Космическое пространство имеет одну черту, которую человечество не знает, как побороть это расстояние. Расстояния в космосе настолько велики, что даже солнечный свет – самый быстрый из известных явлений – летит восемь минут к Земле. В космических масштабах это даже очень медленно, но современные человеческие корабли могут лишь мечтать хотя бы о скорости света. Хотя эта мечта может воплотиться в реальность: ученые создали инструкцию для путешествий на скорости света, которая фактически подчиняется законам физики.
Сериал «Звездный путь» (Star Track) 1966 подтолкнул ученых к разработке идей космических путешествий на скорости света или больше. Мексиканский физик Мигель Алькубьерре Мойю спустя десятилетие опубликовал свое передовое исследование для изумленного сообщества физиков-теоретиков. Названный его именем варп-привод Алькубьерре гипотетически сужает пространство-время перед космическим кораблем, одновременно расширяя пространство-взади за ним, так что корабль движется из точки А в точку Б с произвольно быстрой скоростью. Наблюдатель за пределами «варп-пузыря» корабля увидит, что корабль двигается быстрее скорости света, даже если наблюдатели внутри корабля не почувствуют сил ускорения.
Если бы сверхсветовой варп-привод Алькубьерре, сработал, это революционизировало возможности человечества во всей Вселенной, позволив нам выйти за пределы Солнечной системы. Ведь сегодня нужно более 45 лет, чтобы только добраться до солнечной системы – это удалось только зонду Вояджер, который запустили в 1977 году. Достичь Альфы Центавра, ближайшей звездной системы к нам, человечество сегодня физически не может, ведь даже свету нужно четыре года на преодоление такого расстояния.
Однако повод Алькубьерре имеет явную проблему: стоящая за его работой сила называется «отрицательной энергией», включает экзотические частицы — гипотетическую материю, которая, насколько нам известно, не существует в нашей Вселенной.
Описанные только в математических терминах, экзотические частицы действуют неожиданным образом, например, имея отрицательную массу и действуя в оппозиции к силе тяжести (антигравитации) – это нарушает известные нам законы физики. В последние 30 лет ученые публиковали исследования, рассматривавшие присущие препятствия, раскрытые в фундаментальной статье Алькубьерре 1994 года, опубликованной в рецензируемом журнале Classical and Quantum Gravity.
Теперь исследователи из нью-йоркского аналитического центра Applied Physics считают, что они нашли новый креативный подход к решению фундаментального препятствия варп-приводу.
Вместе с коллегами из других заведений команда разработала систему «положительной энергии», не нарушающую известные законы физики. Это изменяет правила игры, говорят два автора исследования: Джанни Мартире, генеральный директор Applied Physics, и Джаред Фукс, доктор философии, старший научный сотрудник. Их работа, также опубликованная в Classical and Quantum Gravity в конце апреля, может стать первой главой пособия по межзвездным космическим полетам.
Положительная энергия решает все. Представьте, что вы космонавт в космосе, толкающий от себя теннисный мяч. Вместо того чтобы удаляться, мяч толкается назад до такой степени, что «отрывает вашу руку», если вы прикладываете достаточную силу толкания, рассказывает Мартире. Это признак отрицательной энергии. И хотя конструкция привода Alcubierre требует этого, нет способа использовать отрицательную энергию.
В то же время обычная старая положительная энергия более целесообразна для построения «искаженного пузыря». Как следует из названия, варп-пузырь — это сферическая структура, которая окружает и ограждает пространство для пассажирского судна с помощью оболочки из обычной, но невероятно плотной материи. Пузырь двигает космический корабль с помощью мощной силы притяжения оболочки, но не вызывая у пассажиров ощущения ускорения. «Поездка на лифте была бы насыщеннее», — говорит Мартире.
Это потому, что плотность оболочки, а также давление, которое она оказывает на внутреннюю часть, тщательно контролируется, рассказывает Фукс.
Согласно принципам общей теории относительности Альберта Эйнштейна, ничто не может двигаться быстрее скорости света.
Следовательно, пузырь сконструирован таким образом, что наблюдатели в пределах своей локальной пространственно-временной среды — внутри пузырька — испытывают нормальное движение во времени. Одновременно сам пузырь сжимает пространство-время перед кораблем и расширяет его позади корабля, невероятно быстро переправляя себя и находящийся в нем корабль. Стенки пузырька генерируют необходимый импульс, подобный моменту движения шариков, объясняет Фукс. «Именно движение материи в стенах создает эффект для пассажиров внутри», — говорит он.
Вычислительная модель стабильного искривленного пузыря с постоянной скоростью, разработанная с «положительной массой» и «положительной энергией», чтобы избежать нарушения законов физики. Пассажиры ездили бы на корабле внутри пузыря и достигали досветных (меньших световых) скоростей. Новое исследование группы Applied Physics создало эту гипотетическую модель посредством набора программного обеспечения Warp Factory.
