• Começa Com Um Estrondo

Pela última vez, não, um engenheiro da NASA não quebrou a física com um motor impossível

Muitos entusiastas propuseram o uso de um “motor espacial impossível” para viagens interestelares, mas há um longo caminho entre um autoengano mal calculado ou um impulso inexplicável em uma configuração complexa e controversa para chegar a uma nave estelar “impossivelmente rápida”. (MARK RADEMAKER PARA NASA EAGLEWORKS)

Viajar distâncias interestelares em vidas humanas é um sonho incrível, mas nunca será alcançado assim.

Durante séculos, desde que percebemos que cada estrela que podemos ver no céu noturno é um Sol como o nosso ⁠ — possivelmente com seu próprio sistema solar, planetas e possivelmente até vida ⁠ — a humanidade sonhou em cruzar as distâncias astronômicas que separam nos dos destinos alienígenas finais. Mesmo a estrela mais próxima está a mais de quatro anos-luz de distância, enquanto a velocidade mais rápida que uma espaçonave criada pelo homem já viajou, alcançada pela missão Juno da NASA, é de meros 74 km/s (46 mi/s). Mesmo a essa velocidade, levaria mais de 4.000 anos para chegar à estrela mais próxima.

Existem dois fatores limitantes: os limites atuais de nossa tecnologia e as leis da física. Avanços em campos como velas a laser, propulsão nuclear (em vez de química) ou produção e controle de antimatéria ou matéria escura podem fornecer um avanço tecnológico revolucionário, mas parecem estar distantes em um futuro distante. Mas as tecnologias que desafiam a física, apesar de serem frequentemente elogiadas pela imprensa popular, são fundamentalmente falhas. Aqui está tudo o que você precisa saber.

As forças eletromagnética, fraca, forte e gravitacional são as quatro forças fundamentais conhecidas por existirem neste Universo, e as simetrias e quantidades conservadas dessas quatro forças parecem ser invioláveis ​​até o melhor de nosso conhecimento experimental e observacional. (UNIVERSIDADE DE ADMINISTRAÇÃO DE MAHARISHI)

Existem quatro forças fundamentais no Universo: gravitação, eletromagnetismo e as forças nucleares forte e fraca. A primeira dessas forças é descrita pela Relatividade Geral, a melhor teoria da gravidade que já inventamos e que passou em todos os testes observacionais ou experimentais que já realizamos. Os três últimos são descritos pelo Modelo Padrão, que descreve todas as partículas conhecidas e suas interações primorosamente, passando por todos os testes clássicos e quânticos que já inventamos, desde energias terrestres até as mais altas que já alcançamos.

Embora as tecnologias futuras possam desbloquear o potencial das forças nucleares para viagens espaciais ⁠ — através da fissão, fusão ou mesmo a aniquilação de partículas exóticas com a matéria normal e estável que encontramos ao nosso redor ⁠ — todas as nossas tecnologias de propulsão convencionais dependem de alguns tipo de interação ou reação de base química ou eletromagnética.

Este lançamento do ônibus espacial Columbia em 1992 mostra que a aceleração não é apenas instantânea para um foguete, mas ocorre durante um longo período de tempo que abrange muitos minutos. Para uma nave que poderia alcançar outro sistema estelar, em vez de um foguete, as limitações práticas que temos hoje significam que uma jornada necessariamente abrangeria várias gerações humanas, invocando uma tecnologia muito avançada. ou depende de uma reação que viola as leis conhecidas da física. (NASA)

A força eletromagnética é incrivelmente bem compreendida. Indiscutivelmente, é a mais bem compreendida de todas as forças fundamentais. Classicamente, é perfeitamente bem descrito pelas equações de Maxwell; mecanicamente quântica, a teoria da eletrodinâmica quântica (QED) descreve com precisão qualquer comportamento de fótons e/ou partículas eletricamente carregadas interagindo umas com as outras. Mesmo considerando todos os experimentos que já realizamos:

• em baixas energias,
• em altas energias,
• com um campo elétrico ou magnético externo,
• com partículas produzidas em um acelerador,
• com partículas produzidas em reações nucleares,
• com partículas de raios cósmicos,
• com interações de partícula única,
• com sistemas de muitas partículas,
• e mesmo quando envolvemos partículas exóticas,

as interações eletromagnéticas sempre procedem exatamente como previsto teoricamente. É um exemplo espetacular de observações e medições experimentais que confirmam e validam uma de nossas maiores teorias em toda a ciência.

