У масштабах космосу навіть найшвидша відома людству річ – фотони світла – повзає так само повільно, як равлик. Наукові фантасти, а згодом і вчені, зацікавилися багатообіцяючим варп-двигуном. Він би міг дозволити рухатися значно швидше, ніж світло, і при цьому без ефектів старіння. Але нещодавній експеримент поставив на варп-двигуні хрест, довівши його принципову неможливість.
Варп-привід, він же двигун Алькуб’єрре, виконує переміщення об’єкту, викрививляючи тканину простору-часу навколо. Викривлення відбувається таким чином, що тканина простору-часу сама штовхає об’єкт у потрібному напрямку.
Цю фізику, яка довго вважалася непрактичною, розробив Мігель Алькуб’єрре в 1994 році, і єдиною вимогою було щось антигравітаційне: щось на зразок «негативної енергії» або «негативної маси».
Негативна матерія була потрібна, по очікувалося, що в гравітаційному полі вона рухається у протилежний бік до дії гравітації.
Однак з нещодавнім вимірюванням того, як антиматерія рухається в гравітаційному полі, найбільша надія людства на практичну реалізацію варп-двигуна зазнала серйозного удару.
Ейнштейнівське походження варп-приводу
Зачатки ідеї варп-приводу було посіяні ще до появи загальної теорії відносності Ейнштейна: ще в 19 столітті, коли математики почали грати з новими типами геометрії, які виходили далеко за межі уявлень Евкліда та його наступників.
Протягом більшої частини історії математики простір міг містити до трьох вимірів, і кожен вимір міг бути правильно представлений набором декартових «ліній сітки», де лінії, які були паралельними і ніколи не перетиналися.
Ситуація почала змінюватися, коли приблизно в той же час математики почали розглядати дві нові можливості:
- що можуть існувати «додаткові» просторові виміри, крім трьох, які ми визнаємо,
- і цей простір також може бути вигнутим, а не просторово плоским.
Ці усвідомлення відразу принесли з собою низку глибоких наслідків. Наприклад, в таких просторах відрізняються трикутники. Якщо для звичайного плоского трикутника суму всіх його кутів завжди дорівнює 180 градусів, у викривленому просторі сума усіх кутів трикутника може мати менше або більше значень, ніж 180 градусів. В таких викривлених просторах паралельні лінії не залишатимуться рівновіддаленими назавжди – вони або розходитимуться, або сходитимуться.
А в екстремальному сценарії можна навіть уявити, що простір-час викривлений настільки сильно, що дві точки, які традиційно — у плоскому просторі — будуть розташовані далеко одна від одної, насправді «згорнуті» і знаходяться поруч. Якби це було так, транспортування між цими двома точками було б майже миттєвим.
Багато математиків грали з цими новими можливостями, винаходячи та розвиваючи абсолютно нові галузі математики, такі як неевклідова геометрія, яка опрацьовувала безліч сценаріїв у цих нових умовах.
Коли Ейнштейн вперше представив свою спеціальну теорію відносності в 1905 році, швидко зрозуміли, що з його відкриттям того, що простір і час більше не можна розглядати як відокремлені величини, прийдуть два нові наслідки. Один полягав в тому, що простір і час були нерозривно сплетені в єдину чотиривимірну тканину: простір-час. Інший полягала в тому, що кожен спостерігач у Всесвіті сприймав простір і час по-різному, залежно від їхнього відносного положення та рухів один щодо одного.
Гравітація і загальна теорія відносності
Ейнштейн був одним із багатьох, хто визнав, що нова спеціальна теорія відносності та стара ньютонівська гравітація принципово несумісні, і що для наведення порядку у Всесвіті потрібна буде нова теоретична концепція гравітації. Саме те, що Ейнштейн пізніше назвав своєю найщасливішою думкою — принцип еквівалентності — зрештою призвело до нашої нової теорії гравітації: загальної теорії відносності.
Принцип еквівалентності ставив просте запитання: уявіть, що ви перебуваєте в кімнаті, і всі об’єкти у вашій кімнаті прискорюються вниз, у напрямку до підлоги, з прискоренням g, тобто прискоренням від сили тяжіння на поверхні Землі. Ейнштейн думав, що всередині цієї кімнати можна провести тест, який би відрізнив:
- чи перебувала кімната в спокої на поверхні Землі,
- чи кімната прискорювалася через зовнішній поштовх у вакуумі космосу?
Відповідь, як швидко зрозумів Ейнштейн, – кімнати не відрізнятимуться. Усі спостереження дадуть ідентичні результати за цих двох обставин.
Ейнштейну знадобилося кілька років, дослідження численних математичних тупиків, необхідність залучення математиків, чиї навички набагато перевершували його власні, повернення назад і виправлення низки власних помилок, перш ніж, нарешті, у 1915 році він дійшов до своєї загальної теорії відносності у її остаточній формі.
Ця теорія все ще містила чотиривимірну структуру простору-часу з трьома просторовими вимірами та одним часовим виміром, але цього разу вона також включала гравітацію. Блискуче усвідомлення полягало просто в тому, що маса й енергія, як за величиною, так і за розподілом, визначають кривизну основної тканини простору-часу, а потім ця викривлена тканина простору-часу вказує всім формам маси й енергії, як рухатися крізь неї.
