BREVE SAGGIO SULLA PROPULSIONE A CURVATURA parte 1

Il Giornale Online
PREMESSA: LA PROPULSIONE A IMPULSO

Nel XXIV secolo il volo interstellare fa parte integrante della vita di ogni giorno, come un tempo lo erano gli spostamenti sulla superficie dei pianeti. Le odierne navi stellari offrono un livello di comfort talmente elevato da indurre l'utente medio a considerare il viaggio nello spazio come qualcosa di facile e scontato, senza riflettere sugli enormi problemi scientifici e tecnologici che è stato necessario risolvere negli ultimi 3 secoli per giungere alle prestazioni attuali, che la maggior parte degli scienziati vissuti nell'epoca pre-curvatura considerava impossibile da realizzare.

Tra questi problemi, quello della forma di propulsione ha rappresentato senza dubbio l'ostacolo più arduo da superare: prima della scoperta della teoria della curvatura, difatti, la maggior parte delle civiltà conosciute riteneva che il limite della velocità della luce rendesse praticamente impossibili i viaggi interstellari. All'epoca, difatti, l'unica forma di propulsione conosciuta era rappresentata dai motori a impulso, basati sulla terza legge della dinamica classica. Al fine di comprendere i principi posti a base della teoria della curvatura, e i complessi problemi che ha consentito di risolvere, ritengo opportuno illustrare brevemente i limiti insiti nella propulsione ad impulso, richiamando, quando necessario, le nozioni di fisica classica e relativistica necessari per la loro comprensione.

La propulsione ad impulso, come detto, è fondata sulla terza legge della dinamica classica, conosciuta come principio di azione e reazione: ad ogni azione corrisponde una reazione uguale e contraria; in altre parole, ogni volta che ad un corpo viene applicata una determinata forza, si genera (per reazione) una forza di pari intensità, stessa direzione e verso opposto.
A questo punto è bene richiamare, per completezza di comprensione, le altre due leggi della dinamica classica.
Secondo la prima (principio di inerzia), ogni corpo tende a conservare il proprio stato di quiete (o di moto rettilineo uniforme), sino all'intervento di una forza esterna che modifichi tale stato. L'inerzia può essere dunque definita come la resistenza che un corpo oppone alla variazione del suo stato di quiete o di moto.

La seconda legge della dinamica classica afferma invece che applicando una forza ad un corpo, lo stesso subisce un'accelerazione direttamente proporzionale alla forza medesima, e inversamente proporzionale alla propria massa (f = m x a).
Questa legge è importante perché definisce il concetto di massa inerziale1, ossia di resistenza all'accelerazione: la stessa forza genera accelerazioni uguali in corpi di masse uguali e diverse in corpi di masse diverse. Per applicare una forza ad un corpo occorre, ovviamente, impiegare dell'energia, ossia, con espressione più tecnica, compiere un lavoro: l'energia viene difatti definita come la capacità di un sistema (ad esempio, di un motore) di compiere un lavoro, che è a sua volta definito come il prodotto della forza applicata ad un corpo per lo spostamento ottenuto2.

Poiché però il discorso rischia di divenire noioso, sarà meglio passare alle navi spaziali. Muovere un oggetto nello spazio comporta diversi vantaggi rispetto al movimento sulla superficie di un pianeta: l'assenza di attrito atmosferico e di campi gravitazionali3 comporta che, una volta impressa una determinata velocità, l'oggetto la conserverà indefinitamente, senza che sia necessario impiegare energia per mantenerla.

Supponiamo di essere a bordo di una navetta e di attivare i motori ad impulso: il sistema di propulsione preleverà del deuterio dai serbatoi e lo porterà a 15 milioni di gradi: a tale temperatura gli atomi di idrogeno si fonderanno per produrre atomi di elio, e una piccola parte di materia, circa lo 0,1%, si trasformerà in energia, secondo la nota relazione E=mc2. Otterremo così del plasma da eiettare dagli ugelli ad altissima velocità, e per reazione verremo spinti nella direzione opposta: in avanti se usiamo gli ugelli posteriori, a destra se usiamo quelli di sinistra ecc.. Una volta raggiunta la velocità desiderata, ad es. 1000 km/h, possiamo spegnere i motori e la navetta manterrà invariata tale velocità (nonché la direzione), sinché non interverremo sui comandi.
Tutto facile dunque. Sì, se ci accontentiamo di percorrere brevi distanze. Ma se vogliamo raggiungere un'altra stella, le cose diventano terribilmente complicate!

Cominciamo col più famoso limite di velocità dell'universo, quello della luce (o, in generale, della radiazione elettromagnetica): circa 300.000 Km al secondo nel vuoto (indicato comunemente con la lettera c). Se avete una vaga idea delle dimensioni dell'universo (diametro: circa 30 miliardi di anni luce4), della nostra galassia (diametro: circa 100.000 anni luce), o della distanza dalla stella più vicina (che nel caso del Sole è Proxima Centauri, lontana circa 4,3 anni luce), appare evidente come tale velocità sia troppo modesta per percorrere simili distanze in tempi accettabili. Ma perché non è possibile andare più veloci? Per rispondere a questa domanda dobbiamo richiamare alcuni principi di fisica relativistica.

