Варп-двигатели и "Звездные врата": как обойти скорость света и не нарушить физику

События научно-фантастических игр, фильмов и романов почему-то очень любят переносить нас в какие-то другие галактики, хотя и в нашей собственной есть где разлетаться - диаметр Млечного Пути оценивается в 100 000 (ну, некоторые думают, что 150 000) световых лет. 

Но куда лететь вопрос скорее второстепенное, учитывая, что путешествие куда 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 и перегнать свет? Какие лазейки нашли физики в теории? Что определяет наше мировосприятие в этом плане?

 

Какое правило нужно нарушить? 

Существование проблемы с дальними космическими путешествиями обязано известной физической теории - Общей Теории Относительности Альберта Эйнштейна. Два простых правила из нее в один момент ограничили природу Вселенной: ее 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 ближайшей к нам Проксиме Центавра займет более 4 лет. 

И теперь у нас два варианта: либо забыть об Эйнштейне, либо 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 достижений физика сама позволит нам преодолевать огромные расстояния. Поэтому подчеркиваем, что мы здесь не говорим о каких нарушениях теории относительности и Эйнштейна в гробу не переворачиваем - мы просто поищем лазейки в постулатах и ​​попробуем найти способ все же посетить по крайней мере звезду-соседку. 

Сначала надо искривить пространство 

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 оно произошло. 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, по которым в этом мире будет двигаться объект. Похожие на меридианы и параллели на школьном глобусе эти линии называют световыми - они являются кратчайшим путем для объекта, и под действием гравитационного поля будут искажаться и формировать новые траектории движения. Так свету рядом с массивным объектом придется менять свой путь, хотя обычно он любит двигаться прямо. 

Труба, нора и пузырь 

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 во имя межзвездных путешествий. Правда, они предполагают, что ваш корабль придется поместить в такую ​​область пространства-времени, скорость которой относительно наблюдателя будет превышать скорость света, а вместе с ней и корабль внутри, не нарушая при этом постулаты Эйнштейна. Для этого у нас есть, по крайней мере, три запрещенных физикой инструмента, которые активно эксплуатируются учеными и писателями-фантастами: Кротовая нора, пузырь Алькубьерре и Труба Красникова. 

Вглубь кротовой норы! 

Как мы уже упомянули, уравнения Эйнштейна связывают гравитацию с деформацией пространства-времени под действием присутствующей в ней 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 своего ловушки даже свет, мы не сомневаемся.  

За их горизонтом событий свет не исчезнет бесследно, а изменит направление и переместится в пространстве. Это уже через год после теоретического открытия черных дыр предусмотрел решение эйнштейновских уравнений ученый Людвиг Фламм, а через 20 лет это уже, так же теоретически, не отрицал и сам Эйнштейн. Кротовые норы - это любимцы кинорежиссеров, и именно этот тоннель, соединяющий две точки пространства, перенес 12 добровольцев в шедевральном фильме «Интерстеллар».

Чтобы пронестись между звездами или галактиками через кротовую нору, вам придется найти проходную кротовину, которая все же успеет перенести вас куда-то, прежде чем вы коллапсируете. Несмотря на пессимизм ученых, которые говорят, что такие субстанции могли бы образоваться только при рождении Вселенной, и поэтому мы их никогда не увидим, другие предлагают нам сценарий «Интерстеллара». Следующим критериям для удачного путешествия достаточно широкий вход в нору и пятое измерение. Первый критерий должен составлять примерно полторы тысячи километров, а второй - иметь дополнения к трем пространственным и одному временному измерениям, 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, кротовые норы остаются теорией. 

Спустить все в трубу!

Похожим и так же теоретическим тоннелем может стать так называемая Труба или 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 должна 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 заперты 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. 

Чудо-двигатель из пузыря 

На самом деле эта Трубка Красникова выросла с другой концепции уже мексиканского физика-теоретика, Мигеля Алькубьерре. Идея заключается в изменении геометрии пространства с помощью волны, сжимать пространство впереди корабля и расширять позади. Для этого область пространства с 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.

Это похоже на миниатюру совсем не запрещено физикой расширения Вселенной, но очень локального - только для пузыри. 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» и разрабатывают еще, потому что, кажется, именно пузырь Алькубьерре обойдет все ограничения предыдущих способов межгалактического передвижения. 

Энергия в минусе 

Главным недостатком Труби Красникова, кротовины и пузыря Алькубьерре есть потребность в источнике негативной массы и энергии. В кротовинах негативная энергия защищает их (и вас) от коллапса, в механизме Алькубьерре экзотическая материя нужна для сбалансированных искажений пузыря, 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 энергии. Негативную энергию немецкий астрофизик Эрик Ленц (Erik Lentz) предложил заменить солитонами. 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 отрицательную. 

Таким образом, физика говорит нам, что перемещаться по пространству со сверхсветовой скоростью все же возможно. Но путешествовать придется в пузыре, 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" или, как максимум - двигатель для "Энтерпрайза" со «Звездного пути».

Ранее сообщалось о том, что гипотетические сферы Дайсона вокруг черных дыр помогут в поиске высокоразвитых инопланетных цивилизаций.