Os rastros de partículas emanados de uma colisão de alta energia no LHC em 2014. Eles testam a conservação de momento e energia de forma muito mais robusta do que qualquer outro experimento. (PCHARITO / WIKIMEDIA COMMONS)

Algumas das previsões teóricas do eletromagnetismo são de enorme importância para descrever nosso Universo em um nível fundamental. A teoria tem certas simetrias, o que significa que existem certas propriedades da configuração de uma partícula ou sistema que podemos alterar arbitrariamente sem alterar o que acontecerá fisicamente. Por exemplo:

• O eletromagnetismo obedece às simetrias C, P e T individualmente: partículas e antipartículas (C), partículas e suas imagens especulares (P) e partículas que se movem para frente ou para trás no tempo (T), todas obedecem às mesmas regras.
• O eletromagnetismo obedece à equação de continuidade para cargas individuais: a carga elétrica total e a carga magnética total (que não se sabe existir, mas que teoricamente poderia) são sempre conservadas.
• E o eletromagnetismo exibe certas simetrias espaço-temporais : invariância no tempo translacional significa que a energia é sempre conservada; a simetria espacial rotacional significa que o momento angular é sempre conservado; simetria espacial translacional significa que o momento linear é sempre conservado.

Diferentes quadros de referência, incluindo diferentes posições e movimentos, veriam diferentes leis da física (e discordariam da realidade) se uma teoria não fosse relativisticamente invariante. O fato de termos uma simetria sob ‘aumentos’, ou transformações de velocidade, nos diz que temos uma quantidade conservada: momento linear. O fato de uma teoria ser invariante sob qualquer tipo de transformação de coordenadas ou velocidade é conhecido como invariância de Lorentz, e qualquer simetria invariante de Lorentz conserva a simetria CPT. No entanto, C, P e T (assim como as combinações CP, CT e PT) podem ser violadas individualmente. (WIKIMEDIA COMMONS USUÁRIO KREA)

Todas essas simetrias e suas leis de conservação associadas surgem de um único teorema matemático: o teorema de Noether. Ele afirma que para cada simetria física da teoria, deve haver uma quantidade conservada associada. Se houver uma quantidade em um ponto específico no espaço que vai mudar, deve haver um fluxo dessa quantidade para dentro ou para fora desse espaço, e a mudança ao longo do tempo de ambas as quantidades deve se equilibrar.

Por exemplo, a carga elétrica em um determinado volume de espaço só mudará se houver uma corrente elétrica (um fluxo de carga ao longo do tempo) para dentro ou para fora desse espaço, e a diferença de carga será determinada pela magnitude da corrente e a quantidade de tempo que ele flui para dentro, para fora ou uma mistura de ambos.

A quantidade total de carga elétrica dentro de um volume de espaço é sempre conservada, até a carga que flui para dentro ou para fora do sistema via fluxo elétrico positivo ou negativo: onde a corrente viaja através do limite do sistema ao longo do tempo. Esta lei de conservação é absoluta em interações eletromagnéticas. (NICOGUARO / WIKIMEDIA COMMONS)

Então, agora, chegamos a uma afirmação que surge a cada poucos anos, onde algum inventor, engenheiro, funileiro ou cientista marginal anuncia que propôs, patenteou ou criou um dispositivo que viola as leis da física. Especificamente, é sempre a mesma lei que é violada: a lei da conservação do momento. Se esta lei for violada, significa que as três simetrias a seguir não são conservadas afinal:

1. A simetria espacial translacional não é conservada, o que significa que as leis da física são diferentes de um local para outro no Universo.
2. A invariância de Lorentz é quebrada, o que significa que as leis da física violam o princípio da relatividade; observadores em diferentes referenciais verão diferentes leis da física uns dos outros.
3. E a 3ª lei de Newton, que afirma que para cada ação há uma reação igual e oposta, também deve ser violada.

