Αρνητική ενέργεια, «σκουληκότρυπες» και κινητήρες στρέβλωσης

Τα κύματα φωτός έχουν θετική ή μηδενική ενέργεια σε οποιοδήποτε σημείο κατά μήκος τους. Αλλά στη συμπιεσμένη κατάσταση, η ενεργειακή πυκνότητα μια δεδομένη χρονική στιγμή μπορεί να είναι αρνητική σε διάφορα σημεία. Σαν αντιστάθμισμα η κορυφή του θετικού τμήματος πρέπει να ανέβει ψηλότερα

Μπορεί μια περιοχή του χώρου να περιέχει κάτι λιγότερο από το τίποτα; Η κοινή λογική απαντάει: Οχι. Το πολύ - πολύ να
καταφέρει κανείς να αφαιρέσει όλη την ύλη με τη μορφή σωματιδίων και με τη μορφή ακτινοβολίας, οπότε θα μείνει το κενό. Σύμφωνα όμως με την κβαντική φυσική τα πράγματα δεν είναι έτσι. Μια περιοχή του χώρου μπορεί πράγματι να περιέχει κάτι λιγότερο από το τίποτα! Η ενέργειά της ανά μονάδα όγκου, η ενεργειακή πυκνότητά της, μπορεί να είναι μικρότερη του μηδενός!

Οπως θα περίμενε κανείς, οι συνέπειες αυτής της δυνατότητας είναι πολύ παράξενες. Σύμφωνα με τη Γενική Θεωρία της Σχετικότητας, δηλαδή τη θεωρία του Αϊνστάιν για τη βαρύτητα, η παρουσία ύλης (είτε ως μάζα, είτε ως ενέργεια) στρεβλώνει τη γεωμετρία του χωροχρονικού συνεχούς. Αυτό που αντιλαμβανόμαστε σαν βαρύτητα είναι η παραμόρφωση του χωροχρόνου που προκαλείται από τη συνήθη, θετική ενέργεια ή μάζα. Αλλά όταν η αρνητική ενέργεια ή μάζα (γνωστές και σαν «εξωτική ύλη») παραμορφώνει το χωροχρόνο, πολλά απίστευτα φαινόμενα μπορούν να γίνουν δυνατά: Το πέρασμα μέσα από «σκουληκότρυπες» (wormholes) που λειτουργούν σαν σήραγγες προς άλλα μακρινά σημεία του σύμπαντος, οι διαστημικοί κινητήρες στρέβλωσης (warp drive), που θα μπορούσαν να επιτρέψουν ταξίδια με ταχύτητα μεγαλύτερη του φωτός (χωρίς να παραβιάζουν τη σχετική αρχή της φυσικής), ακόμα και οι χρονομηχανές για την πραγματοποίηση ταξιδιών στο παρελθόν ή το μέλλον.

Για τους φυσικούς, αυτές οι συνέπειες χτυπούν το κουδούνι του συναγερμού. Τα πιθανά παράδοξα του ταξιδιού στο παρελθόν - όπως η δολοφονία του παππού κάποιου πριν γίνει η σύλληψη του πατέρα του στη μήτρα της γιαγιάς του - έχουν εδώ και δεκαετίες εξερευνηθεί από την επιστημονική φαντασία. Αλλά και οι άλλες συνέπειες της εξωτικής ύλης (δεν πρέπει να συγχέεται με την αντιύλη) είναι επίσης προβληματικές. Εγείρουν ένα ερώτημα θεμελιώδους σημασίας: Μήπως οι ίδιοι οι νόμοι της φύσης που επιτρέπουν την ύπαρξη αρνητικής ενέργειας θέτουν περιορισμούς στη συμπεριφορά της; Επιστημονικές μελέτες των τελευταίων ετών αποκάλυψαν ότι πράγματι υπάρχουν πολύ αυστηροί περιορισμοί στο μέγεθος και τη διάρκεια της αρνητικής ενέργειας, που - δυστυχώς για τους οπαδούς της επιστημονικής φαντασίας - φαίνεται να κάνουν αδύνατη την κατασκευή «σκουληκότρυπων» και κινητήρων στρέβλωσης.

