Дізнайтеся, що таке варп двигун, який теоретично може дозволити космічному кораблю розвинути швидкість, яка перевищить швидкість світла, та чи можливо створити такий двигун в реальності.
Все почалося зі “Стар Треку”. Кожні кілька епізодів серіалу “Зоряний шлях: Наступне покоління” капітан Жан-Люк Пікар піднімав руку і наказував: “Викривлення один, починаймо!” Потім зірки ставали пунктирами, а світлові роки проносилися з неймовірною швидкістю. Чи може варп-двигун працювати і в реальному житті?
Що таке третя космічна швидкість?
“У якийсь момент я зрозумів, що такої технології не існує”, – каже фізик Ерік Ленц. Він вивчав фізику у Вашингтонському університеті, написав докторську дисертацію про темну матерію і взагалі був надто зайнятий, щоб перейматися науковою фантастикою. Але потім, на початку пандемії коронавірусу, Ленц опинився на самоті в Геттінгені, Німеччина, де він працював над докторською дисертацією. Несподівано у нього з’явилося багато вільного часу, а в голові – дитячі мрії.
Ленц прочитав усе, що зміг знайти в науковій літературі про приводи викривлення (варп двигуни), а це було не так вже й багато. Потім він почав думати про це сам. Через кілька тижнів йому спало на думку те, що всі інші, здавалося, не помітили. Ленц виклав свою ідею на папері і обговорив її з більш досвідченими колегами. Через рік вона була опублікована у фізичному журналі.
Швидко з’ясувалося, що Ленц був не єдиною людиною, яка мріяла про варп двигуни (двигуни викривлення). ЗМІ по всьому світу підхопили цю історію, і десятки журналістів попросили про інтерв’ю. Обговорення на онлайн-форумі Reddit зібрало 2 700 коментарів і 33 000 лайків. Один інтернет-користувач написав: “Хтось ще відчуває, що народився на 300 років раніше?”
Варп двигун або двигун викривлення – це технологія, яка дозволяла подорожувати у космосі зі швидкістю, що перевищує швидкість світла. Він має працювати генеруючи поля викривлення для формування підпросторової бульбашки, яка огортає зореліт, спотворюючи локальний просторово-часовий континуум і рухаючи зореліт зі швидкістю, яка могла значно перевищувати швидкість світла.
Що таке варп двигун
Бульбашка у просторі і часі та двигун Алькуб’єре
Немає сумнівів, що всесвіт все ще занадто великий для людини, щоб його перетнути. Променю світла потрібно більше чотирьох років, щоб досягти найближчої до Землі зірки Проксими Центавра. Навіть з найкращими з наявних рушійних систем людині знадобилися б десятки тисяч років, щоб дістатися туди. Можна завжди мріяти про заснування колоній в інших зоряних системах, але навряд чи хтось наважиться на таку подорож.
Теорія відносності Ейнштейна: загальна, спеціальна та перший постулат
Але, можливо, одного дня вдасться скоротити час подорожі. Існує багато ідей, як це зробити, від сонячних вітрил з лазерним прискоренням до ядерних двигунів. Але навіть за допомогою цих технологій ви не встигнете відлетіти далеко за людське життя. Галактика дійсно відкрита лише для тих, хто подорожує зі швидкістю світла – або швидше.
Саме тому фізики-фантазери вже давно розмірковують над ідеальною рушійною системою: бульбашкою у просторі та часі, в якій космічний корабель міг би мчати від сонця до сонця, як це робив корабель USS “Ентерпрайз”. Це дослідження на периферії науки: вони не обов’язково помилкові, але приправлені великою дрібкою оптимізму.
Двигун Алькуб’єре
Той факт, що вчені взагалі займаються цією ідеєю сьогодні, завдячує статті мексиканського фізика-теоретика Мігеля Алькуб’єре 1994 року. На той час Алькуб’єрре був не просто палким прихильником “Зоряного шляху”. У своїй докторській дисертації в Кардіффському коледжі Уельського університету Алькуб’єр також працював над теорією відносності. Строго кажучи, теорія стверджує, що ніщо не може рухатися швидше за світло. Але, застосувавши трохи творчості, Алкуб’єр виявив очевидну лазівку.