Se tudo isso fosse verdade, você poderia realmente ser capaz de gerar impulso sem combustível e, portanto, alimentar uma espaçonave indefinidamente com apenas uma quantidade finita de material a bordo.

Não importa que tipo ou projeto de foguete já tenha sido proposto, algum tipo de propelente é sempre necessário para conservar o momento. Com os campos elétricos e magnéticos devidamente contabilizados, a unidade EM não parece mais uma opção viável. (NASA/MSFC)

Teoricamente, se você examinar as consequências de quebrar essas simetrias , as coisas ficam realmente desagradáveis ​​em pouco tempo. Isso significa que, se você observar um sistema de fora, poderá ver sua mudança de momento total sem emitir nenhuma partícula portadora de momento. Isso significa que observadores em diferentes referenciais verão a mudança de momento total em diferentes quantidades, o que significa que a conservação de energia também é violada.

E, no entanto, os experimentos primorosamente detalhados realizados em aceleradores e detectores de partículas projetados para testar essas leis de conservação em todas as energias e sob todas as condições que conseguimos criar no laboratório não mostram tal violação. Muitas dessas regras foram testadas a partir de energias não relativísticas até velocidades superiores a 99,99999% da luz no vácuo, e essas simetrias se mantêm em qualquer lugar de 8 a 12 dígitos significativos. Em resumo, são simetrias muito, muito boas que não mostram nem mesmo um indício de terem sido violadas.

Partículas de alta energia podem colidir com outras, produzindo chuvas de novas partículas que podem ser vistas em um detector. Ao reconstruir a energia, o momento e outras propriedades de cada um, podemos determinar o que colidiu inicialmente e o que foi produzido neste evento. O fato de que o momento e a energia são sempre conservados, independentemente de quão perto da velocidade da luz as partículas que entram e saem, demonstra quão bem a energia e o momento são conservados mesmo sob condições relativísticas em mudança. (FERMILAB)

O problema não é que essas leis não pudessem ser derrubadas pela experiência; claro que podiam. O problema é que os físicos realizaram tantos experimentos de tantas maneiras diferentes, com tanto cuidado e precisão, verificando-os. Essas leis de conservação foram confirmadas para todas as interações gravitacionais, mecânicas, eletromagnéticas e quânticas já observadas, e elas sempre se mantêm. Em todos os cenários já examinados, o momento, a invariância de Lorentz e a 3ª lei de Newton são sempre conservados.

E agora, afirma-se que um motor, que depende de nada mais do que uma simples fonte de energia eletromagnética ou mecânica, derruba toda a física. Como fusão a frio . Como a unidade EM . Como qualquer máquina de movimento perpétuo . Ou, como o último absurdo, Motor helicoidal de David Burns .

O movimento perpétuo tem sido um santo graal de consertadores e inventores, mas viola as leis da física, incluindo a 3ª lei de Newton e as leis da termodinâmica. O novo “motor helicoidal” de Burns é apenas o exemplo mais recente de um autoengano que está chegando às principais discussões científicas. (NORMAN ROCKWELL / CIÊNCIA POPULAR)

As especificidades da ideia de Burns são fundamentalmente falhas de uma maneira muito comum entre não-físicos. (Burns é Ph.D. em engenharia elétrica.) Ele argumenta que se você colocar um anel em uma caixa e permitir que ele salte para frente e para trás entre duas paredes, cada colisão perfeitamente elástica dará impulso ao recipiente. da caixa. Em seguida, ele observa que quando os objetos se movem em velocidades relativísticas (próximo da luz), eles ganham massa (em uma interpretação da relatividade especial). Portanto, se você acelerar o anel em uma direção em relação à outra direção dentro da caixa, ele deve ter mais massa quando se move nessa direção e, portanto, acelerará preferencialmente a caixa para frente. Esse é o princípio.

