Neste instigante artigo, o físico Michio Kaku discorre; o que seria necessário para alcançar as estrelas? Citando o fenômeno OVNI e analisando os conceitos de possíveis civilizações no cosmos e suas evoluções. Explore a física real por trás das viagens interestelares.
Para um dia, alcançar as estrelas.
Ao discutir a possibilidade de viagens interestelares, existe algo chamado “fator riso”. Alguns cientistas tendem a zombar da ideia de viagens interestelares por causa das enormes distâncias que separam as estrelas. De acordo com a Relatividade Especial (1905), nenhuma informação utilizável pode viajar mais rápido que a luz localmente e, portanto, levaria séculos a milênios para uma civilização extraterrestre viajar entre as estrelas.
Mesmo as estrelas familiares que vemos à noite estão a cerca de 50 a 100 anos-luz de nós, e nossa galáxia tem 100.000 anos-luz de diâmetro. A galáxia mais próxima está a 2 milhões de anos-luz de nós. Os críticos dizem que o universo é simplesmente grande demais para que viagens interestelares sejam práticas.
Da mesma forma, as investigações sobre OVNIs que podem se originar de outro planeta são às vezes o “terceiro trilho” da carreira científica de alguém. Não há financiamento para quem olha seriamente para objetos não identificados no espaço, e a reputação de alguém pode ser prejudicada se alguém se interessar por esses assuntos pouco ortodoxos. Além disso, talvez 99% de todos os avistamentos de OVNIs possam ser descartados como sendo causados por fenômenos familiares, como o planeta Vênus, gás do pântano (que pode brilhar no escuro sob certas condições), meteoros, satélites, balões meteorológicos e até radares, ecos que ricocheteiam nas montanhas. (O que é perturbador, para um físico, no entanto, é o 1% restante desses avistamentos, que são avistamentos múltiplos feitos por métodos múltiplos de observação. Alguns dos avistamentos mais intrigantes foram feitos por pilotos experientes e passageiros a bordo de vôos de linhas aéreas, que também foram rastreados por radar e filmados. Avistamentos como este são mais difíceis de descartar.)
Mas para um astrônomo, a existência de vida inteligente no universo é uma ideia convincente por si só, na qual seres extraterrestres podem existir em outras estrelas que são séculos a milênios mais avançadas que a nossa. Somente na Via Láctea, existem mais de 100 bilhões de estrelas, e há um número incontável de galáxias no universo. Cerca de metade das estrelas que vemos no céu são estrelas duplas, provavelmente tornando-as inadequadas para a vida inteligente, mas a metade restante provavelmente tem sistemas solares semelhantes aos nossos. Embora nenhum dos mais de 100 planetas extra-solares descobertos até agora no espaço profundo se pareça com o nosso, é inevitável, muitos cientistas acreditam, que um dia descobriremos pequenos planetas semelhantes à Terra que possuem água líquida (o “solvente universal” que tornou possível o primeiro DNA talvez 3.5 bilhões de anos atrás nos oceanos). A descoberta de planetas parecidos com a Terra pode ocorrer dentro de 20 anos, quando a NASA pretende lançar em órbita o satélite de interferometria espacial que pode ser sensível o suficiente para detectar pequenos planetas orbitando outras estrelas.
Até agora, não vemos evidências concretas de sinais de civilizações extraterrestres de qualquer planeta semelhante à Terra. O projeto SETI (a busca por inteligência extraterrestre) ainda não produziu nenhuma evidência reproduzível de vida inteligente no universo de tais planetas semelhantes à Terra, mas o assunto ainda merece uma análise científica séria. A chave é reanalisar a objeção às viagens mais rápidas que a luz.
Um olhar crítico sobre esta questão deve necessariamente abranger duas novas observações. Primeiro, a própria Relatividade Especial foi superada pela própria Relatividade Geral mais poderosa de Einstein (1915), na qual viagens mais rápidas que a luz são possíveis sob certas condições raras. A principal dificuldade é acumular energia suficiente de um determinado tipo para quebrar a barreira da luz. Em segundo lugar, deve-se, portanto, analisar as civilizações extraterrestres com base em sua produção total de energia e nas leis da termodinâmica. A esse respeito, deve-se analisar civilizações que talvez estejam milhares ou milhões de anos à frente da nossa.
