Физики выяснили, как может работать варп-двигатель — даже если он больше полезен для нашего понимания гравитации, чем для межзвездных путешествий.
Автор: Пол Саттер
Группа физиков обнаружила, что можно построить настоящий, реальный, физический варп-двигатель и не нарушить ни одного из известных правил физики. Одна оговорка: судно, осуществляющее искривление, не может превышать скорость света, так что в ближайшее время вы не сможете попасть в интересное место. Но это исследование все равно представляет собой важный шаг вперед в нашем понимании гравитации.
Движение без движения
Общая теория относительности Эйнштейна — это набор инструментов для решения проблем, связанных с гравитацией, который связывает массу и энергию с деформациями в пространстве-времени. В свою очередь, эти деформации пространства-времени указывают массе и энергии, как двигаться. Почти во всех случаях физики используют уравнения относительности, чтобы выяснить, как будет двигаться определенная комбинация объектов. У них есть некий физический сценарий, например планета на орбите звезды или столкновение двух черных дыр, и они пытаются понять, как эти объекты деформируют пространство-время и какой должна быть последующая эволюция системы.
Но можно провести математику Эйнштейна и в обратном направлении, представив себе желаемое движение и спросив, какая деформация пространства-времени может сделать его возможным. Именно так мексиканский физик Мигель Алькубьерре обнаружил физическую основу варп-двигателя, который уже давно стал неотъемлемой частью франшизы Star Trek.
Цель варп-двигателя — добраться из пункта А в пункт Б за время между рекламными паузами, что обычно предполагает движение быстрее света. Но специальная теория относительности категорически запрещает скорость быстрее света. Хотя сценаристов «Звездного пути» это никогда не беспокоило, Алькубьерре это раздражало. Он обнаружил, что можно создать варп-двигатель, ловко манипулируя пространственным временем, выстраивая его так, чтобы пространство перед кораблем сжималось, а пространство за ним растягивалось. Это создает движение без, строго говоря, движения.
Звучит как противоречие, но это лишь один из многих замечательных аспектов общей теории относительности. Варп-двигатель Алькубьерре позволяет избежать нарушения ограничения скорости света, поскольку он никогда не перемещается в пространстве; вместо этого пространство само манипулирует собой, чтобы, по сути, приблизить место назначения космического корабля.
При всей своей заманчивости конструкция Алькубьерре имеет фатальный недостаток. Чтобы обеспечить необходимые искажения пространства-времени, космический корабль должен содержать некую форму экзотической материи, обычно рассматриваемой как материя с отрицательной массой. Отрицательная масса имеет некоторые концептуальные проблемы, которые, кажется, не соответствуют нашему пониманию физики, например, если вы пнете мяч весом минус 5 килограммов, он полетит назад, нарушая сохранение импульса. Кроме того, никто и никогда не видел ни одного объекта с отрицательной массой, существующего в реальной Вселенной.
Эти проблемы с отрицательной массой заставили физиков предложить различные версии «энергетических условий» в качестве дополнения к общей теории относительности. Они не заложены в саму относительность, а являются дополнениями, необходимыми потому, что общая относительность допускает такие вещи, как отрицательная масса, которые, похоже, не существуют в нашей Вселенной — эти энергетические условия не позволяют им попасть в уравнения относительности. Это ответ ученых на тот тревожный факт, что ванильная ОТО допускает такие вещи, как сверхсветовое движение, но остальная часть Вселенной, похоже, с этим не согласна.
Нулевой фактор искривления
Энергетические условия не являются экспериментально или наблюдательно доказанными, но эти утверждения согласуются со всеми наблюдениями за Вселенной, поэтому большинство физиков относятся к ним довольно серьезно. И до недавнего времени физики считали, что эти энергетические условия на все 100 процентов доказывают, что построить варп-двигатель невозможно, даже если бы вы очень хотели.
Но есть способ обойти эту проблему, который обнаружила международная группа физиков под руководством Джареда Фукса из Университета Алабамы в Хантсвилле (эта команда также связана с Лабораторией прикладной физики (Applied Propulsion Laboratory) — виртуальным мозговым центром, занимающимся, помимо прочего, исследованием варп-двигателей). В работе, принятой к публикации в журнале Classical and Quantum Gravity, исследователи глубоко погрузились в теорию относительности, чтобы выяснить, может ли работать какая-либо версия варп-двигателя.
Уравнения общей теории относительности, как известно, трудно поддаются решению, особенно в таких сложных случаях, как варп-двигатель. Поэтому команда обратилась к программным алгоритмам; вместо того чтобы пытаться решить уравнения вручную, они исследовали свои решения численно и проверяли, соответствуют ли они энергетическим условиям.
Команда не пыталась создать двигатель. Вместо этого они исследовали различные решения общей теории относительности, которые позволили бы путешествовать из точки в точку без ускорения судна и без воздействия на него чрезмерных гравитационных приливных сил, что было бы очень удобно для всех предполагаемых пассажиров. Затем они проверили, соблюдаются ли в этих решениях энергетические условия, препятствующие использованию экзотической материи.
Исследователи действительно обнаружили решение для варп-двигателя: метод манипулирования пространством, позволяющий путешественникам двигаться без ускорения. Однако бесплатного обеда не бывает, и физичность этого варп-двигателя сопровождается серьезной оговоркой: судно и пассажиры никогда не смогут путешествовать быстрее света. Также разочаровывает тот факт, что исследователи, создавшие новую работу, похоже, не потрудились выяснить, какие конфигурации материи позволят осуществить искривление.
Будущее гравитации
С одной стороны, это гигантское разочарование. У нас уже есть множество способов передвигаться медленнее света (ракеты, ходьба и т. д.), так что добавление еще одного в этот список не так уж и интересно. К тому же, даже если бы мы захотели построить этот варп-двигатель, пропасть между этой гипертеоретической работой и реальным, физическим двигательным механизмом такая же, как между записью законов Ньютона и постройкой Falcon 9.
Но это не значит, что новая разработка неинтересна. Мы не до конца понимаем гравитацию, и мы знаем, что теория Эйнштейна неполна. Одним из указателей на будущее понимание гравитации является тот факт, что общая теория относительности позволяет находить интересные, экзотические решения, такие как варп-двигатели, которые, как кажется, нарушают другие области физического понимания.
Нам, физикам, нравится, когда все наши теории сходятся и согласуются с природой Вселенной. Так что если энергетические условия устанавливают реальные пределы физики — пределы, в которых такие вещи, как отрицательная масса, не просто не существуют, но и не могут существовать, — то мы хотели бы иметь физическую теорию, которая говорит об этом с самого начала, а не полагается на такие дополнения, как энергетические условия.
Изучение того, как может (не может) работать варп-двигатель и при каких условиях и ограничениях, — шаг в этом направлении. Долгие годы физики считали, что энергетические условия запрещают все виды варп-двигателей, но новое исследование показывает возможный способ обойти это. То, что произойдет дальше, будет победой независимо от того, получим ли мы фантастический сверхсветовой варп-двигатель или нет. Потому что, что бы ни вышло из будущих исследований в этих направлениях, мы узнаем больше о силе гравитации и, возможно, совершим революцию в нашем понимании ее.
И кто знает, что мы получим, когда лучше поймем гравитацию.
Оригинал: Wired
