Pergunte a Ethan: Que experimentos científicos abrirão as portas para o futuro?
A colaboração ALPHA chegou o mais próximo de qualquer experimento para medir o comportamento da antimatéria neutra em um campo gravitacional. Dependendo dos resultados, isso pode abrir as portas para novas tecnologias incríveis. Crédito da imagem: Maximilien Brice/CERN.
Muitas tecnologias de ficção científica permanecerão no reino da ficção, a menos que a física mude. Mas alguns experimentos podem descobrir exatamente isso!
A imaginação nos torna conscientes de possibilidades ilimitadas. Quantos de nós não refletiram sobre o conceito de infinito ou imaginaram a possibilidade de viajar no tempo? Em um de seus poemas, Emily Bronte compara a imaginação a uma companhia constante, mas eu prefiro pensar nela como um sistema de entretenimento embutido.
– Alexandra Adornetto
O sonho da comunicação instantânea, naves espaciais interestelares e a capacidade de viajar para trás no tempo são elementos básicos da ficção científica. De muitas maneiras, eles representam as maiores esperanças da humanidade e, no entanto, contam com tecnologias que vão além do que a ciência atualmente sabe ser possível. Ainda assim, com experimentos em andamento nas fronteiras da descoberta, é possível que uma nova porta se abra a qualquer momento. Se tivermos sorte, o que há no horizonte? É isso que Igor Zhbanov quer saber:
Desde que tenhamos alguma sorte, que experimentos científicos que acontecerão dentro de algumas décadas poderiam nos abrir uma maneira de construir alguma tecnologia de filmes de ficção científica?
Há uma série de possibilidades fantásticas que podem remodelar nossa realidade quando o século 21 chegar ao fim.
Todos os foguetes já imaginados requerem algum tipo de combustível, mas se um motor de matéria escura fosse criado, um novo combustível sempre seria encontrado simplesmente viajando pela galáxia. Crédito da imagem: NASA/MSFC.
A matéria escura pode ser uma fonte ilimitada de combustível que não precisamos carregar conosco . Um dos maiores mistérios da ciência é exatamente qual é a natureza da matéria escura. Sabemos que existe graças a observações indiretas e sabemos que é abundante. Se você somar toda a matéria escura presente em uma grande galáxia como a nossa, descobrirá que há cinco vezes mais do que matéria normal (baseada em átomos). É quase certo que é feito de uma partícula com algumas propriedades genéricas:
- tem massa,
- não tem carga elétrica ou colorida,
- tem uma interação gravitacional,
- e, em algum nível, deve ser capaz de colidir consigo mesmo e/ou com a matéria normal.
Sabemos, pela famosa frase de Einstein E = mc² , que há uma tremenda quantidade de energia armazenada nesta matéria escura: cinco vezes mais do que em toda a matéria normal combinada. Se o Universo for gentil conosco, talvez possamos aproveitá-lo.
A distribuição de massa do aglomerado Abell 370. reconstruído através de lentes gravitacionais, mostra dois grandes halos difusos de massa, consistentes com a matéria escura com dois aglomerados se fundindo para criar o que vemos aqui. Ao redor e através de cada galáxia, aglomerado e coleção massiva de matéria normal existe 5 vezes mais matéria escura, no geral. Crédito da imagem: NASA, ESA, D. Harvey (École Polytechnique Fédérale de Lausanne, Suíça), R. Massey (Durham University, Reino Unido), Equipe Hubble SM4 ERO e ST-ECF.
Há uma infinidade de experimentos procurando as colisões da matéria escura com a matéria normal e ela mesma. Em geral, existem dois tipos de partículas: férmions (com spins meio inteiros) e bósons (com spins inteiros) . Se a matéria escura é um bóson, isso significa que provavelmente é sua própria antipartícula, o que significa que se você puder aproveitar duas partículas de matéria escura e fazê-las interagir umas com as outras, elas serão aniquiladas. E se eles aniquilam, então eles produzem energia pura. Em outras palavras, é uma fonte de energia gratuita e ilimitada onde quer que você vá. E porque está em todos os lugares, você nem precisa carregá-lo com você enquanto atravessa o Universo. Então, quando você ouve falar de experimentos em busca de matéria escura, a energia ilimitada e gratuita que liberamos é o sonho final.
Uma ilustração do campo de dobra de Star Trek, que encurta o espaço na frente dele enquanto aumenta o espaço atrás dele. Crédito da imagem: Trekky0623 da Wikipédia em inglês.
A antimatéria pode ter massa negativa, o que significa que pode ser a chave para o impulso de dobra . Se você quiser viajar para as estrelas, as fontes convencionais de energia e combustível só o levarão até certo ponto. Ou, mais literalmente, eles só vão te pegar tão velozes : você será limitado para sempre pela velocidade da luz. A estrela semelhante ao Sol mais próxima com mundos potencialmente habitáveis, Seu Ceti , está a aproximadamente 12 anos-luz de distância, o que significa que até mesmo chegar lá e enviar de volta a notícia de como é é um empreendimento que leva pelo menos uma geração. Mas se pudéssemos contrair o espaço à nossa frente enquanto viajamos pelo espaço interestelar, enquanto simultaneamente expandíamos o espaço atrás de nós, poderíamos chegar lá muito mais rápido. Essa é a ideia por trás do warp drive, que foi colocado em bases físicas sólidas pelo astrofísico Miguel Alcubierre em 1994.