Na prática, Burns prevê trocar a caixa e o anel por um acelerador em forma de hélice, gerando um impulso líquido em uma direção preferida. É a grande ideia dele, e foi abordada em veículos populares como Novo cientista e Alerta de Ciência .

Slide 11 da apresentação em powerpoint de David Burns saudando o raciocínio teórico por trás de sua hipotética unidade helicoidal. A apresentação afirma que “o propelente não é ejetado do motor, mas é capturado para criar um impulso específico quase infinito”, violando as leis conhecidas da física. Quando as leis corretas são aplicadas, nenhuma propulsão sem impulso (e a violação proporcional da conservação do momento) ocorre. (DAVID BURNS / NASA MSFC)

O problema é que essa ideia se baseia em um mal-entendido fundamental da Relatividade Especial. É verdade que quando você acelera um objeto próximo à velocidade da luz, a mesma aceleração (ou empuxo) aumentará sua velocidade em quantidades muito menores quanto mais rápido você estiver se movendo; A segunda lei de Newton da F = m para não funciona, exatamente, na Relatividade Especial. Nenhum objeto pode se mover na velocidade da luz e, à medida que você continua aplicando uma força a um objeto relativístico, é como se estivesse aumentando sua massa, não apenas sua velocidade. Diferentes observadores discordarão sobre a massa e a velocidade do objeto.

Mas se você escrever a segunda lei de Newton como F = d p /DT , Onde p é momento, isso funciona exatamente (e igualmente para todos os observadores), mesmo na Relatividade Especial. Se queimar tinha contabilizado adequadamente o impulso total do sistema caixa+anel, que deve incluir a energia/momento dos campos aplicados e as forças necessárias para acelerar os componentes individuais (como o anel) dentro da caixa, ele teria notado que o momento total nunca muda, mesmo sob transformações relativísticas e colisões anel/caixa perfeitamente elásticas.

Em vez disso, ele examinou o anel sozinho, e isso levou a seus erros matemáticos e sua conclusão insustentável. De fato, experimentos de alvo fixo pré-existentes em colisores de partículas já demonstraram uma conservação de momento que serve como um contra-exemplo às expectativas de Burns. A ideia dele já está pronta.

A unidade EM na configuração da SPR Ltd.. Observe o grande número de fios e voltas de fios, notórios pelos campos magnéticos que criam, inerentes a essa configuração. O que foi inicialmente considerado como 'impulso anômalo' foi explicado pelas interações dos campos eletromagnéticos gerados pelos fios externos que transportam corrente com os campos eletromagnéticos internos do acionamento EM. Quando tudo é devidamente contabilizado, nenhuma anomalia persiste. (ROGER SHAWYER / SPR LTD.)

Todas as alegações de que um dispositivo pode ou violou essas leis de conservação se enquadram em uma das duas categorias: fraude ou autoengano. O pesquisador está enganando você intencionalmente ou enganando a si mesmo sem querer, possivelmente cometendo um erro teórico que eles não conseguiram identificar ou construindo um dispositivo que está experimentando uma interação que eles não conseguiram identificar. Quando surge uma ciência melhor, mais cuidadosa e livre de erros, o efeito teórico desaparece e/ou o efeito experimental é explicado pela física mundana, conhecida e pré-existente.

As alegações de fusão a frio são quase certamente fraude; alegações de um motor espacial impossível ou máquina de movimento perpétuo são mais frequentemente auto-enganos. Se essas leis de conservação forem realmente violadas, será um experimento físico preciso que o revelará, pois esses são nossos melhores testes da natureza em um nível fundamental. Burns disse, você tem que estar preparado para ficar envergonhado quando propõe uma ideia como essa. Espero que ele esteja bem preparado.

Mas ainda mais do que isso, espero que você, leigo curioso, esteja preparado para ser incrivelmente cético em relação a todas as alegações como essa daqui para frente. Até as pessoas mais inteligentes do mundo acabam se enganando com frequências alarmantes. Exija as provas extraordinárias necessárias antes de considerar a próxima reivindicação extraordinária. As chances são boas de que as leis da física já estabelecidas continuem a prevalecer.

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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