Uzay Yolu'ndaki warp sürücüsü mümkün mü? Alcubierre metriği ve negatif enerji

Uzay Yolu: Orijinal Seri'den bu yana Atılgan gemisi yıldızlar arasında haftalar, hatta günler içinde yol alıyor. Bunu sağlayan "warp sürücüsü", bilimkurgunun en tanınmış icatlarından biri. Işık hızını aşmayı yasaklayan fizik varken bu nasıl mümkün olabilir? Şaşırtıcı biçimde, bu soruya ciddi bir fizik dergisinde ciddi bir yanıt verildi.

Dizi ne gösteriyor?

Uzay Yolu'nda gemi hızı "warp faktörü" ile ölçülür. Orijinal seride kullanılan ölçekte hız, warp faktörünün küpüyle ışık hızının çarpımıydı: warp 1 ışık hızı, warp 2 ışık hızının sekiz katı demekti ve ölçeğin bir üst sınırı yoktu. Uzay Yolu: Yeni Nesil için dizinin grafik tasarımcılarından Michael Okuda ölçeği yeniden düzenledi; warp 10 ulaşılamaz sınır, yani sonsuz hız oldu. Dizide geminin kendisi değil, çevresindeki uzay bükülür; gemi bir anlamda bu bükülmenin içinde taşınır.

Alcubierre'nin fikri: gemiyi değil uzayı hareket ettirmek

Meksikalı fizikçi Miguel Alcubierre 1994'te Classical and Quantum Gravity dergisinde yayımladığı makalede, Einstein'ın genel görelilik denklemlerine uyan bir uzay-zaman geometrisi tarif etti. Bu geometride geminin önündeki uzay büzülüyor, arkasındaki uzay genişliyor. Gemi, düz bir uzay parçasının, yani "warp kabarcığı"nın içinde kalıyor ve kendisi yerel olarak ışıktan hızlı gitmiyor. Hareket eden uzay-zamanın kendisi olduğu için görelilik kuramının yerel hız sınırı çiğnenmiyor.

Alcubierre, William Shatner'a yazdığı bir e-postada kuramının doğrudan dizideki terimden esinlendiğini söylemişti; makalesi de bilimkurgunun warp sürücüsüne açıkça atıf yapar. Terimin kendisi ise daha eski: "warp drive" ifadesi ilk kez John W. Campbell'ın 1931 tarihli Islands of Space romanında geçiyor.

Sorun: negatif enerji

Denklemler bu geometriyi mümkün kılmak için kabarcığın çeperinde negatif enerji yoğunluğu, yani boş uzaydan daha az enerjisi olan bir madde biçimi istiyor. Kuantum fiziğinde buna benzer bir etki var: birbirine çok yakın iki metal plaka arasında ortaya çıkan Casimir etkisi, ölçülebilir ama son derece küçük bir negatif enerji yoğunluğu oluşturur. Alcubierre de makalesinin sonunda bu yolu olası bir kaynak olarak anmıştı. Ancak bir gemiyi taşıyacak ölçekte negatif enerji üretmenin bilinen bir yolu yok.

Miktar da başlı başına sorun. Michael Pfenning ve Larry Ford 1997'de kuantum alan kuramının koyduğu sınırları Alcubierre metriğine uyguladı. Sonuçları, kabarcık çeperinin yalnızca birkaç yüz Planck uzunluğu kalınlığında olması gerektiği ve bunun için gereken toplam enerjinin "fiziksel olarak ulaşılamaz" olduğuydu. Alcubierre'nin özgün metriğine dair hesaplara göre 200 metrelik bir gemiyi saran kabarcık için gereken egzotik madde, gözlenebilir evrenin kütlesini aşıyordu.

NASA bu işin neresinde?

NASA'nın warp sürücüsüyle ilişkisi sınırlı ama gerçek. Ajans 1996-2002 arasında Glenn Araştırma Merkezi'nde Marc Millis yönetiminde "Atılım İtki Fiziği" (Breakthrough Propulsion Physics) projesini yürüttü; incelenen fikirler arasında Casimir etkisi ve Alcubierre sürücüsü de vardı. Millis sonradan bu altı yılda büyük bir atılım çıkmadığını yazdı.