Si è già parlato del concetto inerziale di massa, comunemente usato nella fisica classica. La caratteristica fondamentale della massa così intesa è che essa resta costante, invariante: perciò, in linea di principio, non ci sarebbero limiti alle velocità che è possibile raggiungere, a patto di disporre dell'energia sufficiente. Purtroppo non è così: quando si superano certe velocità occorre confrontarsi con un diverso concetto di massa, quella relativistica, che a differenza della prima non è costante, ma aumenta all'aumentare della velocità: i corpi, insomma, si oppongono ad essere accelerati a velocità prossime a quelle della luce, e tanto più ci si avvicina a tale velocità, tanto più difficile diventa accelerare ulteriormente, come se il corpo diventasse “più massiccio”. Detto aumento di massa segue una legge matematica ben precisa, che comporta la necessità di una quantità infinita di energia per raggiungere la velocità della luce, la quale risulta pertanto irraggiungibile e insuperabile5.

La conseguenza evidente di tale principio è che la propulsione ad impulso diventa terribilmente costosa alle alte velocità: occorrono immense quantità di propellente per raggiungere velocità vicine a quella della luce (che è sempre troppo poco, come detto, per le nostre esigenze), per tacere del fatto che il propellente fa parte della massa da muovere, per cui, anche disponendo di un enorme serbatoio pieno di deuterio, occorre fare i conti con la sua brava massa relativistica, e prima ancora con quella inerziale. La propulsione ad impulso ad alte velocità, insomma, è una sorta di serpente che si morde la coda.

La massa, inoltre, non è l'unica grandezza non più costante alle alte velocità: un altro problema da affrontare nei viaggi spaziali a velocità relativistiche è difatti la dilatazione del tempo.

Il tempo non scorre in modo uniforme per tutti gli osservatori, al contrario di quanto postulato dalla fisica classica, bensì tanto più lentamente quanto più l'osservatore che misura un dato evento si avvicina alla velocità della luce6.
Il motivo di questo fenomeno va ricercato nel fondamentale postulato posto a base della dinamica relativistica: l'invarianza della velocità della luce. Cerchiamo di chiarire il concetto; normalmente le velocità si sommano tra loro: se io, da una navetta in moto a 1000 km/s, lancio una sonda avente una velocità di 5 km/s, rispetto a me la sonda avrà detta velocità, ma un osservatore in quiete rispetto alla navetta misurerà invece una velocità di 1000 + 5 = 1005 km/s, poiché, giustamente (dal suo punto di vista), dovrà considerare anche la velocità che la sonda aveva prima di essere lanciata (ossia, la velocità della navetta).

Le cose vanno invece diversamente quando in ballo vi è la velocità della luce (o di una qualunque radiazione EM): se io accendo le luci di navigazione della navetta, o invio un (antiquato) segnale radio, sia io, sia l'osservatore in quiete rispetto a me, sia qualunque altro osservatore dell'universo, misureremo tutti la stessa velocità di propagazione dell'onda: circa 300.000 km/s7. Ora, poiché la velocità è definita, come è noto, come il rapporto tra lo spazio percorso e il tempo impiegato per percorrerlo (v = s/t), e poiché nel caso di specie tutti gli osservatori hanno misurato la stessa distanza e la stessa velocità, ne deriva che a variare deve essere il tempo, il quale, come detto, scorre in funzione della velocità dell'osservatore.

Le conseguenze appaiono chiare: poiché ogni viaggio a velocità relativistica è anche un viaggio nel tempo (nel futuro), i costi di un simile viaggio sono elevatissimi non solo dal punto di vista economico (propellente), ma anche sotto il profilo sociale. Gli astronauti partirebbero con la consapevolezza di non rivedere mai più le loro famiglie, i loro parenti, i loro amici, a meno di non portarli con sé o di non averli affatto; al rientro, per contro, troverebbero una società profondamente diversa da quella che hanno lasciato, con intuibili problemi di reinserimento. L'astronauta tipo risulterebbe così essere un disadattato o un asociale, insomma un pessimo ambasciatore della sua specie! Ma non solo: un simile metodo di viaggio non potrebbe consentire l'esistenza di istituzioni interstellari, come la Federazione Unita dei Pianeti, che solo fondate sugli scambi commerciali e culturali tra razze diverse, e che presuppongono un omogeneo livello di progresso tecnologico e sociale: omogeneità che non è compatibile con i tempi necessari ai viaggi interstellari così concepiti.

Ma supponiamo, come è successo, di essere disposti a pagare i costi economici e sociali del viaggio a velocità relativistiche. I problemi sono tutt'altro che finiti, anzi! Quelli veramente seri iniziano proprio quando si parte, e sono tali da mettere a repentaglio la sopravvivenza dell'equipaggio.