A solução de Alcubierre para a Relatividade Geral, permitindo movimento semelhante ao warp drive. Esta solução requer massa negativa. Crédito da imagem: usuário do Wikimedia Commons AllenMcC.
A fim de alcançar a configuração adequada do espaço-tempo necessária para atingir o impulso de dobra, duas coisas são necessárias: uma tremenda quantidade de energia e a existência de massa negativa. Essa massa negativa, que é apenas especulativa, é necessária para deformar o espaço-tempo da maneira adequada para tornar possível o movimento de dobra. No entanto, nunca medimos a massa de partículas de antimatéria; se eles caem ou sobem em um campo gravitacional é um experimento que ainda não foi realizado de forma conclusiva. O experimento ALFA do CERN está atualmente trabalhando para medir os efeitos gravitacionais da antimatéria e como ela se comporta em um campo gravitacional. Se a resposta for que ele cai em um campo gravitacional, podemos obter nossa massa negativa, e o impulso de dobra pode ser possível, afinal.
A ferramenta Virtual IronBird para o CAM (Módulo de Acomodação Centrífuga) é uma maneira de criar gravidade artificial, mas requer muita energia e permite apenas um tipo de força muito específico, de busca central. A verdadeira gravidade artificial exigiria que algo se comportasse com massa negativa. Crédito da imagem: NASA Ames.
A massa negativa também nos permitiria criar gravidade artificial . Essa mesma possibilidade – que exista algum tipo de massa negativa no Universo – nos permitiria criar um campo de gravidade artificial de uma maneira que atualmente não podemos. A existência de cargas positivas e negativas no eletromagnetismo nos permite criar condutores, que nos permitem manipular os campos elétricos entre eles e nos proteger de quaisquer campos elétricos fora deles. A gravitação, como a entendemos atualmente, possui apenas um tipo de carga: a massa positiva. No entanto, a existência de uma massa negativa nos permitiria criar um verdadeiro ambiente de gravidade zero se o configurássemos corretamente, ao mesmo tempo em que nos capacitaria a criar um campo de gravidade artificial de qualquer magnitude que quiséssemos entre dois sistemas de massa positiva/massa negativa.
A ideia de viajar no tempo está atualmente relegada ao reino da ficção científica. No entanto, se houver curvas fechadas do tipo tempo permitidas em nosso Universo, não é apenas possível, é inevitável. Crédito da imagem: Genty/Pixabay.
Um universo em rotação pode nos permitir viajar de volta no tempo . A viagem no tempo não é apenas possível, é inevitável… na direção para frente. Com o espaço e o tempo unificados no tecido do espaço-tempo, seria necessária uma grande mudança na física como a conhecemos para permitir a viagem no tempo na direção inversa. É muito fácil voltar à sua localização inicial no espaço: a Terra faz isso quando retorna ao seu ponto de partida ao redor do Sol, mas viajou no tempo uma quantidade considerável (um ano) para fazê-lo. Uma curva semelhante a um espaço fechado é fácil de alcançar. No entanto, voltar ao seu local de partida no tempo requer algo extraordinário: uma curva fechada do tipo tempo é uma característica que nosso Universo em expansão e cheio de matéria não possui. A menos, isto é, que o Universo gire.
Não seria simplesmente uma galáxia individual que girasse para produzir curvas fechadas do tipo tempo, mas todo o Universo em escala global. Crédito da imagem: Universidade de Warwick.
Em um universo que gira, existe uma solução exata onde se a densidade da matéria e a constante cosmológica (ou seja, energia escura) têm valores específicos, o Universo deve ter curvas fechadas do tipo tempo. Até agora, apenas colocamos restrições à rotação global geral do Universo, mas não a descartamos. Se o Universo estiver girando a uma taxa específica que equilibre exatamente o que a densidade da matéria e os valores da constante cosmológica exigem, é completamente possível viajar de volta no tempo e voltar ao seu ponto de partida exato não apenas no espaço, mas no espaço-tempo . Pesquisas profundas e em larga escala, como os tipos que os próximos observatórios WFIRST ou LSST realizarão, podem revelar essa rotação, se existir.
Uma imagem conceitual do satélite WFIRST da NASA, programado para ser lançado em 2024 e nos fornecer nossas medições mais precisas de energia escura, entre outras descobertas cósmicas incríveis. Crédito da imagem: NASA/GSFC/Conceptual Image Lab.
Sempre há possibilidades mais exóticas que são cientificamente permitidas – teletransporte de objetos físicos, viagens instantâneas entre locais descontínuos (buracos de minhoca) ou comunicação mais rápida que a luz – mas isso exigiria artifícios significativamente mais complexos do que apenas um experimento dando inesperado, mas- resultados plausíveis. No entanto, somos obrigados a olhar. A ciência não é uma história que tem apenas um ponto final, onde aprendemos tudo o que há para saber e depois paramos. É uma história de detetive contínua, onde cada descoberta, cada ponto de dados e cada experimento inevitavelmente leva a questões mais profundas no caminho. Onde quer que essa estrada nos leve, é importante visualizar as possibilidades e o que seria necessário para torná-las realidade, a cada passo ao longo da jornada.
Começa com um estrondo é agora na Forbes , e republicado no Medium graças aos nossos apoiadores do Patreon . Ethan é autor de dois livros, Além da Galáxia , e Treknology: A ciência de Star Trek de Tricorders a Warp Drive .
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