Η «σκουληκότρυπα» λειτουργεί ως σήραγγα μεταξύ δύο απομακρυσμένων περιοχών του σύμπαντος. Οι ακτίνες φωτός που ταξιδεύουν από το Α στο Β μπορούν να μπουν από το ένα άκρο, να περάσουν από το «λαιμό» και να βγουν από το άλλο άκρο, χρησιμοποιώντας την τρύπα σαν σύντομο δρόμο (ακριβώς γι' αυτό δεν παραβιάζεται ο νόμος του μέγιστου της ταχύτητας του φωτός). Στο «λαιμό» της τρύπας πρέπει να υπάρχει αρνητική ενέργεια, που θα κάνει τις συγκλίνουσες ακτίνες να αρχίσουν να αποκλίνουν

Συγκεκριμένα, οι παλμοί αρνητικής ενέργειας επιτρέπονται από την κβαντική θεωρία με τους εξής περιορισμούς: α) Οσο πιο μεγάλης διάρκειας είναι ο παλμός, τόσο πιο ασθενής πρέπει να είναι, β) ένας παλμός θετικής ενέργειας μεγαλύτερου μεγέθους πρέπει να ακολουθεί πάντοτε τον παλμό αρνητικής ενέργειας και γ) όσο πιο μεγάλο είναι το διάστημα ανάμεσα στον παλμό αρνητικής και στον παλμό θετικής ενέργειας, τόσο πιο μεγάλος πρέπει να είναι ο παλμός θετικής ενέργειας.

Η έννοια της αρνητικής ενέργειας δεν είναι καθαρό προϊόν φαντασίας. Μερικές επιδράσεις της έχουν παρατηρηθεί ακόμα και στο εργαστήριο. Πηγάζουν από την Αρχή της Απροσδιοριστίας του Χάιζενμπεργκ, που απαιτεί η ενεργειακή πυκνότητα κάθε ηλεκτρικού, μαγνητικού ή άλλου πεδίου να αυξομειώνεται τυχαία (σε μικροσκοπική κλίμακα). Ακόμα κι όταν η ενεργειακή πυκνότητα είναι μηδενική κατά μέσον όρο, όπως στο κενό, και πάλι παρουσιάζει διακυμάνσεις. Το κβαντικό κενό δεν είναι ποτέ πραγματικά κενό με την καθιερωμένη έννοια του όρου. Είναι μια θάλασσα «εικονικών» σωματιδίων που εμφανίζονται από το τίποτα, για να εξαφανιστούν αμέσως μετά. Η φύση αποστρέφεται το κενό. Αν κάποιος μπορούσε να αμβλύνει τους κυματισμούς, το κενό θα είχε λιγότερη ενέργεια απ' ό,τι έχει, με άλλα λόγια λιγότερη από τη μηδενική ενέργεια, άρα αρνητική ενέργεια.

Η φυσαλίδα χωροχρόνου είναι το κοντινότερο ανάλογο της σύγχρονης φυσικής στους κινητήρες στρέβλωσης της επιστημονικής φαντασίας. Ο χωροχρόνος συμπιέζεται στο μπροστινό μέρος (μειώνοντας την απόσταση από τον προορισμό) και εκτείνεται στο πίσω μέρος, αυξάνοντας την απόσταση από την αφετηρία. Το διαστημόπλοιο μένει ακίνητο ως προς το χώρο μέσα στη φυσαλίδα. Αρνητική ενέργεια χρειάζεται στα πλευρά της φυσαλίδας Πηγή: «Scientific American»

Ενα φαινόμενο που σχετίζεται με την αρνητική ενέργεια παρατηρείται στην κβαντική οπτική όταν δημιουργηθούν με κατάλληλες πειραματικές διατάξεις συμπιεσμένες καταστάσεις κενού. Μια άλλη μέθοδος εμφάνισης αρνητικής ενέργειας είναι αυτή που αξιοποιεί το φαινόμενο Κάσιμιρ, γνωστό από το 1948: Οταν δύο λείες μη φορτισμένες μεταλλικές πλάκες τοποθετηθούν πολύ (πάρα πολύ...) κοντά, τότε αποκόπτονται οι θετικές διακυμάνσεις του κενού ανάμεσα στις πλάκες με αποτέλεσμα η αρνητική ενεργειακή πυκνότητα που απομένει να ασκεί ελκτική επίδραση ανάμεσά τους.

Η θέα από τη γέφυρα ενός διαστημόπλοιου, που τρέχει με ταχύτητα μεγαλύτερη από την ταχύτητα του φωτός δε θα ήταν όπως αυτή που βλέπουμε στις τηλεοπτικές σειρές επιστημονικής φαντασίας (φωτεινές γραμμές πίσω από τα άστρα). Καθώς αυξάνει η ταχύτητα, τα αστέρια στην πλώρη φαίνονται να συγκλίνουν και εμφανίζονται πιο γαλάζια. Αντίθετα, στην πρύμνη φαίνονται να γίνονται μια κοκκινωπή μάζα στο κέντρο. Αναλλοίωτα φαίνονται μόνο όσα βρίσκονται σε ένα δακτύλιο κάθετο στη διεύθυνση κίνησης