Двигатель warp: ученые создали первый пузырь Алькубьерре / Хабр

Содержание

ученые создали первый пузырь Алькубьерре / Хабр

Еще одна технология из Star Trek оказалась больше наукой, чем фантастикой. Ученые под финансированием DARPA создали так называемую «warp bubble» — область пространства, способную расширяться или уменьшаться быстрее скорости света. Об этом сообщает бывший специалист НАСА по варп-двигателям Гарольд Уайт. Это первый настоящий «пузырь варп-движения», созданный в лаборатории. Который, как минимум, подтверждает, что такое возможно. И, по словам Уайта, устанавливает новую перспективу для тех, кто захочет создать первый космический корабль, способный к деформации.

Уайт говорит:

Чтобы быть ясным, наше открытие — не аналог варп-пузыря, это настоящий, хотя и скромный и крошечный, варп-пузырь. Поэтому это так важно.

Теоретические двигатели быстрее скорости света

Доктор Гарольд «Сонни» Уайт

В 1994 году мексиканский математик Мигель Алькубьерре предложил первое математически правильное уравнение для варп-двигателя. Вдохновленный перелетами в Star Trek, он в общих чертах обрисовал двигательную установку космического корабля, которая может перемещаться по космосу быстрее скорости света без нарушения законов физики.

Это решение хвалили за элегантную математику, но одновременно высмеивали за использование «науки из сериала» и траты многих лет работы впустую над решением, которое казалось невозможным на практике.

Десять лет спустя теория Алькубьерре претерпела серьезные изменения, когда доктор Уайт, работавший тогда в НАСА, переработал исходную метрику Алькубьерре и привел ее в каноническую форму. Это изменение в дизайне двигателя резко сократило требования к экзотическим материалам и снизило необходимые затраты энергии. Тогда исследователи и поклонники научной фантастики получили проблеск надежды на то, что реальный варп-двигатель может однажды стать реальностью. Работа Уайта также привела к неофициальному переименованию первоначального теоретического проекта: теперь концепцию чаще называют «Варп-двигатель Алькубьерре/Уайта».

С тех пор многие физики и инженеры предпринимали попытки разработать жизнеспособный варп-двигатель, включая целую группу международных исследователей, работающих над двигателем варпа, не требующего никакой странной материи. Однако, как и Алькубьерре и Уайт до них, их концепции до сих пор оставались полностью теоретическими. Но теперь, похоже, ситуация изменилась.

Время — всё. Особенно на скорости света

Часто говорят, что время решает все. Поэтому неудивительно, что когда доктор Уайт начал свое последнее исследование, финансируемое DARPA, он и не думал о создании варп-пузыря. Ученые занимались исследованием геометрии пустот Казимира (наноскопической структуры, возникающей в результате эффекта, заставляющего две металлические пластины притягиваться в вакууме).

Не вдаваясь глубоко в сложную физику, лежащую в основе пустот Казимира и странных квантовых сил, наблюдаемых в этих структурах, достаточно сказать, что они никоим образом не связаны с механикой варп-двигателя. По крайней мере, так думали раньше. Но, по словам Уайта, они с его командой в LSI очень увлечены этой работой, а по мнению DARPA она имеет ряд возможных применений, выходящих далеко за рамки даже текущей находки.

Первый варп-пузырь

В итоге один из немногих ученых с интересом к варп-пузырям и пониманием уравнений Алькубьерре оказался в нужное время и в нужном месте. И заметил поразительное сходство между его текущим проектом и теоретическим микроскопическим двигателем, способным перемещаться быстрее скорости света.

Проверка учеными и подтверждение пузыря Алькубьерре

Фактические результаты, опубликованные после проверки в European Physical Journal, говорят:

При проведении анализа, связанного с проектом, финансируемым DARPA, по оценке возможной структуры плотности энергии, присутствующей в полости Казимира, как это предсказано динамической моделью вакуума, была обнаружена наноразмерная структура, которая предсказывает распределение плотности отрицательной энергии, которое близко соответствует требованиям метрики Алькубьерре.

