Космічний простір має одну рису, яку людство не знає, як побороти – це відстань. Відстані в космосі настільки великі, що навіть сонячне світло – найшвидше із відомих явищ – летить вісім хвилин до Землі. В космічних масштабах навіть це дуже повільно, але сучасні людські кораблі можуть лише мріяти хоча б про швидкість світла. Хоча, ця мрія може втілитися в реальність: науковці створили інструкцію для подорожей на швидкості світла, яка фактично підкоряється законам фізики.
Серіал «Зоряний шлях» (Star Track) 1966 року підштовхнув науковців до розробки ідей космічних мандрівок на швидкості світла чи більше. Мексиканський фізик Мігель Алькуб’єрре Мойю через десятиліття опублікував своє передове дослідження для здивованої спільноти фізиків-теоретиків. Названий його іменем варп-привід Алькуб’єрре гіпотетично звужує простір-час перед космічним кораблем, одночасно розширюючи простір-час позаду нього, так що корабель рухається з точки А в точку Б із довільно швидкою швидкістю. Спостерігач за межами «варп-бульбашки» корабля побачить, що корабель рухається швидше за швидкість світла, навіть якщо спостерігачі всередині корабля не відчують сил прискорення.
Якби надсвітловий варп-привід Алькуб’єрре, спрацював, це революціонізувало можливості людства в усьому Всесвіті, дозволивши нам, вийти за межі Сонячної системи. Адже сьогодні потрібно понад 45 років, щоб лише дістатися меж сонячної системи – це вдалося лише зонду Вояджер, який запустили в 1977 році. Досягти Альфи Центавра, найближчої зоряної системи до нас, людство сьогодні фізично не може, адже навіть світлу треба чотири роки на подолання такої відстані.
Однак привід Алькуб’єрре має явну проблему: сила, що стоїть за його роботою, називається «негативною енергією», включає екзотичні частинки — гіпотетичну матерію, яка, наскільки нам відомо, не існує в нашому Всесвіті.
Описані лише в математичних термінах, екзотичні частинки діють несподіваним чином, наприклад, маючи від’ємну масу та діючи в опозиції до сили тяжіння (антигравітацію) – це порушує відомі нам закони фізики. Протягом останніх 30 років вчені публікували дослідження, які розглядали притаманні перешкоди, розкриті в фундаментальній статті Алькуб’єрре 1994 року, опублікованій у рецензованому журналі Classical and Quantum Gravity.
Тепер дослідники з нью-йоркського аналітичного центру Applied Physics вважають, що вони знайшли новий креативний підхід до вирішення фундаментальної перешкоди варп-приводу.
Разом із колегами з інших закладів команда розробила систему «позитивної енергії», яка не порушує відомі закони фізики. Це змінює правила гри, кажуть двоє авторів дослідження: Джанні Мартіре, генеральний директор Applied Physics, і Джаред Фукс, доктор філософії, старший науковий співробітник. Їх робота, також опублікована в Classical and Quantum Gravity наприкінці квітня, може стати першою главою посібника з міжзоряних космічних польотів.
Позитивна енергія вирішує все. Уявіть, що ви космонавт у космосі, який штовхає від себе тенісний м’яч. Замість того, щоб віддалятися, м’яч штовхається назад до такої міри, що «відриває вашу руку», якщо ви прикладаєте достатню силу штовхання, розповідає Мартіре. Це ознака негативної енергії. І, хоча конструкція приводу Alcubierre вимагає цього, немає способу використовувати негативну енергію.
Натомість звичайна стара позитивна енергія більш доцільна для побудови «викривленої бульбашки». Як випливає з назви, варп-бульбашка – це сферична структура, яка оточує та огороджує простір для пасажирського судна за допомогою оболонки зі звичайної, але неймовірно щільної матерії. Пузир рухає космічний корабель за допомогою потужної сили тяжіння оболонки, але не викликаючи у пасажирів відчуття прискорення. «Поїздка на ліфті була б більш насиченою», — каже Мартіре.
Це тому, що щільність оболонки, а також тиск, який вона чинить на внутрішню частину, ретельно контролюються, розповідає Фукс.
Відповідно до принципів загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна, ніщо не може рухатися швидше, ніж швидкість світла.
Отже, бульбашка сконструйована таким чином, що спостерігачі в межах свого локального просторово-часового середовища — всередині бульбашки — відчувають нормальний рух у часі. Одночасно сам міхур стискає простір-час перед кораблем і розширює його позаду корабля, неймовірно швидко переправляючи себе та корабель, що знаходиться в ньому. Стінки бульбашки генерують необхідний імпульс, подібний до моменту руху кульок, пояснює Фукс. «Саме рух матерії в стінах створює ефект для пасажирів усередині», – каже він.
Обчислювальна модель стабільної викривленої бульбашки з постійною швидкістю, розроблена з «позитивною масою» та «позитивною енергією», щоб уникнути порушення законів фізики. Пасажири їздили б на кораблі всередині міхура й досягали досвітлових (менших за світлові) швидкостей. Нове дослідження групи Applied Physics створило цю гіпотетичну модель за допомогою набору програмного забезпечення Warp Factory.