Cominciamo dall'accelerazione: per raggiungere velocità prossime a quella della luce occorre, ovviamente, imprimere alla nave accelerazioni elevatissime. Con l'avvento degli ammortizzatori inerziali tale problema è stato risolto in radice, ma appare improbabile che una società non ancora giunta alla tecnologia di curvatura possa sviluppare simili dispositivi8. Così, per proteggere l'equipaggio dagli effetti micidiali dell'accelerazione, questa deve essere estremamente lenta: si tenga conto che una banalissima accelerazione da 2 g comporta che l'astronauta sperimenti su di sé una forza pari al doppio del proprio peso, sinché dura l'accelerazione, con intuibili conseguenze sull'apparato scheletrico, muscolare, cardiocircolatorio.

Ed è facile immaginare cosa succederebbe in caso di manovre di emergenza obbliganti a brusche variazioni di velocità o direzione.

La conseguenza è che il viaggio deve comunque durare diversi anni, prima di raggiungere la velocità di crociera o di decelerare a velocità compatibili con l'arrivo alla destinazione: anni percepiti effettivamente come tali, giacché la gradualità dell'accelerazione comporta che gli effetti relativistici di dilatazione del tempo divengano significativi solo dopo parecchio tempo dalla partenza.

Ma il peggio arriva quando la velocità diventa elevata: lo spazio, come è noto, è molto meno “vuoto” di quanto si riteneva un tempo; pulviscolo, micrometeoriti, semplici particelle subatomiche, tutta roba quasi innocua a basse velocità, si trasforma con l'accelerazione in una pioggia mortale di proiettili9 e radiazioni ionizzanti ad elevato potere penetrante, in grado di danneggiare gravemente lo scafo e di renderlo pericolosamente radioattivo per gli occupanti. Questo problema viene comunemente risolto dai deflettori di navigazione10, ma, al pari di quanto detto per gli ammortizzatori inerziali, si tratta di una tecnologia difficilmente sviluppabile da una società pre-curvatura.

Da quanto detto, insomma, appare evidente come la propulsione a impulso, pur indispensabile per gli spostamenti a breve raggio e le manovre orbitali, sia assolutamente inidonea al volo interstellare. Un viaggio con tale tipo di propulsione costituisce essenzialmente un esperimento scientifico, e spesso è un'importante tappa nel progresso tecnologico della maggior parte delle civiltà evolute, ma non muta la condizione di isolamento del mondo che lo sviluppa, né può avere significative applicazioni sul piano commerciale e sociale. Solo la propulsione a curvatura, o meglio il complesso di nozioni e tecnologie che essa comporta, consente di aggirare gli inconvenienti visti e aprire alla specie che la sviluppa le porte della comunità interstellare. Non a caso la Prima Direttiva considera idonee al Primo Contatto solo le civiltà che abbiano sviluppato tale tecnologia.

E' ora, pertanto, di entrare in curvatura!

SEZIONE PRIMA: LA STRUTTURA DELLO SPAZIO

La propulsione a curvatura può essere definita in questo semplice modo: mentre nella propulsione a impulso si sposta la nave nello spazio, in curvatura si “muove” lo spazio attorno alla nave! Per la precisione, si comprime lo spazio nella direzione di avanzamento della nave, e lo si espande nella direzione opposta.
Le tre righe che precedono, se lette dalla prospettiva di un fisico dell'epoca pre-curvatura, sollevano così tanti problemi da richiedere, per la loro esauriente illustrazione, uno spazio e un tecnicismo incompatibili con lo scopo della presente trattazione. Cercherò di procedere passo per passo, limitando il tecnicismo allo stretto indispensabile.

Intanto, come è possibile “comprimere” o “espandere” lo spazio?

Occorre chiarire, a questo punto, cos'è esattamente (o quasi) lo spazio. Si tratta, in verità, di un concetto estremamente complesso, sia dal punto di vista fisico-matematico che da quello filosofico11. Cominciamo dalla nozione più elementare, che definisce lo spazio come distanza tra due corpi. Si tratta di una definizione banale solo in apparenza, perché contiene una verità fondamentale: lo spazio esiste solo in presenza di materia (o energia), non è concepibile uno spazio “vuoto”: se dall'universo, con un qualche procedimento fantastico, potessimo rimuovere tutta la materia e l'energia esistente, non avremmo un universo vuoto, ma, al contrario, non esisterebbe più l'universo (a patto di sparire anche noi).

Una delle fondamentali acquisizioni della fisica relativistica è difatti che lo spazio ha una “struttura”, ha delle “dimensioni”, e non deve essere pensato in antitesi alla materia-energia, come una sorta di fondale in cui la massa recita da attrice principale; la materia, l'energia, le particelle in realtà sono “spazio concentrato”, o più tecnicamente “dimensioni collassate”.
Ma un passo alla volta: torniamo alla struttura dello spazio. Come appena detto, lo spazio presuppone l'esistenza di materia-energia; niente materia, niente spazio. Dal punto di vista strettamente intuitivo, appare ovvio che non si possa parlare di distanza tra A e B se A e B non esistono (benché la realtà sia molto più complessa). Lo spazio è “creato” dalla materia, la quale non è altro che un particolare “tipo” di spazio.