Приблизно через 20 років дивовижне рішення було знайдено. У 1935 році Ейнштейн і його учень Натан Розен опублікували статтю, в якій вони продемонстрували можливість викривлення простору таким чином, щоб два різні місця, розділені великою відстанню в просторі та часі, могли бути з’єднані мостом через сильно вигнутий простір. Відомий як міст Ейнштейна-Розена, або скорочено «Швидка допомога», він пізніше став синонімом поняття червоточини з не до кінця вивченими теоретичними наслідками.
Спочатку фантастика, потім наука
Ці мости Ейнштейна-Розена, на жаль, призвели до деяких дуже тривожних наслідків: те, що фізики часто називають «патологіями» в теорії. Ці червоточини були б нестабільними, їх не можна було б підтримувати як постійно відкриті канали для проходу. Вони миттєво зруйнуються і зруйнують об’єкт, який спробує крізь них пройти.
Тим не менш, червоточина, або ідея використання кривизни простору для «коротких шляхів» у космосі, поселилася в уяві багатьох, у тому числі серед письменників популярної фантастики та наукової фантастики.
Мабуть, найвідомішим прикладом у всій художній літературі, який використав це, була ідея варп-драйву, показана у франшизі «Зоряний шлях». Ідея полягала в тому, що простір можна сильно викривити і в деякому сенсі стиснути. Коли космічний корабель рухався крізь стислий простір, він використовував цей короткий шлях, уможливлюючи дуже швидкі подорожі на великі відстані, не викликаючи швидкого старіння зовнішнього Всесвіту відносно екіпажу.
У той час як сама ідея варп-приводу, висунута в 1960-х роках, була надзвичайно хитрою та легкою для математики, фізик на ім’я Мігель Алькуб’єрре розробив деякі дуже веселі деталі, які можуть привести до реалістичної версії варп-приводу.
Оскільки додатна маса та енергія викривляють простір-час певним чином, Алькуб’єрре зрозумів, що якщо дозволити існувати від’ємній масі/енергії, вона може викривити простір-час рівним і протилежним чином. Ці два типи маси/енергії, як позитивні, так і негативні, можна налаштувати так, щоб:
- простір «перед» космічним кораблем був зігнутий, щоб він стискався,
- в той час як простір «позаду» космічного корабля буде протилежно зігнутий так, щоб він розширювався в компенсації,
- тоді як простір між ними буде плоским і схожим на бульбашку, що дозволить кораблю всередині не бути знищеним.
Якби у Всесвіті існував якийсь тип негативної енергії, якою можна було б керувати та маніпулювати, тоді цей тип простору-часу, який зараз відомий як метрика Алькуб’єрра, міг би бути створений у реальному житті. Єдина проблема, звичайно, полягає в тому, що всі частки та поля, про які відомо навіть теоретично, мають лише один тип маси/енергії: позитивний тип. Отже, усі вони викривляють простір-час однаково. Щоб фізично реалізувати варп-привід, потрібна якась «екзотична матерія» з негативною масою/енергією.
Антиматерія поховала антигравітацію
Той факт, що для створення частинок і античастинок усіх типів потрібна енергія, не обов’язково означає, що стани з негативною масою/енергією не існують. Насправді, дехто стверджував, що принцип еквівалентності Ейнштейна абсолютно правильний, і що тип маси, яка створює частинки (тобто «m» в E = mc? ), є таким самим, як тип маси/енергії, який викликає викривлення простору-часу.
Це було перевірено для всіх різних типів матерії багато разів, але протягом 1990-х, 2000-х і 2010-х ніколи не було перевірено для іншого типу масивних квантів, які ми можемо створити: античастинок.
Якби закони фізики працювали, як очікувалося, то матерія та антиматерія поводилися б однаково: обидві викривляли простір пропорційно своїй притаманній енергії, обидві тяжіли однаково, і обидві «падали» в полі тяжіння Землі.
Але це буде важко перевірити. Антиматерія, пам’ятайте, надзвичайно легко анігілює разом з матерією при контакті. Найпростіші для створення частинки антиматерії, антипротони та позитрони, є електрично зарядженими, тому їх дуже важко «утримувати» в ізоляції.
Лише в єдиному місці у світі, яке зосереджено на створенні та контролі антиматерії — на фабриці антиматерії в CERN — це можна було ймовірно перевірити.
Створивши нейтральні атоми антиводню з антипротонів і позитронів, а потім утримуючи їх у контрольованому середовищі, вчені на фабриці антиматерії відомої як ALPHA, виміряли атомний спектр антиводню, підтвердивши, що світло, яке він випромінює та поглинає, ідентично світлу звичайного водню.
Щоб визначити, чи падає антиматерія «вгору», «вниз» чи якимось зовсім іншим способом, вченим ALPHA потрібно було створити велику кількість атомів антиводню, змести всі швидкорухомі, а потім дозволити найповільніши падати, відстежуючи їхнє прибуття до країв камери.
Дозволивши частинкам впасти та відстеживши час їх прибуття, вчені ALPHA порівняли свої результати з моделюванням ситуацій:
- нормальна гравітація,
- антигравітація,
- і немає гравітації,
Виявилося, що результати найбільше узгоджуються з антиматерією, яка зазнає нормальної гравітації, а не з будь-яким іншим варіантом.
Іншими словами: антиматерія не проявляє антигравітацію, і з цим фактом найкраща надія людства на досягнення варп-приводу щойно померла. Також вмирає з цим вимірюванням ще одна науково-фантастична надія: штучна гравітація, яка працює без обертання чи прискорення.
За матеріалами: Big Think