Спираючись на свою статтю 2021 року, опубліковану в Classical and Quantum Gravity, де детально описано попередню роботу тих самих дослідників щодо фізичних варп-приводів, команда змогла змоделювати складність системи за допомогою власної обчислювальної програми Warp Factory. Цей набір інструментів для моделювання простору-часу варп-приводу дозволяє дослідникам оцінювати рівняння поля Ейнштейна та обчислювати енергетичні умови, необхідні для різних геометрій варп-приводу. Кожен може завантажити та використовувати його безкоштовно .
Ці експерименти призвели до того, що Фукс називає міні-моделлю, першою загальною моделлю варп-приводу з позитивною енергією. Їхня минула робота також продемонструвала, що кількість енергії, яку вимагає варп-бульбашка, залежить від форми бульбашки; наприклад, чим плоскіша бульбашка в напрямку руху, тим менше енергії їй потрібно.
«Це останнє досягнення пропонує нові можливості для вивчення дизайну варп-подорожі», — розповідає Ерік Ленц, доктор філософії. На своїй нинішній посаді штатного фізика Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії в Річленді, Ленц сприяє дослідженням виявлення темної матерії та дослідженням квантової інформатики. Його незалежне дослідження теорії варп-приводу також має на меті спиратися на звичайну фізику, переосмислюючи форму викривленого простору. За його словами, цій темі потрібно подолати багато практичних перешкод.
Контроль варп-бульбашок вимагає великої координації, оскільки вони включають величезну кількість матерії та енергії, щоб убезпечити пасажирів та з таким же часом, як і пункт призначення. «Ми могли б з таким же успіхом спроектувати простір-час, у якому час протікає набагато інакше всередині [салону], ніж зовні. Ми можемо пропустити нашу зустріч у Proxima Centauri, якщо не будемо обережні, — каже Ленц. – Це все ще ризик, якщо ми подорожуємо зі швидкістю менше світла». Зв’язок між людьми всередині міхура і зовні також може спотворитися, коли він проходить крізь кривизну викривленого простору, додає він.
Хоча поточне рішення Applied Physics вимагає варп-приводу, який рухається зі швидкістю нижче світла, модель все ще потребує підключення маси, еквівалентної приблизно двом Юпітерам. В іншому випадку він ніколи не досягне достатньої сили тяжіння та імпульсу, щоб викликати значущий ефект деформації. Але ніхто не знає, що може бути джерелом цієї маси — принаймні поки що. Деякі дослідження припускають, що якби ми могли якимось чином використовувати темну матерію, ми могли б використовувати її для подорожей на швидкості світла, але Фукс і Мартір сумніваються, оскільки наразі це велика загадка (і екзотична частинка).
Незважаючи на численні проблеми, які вченим ще потрібно вирішити, щоб побудувати робочий варп-привід, команда Applied Physics стверджує, що її модель з часом повинна наблизитися до швидкості світла.
І навіть якщо реальна модель залишається нижчою за швидкість світла, це значне вдосконалення в порівнянні з сучасними технологіями. Наприклад, подорож навіть на половині швидкості світла до Альфи Центавра займе дев’ять років. На відміну від цього, нашому найшвидшому космічному кораблю «Вояджер-1», який зараз рухається зі швидкістю 45000 кілометрів на годину, знадобиться 75 000 років, щоб досягти нашої найближчої сусідньої зоряної системи.
Звичайно, коли ви наближаєтеся до фактичної швидкості світла, все стає справді дивним, згідно з принципами спеціальної теорії відносності Ейнштейна . Маса об’єкта, який рухається все швидше і швидше, зростала б нескінченно, що зрештою потребувало б нескінченної кількості енергії для підтримки своєї швидкості.
«Це головне обмеження та ключова проблема, яку ми маємо подолати — як ми можемо мати всю цю матерію в нашій [бульбашці], але не в такому масштабі, щоб ми ніколи не могли її зібрати разом?», – каже Мартір. Можливо, відповідь криється у фізиці конденсованого середовища, додає він. Ця галузь фізики розглядає, зокрема, сили між атомами та електронами в речовині. Це вже довело фундаментальне значення для деяких наших сучасних технологій, таких як транзистори, твердотільні лазери та магнітні носії інформації.
Інша велика проблема полягає в тому, що нинішні моделі дозволяють стабільну бульбашку деформації, але лише для постійної швидкості. Вченим ще потрібно з’ясувати, як створити початкове прискорення.
Як корабель уповільнить і зупиниться на іншому кінці шляху? «Це як спроба вперше осягнути автомобіль, — каже Мартір. – У нас ще немає двигуна, але ми бачимо світло в кінці тунелю». За його словами, технологія варп-приводу перебуває на етапі автомобільної технології 1882 року: коли подорожі на автомобілі були можливі, але це все ще виглядало як важка, важка проблема.
Команда Applied Physics вважає, що майбутні інновації у варп-мандрівках неминучі. Загальна модель позитивної енергії є першим кроком. Крім того, вам не потрібно масштабувати зі швидкістю світла, щоб досягти відстаней, які сьогодні є лише мрією, каже Мартір. «Людство офіційно, математично, знаходиться на міжзоряному шляху», – каже він.
За матеріалами: Popular Mechanics