Facciamo un altro passo, e parliamo di tempo. Definire il tempo non è meno arduo che definire lo spazio, e solitamente le definizioni peccano di tautologia, giacché definiscono il tempo come durata o intervallo tra due eventi, senza riuscire a chiarire cosa sia la “durata”. Una prima osservazione che si può fare, però, è che, al pari dello spazio, anche l'esistenza del tempo richiede materia-energia; perché ci sia un “prima” e un “dopo” è necessario che ci si riferisca a “qualcosa” (di diverso dal tempo stesso), ad un “evento”. Spazio e tempo sono accomunati, nella loro esistenza, dalla necessità dell'esistenza della materia: niente materia, niente tempo, niente spazio.

Spazio e tempo hanno però un legame ben più stretto, accertato fin dalla nascita della fisica relativistica; legame talmente stretto da far considerare il tempo una delle dimensioni dello spazio: si parla, difatti, di spazio-tempo. Per capire come possano essere legati dei concetti che, apparentemente, non hanno niente in comune, pensiamo ad un oggetto qualunque: appare evidente che tale oggetto occupa una posizione ben definita nello spazio, che può essere determinata con precisione indicando le distanze da una serie di punti di riferimento (ad es., un tavolo in una stanza avrà una certa altezza rispetto al pavimento e una certa distanza dalle pareti). Tuttavia tale oggetto, pur se in ipotesi immobile, in realtà si sta spostando attraverso il tempo; esso esisteva prima dell'osservazione, a partire dal momento in cui fu creato, ed esisterà dopo l'osservazione, sinché non verrà distrutto.

In altre parole, qualunque cosa, oltre che esistere (e muoversi) nello spazio, esiste (e deve muoversi) anche nel tempo. Se così non fosse, se l'oggetto fosse “immobile” nel tempo, esso esisterebbe solo per un istante infinitesimo, per poi sparire nel nulla (e ciò è impossibile per il principio di conservazione dell'energia).
Il tempo, insomma, può essere considerato una dimensione dello spazio, anche se dotata di particolarità tutte sue (muoversi nello spazio non è come muoversi nel tempo).

Si è accennato, in precedenza, alle “dimensioni” dello spazio; cosa e quante sono le dimensioni? Non è facile rispondere a questa domanda, specie considerando i limiti del presente lavoro. Si possono comunque descrivere le dimensioni come gli elementi strutturali dello spazio, i “mattoni” che lo costituiscono. Alcune di esse sono ben note: altezza, larghezza, profondità, tempo. Oltre a queste, però, ne esistono molte altre, che non sono percepibili sensorialmente in quanto esistenti a livello subatomico, ma presiedono a fenomeni subatomici fondamentali per l'esistenza dell'universo come lo conosciamo.

Le dimensioni dello spazio-tempo si dividono in due categorie: quelle bosoniche e quelle fermioniche. Le prime (circa una trentina) consentono degli spostamenti simili a quelli a cui siamo normalmente abituati, nel senso che le condizioni dell'oggetto (ad es., una particella) al termine dello spostamento saranno differenti rispetto a quelle di partenza. Nelle seconde (circa una decina) sono possibili spostamenti senza che l'oggetto modifichi le proprie condizioni iniziali.

Non è possibile essere più precisi senza affrontare argomenti (e istituti matematici) terribilmente complessi, ma il succo di questo discorso, per quanto ci interessa, è che la comprensione della struttura dello spazio ha consentito di pervenire alla Grande Unificazione, ossia ad una teoria fisica che renda conto dell'origine comune delle forze fondamentali della natura (Gravitazionale, Elettrodebole, Forte, Repulsiva. Vedi nota n. 14). Tale teoria ha consentito la manipolazione dei campi gravitazionali secondo principi analoghi a quelli usati sin dall'antichità per i campi elettromagnetici, rendendo così possibile la polarizzazione gravitazionale, posta a base non solo della propulsione curvatura, ma anche dei campi gravitazionali artificiali, degli scudi deflettori, dei raggi traenti, degli ammortizzatori inerziali.

Torniamo dunque al problema iniziale: come comprimere ed espandere lo spazio?
La meccanica relativistica descrive lo spazio-tempo come entità quadridimensionale curva. La realtà è più complessa, poiché lo spazio ha ben più di 4 dimensioni, ma poiché tutte le altre sono come “arrotolate” su scala subatomica possiamo, almeno per il momento, non tenerne conto.

Il fatto che lo spazio sia curvo e “plasmabile” ha delle importanti conseguenze per i nostri fini, perché in tale tipo di spazio le distanze non sono “assolute” e la via più breve tra due punti non è necessariamente una retta.
Per visualizzare intuitivamente la struttura dello spazio possiamo ricorrere ad un antico esempio: immaginarlo come un foglio di gomma molto elastico. Su tale foglio poggiano le varie masse dell'universo, particelle, pianeti, stelle ecc. Tali masse “deformano” il foglio di gomma, in misura dipendente dalla loro entità (masse maggiori produrranno una “curvatura” maggiore). Abbiamo perciò scoperto che è la gravità a modellare lo spazio, il quale risulta più curvo nelle regioni più prossime a masse elevate.

