В масштабах космоса даже самая быстрая известная человечеству вещь – фотоны света – ползает так же медленно, как улитка. Научные фантасты, а потом и ученые, заинтересовались многообещающим варп-двигателем. Он мог бы позволить двигаться значительно быстрее, чем свет и при этом без эффектов старения. Но недавний эксперимент поставил на варп-двигателе крест, доказав его принципиальную невозможность.
Варп-привод, он же двигатель Алькубьерре, выполняет перемещение объекта, искривляя ткань пространства-времени вокруг. Искривление происходит таким образом, что ткань пространства-времени сама толкает объект в нужном направлении.
Эту физику, долго считавшуюся непрактичной, разработал Мигель Алькубьерре в 1994 году, и единственным требованием было нечто антигравитационное: что-то вроде «негативной энергии» или «негативной массы».
Негативная материя требовалась, по ожидалось, что в гравитационном поле она движется в противоположную сторону к действию гравитации.
Однако с недавним измерением того, как антиматерия движется в гравитационном поле, наибольшая надежда человечества на практическую реализацию варп-двигателя потерпела серьезный удар.
Эйнштейновское происхождение варп-привода
Зачатки идеи варп-привода были посеяны еще до появления общей теории относительности Эйнштейна: еще в 19 веке, когда математики начали играть с новыми типами геометрии, выходившими далеко за пределы представлений Евклида и его преемников.
В течение большей части истории математики пространство могло содержать до трех измерений, и каждое измерение могло быть правильно представлено набором декартовых «линий сетки», где линии, которые были параллельными и никогда не пересекались.
Ситуация начала меняться, когда примерно в то же время математики стали рассматривать две новые возможности:
- которые могут существовать «дополнительные» пространственные измерения, кроме трех, которые мы признаем,
- и это пространство также может быть изогнутым, а не пространственно плоским.
Эти осознания сразу принесли с собой ряд глубоких последствий. К примеру, в таких пространствах отличаются треугольники. Если для обычного плоского треугольника сумма всех его углов всегда равна 180 градусам, в искривленном пространстве сумма всех углов треугольника может иметь меньшее или большее значение, чем 180 градусов. В таких искривленных пространствах параллельные линии не будут оставаться равноудаленными навсегда — они либо будут расходиться, либо сходиться.
А в экстремальном сценарии можно даже представить, что пространство-время искривлено настолько сильно, что две точки, традиционно — в плоском пространстве — будут расположены далеко друг от друга, на самом деле «свернуты» и находятся рядом. Если бы это было так, транспортировка между этими двумя точками была бы почти мгновенной.
Многие математики играли с этими новыми возможностями, изобретая и развивая совершенно новые области математики, такие как неевклидовая геометрия, прорабатывавшая множество сценариев в этих новых условиях.
Когда Эйнштейн в первый раз представил свою специальную теорию относительности в 1905 году, скоро сообразили, что с его открытием того, что место и время больше нельзя разглядывать как обособленные величины, придут два новейших последствия. Один заключался в том, что пространство и время были неразрывно сплетены в единую четырехмерную ткань: пространство-время. Другое заключалось в том, что каждый наблюдатель во Вселенной воспринимал пространство и время по-разному, в зависимости от их относительного положения и движений друг относительно друга.
Гравитация и общая теория относительности
Эйнштейн был одним из многих, кто признал, что новая специальная теория относительности и старая ньютоновская гравитация принципиально несовместимы, и что для наведения порядка во Вселенной потребуется новая теоретическая концепция гравитации. Именно то, что Эйнштейн позже назвал своим счастливым мнением — принцип эквивалентности — в конечном итоге привело к нашей новой теории гравитации: общей теории относительности.
Принцип эквивалентности задавал простой вопрос: представьте, что вы находитесь в комнате, и все объекты в вашей комнате ускоряются вниз по направлению к полу с ускорением g, то есть ускорением от силы тяжести на поверхности Земли. Эйнштейн думал, что внутри этой комнаты можно провести отличительный тест:
- находилась ли комната в покое на поверхности Земли,
- ускорялась ли комната из-за внешнего толчка в вакууме космоса?
Ответ, как быстро понял Эйнштейн, – комнаты не будут отличаться. Все наблюдения дадут идентичные результаты в этих двух обстоятельствах.
Эйнштейну понадобилось несколько лет, исследование многочисленных математических тупиков, необходимость привлечения математиков, чьи навыки намного превосходили его собственные, возвращение назад и исправление ряда ошибок, прежде чем, наконец, в 1915 году он дошел до своей общей теории относительности в ее окончательной форме.
Эта теория все еще содержала четырехмерную структуру пространства-времени с тремя пространственными измерениями и одним временным измерением, но в этот раз она также включала гравитацию. Блестящее осознание заключалось просто в том, что масса и энергия, как по величине, так и по распределению, определяют кривизну основной ткани пространства-времени, а затем эта искривленная ткань пространства-времени указывает всем формам массы и энергии, как двигаться сквозь нее.
