Варп-двигатели и Звездные врата. Как обойти скорость света и не нарушить физику

Но куда лететь вопрос скорее, риторический учитывая, что путешествие за пределами Солнечной системы обязательно предполагает выход за предел скорости света. А это, между прочим, запретил Эйнштейн и его теория относительности. Или не совсем запретил? Поэтому можно догнать или перегнать свет? Лазейки нашли физики в теории, определяющей наше мировосприятие? Космические путешествия и теория относительности Эйнштейна. Два простых правила в один момент ограничили природу Вселенной: его законы не зависят от систем отсчета, а скорость света в любой из этих систем будет одинаковой. Больше всего ограничения наших возможностей заключается в том, что с увеличением скорости у объекта неизбежно возрастет импульс, а потому по достижению скорости света, он приблизится к бесконечности. Причем даже если вас это устраивает, то все равно, чтобы разогнаться до такой скорости, нужно потратить бесконечную энергию. По сути Эйнштейн сделал вывод, что скорость света — это максимально возможная скорость во Вселенной, а потому путешествие даже в ближайшую нам Проксима Центавра займет более 4 лет.

Поэтому теперь у нас два варианта: либо забыть об Эйнштейне, или о межзвездных путешествиях. Впрочем, последнее было бы совсем просто, а первое слишком самонадеянно, потому что в выводах Эйнштейна мы уверены более чем на сотые доли процента. Физики не могут и не хотят ничего нарушать, но они способны найти решение в рамках большого ограничения и показать, что невозможность отпуска на Андромеде — проблема инженерная, а потому при больших технологических достижениях физика сама позволит нам преодолевать огромные расстояния. Поэтому мы здесь не говорим о каких нарушениях теории относительности Эйнштейна. Мы просто ищем лазейки в постулатах и ​​попробуем найти способ все же посетить по крайней мере звезду-соседку.

На самом деле от Эйнштейна нам достались не только запреты. Вместе с тем благодаря ему время и пространство перестали быть абсолютными и стали полностью зависеть от наблюдателя, мир стал четырехмерным. К известным нам трем измерениям добавилось время и теперь мы говорим не столько о расстоянии между точками, А и Б, сколько об их удаленности друг от друга и в пространстве, и во времени. Теперь у вас не только точка в пространстве, но и событие, о котором вы знаете, где и когда она произошла. Но и это еще не все.

Образованное теорией относительности полотно пространства-времени умеет искажаться. Но прежде чем искажать его, давайте попробуем это визуализировать. Вспомните, что мир теперь стал четырехмерным и протяните через него сетку геодезических кривых, которыми в этом мире будет двигаться объект. Похожие на меридианы и параллели на школьном глобусе эти линии называют мировыми — они кратчайший путь для объекта и под действием гравитационного поля будут искажаться и формировать новые траектории движения. Так свету рядом с массивным объектом придется менять путь, хотя обычно оно любит двигаться прямо.

Причиной искривления пространства-времени является материя, а чем больше ее энергия, тем искривление будет сильнее. И материя, и пространство-время оба влияют друг на друга и в целом именно пространство-время указывает материи как ей двигаться, а материя со своей стороны указывает пространству-времени как ему искривляться. Эта взаимосвязь физики и предлагают использовать эти знания в межзвездных путешествиях. Правда, они предполагают, что ваш корабль попадет в такую ​​область пространства-времени, скорость которой относительно наблюдателя будет превышать скорость света, а вместе с ней и корабль, не нарушая постулаты Эйнштейна. Для этого у нас есть по крайней мере три запрещенные физикой инструмента, которые активно эксплуатируются учеными и писателями-фантастами: Кротова нора, пузырь Алькубьерре и труба.

Как мы уже упомянули, уравнения Эйнштейна связывает гравитацию с деформацией пространства-времени под действием присутствующей в нем материи. Так одним из решений этих уравнений еще в 1915 году ученые предсказали существование черных дыр, а впоследствии и стали замечать свидетельство этому. Сейчас в существовании таких объектов, которые не выпускают из своей ловушки даже свет, мы не сомневаемся. А свои сомнения можно развеять в нашем материале «Что такое черная дыра?». Впрочем, в общей теории относительности кротовые норы, то из чего нет выхода.

