Идея использования варп-двигателя для путешествий по всей Вселенной

Ближайшая к Земле звезда – Проксима Центавра. Он находится на расстоянии около 4,25 световых лет или около 25 триллионов миль (40 триллионов км). Самый быстрый из когда-либо существовавших космических аппаратов, находящийся сейчас в космосе, Parker Solar Probe достигнет максимальной скорости 450 000 миль в час. Чтобы добраться от Лос-Анджелеса до Нью-Йорка с такой скоростью, потребуется всего 20 секунд, но солнечному зонду потребуется около 6633 лет, чтобы достичь ближайшей соседней с Землей солнечной системы.

Если человечество когда-либо захочет легко путешествовать между звездами, людям нужно будет лететь быстрее света. Но пока что путешествие со скоростью выше скорости света возможно только в научной фантастике.

В серии «Фонд Иссака Азимова» человечество может путешествовать с планеты на планету, от звезды к звезде или через вселенную, используя прыжковые двигатели. В детстве я прочитал столько историй, сколько смог достать. Сейчас я физик-теоретик и изучаю нанотехнологии, но меня все еще восхищают способы, которыми человечество может однажды путешествовать в космосе.

Некоторые персонажи – например, астронавты в фильмах «Интерстеллар» и «Тор» – используют червоточины для перемещения между солнечными системами за секунды. Другой подход, знакомый поклонникам «Звездного пути», – это технология варп-привода. Варп-приводы теоретически возможны, если это все еще надуманная технология. Две недавние статьи попали в заголовки газет в марте, когда исследователи заявили, что преодолели одну из многих проблем, стоящих между теорией варп-двигателей и реальностью.

Но как эти теоретические двигатели деформации действительно работают? И будут ли люди в ближайшее время совершать прыжок на варп-скорость?

Сжатие и расширение

Современное понимание пространства-времени физиками происходит из общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Общая теория относительности утверждает, что пространство и время слиты и ничто не может двигаться быстрее скорости света. Общая теория относительности также описывает, как масса и энергия искажают пространство-время – массивные объекты, такие как звезды и черные дыры, изгибают пространство-время вокруг себя.

Эта кривизна – то, что вы чувствуете как гравитацию, и почему многие космические герои беспокоятся о том, чтобы «застрять» или «упасть» в гравитационный колодец. Ранние писатели-фантасты Джон Кэмпбелл и Азимов видели в этой деформации способ обойти ограничение скорости.

Что, если бы космический корабль мог сжимать пространство перед собой и расширять пространство-время позади него? «Звездный путь» взял эту идею и назвал ее варп-двигателем.

В 1994 году мексиканский физик-теоретик Мигель Алькубьерре показал, что сжатие пространства-времени перед космическим кораблем и его расширение позади математически возможно в рамках законов общей теории относительности. Так что это значит?

Представьте, что расстояние между двумя точками составляет 10 метров (33 фута). Если вы стоите в точке A и можете перемещаться со скоростью один метр в секунду, вам потребуется 10 секунд, чтобы добраться до точки B. Однако, допустим, вы можете каким-то образом сжать пространство между вами и точкой B, так что интервал теперь составляет всего один метр. .

Затем, двигаясь в пространстве-времени с максимальной скоростью один метр в секунду, вы сможете достичь точки B примерно за одну секунду. Теоретически такой подход не противоречит законам относительности, поскольку вы не движетесь в пространстве вокруг вас со скоростью быстрее света. Алькубьерре показал, что варп-драйв из «Звездного пути» на самом деле теоретически возможен.

Проксима Центавра, вот и мы, верно? К сожалению, у метода сжатия пространства-времени Алькубьерре была одна проблема: он требует отрицательной энергии или отрицательной массы.

Проблема с отрицательной энергией

Варп-двигатель Алькубьерре будет работать, создавая вокруг космического корабля пузырь плоского пространства-времени и искривляя пространство-время вокруг этого пузыря, чтобы уменьшить расстояния. Для работы варп-двигателя потребуется либо отрицательная масса – теоретический тип материи, – либо кольцо с отрицательной плотностью энергии. Физики никогда не наблюдали отрицательную массу, так что отрицательная энергия остается единственным вариантом.

Чтобы создать отрицательную энергию, варп-двигатель будет использовать огромное количество массы, чтобы создать дисбаланс между частицами и античастицами.

Например, если электрон и антиэлектрон появляются рядом с варп-двигателем, одна из частиц будет захвачена массой, и это приведет к дисбалансу. Этот дисбаланс приводит к отрицательной плотности энергии. Варп-двигатель Алькубьерре использовал бы эту отрицательную энергию для создания пузыря пространства-времени.

Но для того, чтобы варп-двигатель генерировал достаточно отрицательной энергии, вам понадобится много вещества. Алькубьерре подсчитал, что варп-двигатель со 100-метровым пузырем потребует массы всей видимой Вселенной.

В 1999 году физик Крис Ван Ден Брок показал, что расширение объема внутри пузыря, но при сохранении постоянной площади поверхности, значительно снизит потребность в энергии, примерно до массы Солнца. Значительное улучшение, но все же далеко за пределами всех практических возможностей.

Научно-фантастическое будущее?

Две недавние статьи – одна Алексея Бобрика и Джанни Мартире, а другая Эрика Ленца – предлагают решения, которые, кажется, приближают варп-двигатели к реальности.

Бобрик и Мартир поняли, что, определенным образом изменяя пространство-время внутри пузыря, они могут избавиться от необходимости использовать отрицательную энергию. Однако это решение не создает деформирующего двигателя, который мог бы работать быстрее света.

Самостоятельно 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-двигатель не должен использовать отрицательную энергию. Решение Ленца позволило бы пузырю двигаться быстрее скорости света.

Важно отметить, что эти захватывающие разработки представляют собой математические модели. Как физик, я не буду полностью доверять моделям, пока у нас не будет экспериментального доказательства. Тем не менее, наука о варп-двигателях становится все более очевидной. Как фанат научной фантастики, я приветствую все это новаторское мышление. По словам капитана Пикарда, вещи невозможны, пока они не станут реальностью.

Марио Борунда, доцент физики, Государственный университет Оклахомы