليد والحفاظ على مادة عجيبة كافية للأداء عند تخطي سرعة الضوء (وأيضا للحفاظ على "فتحة" الثقب الدودي مفتوحة) هو شيء غير عملي. جادل لوف أنه في سياق النسبية العامة، فإنه من المستحيل تكوين مشغل معوج في غياب المادة العجيبة.[8]

بالنسبة للمعتادين على تأثيرات النسبية الخاصة –مثل تقلص الأطوال وتمدد الوقت-، نجد أن مترية ألكوبيير لها جوانب أخرى مختلفة. خاصة، أظهر ألكوبيير أن سفينة الفضاء التي تستخدم مشغل ألكوبيير تسافر في سقوط حر جيوديسي حتى عند تسارع الفقاعة المعوجة، فطاقم السفينة سيكون في سقوط حر أثناء التسارع بدون الشعور بقوى جاذبية التسارع. إلا أنه سيكون هناك قوى مد هائلة قرب حواف الأحجام مسطحة الفضاء بسبب انحناء الفضاء الكبير هناك، إلا أن التحديد المناسب للمترية سيجعلها أقل ما يمكن داخل الحجم الذي تشغله السفينة.[2]

تمتلك مترية المشغل المعوج الأصلية والأنواع المتعددة البسيطة منها صورة أدم ADM form والتي تُستخدم عادة في مناقشة تكوين القيمة الأولية للنسبية العامة. هذا قد يفسر سوء الفهم العام أن هذا الزمكان هو حل لمعادلة المجال في النسبية العامة. المترية في صورة أدم ADM form متناسبة مع تصنيف معين من راصدي القصور الذاتي، إلا أن هؤلاء الراصدين ليسوا مميزين فيزيائيا عن التصانيف الأخرى. فسر ألكوبيير "الفقاعة المعوجة" الخاصة به في صورة انكماش الفضاء أمام الفقاعة وتمدده خلفها، إلا أن هذا التفسير قد يسبب سوء فهم لأن الانكماش والتمدد يشيران فعليا إلى الحركة النسبية للأعضاء المجاورين لتصنيف راصدي أدم ADM observers.[9]

في النسبية العامة، علينا أولا تحديد توزيع مقبول للمادة والطاقة، ثم إيجاد جيومترية الزمكان المرتبطة بها، إلا أنه من الممكن أيضا توجيه معادلات أينشتاين للمجال في الاتجاه المقابل عن طريق تحديد مترية أولا ثم إيجاد جادّية الطاقة وكمية الحركة الخطية المرتبطة بها، وهذا ما فعله ألكوبيير عند بنائه المترية الخاصة به. تعني هذه الممارسة أن الحل قد يخرق عدة حالات طاقة وقد يتطلب مادة عجيبة. تطرح الحاجة للمادة العجيبة أسئلة بخصوص ما إذا كنا نستطيع توزيع المادة في زمكان أولى يفتقر إلى فقاعة معوجة بحيث تتكون الفقاعة في وقت لاحق، على الرغم من تقديم بعض الفيزيائيين نماذج لأنواع زمكان ديناميكية بها مشغل معوج والتي تتكون فيها الفقاعة المعوجة في فضاء مسطح سابقا.[10] علاوة على ذلك وطبقا لسيرجي كراسنيكوف،[11] فإن تكوين فقاعة في فضاء مسطح سابقا لرحلة في اتجاه واحد يتطلب إجبار المادة العجيبة على الحركة في سرعة محلية تتخطى سرعة الضوء، الأمر الذي سيتطلب وجود تاكيون، على الرغم من أن كراسنيكوف لاحظ أيضا أنه عندما لا يكون الزمكان مسطحا من البداية، يمكن تحقيق نتيجة مماثلة بدون تاكيون من خلال وضع بعض الأجهزة مقدما على طول خط السفر وبرمجتها بأن تعمل في لحظات محددة سابقا وبأن تعمل بطريقة محددة سابقا. تتجنب بعض الطرق المقترحة مشكلة حركة التاكيون، إلا أنها ستسبب غالبا حدوث تفرد مجرد في مقدمة الفقاعة.[12][13] علق ألين إفريت وتوماس رومان على اكتشافات كراسنيكوف قائلين:

"الاكتشافات لا تعني أن فقاعات ألكوبيير –إن أمكن تكوينها- لا يمكن أن تُستخدم كوسيلة للسفر الأسرع من الضوء، بل تعنى فقط أن الأفعال المطلوبة لتغيير المترية وتكوين الفقاعة يجب أن تتم سلفا عن طريق بعض الراصدين والذين يحتوي مخروطهم الضوئي في المقدمة على كل مسار الفقاعة".[14]

على سبيل المثال، إذا أردنا أن نسافر إلى نجم ذنب الدجاجة (على بعد 2600 سنة ضوئية) ووصلنا في مدة زمنية أقل من 2600 سنة في المستقبل طبقا للساعات الخارجية، فإن الأمر سيتطلب أن أحدا ما قد بدأ بالفعل العمل على إعوجاج الفضاء من الأرض إلى نجم ذنب الدجاجة على الأقل منذ 2600 سنة مضت:

"يمكن لسفينة الفضاء المتمركزة بدقة بالنسبة إلى مسار الفقاعة أن تختار دخول الفقاعة مثل اختيار مسافر ما ركوب سيارة ما عابرة، وبالتالي تتم الرحلة الأسرع من الصوت...كما وضح كارسينكوف، فإن احتياطات السببية لا تمنع طاقم السفينة الفضائية من الترتيب –من خلال أفعالهم الشخصية- لإكمال رحلة دائرية من الأرض إلى نجم بعيد والعودة وقت قصير عشوائيا عند قياسه بساعات كوكب الأرض، من خلال تغيير المترية على طول مسار رحلتهم الموجهة".[14]

هناك مشاكل واضحة في مترية هذه الصورة لأن كل نظريات الزمكان المعوج المعروفة تخرق العديد من حالات الطاقة.[16] على الرغم من ذلك، يمكن تحقيق مشغل معوج من نوع ألكوبيير من خلال استغلال بعض الظواهر الكمية المثبتة تجريبيا مثل تأثير كازيمير الذي يؤدي إلى كتلة-طاقة سالبة، والتي يمكن وصفها في ضوء نظريات المجال الكمية.[17][18]

في 2012، أعلن مختبر ناسا أنهم قد بنوا جهازا لقياس التداخل والذي –بناء على ادعائهم- سيكون قادرا على قياس الانبعاجات المكانية الناتجة عن تمدد وانكماش الزمكان في مترية ألكوبيير. وُصف العمل في ورقة بحثية لناسا كتبها هارولد سوني وايت. أظهر ألكوبيير ارتيابه بخصوص التجربة قائلا: "طبقا لفهمي لا يوجد طريقة لفعل ذلك، غالبا لعدة قرون قادمة إن كان على الإطلاق".[31][32]

استخدم مسلسل ستار تريك التلفزيوني مصطلح "مشغل معوج" لوصف طريقتهم للسفر أسرع من الضوء. في وقت المسلسل لم تكن نظرية ألكوبيير قد تمت أو أي شيء مماثل لها،[33] ولكن ألكوبيير قال في رسالة إلكترونية إلى ويليام شاتنر أنه استلهم نظريته مباشرة من المصطلح المستخدم في المسلسل، وأشار إلى "مشغل معوج في الخيال العلمي" في مقال له في 1994. [34]

• بوابة علم الكون
• بوابة عقد 1990
• بوابة الفيزياء
• بوابة علم الفلك
• بوابة رياضيات