La gravità è perciò lo “scalpello” che modella lo spazio. A questo punto è chiaro perché si parla di curvatura: essa è precisamente ciò che indica tale termine, una “deformazione” (warp) dello spazio indotta da un campo gravitazionale.
Ma cosa succede, esattamente, curvando lo spazio?

Qualunque massa, come visto, è in grado di curvare lo spazio: poiché non può esistere spazio senza massa, ne deriva che lo spazio è sempre e necessariamente curvo, benché la curvatura sia maggiore in prossimità delle masse e minore (in ragione del quadrato della distanza12) man mano che ci si allontana da esse.

Qualunque massa o onda in movimento nello spazio deve seguirne necessariamente la geometria, così come un turboascensore non può muoversi al di fuori degli appositi condotti di trasferimento. Quando una massa o un'onda entrano in una regione dello spazio caratterizzata da una particolare curvatura, devono necessariamente percorrerne la struttura.
In tal modo è stata giustificata, in passato, l'attrazione gravitazionale: poiché lo spazio si incurva sempre di più in prossimità di una massa, un corpo entrato in tale regione deve dirigersi verso la massa deformante, percorrendo il “baratro” gravitazionale da essa creato (a meno che non sia in possesso di una velocità sufficiente per “uscirne”).

Appare quindi evidente che, poiché lo spazio non ha una struttura fissa e immodificabile, è possibile “plasmarlo” in modo da adeguarlo alle nostre esigenze. Se vogliamo, ad esempio, percorrere una grande distanza in tempi brevi, possiamo comprimere lo spazio tra il punto di partenza e quello di arrivo (senza spostare questi ultimi, per i motivi che si vedranno). In questo modo non sono più necessarie velocità elevate, e comunque irraggiungibili: è come se prendessimo una scorciatoia… nello spazio stesso, una sorta di galleria che ci consente di evitare la scalata della montagna.

Detto così, ovviamente, è troppo semplice, e troppo bello per essere vero. Vediamo quali sono i terribili problemi da affrontare, e come sono stati risolti.

SEZIONE SECONDA: COME CURVARE A PIACERE LO SPAZIO

Prima di affrontare il problema di come curvare lo spazio secondo i nostri comodi, vediamo cosa succede in natura.
Cominciamo col dire che le curvature prodotte da masse non certamente trascurabili, come pianeti e stelle, sono del tutto insufficienti per i nostri scopi: ad esempio, la massa di una stella di tipo G (come il Sole della Terra) è in grado di deflettere un raggio di luce di circa un millesimo di grado. Ma a noi servono curvature enormemente superiori. Noi non vogliamo semplicemente “piegare” lo spazio, ma “accartocciarlo”. Ci servono perciò curvature ben maggiori di quelle prodotte dalle stelle. Dove prendere la massa (o l'energia) necessaria, se persino quella del Sole risulta insufficiente?

Esistono però in natura curvature dello spazio ben maggiori di quelle prodotte dalle stelle: si tratta delle singolarità (oggi definite con l'aggettivo quantiche, per significare che, a differenza che in passato, si è ormai in grado di determinare gli effetti quantistici della gravità), ossia di regioni dello spazio-tempo caratterizzate da un intenso campo gravitazionale, imprimente una configurazione “a cuspide”, una sorta di baratro non interpretabile con le teorie relativistiche pre-unificazione. In altre parole, la curvatura in una singolarità è talmente accentuata che le lunghezze sono ridotte ad un valore prossimo allo zero, mentre il tempo scorre ad un ritmo pressoché infinito13. Singolarità che si trovano, solitamente, al centro di buchi neri (stelle di grande massa collassate, dotate di un campo gravitazionale talmente intenso da non consentire neppure l'emissione di luce).

Sembrerebbe quindi che, se devo recarmi da A a B e nel tragitto trovo un buco nero, potrei usare lo stesso per accorciare il viaggio, dal momento che nella singolarità lo spazio è compresso sin quasi ad un valore nullo.
Sconsiglio vivamente gli aspiranti navigatori spaziali dal compiere una simile impresa: ci sono forme di suicidio meno complicate, e non implicanti la distruzione di una costosa nave spaziale. Innanzitutto perché lo stesso campo gravitazionale che ci fa il favore di comprimere lo spazio farebbe a pezzi noi e l'astronave ben prima di raggiungere la singolarità.

In secondo luogo perché, qualora resistessimo alla gravità usando il campo di integrità strutturale, gli ammortizzatori inerziali e gli scudi deflettori (sinché dura l'energia…), la dilatazione temporale implicherebbe un tempo (per un osservatore esterno al luogo del nostro suicidio) lunghissimo per raggiungere la singolarità, e così la breve durata del viaggio andrebbe a farsi friggere. Dulcis in fundo, una volta raggiunta la singolarità difficilmente potremmo venirne fuori, non potendo con i motori a impulso né raggiungere, né superare la velocità della luce. Come se non bastasse, non andremmo comunque a finire da nessuna parte, perché la singolarità resta dov'è e non si muove certo nella direzione che ci aggrada (e se volessimo spostarla noi dovremmo fare i conti, per dirne una, con la sua formidabile inerzia). Insomma, usare un buco nero per viaggiare nello spazio è un po' come volere entrare in una stanza passando per il buco della serratura: scomodo, doloroso, inutile!

