Varpajam

Varpajam (warp drive, eesti keeles tuntud ka kui ruumimuundur) on hüpoteetiline kontseptsioon, mis paneks tähelaevad liikuma valgusest kiiremini. Seesugune idee on tuntust kogunud eelkõige tänu filmile "Star Trek", kus tähelaevad liikusid valgusest kiiremini.

Filmis "Star Trek" varpajamit kasutanud kosmoselaeva makett

Einsteini relatiivsusteooria kohaselt ei saa miski liikuda kiiremini kui valgus, kuid NASA füüsikud usuvad, et liikumine valgusest kiiremini on tänu varpajamile siiski võimalik, seejuures füüsikaseadusi rikkumata. Nimelt lubab relatiivsusteooria kõverdada aegruumi ja luua mulli, mis kannaks kosmoselaeva edasi valguse kiirusest kümneid kordi kiiremini. Varpajam tooks näiteks Päikese naabertähe Proxima Centauri meie käeulatusse. Kui praeguse raketitehnoloogiaga kuluks selle täheni jõudmiseks ligikaudu 77 000 aastat ja näiteks tuumasünteesi kasutava kosmoselaevaga jõuaksime sinna umbes 60 aastaga, siis ulmeline varpajamiga kosmoselaev jõuaks Proxima Centaurini kahe nädalaga.

Ajaloost

Varpajami idee pärineb 1966. aastal teleekraanile jõudnud ulmeseriaalist "Star Trek", kus kosmoselaevad said erilise "mootori" abil liikuda valgusest mitu korda kiiremini. 1994. aastal demonstreeris Mehhiko füüsik Miguel Alcubierre, kuidas Einsteini esitatud seaduspärasuste raames on võimalik muuta aegruumi geomeetriat nii, et piltlikult öeldes aeg­ruumi lainel ratsutav kosmoselaev liiguks valgusest kiiremini ning inspireerituna filmist "Star Trek" nimetas selle ebatavalise liikumisvahendi varpajamiks (inglise keeles warp drive). Ingliskeelne sõna warp tähendab koolutamist või kõverdamist ning varp­ajam töötabki aegruumi kõverdamise põhi­mõttel. Varpajam looks energiamulli (või varpmulli, inglise keeles warp-bubble) laeva taga ja energia tühimiku laeva ees, mis ühtekokku moodustaks hiiglasliku kosmilise laine, millel tähelaev saaks "surfata". Nimetatud konkreetne osa tähetedevahelisest ruumist suudab liikuda kiiremini kui valgus ümbritsevas ruumis ning kõik, mis on kas selle ruumimulli peal või sees, liiguks samuti valgusest kiiremini.

1994. aastal tabas Alcubierre'i geniaalset ideed tagasilöök, kui Michael Pfenning ja Larry Ford Medfordi ülikoolist väitsid enda kalkulatsioonide põhjal, et varpajami idee elluviimiseks oleks vaja rohkem kui kogu meie universumis sisalduvat energiat. Varpajami idee taaselustas 1999. aastal Belgiast pärit Chris Van Den Broeck, kes täiustas Alcubierre'i välja pakutud meetrikat ning kasutades Pflenningi ja Fordi tulemusi näitas, et varpajami liikumapanemiseks on vaja vaid väga vähest kogust aegruumi painutavat eksootilist materjali.

Tänapäeval tegelevad varpajami idee tõestamisega rühm NASA Johnsoni kosmosekeskuse teadlasi, mida juhib Ameerika insener Harold White. Teadlased püüavad tekitada varpmulli ning esialgu proovitakse mulliga liigutada vaid ühte laserikiirt, kuid kui tulevikus tahetakse luua nii suur mull, kuhu mahuks kosmoselaev, mis saaks astronaute lähetada kaugetele tähtede juurde ja isegi võõrastesse galaktikatesse. 2021. aasta juulis avaldati eelretsenseeritud ajakirjas European Physical Journal artikkel, et Harold White, Jerry Vera, Arum Han, Alexander R. Bruccoleri ja Jonathan MacArthur avastasid energiamulli.

Alcubierre'i meetrika

Alcubierre'i varpvälja visualiseering

Alcubierre'i meetrika defineerib varpajami aegruumi. See on Lorentzi muutkond, mis interpreteerituna üldrelatiivsuse konteksti, eksponeerib "Star Treki" filmi kosmoselaevu meenutavat varpajamit. Alcubierre'i meetrika on defineeritud järgmiselt:

$ds^{2}=-dt^{2}+(dx-v_{s}f(r_{s})dt)^{2}+dy^{2}+dz^{2}$ (kus $v_{s}(t)=dx_{s}(t)/dt$ on süsteemi kiirus)

varpajami jaoks, mis liigub x-telje suunas. Suurus $r_{s}$ on erinevus algsete koordinaatide ja varp-koordinaatide vahel. $f(r_{s})$ on (kiiruse) funktsioon, mis piisavalt väikese koordinaatide erinevuse $r_{s}$ korral, on ligukaudu võrdne ühega. Kui funktsiooni $f(r_{s})$ väärtus on täpselt võrdne ühega siis $r_{s}=0$ (see on nii varpmulli sees) ning suure koordinaatide erinevuse $r_{s}$ korral läheneb funktsiooni väärtus nullile (see on nii väljaspool varpmulli). Suurus $r_{s}$ on antud valemiga:

$r_{s}(t)=[(x-x_{s}(t))^{2}+y^{2}+z^{2}]^{1/2}$.

Funktsiooni $f(r_{s})$ nimetatakse ka "torukübara funktsiooniks" ning see on defineeritud valemiga

$f(r_{s})={\frac {tanh(\sigma (r_{s}+R))-tanh(\sigma (r_{s}-R))}{2tanh(\sigma R)}}$,

kus $R$ ja $\sigma$ on mingid etteantud parameetrid, mis on mõlemad nullist suuremad.