A primeira tentativa realista de analisar civilizações extraterrestres do ponto de vista das leis da física e das leis da termodinâmica foi feita pelo astrofísico russo Nicolai Kardashev. Ele baseou sua classificação de civilizações possíveis com base na produção total de energia que poderia ser quantificada e usada como um guia para explorar a dinâmica de civilizações avançadas:
Tipo I: esta civilização aproveita a produção de energia de um planeta inteiro.
Tipo II: esta civilização aproveita a produção de energia de uma estrela e gera cerca de 10 bilhões de vezes a produção de energia de uma civilização do Tipo I.
Tipo III: esta civilização aproveita a produção de energia de uma galáxia, ou cerca de 10 bilhões de vezes a produção de energia de uma civilização do Tipo II.
Uma civilização Tipo I: seria capaz de manipular energias verdadeiramente planetárias. Eles podem, por exemplo, controlar ou modificar seu clima. Eles teriam o poder de manipular fenômenos planetários, como furacões, que podem liberar a energia de centenas de bombas de hidrogênio. Talvez vulcões ou mesmo terremotos possam ser alterados por tal civilização.
Uma civilização Tipo II: pode se assemelhar à Federação de Planetas vista no programa de TV Jornada nas Estrelas (que é capaz de incendiar estrelas e colonizou uma pequena fração das estrelas próximas na galáxia). Uma civilização Tipo II pode ser capaz de manipular o poder das explosões solares.
Uma civilização Tipo III: pode se assemelhar aos Borg, ou talvez ao Império encontrado na saga Star Wars. Eles colonizaram a própria galáxia, extraindo energia de centenas de bilhões de estrelas.
Em contrapartida, somos uma civilização do Tipo 0, que extrai sua energia de plantas mortas (petróleo e carvão). Crescendo a uma taxa média de cerca de 3% ao ano, no entanto, pode-se calcular que nossa própria civilização pode atingir o status Tipo I em cerca de 100-200 anos, o status Tipo II em alguns milhares de anos e o status Tipo III em cerca de 100.000 a um milhão de anos. Essas escalas de tempo são insignificantes quando comparadas com o próprio universo.
Nesta escala, pode-se agora classificar os diferentes sistemas de propulsão disponíveis para diferentes tipos de civilizações:
Tipo 0:
Foguetes químicos
Motores iônicos
Poder de fissão
Propulsão EM (rail guns)
Tipo I:
Motores de fusão a jato Ram
Fotônica Unidade antimatéria
Tipo II:
Nano sondas Von Neumann
Tipo III:
Propulsão por energia Planck Os sistemas de propulsão podem ser classificados por duas quantidades: seu impulso específico e velocidade final de viagem.
O impulso específico é igual ao impulso multiplicado pelo tempo durante o qual o impulso atua. Atualmente, quase todos os nossos foguetes são baseados em reações químicas. Vemos que os foguetes químicos têm o menor impulso específico, pois operam apenas por alguns minutos. Seu impulso pode ser medido em milhões de libras, mas eles operam por uma duração tão pequena que seu impulso específico é bem pequeno.
A NASA está experimentando hoje motores de íons, que têm um impulso específico muito maior, pois podem operar por meses, mas têm um empuxo extremamente baixo. Por exemplo, um motor de íons que ejeta íons de césio pode ter o impulso de algumas onças, mas no espaço profundo eles podem atingir grandes velocidades durante um período de tempo, pois podem operar continuamente. Eles recuperam em tempo o que perdem em impulso. Eventualmente, missões de longa distância entre planetas podem ser conduzidas por motores de íons.
Para uma civilização Tipo I, pode-se imaginar novos tipos de tecnologias emergentes. Os motores de fusão Ram-jet têm um impulso específico ainda maior, operando por anos consumindo o hidrogênio livre encontrado no espaço profundo. No entanto, pode levar décadas até que a energia de fusão seja aproveitada comercialmente na Terra, e o processo de fusão próton-próton de um motor de fusão a jato de carneiro pode levar ainda mais tempo para se desenvolver, talvez um século ou mais. Os motores a laser ou fotônicos, porque podem ser movidos por feixes de laser inflando uma vela gigantesca, podem ter impulsos específicos ainda maiores. Pode-se imaginar enormes baterias de laser colocadas na lua que geram grandes feixes de laser que então empurram uma vela de laser no espaço sideral. Essa tecnologia, que depende da operação de grandes bases na Lua, provavelmente está a muitos séculos de distância.
