Среда, 29 июня, 2022

Мы считаем, что мир 2051 — это мир без войны.

Звездный пузырь: когда человечество создаст варп-двигатель

Время на чтение 7 мин.

5 апреля 2063 года Зефрам Кокрейн успешно совершил первый полет на корабле «Феникс», оснащенном варп-двигателем. Это привлекло внимание вулканцев, которые вступили с землянами в первый контакт. А дальше понеслось: звездолет «Энтерпрайз», Объединенная Федерация Планет, where no man has gone before…

Так описывается создание корабля, способного развивать сверхсветовую скорость, во вселенной «Звездного пути». Событие должно произойти уже через 40 лет. Но насколько человечество приблизилось хотя бы теоретически к межзвездным путешествиям?

Королевство кривых пространств

Огромные расстояния в космосе и скоротечность человеческой жизни — вот главные препятствия для межзвездных путешествий. Осознать масштабы Вселенной довольно сложно, но вот простой пример: запущенный в 1977 году «Вояджер-1» сейчас является самым удаленным искусственным телом, созданным землянами. Только в 2012 году он вошел в межзвездную среду, а границу Солнечной системы (по крайней мере, по современным представлениям о ней) он преодолеет только… через 30 тысяч лет! Если бы «Вояджер» летел к Альфе Центавра, ближайшей к Солнцу звезде, ему понадобилось бы 73 тысячи лет.

Но даже если мы изобретем двигатели, способные разогнать нас до очень больших скоростей, есть фундаментальное ограничение: специальная теория относительности говорит, что любая частица, имеющая массу, может только приблизиться к скорости света, но не достичь ее. А любая безмассовая частица может перемещаться только со скоростью света. Это утверждение получило уже очень много экспериментальных доказательств, так что оспаривать его бессмысленно. Поэтому мы теоретически можем разогнаться до скорости, чуть меньшей чем 299 792 458 метров в секунду — и это наш потолок. Увы, это не очень много для космических путешествий: до той Альфы Центавра (где, походу, делать особо нечего) придется лететь не меньше 15 лет.

Разумеется, при этом нужно иметь в виду, что чем быстрее скорость нашего перемещения в пространстве, тем медленнее мы перемещаемся во времени. Это хорошо показано в фильме «Интерстеллар», где персонажи попадают на планету вблизи черной дыры. Из-за ее гравитации пространство искривляется, и для героев на поверхности планеты проходит несколько часов, а для их коллеги на орбите — десятки лет.

Однако пытливый человеческий ум не терпит всяких ограничений, поэтому физики ищут способы таки запустить что-нибудь со скоростью больше, чем скорость света. Разумеется, изменить фундаментальные законы нельзя. Значит, их нужно обойти.

В мире «Звездного пути» этот обход реализован технологией искривления пространства. Перед кораблем оно сжимается, а сзади — растягивается, при этом сам звездолет попадает как бы в пузырь. Относительно этого пузыря судно покоится, а вот он перемещается сквозь пространство значительно быстрее скорости света. Это не противоречит специальной теории относительности, ведь объект покоится, «движется» само пространство-время.

Впрочем, в том же «Звездном пути» (да и в других фантастических произведениях, где варп-технология упоминается довольно часто) никак не объясняется физический принцип, по которому варп-двигатель создает искривление. Зато нашелся реальный ученый, который попытался это сделать.

Пускаем пузыри

Мексиканский физик-теоретик Мигель Алькубьерре тоже любит «Звездный путь». Он настолько вдохновился сериалом, что решил научно обосновать технологию варпа. И в 1994 Алькубьерре это удалось. В журнале Classical and Quantum Gravity он опубликовал статью, в которой привел такие решения уравнений специальной теории относительности, которые приводили бы к заданному искривлению пространства. Также он очертил общие принципы, на которых может быть построен варп-двигатель. Теорию назвали пузырем Алькубьерре, одни ученые хвалили физика за дерзновенность и элегантную математику, другие ругали за то, что он убил уйму времени на какую-то ерунду. Тем не менее, оказалось, что лазейка у нас все-таки есть.

Принцип работы пузыря в целом полностью соответствует описанному в «Звездном пути». Корабль деформирует пространство, сам оставаясь в состоянии покоя относительно пузыря, в котором находится. Скорость перемещения в таком случае зависит только от того, с какой скоростью звездолет сможет искривлять пространство-время до и после себя.

Но само по себе искривление в теории Алькубьерре — это задача с бесконечным числом звездочек. Прежде всего, для того чтобы образовался пузырь необходимо экзотическое вещество с отрицательной массой. Оно сможет образовать антигравитацию, которая и искривит пространство в соответствии с метрикой Алькубьерре. Увы, сейчас мы можем только предполагать, что может быть источником такого вещества. Возможно, какими-то свойствами такой материи обладает энергия Казимира — это энергия квантовых флуктуаций в вакууме. Когда Алькубьерре разрабатывал свою теорию, считалось, что вакуум — это состояние с нулевой энергией. Теперь мы знаем, что в нем постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы и вакуум обладает собственной энергией. Возможно, это та самая «темная энергия», которую физики ввели в стандартную модель для того, чтобы объяснить, почему Вселенная расширяется с ускорением. Иными словами, мы все еще не знаем такого вещества, благодаря которому можно было бы создать пузырь.

Другая проблема пузыря Алькубьерре — огромное количество энергии, необходимое для его создания и поддержания. Майкл Пфеннинг и Лоуренс Форд вычислили, что для пузыря радиусом 100 метров необходимо количество энергии, на десять порядков превышающее количество энергии всей наблюдаемой Вселенной. Крис Ван Ден Брок модифицировал геометрию Алькубьерре и снизил количество энергии до нескольких масс Солнца. Наконец, самое низкозатратное на сегодняшний день решение предложили Шон Фелл и Лавиния Гейзенберг. В их расчетах нам необходима сотая процента массы Солнца — всего лишь чуть больше, чем 33 массы Земли. При этом эта энергия не просто однократно потребляется, она должна постоянно тратиться на поддержание пузыря.

Запуск отложен

Рассмотрев теоретические выкладки, связанные с пузырем Алькубьерре, мы можем ответить на вопрос, вынесенный в заголовок статьи: когда же будет построен варп-двигатель. По всей видимости, правильный ответ — мы не знаем. Очевидно лишь, что этого не произойдет в ближайшие 40 лет, как завещал Джин Родденберри.

Две описанных выше сложности в проекте пузыря уже представляются нам непреодолимыми на нынешнем этапе развития человечества. Но стоит иметь в виду, что, создавая подобный пузырь, мы углубляемся в такие дебри квантовой физики, в которых могут найтись совершенно новые для нас эффекты, о которых мы и не подозревали. Нестабильная работа варп-двигателей, нарушение устойчивости пузыря могут привести к губительному для всего живого гамма-всплеску или даже созданию черной дыры. Кроме того, сам пузырь проницаем для космического излучения, и даже если мы решим вопрос с его созданием, непонятно, как защищать его от воздействия частиц, с которыми звездолет может столкнуться в пространстве.

Все эти проблемы не делают открытие Мигеля Алькубьерре менее элегантным и значительным. Он несомненно сделал варп-двигатель чуть более возможным, чем это было. Кроме того, многие ученые уверены, что высокоразвитая цивилизация вполне может освоить технологии, необходимые для подобных перемещений. Когда человечество выйдет на этот уровень? Может быть, через сотни лет, а может, и через тысячи. В любом случае, маловероятно, что даже наши праправнуки смогут удобно устроиться в капитанском кресле и пафосно произнести «Engage!»