Для фізиків теорія відносності Альберта Ейнштейна складається з двох частин: “Спеціальна” теорія відносності, яка датується 1905 роком, розглядає рівномірний рух об’єктів, що рухаються зі швидкістю світла. Десять років потому Ейнштейн узагальнив ці ідеї для тіл, що прискорюються. Згідно з “загальною” теорією відносності, три знайомі нам просторові виміри (верх-низ, лівий-правий, передній-задній) невіддільні від часу. Кожна маса деформує цей простір-час.
Згідно з епічним відкриттям Альберта Ейнштейна, ми живемо у чотиривимірному “просторі-часі”. Простір-час не є статичним. Подібно до скатертини, він деформується під дією масивних об’єктів. Все, що рухається по площині (або через простір-час), може прискорюватися лише до межі швидкості, встановленої світлом.
Сама площина, з іншого боку, може деформуватися з будь-якою швидкістю, як це демонструє сам Всесвіт у деяких ситуаціях.
Наприклад, у момент Великого вибуху початкова структура простору-часу, ймовірно, розширилася на частку секунди і зробила це набагато швидше, ніж міг би подорожувати будь-який промінь світла.
Навіть сьогодні розширення продовжує відштовхувати надзвичайно далекі галактики зі швидкістю, що перевищує швидкість світла, а це означає, що їхнє світло більше не може досягти нас.
Ґрунтуючись на своєму відкритті, Алькуб’єр припустив, що це буде лише невеликим кроком до варп двигуна. Якби простір-час стискався перед космічним кораблем і розширювався позаду нього, щоб компенсувати це, можна було б подорожувати до місця призначення зі швидкістю, швидшою за світло й варп двигун став би реальністю. Корабель залишався б інкапсульованим у бульбашці, а екіпаж не відчував би масштабу міжзоряної подорожі.
У своїй лекції 2017 року Алькуб’єр порівняв це з перебуванням на пасажирському конвеєрі в аеропорту: “Ви можете уявити, що підлога позаду вас створюється з нічого, а перед вами вона руйнується, тож ви рухаєтеся далі”.
Але формулювання цієї ідеї мовою загальної теорії відносності одразу ж породжує серйозні практичні проблеми. По-перше, щоб так радикально деформувати простір-час, потрібно було б запхати величезну масу в бульбашку, обмежену стінкою, тоншою за атомне ядро.
Тоді вам знадобилися б дві форми матерії, щоб підтримувати бульбашку. Гравітація звичайної маси змусила б простір перед бульбашкою стискатися, рухаючи всю конструкцію вперед. Але в той же час простір в задній частині бульбашки повинен був би розширюватися, подібно до того, як піднімається тісто для хліба. Щоб це розширення відбулося, за словами Алькуб’єра, потрібна певна форма негативної енергії, що випромінює щось на кшталт антигравітації.
Невловима негативна енергія
Для більшості фізиків це був кінець уявного експерименту. Енергія – яка за формулою Ейнштейна E = mc2 еквівалентна необмеженій масі – здається, за визначенням, має бути позитивною. Але згідно з квантовою теорією, вона дійсно може мати від’ємне значення.
Здається, це трапляється лише в рідкісних особливих випадках, однак – у крихітних масштабах. У так званому ефекті Казимира, наприклад, задіяні величини настільки мізерні, що будь-яке технологічне застосування здається абсурдним.
Алькуб’єрре, нині він є професором фізики в Національному автономному університеті Мексики, погоджується з цим. З точки зору потенційної технології, приводів викривлення “дуже бракує”, – написав він та один з його колег у нещодавній статті. Тепер він звернув свою увагу на відомі явища, такі як чорні діри. Концепція варп-двигуна, однак, зберігає свою привабливість, особливо для фанатів “Стар Треку” і для кількох фізиків-гравітаторів, які час від часу публікують свої варіації на цю тему.
У деяких з цих робіт показано, як зменшити масу бульбашки так, щоб загальна маса, необхідна для деформації простору-часу, була меншою за масу нашого Сонця.
Але ніхто не міг обійти проблему від’ємної енергії – аж поки Ленц не зайнявся нею під час ізоляції в Геттінгені. У вимушеній ізоляції Ленц знайшов спосіб сконструювати викривлену бульбашку, використовуючи лише позитивну енергію. Таким чином, він, можливо, подолав найбільше заперечення проти варп двигунів (двигунів викривлення).