Para uma civilização Tipo II, uma nova forma de propulsão é possível: o impulso antimatéria. As colisões matéria-antimatéria fornecem uma maneira 100% eficiente de extrair energia da matéria. No entanto, a antimatéria é uma forma exótica de matéria cuja produção é extremamente cara. O esmagador de átomos do CERN, nos arredores de Genebra, mal consegue produzir pequenas amostras de gás anti-hidrogênio (anti-elétrons circulando em torno de anti-prótons). Pode levar muitos séculos a milênios para reduzir o custo para que possa ser usado para voos espaciais.
Dado o número astronômico de planetas possíveis na galáxia, uma civilização do Tipo II pode tentar uma abordagem mais realista do que os foguetes convencionais e usar a nanotecnologia para construir sondas robóticas minúsculas e autorreplicantes que podem proliferar pela galáxia da mesma maneira que um vírus microscópico pode se auto-replicar e colonizar um corpo humano dentro de uma semana. Tal civilização pode enviar minúsculas sondas robóticas de von Neumann para luas distantes, onde criarão grandes fábricas para reproduzir milhões de cópias de si mesmas. Tal sonda de von Neumann precisa apenas ser do tamanho de uma caixa de pão, usando nanotecnologia sofisticada para fazer circuitos e computadores de tamanho atômico. Em seguida, essas cópias decolam para pousar em outras luas distantes e iniciam o processo novamente. Essas sondas podem esperar em luas distantes, esperando que uma civilização primitiva do Tipo 0 amadurecesse em uma civilização do Tipo I, o que seria interessante para eles. (Existe a possibilidade pequena, mas distinta, de que uma dessas sondas tenha pousado em nossa própria lua bilhões de anos atrás por uma civilização viajante do espaço. Isso, de fato, é a base do filme 2001, talvez o retrato mais realista do contato com inteligência extraterrestre.)
O problema, como se vê, é que nenhum desses motores consegue ultrapassar a velocidade da luz. Assim, as civilizações Tipo 0, I e II provavelmente podem enviar sondas ou colônias apenas para algumas centenas de anos-luz de seu planeta natal. Mesmo com as sondas von Neumann, o melhor que uma civilização Tipo II pode conseguir é criar uma grande esfera de bilhões de sondas auto-replicantes que se expandem logo abaixo da velocidade da luz. Para quebrar a barreira da luz, deve-se utilizar a Relatividade Geral e a teoria quântica. Isso requer energias que estão disponíveis para uma civilização muito avançada do Tipo II ou, mais provavelmente, uma civilização do Tipo III.
A Relatividade Especial afirma que nenhuma informação utilizável pode viajar localmente mais rápido que a luz. Pode-se ir mais rápido que a luz, portanto, se usarmos a possibilidade de distorcer globalmente o espaço e o tempo, ou seja, a Relatividade Geral. Em outras palavras, em tal foguete, um passageiro que observasse o movimento de estrelas passageiras diria que está indo mais devagar que a luz. Mas uma vez que o foguete chega ao seu destino e os relógios são comparados, parece que o foguete foi mais rápido que a luz porque distorceu o espaço e o tempo globalmente, pegando um atalho ou esticando e contraindo o espaço.
Existem pelo menos duas maneiras pelas quais a Relatividade Geral pode ceder mais rápido do que a viagem da luz. A primeira é através de buracos de minhoca, ou superfícies de Riemann multiplamente conectadas, que podem nos dar um atalho através do espaço e do tempo. Uma geometria possível para tal buraco de minhoca é reunir quantidades estelares de energia em um anel giratório (criando um buraco negro de Kerr). A força centrífuga impede o colapso do anel giratório. Qualquer um que passasse pelo anel não seria dilacerado, mas acabaria em uma parte totalmente diferente do universo. Isso se assemelha ao Espelho de Alice, com a borda do Espelho sendo o buraco negro e o espelho sendo o buraco de minhoca. Outro método pode ser separar um buraco de minhoca da “espuma quântica” que os físicos acreditam compor o tecido do espaço e do tempo no comprimento de Planck (10 elevado a menos 33 centímetros).