Или, проще говоря, как говорит Уайт, «Насколько мне известно, это первая статья в рецензируемой литературе, которая говорит о реальной наноструктуре, которая, по прогнозам, будет являться настоящим, хотя и скромным, пузырем деформации».

Это случайное открытие, по словам Уайта, не только подтверждает предсказанную «тороидальную» структуру варп-пузыря и наличие в нем отрицательной энергии, но также дает потенциальный путь другим исследователям, пытающимся спроектировать, а в один прекрасный день и построить настоящий космический корабль, способный на перемещение путем искажения пространства-времени вокруг себя.

 «Эта потенциальная структура будет генерировать отрицательное распределение плотности энергии вакуума, которое очень похоже на то, что требуется для деформации пространства Алькубьерре».

Путь вперед

Чтобы оценить возможные перспективы, Уайт и его команда разработали проект тестируемого наномасштабного «корабля с варп-двигателем». Во время его презентации AIAA (крупнейшему в мире аэрокосмическому техническому сообществу) он объяснил:

Мы проанализировали игрушечную модель двигателя, состоящую из сферы диаметром 1 микрон, расположенной в центре цилиндра диаметром 4 микрона. Она показала трехмерную плотность энергии Казимира, которая хорошо коррелирует с требованиями метрик Алькубьерре.

Эта качественная корреляция предполагает, что мы можем проводить эксперименты в масштабе наночипа, чтобы попытаться измерить крошечные сигнатуры. Но пока что мы видим наглядную иллюстрацию реального, хотя и очень скромного по размерам, варп-пузыря деформации.

Уайт развил эту идею в электронном письме в The Debrief:

Мы уже можем предложить сообществу структуру, которая генерирует отрицательное распределение плотности энергии вакуума, очень похожее на то, что требуется для деформации космоса Алькубьерре.

Уайт говорит, что такие мини-двигатели уже можно производить — если использовать 3D-принтер GT, печатающий в нанометровом масштабе. Но в настоящее время ученые продолжают заниматься тем, на что получили финансирование — исследовании свойств полостей Казимира. А постройкой кораблей и масштабированием двигателей для них могут заняться все остальные.

Предложение для следующего эксперимента

Уайт и его команда даже предлагают путь для дальнейших исследований. По их словам, стоит построить эксперимент, включающий несколько созданных пустотами Казимира варп-пузырей, стоящих друг за другом в виде цепочки. По их словам, такая конструкция позволит лучше понять физику структуры варп-пузыря, а также то, сможет ли корабль однажды пересечь реальное пространство внутри такого пузыря.

Уайт на конференции AIAA объяснил:

Мы могли бы провести исследование оптических свойств этих маленьких, наноразмерных пузырей деформации. Если объединить большое количество из них подряд, мы можем намного усилить эффект, чтобы можно было его увидеть и изучить.

Ползти, идти, бежать

Учитывая, что DARPA платит лаборатории LSI Eagleworks за исследование полостей Казимира, а не за случайное открытие пузыря искривления пространства-времени, независимо от его (потенциально) невероятных последствий Уайт и его команда не могут бросить свой текущий проект. Поэтому призывают других ученых попробовать реализовать варп-пузыри и протестировать их свойства. Поскольку DARPA принадлежит Министерству обороны США, публично обнародовать результаты проектов им сложно. Текущий прорыв был достигнут еще в начале лета, а говорить о нем в деталях стало можно только сейчас. И это при том, что исследование полостей Казимира официально не было засекреченным, что и позволило ученым в итоге выйти на публику.

Если DARPA профинансирует работу LSI над космическим кораблем с наноразмерным варп-двигателем, о таком проекте мы можем не услышать еще много лет.

В конце концов, особенно с учетом масштабов этого открытия и его потенциальных последствий, Уайт считает, что создание и испытание его мини-варп-корабля — это лишь вопрос времени. По его мнению, теперь наука будет медленно, но верно продвигаться к этой цели в виде космического корабля, способного к деформации.