Це стало можливим завдяки особливості геометрії простору-часу, яку Ленц виявив у загальній теорії відносності – точніше, в рівняннях поля Ейнштейна. Ці рівняння дозволяють обчислити, як певний розподіл матерії та енергії деформує простір-час. Дослідники також можуть використовувати їх, як це робив Алькуб’єр, щоб визначити масу та енергію, необхідні для створення певного викривлення простору.
Однак мати справу з такою динамічною, чотиривимірною структурою, як простір-час, надзвичайно складно. Якщо записати формули Ейнштейна в повному обсязі, то вийде плутанина вкладених диференціальних рівнянь з тисячами членів. Залежно від припущень, які ви робите щодо конкретної фізичної ситуації, ви берете до уваги лише деякі з цих членів. Для теоретиків це майже безмежний ігровий майданчик.
Ленц спеціально дослідив припущення, що призвели до від’ємних енергетичних вимог у роботі Алькуб’єра.
Як і його колега, Ленц почав з аналізу простору-часу, моделюючи багатовимірну речовину як стопку дуже тонких шарів. Він виявив, що Алькуб’єр розглядав лише порівняно прості “лінійні” взаємозв’язки між рівняннями для переміщення одного шару на інший. На цьому етапі вибір більш складних “гіперболічних” співвідношень, які зазвичай виражають швидкозмінні величини, призводить до іншої бульбашки викривлення, ніж та, що була отримана Алкуб’єром.
Вона все ще потребує величезної кількості маси та енергії, але, згідно з розрахунками Ленца, лише позитивних величин.
“Я був дуже здивований, що ніхто не спробував це зробити до мене”, – каже Ленц.
Бульбашка Ленца виглядає інакше, ніж та, яку розробив Алькуб’єр у 1994 році. Вона складається з ромбоподібних областей зміненого простору-часу, які нагадують зграю птахів. Створення такої геометрії простору-часу в реальності передбачало б складне нашарування кілець і дисків, зроблених не з твердого матеріалу, а з надзвичайно щільного флюїду заряджених частинок, схожого на речовину, що міститься в надрах нейтронних зірок, каже Ленц.
Це означає, що подорожі зі швидкістю, близькою до швидкості світла і варп двигун зокрема, все ще дуже і дуже далекі від прикладних технологій. Але тепер, коли не потрібні екзотичні від’ємні густини енергії – принаймні, згідно з останньою роботою Ленца – теоретичні ігри знаходяться в межах усталеної фізики.
Алькуб’єр описує статтю Ленца як “дуже важливу подію”. Франсіско Лобо, дослідник з Лісабонського університету і колега Алькуб’єрре, який опублікував підручник про варп двигуни, також не може знайти жодних очевидних помилок. “Якщо все вірно, то це може відкрити нові інтереси і нові напрямки досліджень у фізиці викривлення”, – каже він.
Ідея Ленца викликала інтерес навіть серед дослідників за межами невеликої спільноти ентузіастів, що займаються варп двигунами, в тому числі – Лавінія Гейзенберг, професорка космології Швейцарської вищої технічної школи Цюріха.
Гейзенберг та її студент Шон Фелл знайшли статтю Ленца настільки захопливою, що взяли її за основу, розробивши власні бульбашки з позитивною енергією викривлення, які потребували б лише тисячну частину маси нашого Сонця.
“Все це набагато менш загадково, ніж більшість людей припускає”, – каже Олексій Бобрік, астрофізик з Лундського університету у Швеції. Співпрацюючи з нью-йоркським підприємцем Джанні Мартіре, Бобрік запропонував кілька багатообіцяючих рішень рівнянь поля Ейнштейна у 2020 році. За словами Бобріка, все, що потрібно для створення варп-бульбашки, – це оболонка відповідної форми з щільного матеріалу, яка викривляє простір-час у своєму безпосередньому оточенні, тоді як всесвіт, через який рухається бульбашка, і простір всередині оболонки залишаються відносно непорушними.
Кіт Шредінгера простими словами…що це?
Час рухається порівняно повільно
“Порівняно” – ключове слово. Алькуб’єр і пізніші дослідники викривлення припускали різкий перехід між викривленим простором-часом у стінці бульбашки та гладкими внутрішнім і зовнішнім просторами. Але Бобрік і Мартіре виявили, що це “усічення” гравітаційного поля є причиною того, що для стабілізації викривлення простору і часу потрібна велика кількість негативної енергії.