Приблизительно через 20 лет удивительное решение было найдено. В 1935 году Эйнштейн и его ученик Натан Розен опубликовали статью, в которой они продемонстрировали возможность искажения пространства таким образом, чтобы два разных места, разделенных большим расстоянием в пространстве и времени, могли быть соединены мостом через сильно изогнутое пространство. Известный как мост Эйнштейна-Розена, или сокращенно «Скорая помощь», он позже стал синонимом понятия червоточины с не до конца изученными теоретическими последствиями.
Сначала фантастика, потом наука
Эти мосты Эйнштейна-Розена, к сожалению, привели к некоторым очень тревожным последствиям: то, что физики часто называют «патологиями» в теории. Эти червоточины были бы нестабильны, их нельзя было бы поддерживать как постоянно открытые каналы для прохода. Они мгновенно разрушатся и разрушат объект, который попытается сквозь них пройти.
Тем не менее, червоточина или идея использования кривизны пространства для «коротких путей» в космосе поселилась в воображении многих, в том числе среди писателей популярной фантастики и научной фантастики.
Пожалуй, известнейшим примером во всей художественной литературе, который использовал это, была идея варп-драйва, показанная во франшизе «Звездный путь». Идея заключалась в том, что пространство можно сильно искривить и в некотором смысле сжать. Когда космический корабль двигался сквозь сжатое пространство, он использовал этот короткий путь, позволяя очень быстрым путешествиям на большие расстояния, не вызывая быстрого старения внешней Вселенной относительно экипажа.
В то время как сама идея варп-привода, выдвинутая в 1960-х годах, была чрезвычайно хитра и легка для математики, физик по имени Мигель Алькубьерре разработал некоторые очень веселые детали, которые могут привести к реалистической версии варп-привода.
Поскольку положительная масса и энергия искажают пространство-время определенным образом, Алькубьерре понял, что если позволить существовать отрицательной массе/энергии, она может искажать пространство-время ровным и противоположным образом. Эти два типа массы/энергии, как положительные, так и отрицательные, можно настроить так, чтобы:
- пространство «перед» космическим кораблем было изогнуто, чтобы оно сжималось,
- в то время как пространство «сзади» космического корабля будет противоположно изогнуто так, чтобы оно расширялось в компенсации,
- тогда как пространство между ними будет плоским и похожим на пузырь, что позволит кораблю внутри не быть уничтоженным.
Если бы во Вселенной существовал какой-то тип негативной энергии, которой можно было бы управлять и манипулировать, тогда этот тип пространства-времени, который сейчас известен как метрика Алькубьерра, мог быть создан в реальной жизни. Единственная проблема, конечно, заключается в том, что все частицы и поля, о которых известно даже теоретически, имеют только один тип массы/энергии: положительный тип. Итак, все они искажают пространство-время одинаково. Чтобы физически реализовать варп-привод, нужна какая-то экзотическая материя с отрицательной массой/энергией.
Антиматерия похоронила антигравитацию
Тот факт, что для создания частиц и античастиц всех типов требуется энергия, не обязательно означает, что состояния с отрицательной массой/энергией не существуют. На самом деле, некоторые утверждали, что принцип эквивалентности Эйнштейна абсолютно правильный, и что тип массы, создающей частицы (т.е. «m» в E = mc?), является таким же, как тип массы/энергии, вызывающий искривление пространства-времени.
Это было проверено для всех различных типов материи много раз, но в течение 1990-х, 2000-х и 2010-х никогда не было проверено для другого типа массивных квантов, которые мы можем создать: античастиц.
Если бы законы физики работали, как ожидалось, то материя и антиматерия вели бы одинаково: обе искажали пространство пропорционально своей присущей энергии, обе тяготели одинаково, и обе «падали» в поле тяготения Земли.
Но это будет сложно проверить. Антиматерия, помните, очень легко аннигилирует вместе с материей при контакте. Самые простые для создания частицы антиматерии, антипротоны и позитроны являются электрически заряженными, поэтому их очень трудно «удерживать» в изоляции.
Лишь в единственном месте в мире, которое сосредоточено на создании и контроле антиматерии – на фабрике антиматерии в CERN – это можно было проверить.
Создав нейтральные атомы антиводорода из антипротонов и позитронов, а затем удерживая их в контролируемой среде, ученые на фабрике антиматерии известной как ALPHA, измерили атомный спектр антиводорода, подтвердив, что излучаемый и поглощающий свет свет идентичен свету обычного водорода.
Чтобы определить, падает ли антиматерия «вверх», «вниз» или каким-то совсем другим способом, ученым ALPHA нужно было создать большое количество атомов антиводорода, смести все быстроподвижные, а затем разрешить медленнее падать, отслеживая их прибытие к краям камеры.
Позволив частицам упасть и отследив время их прибытия, ученые ALPHA сравнили свои результаты с моделированием ситуаций:
- нормальная гравитация,
- антигравитация,
- и нет гравитации,
Оказалось, что результаты наиболее согласуются с антиматерией, которая подвергается нормальной гравитации, а не с каким-либо другим вариантом.
Другими словами: антиматерия не проявляет антигравитацию, и с этим фактом лучшая надежда человечества на достижение варп-привода только что умерла. Также умирает с этим измерением еще одна научно-фантастическая надежда: искусственная гравитация, работающая без вращения или ускорения.
По материалам: Big Think