Когда его спросили, как быстро протестированный наноразмерный «корабль» может быть масштабирован до чего-то, на чем действительно можно было бы летать в космос, Уайт предложил более реалистичный подход к этому исследованию:

Еще рано задавать вопросы о каких-то реальных летательных экспериментах. На мой взгляд, первый шаг — просто изучить основную науку в нано / микромасштабе. И постепенно пытаться переходить к чему-то более крупному. Сначала мы должны научиться ползать, потом — идти, и только потом — бежать.

  • Дополнительный разбор того, что становится возможным с варп-двигателем, на Хабре есть тут.

  • Перевод статьи научного журнала TheDebrief.

  • Первая презентация варп-пузыря Уайтом на Propulsion Energy Forum доступна на ютубе. Тогда его находка еще не была проверена научным сообществом.

Хотите найти крутую работу? Подключайте телеграм-бот getmatch. Указываете желаемую зарплату, и он выдает вам лучшие вакансии от топовых компаний, и помогает пройти интервью. Для старта не нужно ни резюме, ни портфолио, настройка занимает меньше 30 секунд.

Субсветовым варп-двигателям разрешили состоять из обычной материи

Физика
Транспорт

Сложность
5. 2

Космический корабль, использующий для полета варп-двигатель, в художественном представлении

giphy.com

Физики теоретически проанализировали возможность создания варп-двигателя — гипотетического объекта, который позволяет путешествовать с около- и сверхсветовыми видимыми скоростями (с точки зрения внешнего наблюдателя) за счет искажения пространства-времени вокруг путешественника. Оказалось, что, в отличие от сверхсветовых полетов, для путешествий с субсветовой скоростью оболочку такого аппарата можно изготовить из обычной материи. В то же время механизмы разгона корабля и большая масса, которая требуется оболочке, по-прежнему остаются проблемными вопросами. Статья опубликована в журнале Classical and Quantum Gravity.

В конце прошлого века физик Мигель Алькубьерре из Уэльского университета, вдохновившись сюжетом сериала «Звездный путь», описал теоретическую модель путешествий с видимой сверхсветовой скоростью, которая не требует использования кротовых нор. Идея ученого состояла в том, чтобы создать своего рода пузырь, который окружает космический аппарат, сжимая пространство-время перед кораблем и растягивая позади. С точки зрения внешнего наблюдателя такие манипуляции могут показаться сверхсветовым полетом — подобно тому, как в инфляционной модели Вселенной первые моменты ее жизни сопровождались быстрым расширением пространства, и расстояние между точками увеличивалось так, будто они разлетаются со сверхсветовыми скоростями, хотя физические скорости тел были меньше световой.

В общей теории относительности источником искажений пространства-времени является материя — то есть ее распределение в пространстве определяет то, как именно искривится геометрия. Эту связь можно использовать и в обратную сторону — определить по виду искажения пространства-времени, каким распределением материи оно может быть вызвано и какими свойствами обладает вещество-источник.

Для варп-двигателя Алькубьерре такие рассуждения приводят к тому, что устройство обязательно должно содержать в себе области с отрицательной плотностью энергии — тогда как для известных разновидностей вещества эта величина положительна. Таким образом, до недавнего времени считалось, что для путешествий, помимо прочего, пришлось бы сначала отыскать способ создания отрицательной плотности энергии.

Алексей Бобрик (Alexey Bobrick) и Джанни Мартир (Gianni Martire) из Нью-Йоркской Лаборатории прикладной физики перспективных двигателей обобщили идею варп-двигателя Алькубьерре на более широкий класс искажений пространства-времени, чем изначально предлагал ученый. В расширенной модели авторы разделили пространство на три области — асимптотически плоскую внешнюю (то есть практически неискаженную на большом удалении от корабля), искривленную — оболочку аппарата, и, снова плоскую, внутреннюю — пространство для самого корабля и пассажиров. При этом физики ограничились рассмотрением оболочек, которые симметричны относительно оси движения аппарата и неподвижны с точки зрения наблюдателя во внутренней области, — то есть требовали существования глобальной системы отсчета покоя оболочки.