Ma a noi serve proprio una curvatura del tipo di quelle generate dalle singolarità!

Torniamo al punto di partenza: come curvare lo spazio? Con la gravità. Cos'è che genera la gravità, o se si preferisce i gravitoni, le particelle portatrici della forza gravitazionale? La massa. Per avere il campo gravitazionale di una stella devo per forza disporre della massa di una stella? No! E' qui che risiede l'inizio della soluzione dei nostri problemi.
In natura, il campo gravitazionale ha simmetria sferica: si estende uniformemente in tutte le direzioni, con intensità decrescente (in proporzione quadratica) rispetto alla distanza dalla sorgente.

Per i nostri fini, questo è un enorme spreco! In natura è bene che le cose vadano così, perché l'universo come lo conosciamo non potrebbe certamente esistere (e noi con lui) se la gravità operasse in una sola direzione. Ma a noi non interessa curvare un enorme volume di spazio, bensì agire solo nella zona che intendiamo attraversare.
La radiazione elettromagnetica si comporta, per certi aspetti, come il campo gravitazionale: anch'essa ha simmetria sferica, anch'essa ha intensità decrescente con il quadrato della distanza. Ma le specie evolute hanno, da molto prima del saper viaggiare nello spazio, appreso come “piegare” la radiazione EM alle proprie necessità, ottenendo onde propagantesi in una direzione prefissata, o luce monocromatica (laser, maser ecc.).

La stessa cosa si è riusciti a fare con la gravità, mediante la polarizzazione gravitazionale. La teoria del Campo Unificato, con cui le forze della natura (Gravitazionale, Elettrodebole, Forte, Repulsiva) vengono descritte come diverse manifestazioni di un unico ente14, ha consentito la manipolazione delle onde gravitazionali con modalità analoghe a quelle conosciute sin dall'antichità con le onde EM. In particolare, è stato possibile porre onde gravitazionali in concordanza di fase15 ed ottenere delle emissioni coerenti, in modo da creare treni d'onda a propagazione lineare.

E' noto da tempo che particolari leghe metalliche contenenti elementi transuranici di elevatissimo peso atomico (cortenide di verterio, thoronium arkenide) possono emettere gravitoni in condizioni particolari (la cortenide di verterio se esposta a plasma ad alta energia, il thoronium arkenide se posto in rotazione a velocità elevate, in un ambiente di gas chrylon e applicando un'opportuna differenza di potenziale). La prima lega viene utilizzata per le bobine delle gondole a curvatura delle navi spaziali, la seconda per la realizzazione dei generatori di gravità artificiali.

La caratteristica fondamentale di queste leghe è il consentire la trasformazione, con rendimento piuttosto elevato (intorno al 70%) della forza elettromagnetica in forza gravitazionale. Conversione resa vantaggiosa dal fatto che la forza elettromagnetica ha intensità ben superiore a quella gravitazionale (il debolissimo campo magnetico della maggior parte dei pianeti di classe M è sufficiente a spostare l'ago di una bussola, vincendo l'attrazione gravitazionale).

Con procedimenti particolari (vedi la sezione settima) è possibile fare in modo che l'emissione di gravitoni avvenga unicamente lungo una direzione prefissata, e con frequenze predeterminate16. Le onde gravitazionali così emesse sono poste in concordanza di fase, in modo che l'energia della successiva si sommi a quella della precedente, e si concentri in un ristretto volume di spazio.

E' così possibile realizzare un campo gravitazionale di elevata intensità e limitata estensione, senza dovere disporre della massa necessaria per ottenerne uno di analoga intensità in modo “naturale”. Il consumo di energia necessario è certamente elevato, ma di gran lunga inferiore a quanto teorizzato in epoca pre-curvatura.
A questo punto è evidente che, facendo in modo che il campo gravitazionale (di intensità analoga a quello esistente nelle singolarità) si formi nella direzione di avanzamento della nostra nave, esso provvederà innanzitutto a comprimere la regione di spazio che ci accingiamo ad attraversare, e in secondo luogo si sposterà con la nave stessa, comprimendo regioni di spazio poste in successione, senza soluzione di continuità.

Tale risultato, però, rappresenta solo il primo passo, fondamentale ma insufficiente. Il nostro bravo campo gravitazionale portatile e regolabile ha sempre i difetti dei suoi colleghi naturali: la sgradevole tendenza a fare a pezzi noi e la nostra povera nave, incurante del fatto che siamo i suoi genitori, e l'effetto relativistico di dilatazione temporale (della contrazione delle lunghezze non è il caso di curarsi troppo, con le altre grane che abbiamo), che prolunga la nostra agonia con la dilatazione temporale, anche se non quanto una singolarità, perché una volta distrutto il generatore, il campo gravitazionale morirà dopo di noi. Magra consolazione.