Відмова від карикатурного образу мильної бульбашки, однак, дає можливість побудувати двигуни викривлення на основі звичайної матерії, стверджують вони. Гравітаційне поле не просто зникне, коли людина відійде від стінки оболонки. Замість цього воно буде поступово затухати. Простір-час, таким чином, також викривлявся б всередині бульбашки. Для мандрівників у космічному кораблі прямо посеред бульбашки це явище було б найбільш очевидним у плині часу: їхні годинники йшли б повільніше, ніж у решті простору, оскільки, згідно з теорією відносності, на час впливає гравітація.
Уповільнений плин часу на космічному кораблі міг би бути чимось, що оцінили б міжзоряні мандрівники. Проте Бобрік і Мартіре описують й інші перешкоди. Вони стверджують, що наразі не існує жодного відомого способу реального прискорення варп-бульбашки. Всі попередні уявлення про це просто припускали, що викривлення простору-часу вже рухається з великою швидкістю.
Промінь світла подорожує зі швидкістю 299 000 кілометрів на секунду. Згідно зі спеціальною теорією відносності Ейнштейна, це фізична константа. Швидкість світла – це максимальна швидкість, якої може досягти будь-яка частинка, і частинка може це зробити, тільки якщо вона не має маси. Отже, сучасна фізика не пропонує можливості прискорювати об’єкти понад швидкість світла.
Однак при ближчому розгляді ця межа діє лише в межах чотиривимірного простору-часу, з якого складається всесвіт. За його межами виявляються можливими ще більші швидкості.
“Жоден з фізично мислимих варп двигунів не може розігнатися до швидкості, більшої за швидкість світла, – каже Бобрік. Це тому, що для цього потрібна матерія, здатна викидатися зі швидкістю, більшою за швидкість світла – але жодна з відомих частинок не може рухатися з такою швидкістю. Крім того, бульбашка не могла б контролюватися самими мешканцями космічного корабля, оскільки вони втратили б контакт із зовнішнім світом через надзвичайно сильне викривлення простору навколо них.
Ленц також вважає ці заперечення проблемою, але вірить, що рішення можна знайти. Бобрік, тим часом, вказує на те, що також можливо подорожувати до далеких зірок зі швидкістю в третину або половину швидкості світла, особливо якщо для людей у викривленій бульбашці час плине повільніше. Тільки не треба думати про те, що всі ваші родичі, які залишилися на Землі, ймовірно, помруть від старості до того, як ви повернетеся. “Але, принаймні, ідея вже не є повністю божевільною”, – каже Бобрік.
Що таке варп двигун в практичній площині
Досі точаться суперечки про те, чи справді бульбашки викривлення можуть обходитися без від’ємної енергії. Нещодавно три теоретики припустили, що це твердження справедливе лише для спостерігачів, які рухаються поруч з бульбашкою. Крім того, не все, що здається можливим згідно з теорією відносності, насправді існує – або є технологічно здійсненним. Наприклад, рівняння поля Ейнштейна можна також використовувати для обґрунтування “білих” дір (антипод їхніх чорних аналогів), мостів Ейнштейна-Розена (які часто називають червоточинами) та інших екзотичних змін у просторі-часі, які ніхто ніколи не спостерігав. Це може бути тому, що закони природи, поки що невідомі, виключають такі явища.
Тому деякі дослідники застерігають від надмірних фантазій. Експерт з космічних двигунів Мартін Таймар з Дрезденського технічного університету, наприклад, не бачить практичного сенсу в нинішній роботі над двигунами викривлення. Величезні маси, що задіяні в них, просто перевищують все, що може бути випробувано на Землі, каже він.
Що таке час: визначення, теорії та його вимірювання?
Більшість дослідників-ветеранів, які займаються розробкою варп двигунів, безсумнівно, погодяться з даним твердженням. Вони розглядають свою роботу не стільки як підготовку до реальних експериментів, скільки як спосіб дослідити межі відносності. Лобо каже, що навіть умоглядні “експерименти в думках” є корисними в цій справі.
Воджночас Ленц виступає за те, щоб уважно придивитися до оточення нейтронних зірок. Цілком можливо, що ці надкомпактні зоряні залишки викидають бульбашки, подібні до тих, які він описує у своїй статті. “Якщо не дозволяти особистим упередженням стати на заваді і приймати те, що говорять докази, то ця сфера досліджень так само гідна того, щоб нею займатися, як і будь-яка інша”, – каже він.
Джерело: www.scientificamerican.com/