Модель варп-двигателя: аксиально-симметричная оболочка с искривленным пространством-временем окружает «плоскую» область, в которой находится путешественник

Alexey Bobrick, Gianni Martire / Classical and Quantum Gravity, 2021

Поделиться

Исследователи сосредоточили внимание на подклассе варп-двигателей, в котором оболочка движется с субсветовой видимой скоростью (до которой принципиально возможно разгонять обычную материю) и который допускает существование неподвижных физических наблюдателей (то есть материальных тел, а не просто формально покоящихся точек) во внутренней области. Для сферически-симметричных искажений пространства-времени ученые рассчитали необходимую плотность энергии, исходя из параметров искривления.

Оказалось, что субсветовые варп-двигатели допускают не только отрицательную, но и положительную плотность энергии — а значит, принципиально их можно изготовить из привычной нам материи. В этом случае для наблюдателя время внутри корабля будет течь медленнее, чем в системе отсчета, которая движется снаружи оболочки с той же скоростью, однако для оболочки с массой порядка массы Земли и радиусом в 10 метров замедление составит лишь сотые доли процента — то есть за год внутреннее и внешнее время разойдется всего на несколько часов.

Кроме того, авторы нашли способ снизить полную энергию корабля для модели с осевой симметрией при фиксированной скорости — для этого они предложили делать оболочку сплющенной в направлении движения. Согласно расчетам, сокращение продольного размера корабля приведет к прямо пропорциональному (во столько же раз) изменению его полной энергии. Это может облегчить создание варп-двигателей на основе материи с отрицательной плотностью энергии — сплющенному кораблю потребуется меньше экзотического материала.

Ученые отмечают, что несмотря на возможность сверхсветового движения корабля, на практике оно почти не отличается от сверхсветового движения любого другого физического тела, поскольку на сегодняшний день не известны способы ускорять физические объекты до сверхсветовых скоростей. Можно предположить, что некая гипотетическая частица уже движется быстрее света — и исследовать такую задачу, но нельзя ускорить эту частицу от обычной субсветовой скорости до требуемой сверхсветовой. Оболочка варп-двигателя — тоже материальный объект, и для нее, как и для всякого другого тела, справедливы те же рассуждения — и разгонять сверхсветовые варп-двигатели известными физике способами не удастся.

За последнее время теоретики не впервые проверяют экзотические путешествия на практическую пригодность — так, прошлым летом мы рассказывали о том, как крупные устья кротовых нор оказались безопасными для жизни человека с точки зрения приливных сил. В реальности же до таких путешествий далеко — например, в мае 2015 в NASA опровергли слухи о разработке варп-двигателя.

Николай Мартыненко

Варп-двигатель: как технология из Star Trek поможет покорить космос

Варп-двигатель придумали фантасты, но эта технология имеет серьезное научное обоснование.

Термин «варп-двигатель» придумали фантасты — он хорошо знаком поклонникам сериала Star Trek. Но эта технология имеет серьезное научное обоснование. Денис Юшин, инженер космической отрасли и автор научно-популярного канала Science & Future в «Яндекс.Дзене», разобрался в вопросе и объяснил, почему рано или поздно человечество научится искривлять пространство.

Основываясь на постулатах теории относительности, мексиканский физик Мигель Алькубьерре в 1994 году предположил, что для перемещения на невообразимые расстояния можно использовать способность пространства-времени к сжатию и расширению.

В теории принцип такого перемещения описать просто. Корабль помещается внутрь сферы («пузырь Алькубьерре»), и непосредственно с ним ничего не происходит. Искривление пространства-времени возникает на границах сферы, когда с одной стороны пространство расширяется, а с другой — сжимается. Собственно, сфера по большому счету никуда не движется — перемещается само пространство. Таким образом, скорость движения измеряется не перемещением сферы, а степенью искривления пространства-времени и зависит от разницы энергии впереди и позади корабля: чем она выше, тем быстрее движется пространство.

