Come costruire un motore a curvatura usando i metamateriali

Una rappresentazione della velocità a curvatura vista dall'interno secondo gli autori di Star Trek. Imagecredit: Paramount via Memory Alpha

I metamateriali sono dei materiali artificiali creati appositamente con l’intento di fornire alcune proprietà molto particolari ad un oggetto che non potrebbe mai disporne altrimenti.

E queste proprietà “ingegnerizzate”, come qualcuno le definisce, di solito si applicano alla loro capacità di sostenere modifiche nel campo elettrico o magnetico.

Appartenenti alla famiglia dei materiali compositi, questi metamateriali sono un’eccezionale palestra in cui modificando le peculiarità strutturali a livello molecolare, si ottengono una serie di proprietà elettromagnetiche, con effetti esotici oltre ogni immaginazione.

In maniera più formale i metamateriali sono stati definiti da colui che ha coniato il termine nel 1999, Rodger M. Walser dell’Università del Texas ad Austin, come:

Compositi macroscopici aventi una architettura tridimensionale cellulare periodica e sintetica progettata per produrre una combinazione ottimizzata, non disponibile in natura, di due o più risposte a una specifica sollecitazione.

Distribuzione spaziale di ε, μ, e gx in un modello di metamateriale split-ring based di un motore a curvatura in graduale accelerazione fino a 1/4c. Imagecredit: arXiv

L’utilizzo di più alto profilo di questa tecnologia, per ora è quella di costruire mantelli dell’invisibilità grazie al fenomeno dell’indice di rifrazione negativo, ma c’è un’altra applicazione ancora più affascinante.

Innanzitutto, l’indice di rifrazione negativo, è una proprietà particolarissima, tale da non essere mai stata osservata nei materiali naturali. Un materiale che possieda tale indice (naturalmente l’indice assume valori diversi per materiali diversi), sarà in grado di:

• deviare i raggi rifrangendoli dallo stesso lato della normale;
• invertire l’effetto Doppler: una sorgente luminosa che si muove verso un osservatore sembra ridurre la propria frequenza;
• la radiazione di Cherenkov punta verso l’altra direzione;
• il vettore di Poynting diventa antiparallelo alla velocità di fase. (qualunque cosa ciò significhi…)

Come se non bastasse, sembra che vi sia anche una forte analogia matematica formale tra il modo in cui i metamateriali curvano la luce e le modalità con cui lo fa la gravità, o meglio l’interazione gravitazionale. All’interno dei metamateriali, lo spazio elettromagnetico viene distorto esattamente nello stesso modo dello spazio-tempo nella relatività generale.

Ciò significa che i fisici possono usare i metamateriali per simulare lo stesso universo e tutti gli strani fenomeni che accompagnano la relatività generale. Esistono già alcuni esempi in cui sono stati ricreati buchi neri, il Big Bang, e perfino i multiversi.

Ma c’è un’altra cosa che la relatività generale sembra consentire: viaggiare più veloce della luce o velocità superluminale. Nel 1994, il fisico messicano, Miguel Alcubierre, si rese conto che mentre la relatività impedisce di viaggiare più veloce della luce in relazione al tessuto dello spazio-tempo, essa non pone alcuna restrizione alla velocità con cui un’intera regione dello spazio-tempo si può muovere rispetto alle altre.

Questo suggerisce il modo per costruire un motore a curvatura. Alcubierre immaginò un piccolo volume di spazio-tempo piatto in cui un veicolo spaziale si “siede”, circondato da una bolla di spazio-tempo che si contrae nel senso di marcia, portando la destinazione più vicina, e si allarga nella direzione opposta. Egli ha dimostrato che questo sistema di contrazione ed espansione potrebbe consentire alla bolla – e all’astronave ivi contenuta – a muoversi con velocità superluminale.

Oggi, Igor Smolyaninov presso l’Università del Maryland, fa notare che se questo tipo di bolle sono possibili nello spazio-tempo, allora dovrebbe essere possibile la loro simulazione anche all’interno di un metamateriale.

La sua analisi è una lettura interessante. Si scopre che viaggiare più veloci della luce non è possibile all’interno di un qualsiasi metamateriale fisicamente realizzabile. Questo è in accordo con varie analisi delle idee di Alcubierre che suggeriscono che la sua bolla sarebbe altamente instabile e che il viaggio superluminale sarebbe impossibile. (Eccone un esempio, sempre da arXiv)

Tuttavia, Smolyaninov dice che il viaggio subluminale (a velocità frazionarie rispetto a c) sarebbe ancora possibile utilizzando questo metodo, e mostra come si potrebbe raggiungere velocità fino a un quarto della velocità della luce, distorcendo lo spazio davanti e dietro il viaggiatore.

Non sarà proprio una velocità curvatura piena, in realtà non si avvicina neppure. Ma nonostante ciò è pur sempre una buona velocità di crociera, di gran lunga superiore a qualunque standard di viaggio oggi conosciuto.

Rimane solo che qualche altro geniaccio costruisca realmente un metamateriale capace di riprodurre questo effetto. E, a giudicare dalla velocità con cui questi materiali stupefacenti vengono sviluppati, non dovremo certo aspettare fino al XXIII secolo!

Ref: arxiv.org/abs/1009.5663: Metamaterial-Based Model Of The Alcubierre Warp Drive via arXiv blog