Экипаж звездолета USS Enterprise из сериала "Звездный путь" легко заводит свой корабль и отправляется в новое приключение, путешествуя со скоростью, превышающей скорость света. Этот научно-фантастический способ межзвездного путешествия, впервые показанный в 1966 году, считается первой демонстрацией способа преодоления физического барьера скоростей. В свое время он вдохновил мексиканского физика Мигеля Алькубьерре Мойю на исследование возможности реального движения со скоростью света.
Спустя десятилетия он опубликовал свои передовые исследования, удивив физиков-теоретиков. Варп-двигатель Алькубьерре гипотетически сжимает пространство-время перед космическим кораблем и расширяет его позади, позволяя кораблю двигаться из точки А в точку Б с "произвольно быстрой" скоростью. Искажая пространство-время, наблюдатель вне "варп-пузыря" видит корабль, движущийся быстрее света, хотя находящиеся внутри не ощущают ускорения.
Если бы сверхсветовой варп-двигатель, подобный предложенному Алькубьерре, был создан, это бы революционизировало космические путешествия, позволяя достичь Альфа Центавра, ближайшей звездной системы, за дни или недели, хотя она находится на расстоянии четырех световых лет.
Однако варп-двигатель Алькубьерре сталкивается с проблемой: для его работы требуется "отрицательная энергия", включающая гипотетические экзотические частицы, которые, как известно, не существуют в нашей Вселенной. Эти частицы, описанные только математически, ведут себя необычно, имея отрицательную массу и действуя против гравитации (обладая "антигравитацией"). В течение последних 30 лет ученые публиковали исследования, преодолевающие препятствия, выявленные в основополагающей статье Алькубьерре 1994 года, опубликованной в журнале Classical and Quantum Gravity.
Теперь исследователи из нью-йоркского аналитического центра Applied Physics считают, что нашли новый подход к решению этой фундаментальной проблемы. Совместно с коллегами из других учреждений команда разработала систему «положительной энергии», не нарушающую известные законы физики. Это изменяет правила игры, утверждают два автора исследования: Джанни Мартире, генеральный директор Applied Physics, и Джаред Фукс, старший научный сотрудник, доктор философии. Их работа, опубликованная в журнале Classical and Quantum Gravity в конце апреля, может стать первым шагом к межзвездным космическим полетам.
Отрицательная энергия не нужна
Представьте, что вы космонавт в космосе и отталкиваете от себя теннисный мяч. Вместо того чтобы просто двигаться в сторону, мяч отталкивается настолько сильно, что оторвал бы вам руку, если бы вы приложили достаточную силу. Это пример отрицательной энергии, необходимой для привода Алькубьерре, которая, однако, не может быть использована на практике.
Вместо этого обычная положительная энергия более пригодна для создания "варп-пузыря". Как следует из названия, это сферическая структура, окружающая и ограничивающая пространство вокруг пассажирского корабля, используя оболочку из обычной, но очень плотной материи. Пузырь перемещает космический корабль благодаря мощной гравитации корпуса, не вызывая у пассажиров ощущения ускорения. Как поездка на скоростном лифте.
Это связано с тем, что плотность оболочки и давление, которое она оказывает на внутреннее пространство, тщательно контролируются. Согласно принципам общей теории относительности Эйнштейна, ничто не может двигаться быстрее скорости света. Таким образом, пузырь устроен так, что наблюдатели внутри него испытывают нормальное движение во времени, в то время как сам пузырь сжимает пространство-время перед кораблем и расширяет его позади, перемещая корабль невероятно быстро. Стенки пузыря создают необходимый импульс, подобный движению катящегося шара, говорит Фукс.
Основываясь на своей статье 2021 года, опубликованной в журнале Classical and Quantum Gravity, команда смогла смоделировать сложность системы, используя собственную программу Warp Factory. Этот набор инструментов для моделирования пространства-времени варп-двигателя позволяет исследователям оценить уравнения поля Эйнштейна и вычислить энергетические условия для различных геометрий варп-двигателя. Любой желающий может скачать и использовать этот инструмент бесплатно. Эти эксперименты привели к созданию мини-модели, первой общей модели варп-двигателя с положительной энергией. Исследования также показали, что количество энергии, необходимое для варп-пузыря, зависит от его формы; например, чем более плоский пузырь в направлении движения, тем меньше энергии требуется.
Уже можно строить?
Контроль варп-пузырей требует большой координации, поскольку для их работы необходимы огромные объемы материи и энергии, чтобы обеспечить безопасность пассажиров и синхронизацию времени с пунктом назначения. Даже путешествуя с субсветовой скоростью, могут возникнуть искажения коммуникаций между людьми внутри и снаружи пузыря из-за искривления пространства. Вспоминая аналогию с лифтом: ваш лифтер не просто не отвечает на звонки, он даже не родился.
Хотя текущая модель Applied Physics предполагает движение варп-двигателя на субсветовых скоростях, для ее реализации все равно потребуется масса материи (и энергии), эквивалентная двум Юпитерам. Без этого не достигнуть достаточной гравитационной силы и импульса для значимого эффекта варпа. Но пока неизвестно, откуда взять эту массу. Некоторые исследования предполагают, что темная материя могла бы стать решением, но это остается загадкой.
Несмотря на множество нерешенных проблем, команда Applied Physics утверждает, что их модель варп-двигателя со временем сможет приближаться к световой скорости. Даже если реальная модель останется субсветовой, это станет значительным прорывом. Например, путешествие к Альфе Центавра на половине световой скорости заняло бы девять лет, в то время как нашему самому удаленному космическому кораблю "Вояджер-1", двигающемуся со скоростью 61 500 км/ч, потребовалось бы 75 000 лет для достижения этой цели.
При приближении к световой скорости, согласно специальной теории относительности Эйнштейна, возникают странные эффекты: масса объекта возрастает бесконечно, и для поддержания скорости требуется бесконечное количество энергии. Решение этой проблемы кроется в физике конденсированного состояния, которая уже доказала свою важность для современных технологий, таких как транзисторы и твердотельные лазеры.
Еще одна проблема заключается в том, что текущие модели допускают стабильный варп-пузырь только при постоянной скорости. Как обеспечить начальное ускорение? Как замедлиться и остановиться в конце пути?
Это похоже на первые попытки создать автомобиль. У нас пока нет двигателя, но свет в конце туннеля уже виден. Технология варп-двигателя сейчас на уровне автомобильной технологии 1882 года: путешествия возможны, но требуют значительных усилий.
Команда Applied Physics уверена, что инновации в области варп-движения неизбежны. Модель с общей положительной энергией — первый шаг. Кроме того, для достижения межзвездных расстояний необязательно двигаться со скоростью света. Человечество официально, математически, на пути к межзвездным путешествиям.