Сделать это можно только с помощью антиматерии. По подсчетам физиков, для образования «пузыря Алькубьерре» потребуется около 6,3 х 1029 кг антиматерии. Невообразимая масса, учитывая, что мы и нескольких грамм получить пока не можем. К счастью, это были лишь предварительные расчеты — физические и математические теории и модели продолжают совершенствоваться, а круг знаний ученых расширяется.

Проблема в том, что развития технологий сегодня не хватает для создания варп-пузыря. Тем не менее в NASA есть небольшое подразделение Eagleworks Laboratories, которое занимается исследованием этой возможности. Специалисты лаборатории периодически публикуют результаты своей деятельности, но реального прорыва до сих пор не случилось.

Варп-эффект, как показан в сериале «Звёздный путь: Следующее поколение»

При этом теория продолжает развиваться. Пожалуй, главным событием, подтвердившим возможность существования варп-технологии, стала фиксация гравитационных волн. Теперь ученые точно знают, что пространство-время деформируется, а значит, основной задачей становится развитие теории механики этой деформации. Для решения энергетической проблемы есть целый ряд научных направлений: квантовые физика и механика, а также метаматериалы. Тем более что получать антивещество люди уже научились.

С помощью специальной магнитной ловушки физики смогли удержать 38 атомов антиводорода в течение 172 мс (0,172 с). Рекордом на сегодняшний день является удержание 170 000 атомов антиводорода массой около 10–18 г. В рамках одной из существующих математических моделей, описывающих работу варп-двигателя, для полета на Марс понадобится около 140 х 10–9 г антипротонов, так что мы на верном пути.

Кроме того, недавно на борту МКС произошел настоящий прорыв в квантовой физике. С помощью «мини-холодильника» Cold Atom Lab (CAL) удалось охладить атомы рубидия и калия до температуры меньше миллионной доли кельвина, благодаря чему было получено особое состояние вещества — конденсат Бозе — Эйнштейна. В таком сильно охлажденном виде достаточно большое число атомов оказывается в своих минимально возможных квантовых состояниях, после чего квантовые эффекты начинают проявляться на макроскопическом уровне. Согласно результатам, опубликованным в журнале Nature, удалось продержать вещество в таком состоянии целых 1118 секунд, что говорит о возможности полноценного изучения этого состояния материи. Но при всех достижениях говорить о скором освоении технологии пока рано: для перемещения на межзвездные расстояния потребуется намного больше энергии и антиматерии.

Самый известный энтузиаст варп-двигателей, физик из Университета Алабамы Джозеф Агню проделал большую работу и пришел к выводу, что для запуска потребуется около 1028 кг антиматерии, что приблизительно равно массе Юпитера. Для сравнения, ракета-носитель «Протон-М» расходует при старте около 200 тонн топливной смеси за минуту.

Открытие гравитационных волн уже стало прорывом, который не только подтверждает теорию относительности, но и дает представление о концепции пространственно-временного искажения и деформации. Возможно, гравитационные волны станут двигательным эквивалентом электричества. Ученые уже знают, что эффект искривления пространства-времени возникает естественным образом. Осталось только обуздать его и научиться создавать искусственно.

Денис Юшин

инженер космической отрасли и автор научно-популярного канала Science & Future

На сайте могут быть использованы материалы интернет-ресурсов Facebook и Instagram, владельцем которых является компания Meta Platforms Inc. , запрещённая на территории Российской Федерации

Расскажите друзьям

    • Околонаука

    Осталось 5 дней до конца приема заявок на VIII Всероссийскую премию «За верность науке»

    • Климатический кризис

    Решена давняя загадка, почему вода в Северном ледовитом океане образует «лестницы»

    • Будущее уже здесь

    Инженеры вырастили мягких роботов, словно растения

    • Будущее уже здесь
    • Физика всего

    Прорыв на пути к квантовому компьютеру: работающий кремниевый чип с шестью кубитами

    • Внеземное

    Астрономы впервые обнаружили следы самых ранних звезд Вселенной

  • Shutterstock

    Ученые: неизвестные бактерии из тающих ледников могут представлять опасность

  • Mirosław Blicharski/Aleksander Poznań

    В Польше археологи открыли погребение женщины-«вампира» с серпом у горла

  • East News

    Самый человекоподобный робот в мире ответил на вопрос про войну людей и машин

  • University of Michigan

    Химический анализ бивня мастодонта рассказал о поведении вымершего животного

  • Science X

    Инженеры научили предметы левитировать с помощью звуковых волн

Хотите быть в курсе последних событий в науке?