Опираясь на свою статью 2021 года, опубликованную в Classical and Quantum Gravity, где подробно описана предыдущая работа тех же исследователей по физическим варп-приводам, команда смогла смоделировать сложность системы с помощью собственной вычислительной программы Warp Factory. Этот набор инструментов для моделирования пространства-времени варп-привода позволяет исследователям оценивать уравнение поля Эйнштейна и вычислять энергетические условия, необходимые для различных геометрий варп-привода. Каждый может скачать и использовать его бесплатно.
Эти эксперименты привели к тому, что Фукс называет мини-моделью, первой общей моделью варп-привода с положительной энергией. Их прошедшая работа также продемонстрировала, что количество энергии, требуемое варп-пузырьком, зависит от формы пузырька; например, чем плоский пузырь в направлении движения, тем меньше энергии ему нужно.
«Это последнее достижение предлагает новые возможности для изучения дизайна варп-путешествия», — рассказывает Эрик Ленц, доктор философии. В своей нынешней должности штатного физика Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в Ричленде Ленц способствует исследованиям выявления темной материи и исследованиям квантовой информатики. Его независимое исследование теории варп-привода также должно опираться на обычную физику, переосмысливая форму искривленного пространства. По его словам, этой теме нужно преодолеть многие практические препятствия.
Контроль варп-пузырей требует большой координации, поскольку они включают огромное количество материи и энергии, чтобы обезопасить пассажиров и с таким же временем, как и пункт назначения. «Мы могли бы с таким же успехом спроектировать пространство-время, в котором время протекает гораздо иначе внутри [салона], чем снаружи. Мы можем пропустить нашу встречу в Proxima Centauri, если не будем осторожны, говорит Ленц. – Это все еще риск, если мы путешествуем со скоростью меньше света». Связь между людьми внутри пузыря и снаружи также может исказиться, когда он проходит сквозь кривизну искривленного пространства, добавляет он.
Хотя текущее решение Applied Physics требует варп-привода, двигающегося со скоростью ниже света, модель все еще нуждается в подключении массы, эквивалентной примерно двум Юпитерам. В противном случае он никогда не достигнет достаточной силы тяжести и импульса, чтобы вызвать значимый эффект деформации. Но никто не знает, что может быть источником этой массы — по крайней мере, пока. Некоторые исследования предполагают, что если бы мы могли каким-то образом использовать темную материю, мы могли бы использовать ее для путешествий на скорости света, но Фукс и Мартир сомневаются, поскольку сейчас это большая загадка (и экзотическая частица).
Несмотря на многие проблемы, которые ученым еще предстоит решить, чтобы построить рабочий варп-привод, команда Applied Physics утверждает, что ее модель со временем должна приблизиться к скорости света.
И даже если реальная модель остается ниже скорости света, это значительное усовершенствование по сравнению с современными технологиями. К примеру, путешествие даже на половине скорости света в Альфу Центавра займет девять лет. В отличие от этого, нашему самому быстрому космическому кораблю «Вояджер-1», который сейчас двигается со скоростью 45 000 километров в час, понадобится 75 000 лет, чтобы достичь нашей ближайшей соседней звездной системы.
Конечно, когда вы приближаетесь к фактической скорости света, все становится поистине странным, согласно принципам специальной теории относительности Эйнштейна. Масса объекта, который движется быстрее и быстрее, росла бы бесконечно, что в конечном итоге потребовало бы бесконечного количества энергии для поддержания своей скорости.
«Это главное ограничение и ключевая проблема, которую мы должны преодолеть — как мы можем иметь всю эту материю в нашей [пузырьке], но не в таком масштабе, чтобы мы никогда не могли ее собрать вместе?», — говорит Мартир. Возможно, ответ кроется в физике конденсированной среды, добавляет он. Эта область физики рассматривает, в частности, силы между атомами и электронами в веществе. Это уже доказало фундаментальное значение для некоторых наших современных технологий, таких как транзисторы, твердотельные лазеры и магнитные носители информации.
Другая большая проблема состоит в том, что нынешние модели позволяют стабильный пузырь деформации, но только для постоянной скорости. Ученым еще предстоит выяснить, как создать первоначальное ускорение.
Как корабль замедлит и остановится на другом конце пути? «Это как попытка впервые постичь автомобиль, – говорит Мартир. – У нас еще нет двигателя, но мы видим свет в конце тоннеля». По его словам, технология варп-привода находится на этапе автомобильной технологии 1882: когда путешествия на автомобиле были возможны, но это все еще выглядело как тяжелая, тяжелая проблема.
Команда Applied Physics считает, что будущие инновации в варп-путешествиях неизбежны. Общая модель положительной энергии является первым шагом. Кроме того, вам не нужно масштабировать со скоростью света, чтобы достичь расстояний, которые сегодня являются лишь мечтой, говорит Мартир. «Человечество официально, математически, находится на межзвездном пути», – говорит он.
По материалам: Popular Mechanics