По их горизонтом свет не исчезнет бесследно, а изменит направление и переместится в пространстве. Это уже через год после теоретического открытия черных дыр предусмотрел ученый Людвиг ФЛАММА, а через 20 лет этого уже, не отрицал и сам Эйнштейн. Кротовые норы — любимцы кинорежиссеров и именно этот тоннель, соединяющий две точки пространства, перенес 12 добровольцев с «Интерстеллар». Чтобы пронестись между звездами или галактиками Кротовой норой вам придется найти проходную кротовину, которая все же успеет перенести вас куда-то. Несмотря на пессимизм ученых, которые говорят, что такие могли бы образоваться только во время рождение Вселенной и поэтому мы их никогда не увидим, другие предлагают нам сценарий «Интерстеллар». То есть искать кротовины сверхмассивных черных дыр. Следующим критериям для удачного путешествия достаточно широкий вход в нору и пятое измерение. Первый должен составлять примерно полторы тысячи километров, а второй имеет дополнить три пространственные и одно временное измерение, чтобы удержать кротовину от разрушения и помочь путешественнику пережить все прелести путешествий в местах с такой гравитацией. Впрочем, пока в центре изображения черной дыры мы увидели только черноту, а не образы объектов с другого конца туннеля, поэтому кротовые норы остаются теорией.

Похожим и так же теоретическим тоннелем может стать так называемая трубка Красникова, которая могла бы объединить Землю с какой-нибудь звездой и пропустить внутри себя корабль. Она нравится ученым, поскольку не нарушает принципа причинности, при котором причина в любых системах координат должно предшествовать следствию. Этот тоннель является своеобразным искривлением пространства-времени, который позволит исказить время для какого-нибудь корабля так, что наблюдатели с Земли и не заметят его отсутствие, а сам корабль достигнет скорости света. Корабль будет возвращаться тем же путем, которым и прибыл в место назначения, причем вернется и в то же время — вскоре после того, как вылетел. Время полета в один конец до далекой звезды ограничивается всеми обычными ограничениями специальной теории относительности, но время полета туда и обратно можно сделать сколь угодно коротким.

Впрочем, такой способ не завоевал популярности именно из принципа причинности. Дело в том, что одна такая трубка может и не повлечет ничего, но если создать две такие, то появятся закрытые временные кривые. Так астронавты из будущего смогут путешествовать к звездам в одной трубе, а возвращаться в другой и прибыть на 6000 лет раньше своего отлета.

На самом деле эта труба Красникова выросла с другой концепции уже мексиканского физика-теоретика, Мигеля Алькубьере. Идея заключается в изменении геометрии пространства с помощью волн, сжимать пространство впереди корабля и расширять позади. Для этого область пространства со звездолетом нужно окружить пузырем сильно искривленного пространства с особой геометрией, что в результате и позволит разогнаться до сверхвысоких скоростей и в том числе преодолеть скорость света. Внутри нее образуется «плоская» область пространства-времени, где пассажиры корабля даже не почувствуют, что они движутся. Подобную идею заложили в варп-двигатели — двигатели искажения, которые лежат в основе «Звездного пути».

Главным недостатком трубы Красникова, кротовины и пузырьки Алькубьере есть потребность в источнике негативной массы и энергии. В кротовинах негативная энергия защищает их (и вас) от коллапса, в механизме Алькубьере экзотическая материя нужна для сбалансированных искажений пузырьков, а трубе Красникова она нужна, чтобы повернуть время вспять. В классической физике понятие негативной энергии нет.

Но недавно физики (к сожалению все еще теоретики) позволили варп-двигателям забыть об отрицательной энергию. Негативную энергию немецкий астрофизик Эрик Ленц (Erik Lentz) предложил заменить солитоном. Так пространство-время примет форму компактной гравитационной волны, которая распространяется с постоянной скоростью и не теряет формы, при этом в ее центре приливные силы будут минимальными, а поэтому потенциальный парадокс близнецов пассажирам корабля не будет угрожать. Ленц предложил другой механизм образования волн пузырем, который не требует негативной энергии для искажений пространства-времени. Однако, пока и обычной энергии для этой идеи понадобится очень много, но такую ​​все же легче раздобыть, чем отрицательных.

Таким образом физика говорит нам, что перемещаться пространством со сверхсветовой скоростью все же возможно. Но путешествовать придется в пузырьке, что искажает пространство-время, трубе-туннели или Кротовой норе, способной объединить различные точки окружающего нас мира. По сути физики-теоретики действительно нашли лазейку и решили предложить свои способы искажения пространства-времени и позволить вам построить как минимум Звездные врата и как максимум — двигатель для Энтерпрайза «Звездного пути».

Перевод материала nauka.ua