Самая близкая к Земле звезда - Проксима Центавра. Она находится на расстоянии около 4,25 световых лет, или около 25 триллионов миль (40 триллионов км). Самый быстрый космический аппарат в истории, находящийся в космосе Parker Solar Probe, достигнет максимальной скорости 450 000 миль в час. Чтобы добраться из Лос-Анджелеса в Нью-Йорк с такой скоростью, потребуется всего 20 секунд, но чтобы достичь ближайшего соседа Земли по Солнечной системе, солнечному зонду потребуется около 6 633 лет.
Если человечество когда-нибудь захочет легко путешествовать между звездами, люди должны будут двигаться быстрее света. Но пока что путешествия быстрее света возможны только в научной фантастике.
В серии "Основание" Иссака Азимова человечество может путешествовать с планеты на планету, от звезды к звезде или через всю Вселенную с помощью прыжковых приводов. В детстве я прочитал столько этих историй, сколько смог достать. Сейчас я физик-теоретик и изучаю нанотехнологии, но меня по-прежнему восхищают способы, с помощью которых человечество однажды сможет путешествовать в космосе.
Некоторые герои, например, астронавты в фильмах "Интерстеллар" и "Тор", используют червоточины для путешествий между солнечными системами за считанные секунды. Другой подход, знакомый поклонникам "Звездного пути", - технология варп-двигателей. Варп-двигатели - это теоретически возможная, но все еще надуманная технология. Две недавние работы попали в заголовки газет в марте, когда исследователи заявили, что им удалось преодолеть одну из многочисленных проблем, стоящих между теорией варп-двигателей и реальностью.
Но как на самом деле работают эти теоретические варп-двигатели? И скоро ли люди перейдут на варп-скорость?
Сжатие и расширение
Современное понимание физиками пространственного времени основывается на общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Общая теория относительности утверждает, что пространство и время слиты воедино и ничто не может двигаться быстрее скорости света. Общая теория относительности также описывает, как масса и энергия искривляют пространство-время. Такие тяжелые объекты, как звезды и черные дыры, искривляют пространство-время вокруг себя. Это искривление - то, что ощущается как гравитация, и почему многие космические герои беспокоятся о том, что "застрянут" или "упадут" в гравитационный колодец. Ранние писатели-фантасты Джон Кэмпбелл и Азимов рассматривали это искривление как способ обойти ограничение скорости.
Что если бы звездолет мог сжимать пространство перед собой и расширять пространство позади себя? В "Звездном пути" эту идею взяли на вооружение и назвали ее варп-двигателем.
В 1994 году Мигель Алькубьерре, мексиканский физик-теоретик, показал, что сжатие пространства-времени перед космическим кораблем и его расширение позади него математически возможно в рамках законов общей теории относительности. Итак, что это значит? Представьте, что расстояние между двумя точками составляет 10 метров (33 фута). Если вы стоите в точке А и можете перемещаться со скоростью один метр в секунду, то вам потребуется 10 секунд, чтобы добраться до точки В. Однако, допустим, вы можете каким-то образом сжать пространство между вами и точкой В так, что интервал теперь составляет всего один метр. Тогда, двигаясь в пространстве-времени с максимальной скоростью один метр в секунду, вы сможете добраться до точки В примерно за одну секунду. Теоретически, такой подход не противоречит законам относительности, поскольку вы не движетесь быстрее света в окружающем вас пространстве. Алькубьерре показал, что варп-двигатель из "Звездного пути" на самом деле теоретически возможен.
Проксима Центавра на подходе, верно? К сожалению, у метода Алькубьерре по сжатию пространства-времени есть одна проблема: он требует отрицательной энергии или отрицательной массы.
Проблема отрицательной энергии
Варп-двигатель Алькубьерре работает путем создания пузыря плоского пространства-времени вокруг космического корабля и искривления пространства-времени вокруг этого пузыря для сокращения расстояния. Для работы искривляющего привода потребуется либо отрицательная масса - теоретически возможный тип материи - либо кольцо с отрицательной плотностью энергии. Физики никогда не наблюдали отрицательную массу, поэтому единственным вариантом остается отрицательная энергия.
Для создания отрицательной энергии варп-двигатель использует огромное количество массы, чтобы создать дисбаланс между частицами и античастицами. Например, если электрон и антиэлектрон окажутся рядом с искривителем, одна из частиц попадет в ловушку массы, что приведет к дисбалансу. Этот дисбаланс приводит к отрицательной плотности энергии. Привод искривления Алькубьерре использует эту отрицательную энергию для создания пространственно-временного пузыря.
Но чтобы варп-двигатель мог генерировать достаточное количество отрицательной энергии, необходимо много материи. Алькубьерре подсчитал, что для варп-двигателя со 100-метровым пузырем потребуется масса всей видимой Вселенной.
В 1999 году физик Крис Ван Ден Брук показал, что увеличение объема внутри пузыря при сохранении постоянной площади поверхности значительно снизит потребность в энергии, вплоть до массы Солнца. Значительное улучшение, но все еще далеко за пределами всех практических возможностей.
Научно-фантастическое будущее?
Две недавние работы - одна Алексея Бобрика и Джанни Мартире, а другая Эрика Ленца - предлагают решения, которые, похоже, приближают варп-двигатели к реальности.
Бобрик и Мартире поняли, что, изменив определенным образом пространственное время внутри пузыря, они смогут избавиться от необходимости использовать отрицательную энергию. Однако это решение не позволяет создать искривляющий привод, способный двигаться быстрее света.
Независимо от него Ленц также предложил решение, не требующее отрицательной энергии. Он использовал другой геометрический подход для решения уравнений общей теории относительности, и таким образом он обнаружил, что варп-двигателю не нужно использовать отрицательную энергию. Решение Ленца позволило бы пузырю перемещаться быстрее скорости света.
Важно отметить, что эти захватывающие разработки являются математическими моделями. Как физик, я не буду полностью доверять моделям, пока у нас не будет экспериментальных доказательств. Тем не менее, наука о варп-двигателях становится очевидной. Как поклонник научной фантастики, я приветствую все эти инновационные идеи. Говоря словами капитана Пикара, вещи невозможны только до тех пор, пока они невозможны.