Швидше, ніж світло, це єдиний спосіб дістатися до інших зірок за розумний проміжок часу. Авторство: NASA
Найближча до Землі зірка - Проксима Центавра. Він знаходиться на відстані приблизно 4.25 світлових років, або приблизно 25 трильйонів миль (40 трильйонів км). Найшвидший космічний корабель, який зараз знаходиться в космосі, Parker Solar Probe досягне максимальної швидкості 450,000 20 миль на годину. З цією швидкістю від Лос-Анджелеса до Нью-Йорка знадобиться всього 6,633 секунд, але сонячному зонду знадобиться близько XNUMX років, щоб досягти найближчої сусідньої сонячної системи Землі.
Якщо людство коли-небудь захоче легко подорожувати між зірками, людям потрібно буде рухатися швидше, ніж світло. Але поки що подорожі швидше за світло можливі лише в науковій фантастиці.
У серії «Foundation» Айзека Азімова людство може подорожувати від планети до планети, від зірки до зірки або через всесвіт за допомогою стрибків. У дитинстві я читав стільки цих історій, скільки міг дістатися. Зараз я фізик-теоретик і вивчаю нанотехнології, але я все ще захоплююся тим, як людство може колись подорожувати в космосі.
Деякі персонажі, як-от астронавти у фільмах «Інтерстеллар» і «Тор», використовують червоточини, щоб подорожувати між сонячними системами за лічені секунди. Інший підхід, знайомий фанатам "Зоряного шляху", - це технологія деформаційного приводу. Деформаційні диски теоретично можливі, якщо все ще є надуманою технологією. Дві останні роботи зробив заголовки у березні, коли стверджували дослідники до подолали одна з багатьох проблем, які стоять між теорією варп-драйвів і реальністю.
Але як насправді працюють ці теоретичні приводи деформації? І чи скоро люди будуть стрибати до варп-швидкості?
Це 2-вимірне уявлення показує плоску, невикривлену бульбашку простору-часу в центрі, де буде розташовуватися деформаційний диск, оточений стиснутим простором-часом справа (крива вниз) і розширеним простором-часом зліва (висхідна крива). Авторство: AllenMcC/Wikimedia Commons
Стиснення і розширення
Сучасне розуміння простору-часу фізиками походить із загальної теорії відносності Альберта Ейнштейна. Загальна теорія відносності стверджує, що простір і час злиті і що ніщо не може рухатися швидше, ніж швидкість світла. Загальна теорія відносності також описує, як маса та енергія деформують простір-час – великі об’єкти, такі як зірки та чорні діри, викривляють простір-час навколо них. Ця кривизна — це те, що ви відчуваєте як гравітацію, і чому багато героїв космічних польотів турбуються про те, що «застрягнуть» або «впадуть» у колодязь тяжіння. Перші письменники-фантасти Джон Кемпбелл і Азімов вважали це викривлення способом обійти обмеження швидкості.
Що якби зореліт міг стискати простір перед собою, одночасно розширюючи простір-час позаду? «Зоряний шлях» взяв цю ідею і назвав її варп-драйвом.
У 1994 році Мігель Алькуб'єр, мексиканський фізик-теоретик, показав, що стиснення простору-часу перед космічним кораблем і розширення його позаду було математично можливо в рамках законів загальної теорії відносності. Отже, що це означає? Уявіть, що відстань між двома точками становить 10 метрів (33 фути). Якщо ви стоїте в точці A і можете рухатися один метр за секунду, вам знадобиться 10 секунд, щоб дістатися до точки B. Однак, припустимо, ви можете якимось чином стиснути простір між вами та точкою B так, щоб інтервал тепер становив лише один метр . Тоді, рухаючись у просторі-часі з максимальною швидкістю один метр в секунду, ви зможете досягти точки B приблизно за одну секунду. Теоретично цей підхід не суперечить законам відносності, оскільки ви рухаєтеся не швидше, ніж світло в навколишньому просторі. Алькуб’єр показав, що варп-драйв із «Зоряного шляху» був насправді теоретично можливим.
Проксима Центавра, ось і ми, чи не так? На жаль, метод стиснення простору-часу за Алькуб’єром мав одну проблему: він вимагає негативної енергії або негативної маси.
Це двовимірне уявлення показує, як позитивна маса викривляє простір-час (ліва сторона, блакитна земля), а негативна — криві простору-часу в протилежному напрямку (права сторона, червона земля). Авторство: Tokamac/Wikimedia Commons, CC BY-SA
Проблема негативної енергії
Варп-привід Алькуб’єра працював би, створюючи бульбашку плоского простору-часу навколо космічного корабля та вигинаючи простір-час навколо цієї бульбашки, щоб зменшити відстані. Для роботи варп-приводу знадобиться або негативна маса – теоретизований тип матерії – або кільце з негативною щільністю енергії. Фізики ніколи не спостерігали негативної маси, тому негативна енергія залишається єдиним варіантом.
Щоб створити негативну енергію, варп-привід використовував би величезну кількість маси, щоб створити дисбаланс між частинками та античастками. Наприклад, якщо електрон і антиелектрон з’являться поблизу варп-приводу, одна з частинок потрапить у пастку маси, і це призведе до дисбалансу. Цей дисбаланс призводить до негативної щільності енергії. Варп-привід Алькуб'єра використає цю негативну енергію для створення бульбашки простору-часу.
Але щоб варп-драйв генерував достатньо негативної енергії, вам знадобиться багато матерії. Алькуб’єр підрахував, що варп-драйв зі 100-метровим бульбашкою буде потрібна маса всього видимого Всесвіту.
У 1999 році фізик Кріс Ван Ден Брок показав, що збільшення об’єму всередині бульбашки, але збереження площі поверхні постійною, значно знизити потреби в енергії, приблизно до маси сонця. Значне покращення, але все ще далеко за межами всіх практичних можливостей.
Науково-фантастичне майбутнє?
Дві недавні роботи – по одній Олексій Бобрик і Джанні Мартір а інший за Ерік Ленц – надавати рішення, які, здається, наближають варп-приводи до реальності.
Бобрік і Мартір зрозуміли, що, модифікуючи простір-час всередині бульбашки певним чином, вони можуть позбутися від необхідності використання негативної енергії. Однак це рішення не створює деформаційний диск, який може працювати швидше, ніж світло.
Самостійно Ленц також запропонував рішення, яке не потребує негативної енергії. Він використав інший геометричний підхід, щоб розв’язати рівняння загальної теорії відносності, і, зробивши це, він виявив, що деформаційному приводу не потрібно буде використовувати негативну енергію. Розчин Ленца дозволив би бульбашці рухатися швидше, ніж швидкість світла.
Важливо зазначити, що ці захоплюючі розробки є математичними моделями. Як фізик, я не буду повністю довіряти моделям, поки у нас не буде експериментальних доказів. Тим не менш, наука варп-приводів з'являється в поле зору. Як шанувальник наукової фантастики, я вітаю все це інноваційне мислення. В слова капітана Пікарда, речі неможливі лише доки їх немає.
Автор Маріо Борунда, доцент фізики Університету штату Оклахома.
Спочатку опубліковано на Бесіда.