Ma cos'altro serve, allora, per realizzare un campo di curvatura utile ai nostri scopi?

SEZIONE TERZA: IL CAMPO DI CURVATURA

Per poter sfuggire al pozzo gravitazionale creato davanti alla nostra nave per comprimere lo spazio davanti a noi, è necessario creare un “antipozzo” dietro, in modo che la compressione venga bilanciata dall'espansione (che dovrà avere pari intensità e “segno” opposto) e la nave venga sospinta su tale “onda” di spazio-tempo modificato, passata la quale lo spazio tornerà alla sua struttura normale. Comprimendo lo spazio nella direzione anteriore riduciamo la distanza dal punto di arrivo, ossia ci “avviciniamo” (benché, lo si ripete, la posizione del punto di arrivo non muta, poiché operiamo solo sullo spazio intermedio); espandendo lo spazio nella direzione opposta, invece, ci “allontaniamo” dal punto di partenza, sfuggendo al baratro gravitazionale creato davanti a noi (senza necessità di alcuna accelerazione).

La regione compresa tra il fronte di compressione e quello di espansione è detta, con espressione pittoresca, bolla di curvatura, e mantiene le condizioni di un qualunque sistema di riferimento in moto alla stessa velocità. In altre parole, le masse ivi presenti non subiscono né gli effetti relativistici sopra descritti (aumento di massa, dilatazione del tempo ecc.), né effetti inerziali, poiché la velocità posseduta precedentemente all'ingresso in curvatura NON MUTA.
Così come la compressione locale dello spazio viene realizzata mediante emissioni di treni di onde gravitazionali coerenti, l'espansione nella regione opposta viene ottenuta tramite emissioni coerenti di warpers, particelle bosoniche portatrici della Forza Repulsiva.

La Forza Repulsiva, come detto nella nota 14, è una delle forze fondamentali della natura (l'ultima, solitamente, ad essere scoperta), e manifesta la sua azione in presenza di elevate concentrazioni di massa (o di energia). Tale forza è inferiore, come ordine di grandezza, all'attrazione gravitazionale, e difatti in condizioni normali non è in grado di contrastarne significativamente gli effetti. Quando però i campi gravitazionali sono di tale intensità da renderne non trascurabili gli effetti quantistici (come avviene nelle singolarità, e nei campi di curvatura), essa è in grado di opporsi al collasso infinito della materia (il volume delle singolarità, difatti, è piccolo, ma non nullo).

Ciò fornisce una giustificazione del noto paradosso della meccanica relativistica pre-unificazione, la quale non era in grado di chiarire come la curvatura dello spazio-tempo assumesse nelle singolarità un valore infinito, senza che la massa collassante, per effetto dell'accelerazione gravitazionale sempre crescente, raggiungesse o superasse la velocità della luce. La forza repulsiva, insomma, pone un limite “di sicurezza” alla comprimibilità della massa.

Gli warpers, particelle vettori della forza repulsiva, agiscono insomma come una sorta di gravità negativa. La loro “gestione” nel campo di curvatura è in buona parte analoga a quella dei gravitoni: normalmente, per ottenere una significativa quantità di warpers sarebbe necessario disporre di concentrazioni di massa elevatissime, persino superiori a quelle richieste per i campi gravitazionali delle singolarità. Nel campo di curvatura, tuttavia, gli warpers si formano come “sottoprodotto” della creazione dei treni d'onda gravitazionali coerenti, e tendono a muoversi nella direzione opposta: un'elevata concentrazione di gravitoni polarizzati, generati dal punto P e concentrati ad una distanza D da esso, produce un'analoga concentrazione di warpers ad una distanza –D da P, ossia dalla parte opposta.

In P, che poi sarebbe la nostra astronave, il campo gravitazionale è “normale”, ossia identico a quello locale, non generato dal campo di curvatura. Andando in avanti, seguendo il treno d'onda di gravitoni, il campo gravitazionale aumenta d'intensità, sino a raggiungere il valore massimo, detto CUP (Curvatura Utile Positiva) nella regione in cui i treni d'onda entrano in concordanza di fase. Dall'altra parte, viceversa, il campo di espansione raggiunge il valore massimo nella regione in cui gli omologhi treni di warpers coerenti entrano a loro volta in concordanza di fase; il campo di espansione raggiunge in tale punto il valore massimo, detto CUN (Curvatura Utile Negativa).

A questo punto il lettore attento avrà notato immediatamente un problema: si è detto in precedenza che la forza repulsiva opera su un ordine di grandezza inferiore rispetto a quella gravitazionale. Per la precisione, o meglio per fornire un'approssimazione accettabile in questa sede, il rapporto tra le due forze è pari a circa 1/1000: se occorre un'energia E per produrre un campo gravitazionale di una data intensità, occorrerà circa 1000 volte quell'energia per produrre un campo di espansione (o repulsione che dir si voglia) di intensità analoga, ossia in grado di produrre un'espansione bilanciante esattamente la compressione.