Os problemas com buracos de minhoca são muitos:
a) uma versão requer enormes quantidades de energia positiva, por exemplo, um buraco negro. Buracos de minhoca de energia positiva têm horizonte(s) de eventos e, portanto, só nos dão uma viagem de ida. Seriam necessários dois buracos negros (um para a viagem original e outro para a viagem de volta) para tornar prática a viagem interestelar. Muito provavelmente, apenas uma civilização do Tipo III seria capaz de aproveitar esse poder.
b) os buracos de minhoca podem ser instáveis, tanto na mecânica clássica quanto na mecânica quântica. Eles podem fechar assim que você tentar entrar neles. Ou os efeitos da radiação podem aumentar conforme você entra neles, matando você.
c) uma versão requer grandes quantidades de energia negativa. A energia negativa existe (na forma do efeito Casimir), mas enormes quantidades de energia negativa estarão além de nossa tecnologia, talvez por milênios. A vantagem dos buracos de minhoca de energia negativa é que eles não têm horizontes de eventos e, portanto, são mais facilmente transponíveis.
d) outra versão requer grandes quantidades de matéria negativa. Infelizmente, a matéria negativa nunca foi vista na natureza (ela cairia para cima, em vez de para baixo). Qualquer matéria negativa na Terra teria caído bilhões de anos atrás, tornando a Terra desprovida de qualquer matéria negativa.
A segunda possibilidade é usar grandes quantidades de energia para alongar continuamente o espaço e o tempo (isto é, contrair o espaço à sua frente e expandir o espaço atrás de você). Como apenas o espaço vazio está se contraindo ou expandindo, pode-se exceder a velocidade da luz dessa maneira. (O espaço vazio pode distorcer o espaço mais rápido que a luz. Por exemplo, o Big Bang se expandiu muito mais rápido que a velocidade da luz.) O problema com essa abordagem, novamente, é que grandes quantidades de energia são necessárias, tornando-a viável apenas para um Tipo III civilização. As escalas de energia para todas essas propostas são da ordem da energia de Planck (10 elevado a 19 bilhões de elétron-volts, que é um quatrilhão de vezes maior que nosso mais poderoso esmagador de átomos).
Por fim, há o problema fundamental da física de saber se a “mudança de topologia” é possível dentro da Relatividade Geral (o que também possibilitaria máquinas do tempo ou curvas fechadas semelhantes ao tempo). A Relatividade Geral permite curvas temporais fechadas e buracos de minhoca (muitas vezes chamados de pontes Einstein-Rosen), mas infelizmente se decompõe nas grandes energias encontradas no centro dos buracos negros ou no instante da Criação. Para esses domínios extremos de energia, os efeitos quânticos dominarão os efeitos gravitacionais clássicos, e deve-se ir para uma “teoria de campo unificado” da gravidade quântica.
Atualmente, o candidato mais promissor (e único) para uma “teoria de tudo”, incluindo a gravidade quântica, é a teoria das supercordas ou teoria-M. É a única teoria em que as forças quânticas podem ser combinadas com a gravidade para produzir resultados finitos. Nenhuma outra teoria pode fazer essa afirmação. Com apenas suposições moderadas, pode-se mostrar que a teoria permite quarks arranjados de forma muito parecida com a configuração encontrada no atual Modelo Padrão da física subatômica. Como a teoria é definida em um hiperespaço de 10 ou 11 dimensões, ela introduz uma nova imagem cosmológica: que nosso universo é uma bolha ou membrana flutuando em um multiverso ou megaverso muito maior de universos-bolha.
Infelizmente, embora soluções de buracos negros tenham sido encontradas na teoria das cordas, a teoria ainda não foi desenvolvida para responder a questões básicas sobre buracos de minhoca e sua estabilidade. Nos próximos anos ou talvez em uma década, muitos físicos acreditam que a teoria das cordas amadurecerá a ponto de poder responder a essas questões fundamentais sobre espaço e tempo. O problema está bem definido. Infelizmente, embora os principais cientistas do planeta estejam trabalhando na teoria, ninguém na Terra é inteligente o suficiente para resolver as equações das supercordas.
Conclusão
A maioria dos cientistas duvida da viagem interestelar porque a barreira da luz é muito difícil de quebrar. No entanto, para ir mais rápido que a luz, é preciso ir além da Relatividade Especial para a Relatividade Geral e a teoria quântica. Portanto, não se pode descartar viagens interestelares se uma civilização avançada puder obter energia suficiente para desestabilizar o espaço e o tempo. Talvez apenas uma civilização do Tipo III possa aproveitar a energia de Planck, a energia na qual o espaço e o tempo se tornam instáveis. Várias propostas foram dadas para ultrapassar a barreira da luz (incluindo buracos de minhoca e espaço esticado ou distorcido), mas todas elas requerem energias encontradas apenas em civilizações galácticas do Tipo III. Em um nível matemático, em última análise, devemos esperar por uma teoria da gravidade totalmente mecânica quântica (como a teoria das supercordas) para responder a essas questões fundamentais.
Michio Kaku, Físico Teórico, CUNY.
Fonte: MKaku.org