2011'de NASA Johnson Uzay Merkezi'nden Harold White, "Warp Field Mechanics 101" başlıklı bildirisini 100 Yıllık Yıldız Gemisi Sempozyumu'nda sundu. White ertesi yıl, kabarcığın biçimini halka benzeri bir yapıya çevirerek gereken enerjinin Jüpiter kütlesi eşdeğerinden Voyager 1 aracının kütlesi düzeyine (yaklaşık 700 kilogram) inebileceğini öne sürdü. Bu, hâlâ negatif enerji gerektiren kuramsal bir sonuçtu. White'ın ekibinin uzay-zamandaki çok küçük bir bükülmeyi lazerle ölçmek için kurduğu White-Juday interferometresinden ise kesin bir sonuç çıkmadı. Alcubierre'nin kendisi de 2013'te bu iddialara kuşkuyla yaklaştı ve bildiği kadarıyla bunun yapılmasının mümkün olmadığını söyledi.

Son yıllarda ne değişti?

2021'de iki çalışma ses getirdi. Erik Lentz, Classical and Quantum Gravity'de yalnızca pozitif enerjiyle beslenen, ışıktan hızlı "soliton" çözümleri önerdi; ancak kendi tahminine göre 100 metre yarıçaplı bir gemi için gereken enerji Jüpiter'in kütlesinin yüzlerce katı mertebesindeydi ve çözümün enerji koşullarını gerçekten sağlayıp sağlamadığı başka fizikçilerce tartışıldı. Aynı yıl Alexey Bobrick ve Gianni Martire, aynı dergide yayımladıkları "Introducing physical warp drives" makalesinde ışıktan yavaş giden ve bilinen fizikle kurulabilecek warp çözümlerinin var olduğunu gösterdi. Vardıkları önemli bir sonuç, her warp sürücüsünün aslında bir madde kabuğu olduğu ve hızlanmak için yine bir itkiye ihtiyaç duyduğuydu.

2024'te Jared Fuchs ve arkadaşları, yine bu dergide, bütün klasik enerji koşullarını sağlayan, ışıktan yavaş ve sabit hızlı bir warp çözümü yayımladı. Ama bu çözüm kabarcığı hızlandırmanın bir yolunu göstermiyor; yazarlar bunu açık bir sorun olarak bırakıyor.

Bunlara ek olarak iki temel engel daha var. Birincisi nedensellik: kabarcığın içindeki bir pilot, ışıktan hızlı giden kabarcığın önündeki bölgeye ulaşamadığı için onu içeriden yönlendiremez; Allen Everett ve Thomas Roman'ın 1997 çalışmasına göre kabarcığın yolu önceden, dışarıdaki biri tarafından hazırlanmış olmalı. İkincisi kararlılık: Stefano Finazzi ve arkadaşlarının 2009'da Physical Review D'de yayımladığı çalışma, ışıktan hızlı bir kabarcıkta biriken Hawking ışımasının içerideki her şeyi yok edebileceğini ve kabarcığı kararsızlaştırabileceğini öne sürdü.

Nerede haklı, nerede değil?

• Haklı: Genel görelilik, uzay-zamanın kendisinin bükülmesine ve "hareket etmesine" izin verir; warp fikri kuramın içinde matematiksel olarak tarif edilebiliyor.
• Kısmen: Işıktan yavaş warp çözümleri artık negatif enerji olmadan da yazılabiliyor, ama gemiyi hızlandırma sorunu çözülmüş değil.
• Kurgu: Işıktan hızlı, yönlendirilebilir, birkaç günde yıldızlara götüren bir warp sürücüsü. Bunun için ya var olduğu gösterilmemiş bir egzotik madde ya da bugünkü teknolojinin çok ötesinde enerji gerekiyor.

Uzay Yolu'nun warp sürücüsü, bilimkurgunun fiziğe soru sordurduğu ender örneklerden biri. Otuz yılı aşkın sürede denklemler daha makul hâle geldi; ama ışık hızını pratikte aşmak hâlâ bir kâğıt üstü egzersiz. Dizinin bir başka ünlü teknolojisi için Star Trek'teki gibi insan ışınlanabilir mi yazımıza da bakabilirsiniz.