A ciò si pone rimedio con due sistemi: in primo luogo alterando la simmetria del campo, e precisamente facendo in modo che il CUN abbia una distanza dalla sorgente pari a circa 1/10 di quella del CUP. In secondo luogo, mediante un treno d'onda supplementare di warpers, che posto in opportuna concordanza di fase con quello principale fa assumere al CUN il valore necessario per bilanciare la compressione generata dal CUP.

Peraltro, non è necessario che CUP e CUN abbiano valori (in modulo) identici, esiste un margine di tolleranza che non influisce significativamente sull'effetto “propulsivo”, margine che però si riduce al crescere della tensione del campo di curvatura, e tende a 0 all'approssimarsi del limite teorico (secondo la scala attualmente vigente) di curvatura 10.

Quando però il margine di tolleranza non viene rispettato, e supera il valore soglia oltre il quale la contrazione dello spazio non è più bilanciata dall'espansione, si verifica il noto “effetto cavitazione”17.

Per comprendere appieno l'effetto cavitazione, occorre precisare che, all'interno del campo di curvatura, per ragioni che formano tuttora oggetto di studio, la costante gravitazionale assume un valore inferiore al normale. La massa inerziale della nave, di conseguenza, è molto inferiore a quella posseduta in condizioni normali. La nave, tuttavia, conserva per inerzia la velocità posseduta al momento dell'ingresso in curvatura. Poiché tale velocità è di solito pari ad una frazione significativa di quella della luce (in ragione dell'uso della propulsione ad impulso nelle fasi di allontanamento e avvicinamento ai pianeti), quando la nave entra in cavitazione la spinta inizialmente posseduta fa accelerare la nave a velocità prossime a quella della luce18, come se fosse diventata improvvisamente “più leggera”.

Un'ulteriore accelerazione viene impressa alla nave dal CUP, che, non più bilanciato correttamente dal CUN, esercita una forte attrazione gravitazionale, applicando sulla nave una forza che, in base alla seconda legge della Dinamica, ne incrementa la velocità.

La nave si trova pertanto esposta a subire i noti effetti relativistici delle alte velocità (dilatazione del tempo, contrazione delle lunghezze).

Poiché le navi della Flotta Stellare non sono progettate per sopportare a lungo simili velocità, che comportano, oltretutto, gravi pericoli per l'equipaggio (come visto nella Sezione Prima), il computer di bordo, in caso di cavitazione, interrompe immediatamente l'iniezione del plasma nelle bobine delle gondole19, con conseguente collasso del campo di curvatura. La nave riacquista gradatamente la massa inerziale “normale”, e la velocità diminuisce sino al valore precedente l'ingresso in curvatura (il tempo necessario è pari, mediamente, a circa 30 secondi). Sempre per motivi di sicurezza, i controlli di volo vengono disabilitati (una virata imporrebbe alla nave severissimi stress strutturali), per cui eventuali oggetti che si trovano sulla traiettoria della nave, che non possano essere deviati dai deflettori di navigazione a causa della grande massa (ad esempio, piccoli asteroidi) devono essere immediatamente distrutti.

Torniamo al campo di curvatura. Poiché esso produce tensioni gravitazionali elevatissime, appare ovvio che debba essere generato ad una distanza di sicurezza dalla nave. Le gondole, contenenti le bobine generatrici del campo, sono solitamente collocate ai lati della nave, ad una distanza tra loro non inferiore a 0,8 volte la larghezza del resto dello scafo (una distanza leggermente superiore è ammessa per le navette, in ragione della bassa potenza del campo warp), e posizionate in modo che i treni d'onda emessi non entrino in contatto con le strutture dell'astronave.
La propulsione a curvatura deve inoltre essere attivata in regioni di spazio quanto più vuote possibile, e ciò per una serie di ragioni.

Innanzitutto, la compressione dello spazio implicherebbe consumi energetici immensamente elevati qualora la regione ove si forma il CUP non fosse (ragionevolmente) vuota: la compressione della materia (che, lo si ricorda, è già “spazio-tempo compresso”) è infatti molto più difficile di quella dello spazio vuoto, anche per effetto della Forza Repulsiva, per cui i motori si surriscalderebbero rapidamente oltre i limiti di sicurezza.

Va poi considerato che il CUP è pur sempre un campo gravitazionale, e di intensità elevatissima; di conseguenza, ove lo spazio non fosse vuoto, le masse circostanti, specie se modeste, verrebbero attirate con enorme forza e scagliate contro la nave, con conseguenze facilmente immaginabili. Non solo: le tensioni gravitazionali farebbero a pezzi tali masse per “effetto marea”20, ed è chiaro quali sarebbero le conseguenze se si trattasse di navi spaziali21. Usare il campo warp come arma non è comunque vantaggioso, perché la pioggia di detriti accelerati ad altissima velocità (tra cui il nucleo di curvatura e le riserve di antimateria della nave distrutta!) renderebbe decisamente breve, ed assai cara, la vittoria ottenuta!

continua…

fonte:www.mclink.it

BREVE SAGGIO SULLA PROPULSIONE A CURVATURA parte 1 ultima modifica: 2007-09-21T20:46:31+00:00 da Quantico
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Quantico