Оставьте ваш email и подпишитесь на нашу рассылку

Ваш e-mail

Нажимая на кнопку «Подписаться», вы соглашаетесь на обработку персональных данных

Варп-двигатель как физическая гипотеза

Определение 1

Варп-двигатель (WARP — drive) – это гипотетический двигатель, позволяющий космическому кораблю перемещаться со скоростью, большей скорости света.

Варп – двигатель именуют еще:

  • гипердвигателем,
  • двигателем Алькубьерре,
  • пузырем Алькубьерре.

Варп-двигатель считался абсолютно фантастическим до 1994, когда журнал “Classical and Quantum Gravity” опубликовал работу М. Алькубьерре (физик-теоретик), которая имела название «The warp drive: hyper-fast travel within general relativity». В это статье ученый рассмотрел идею применения для перемещения в пространстве его кривизны.

Двигатель Алькубьерре

Одним из основных постулатов теории относительности Эйнштейна является утверждение о том, что тело, имеющее массу отличную от нуля, в обычном пространственно-временном континууме перемещаться не может. Но теория относительности не утверждает, что это ограничение действует на само пространство и время.

Алькубьерре предположил, что если космический корабль сможет сжимать пространство пред собой и расширять его сзади себя, то сможет двигаться с любой скоростью, в том числе со скоростью большей скорости света в вакууме.

При этом сам космолет должен находиться в неком «пузыре», локальная скорость космического корабля относительно него равна нулю. Получается, что:

  1. Перед космолетом пространственно-временная область претерпевает расширение, при этом кораблю увлекается вперед. Идея Алькубьерре состоит в предположении возможности использования для движения в космическом пространстве его кривизны, которая создавалась бы и управлялась космическим кораблем.
  2. За кораблем происходит сжатие пространства-времени, происходит толчок корабля по ходу его перемещения. И так, корабль пребывает в состоянии покоя в «пузыре», не нарушая закон теории относительности. Движется только пузырь искривления пространства-времени.

Алькубьерре решил уравнения для гравитационных полей в общей теории относительности Эйнштейна, данные решения указывают на возможность описанной выше волновой деформации пространства.

Теория Алькубьерре утверждает, что подобный звездолет сможет прибыть к цели быстрее, чем свет при условии, что плотность энергии поля будет меньше, чем плотность энергии вакуума. z=0$, $\gamma_{\alpha \beta}=\delta_{\alpha \beta}$,

$R>0, \sigma>0$ — произвольные параметры, $G=c=1$.

Метрика Алькубьерре вызывает следующую кривизну пространства:

$K_{\alpha \gamma}= \frac{1}{2}(\partial_{\alpha}\beta_{\gamma}+\partial_{\gamma}\beta_{\alpha})$,

Расширение пространства происходит по закону:

$\theta=-\alpha TrK=\nu_s\frac{x_sdf}{r_sdr_s}.$

Замечание 1

Многие ученые не поддержали гипотезу Алькубьерре, полагая, что это математический трюк.

В 2012 годе NASA заявила о том, что создан интерферометр, способный зафиксировать искажения пространства и времени, которые может вызывать расширение и сжатие метрики Алькубьерре.

Вычисления, которые провел А. Эверетт показали, что варп-пузырь может создать замкнутые временеподобные кривые. Это может означать, что путешествия в прошлое возможно. Получается, что варп-двигатель даст возможность передвигаться в пространстве с огромной скоростью и путешествовать во времени.

Замечание 2

Высказывания о возможности использования варп-двигателя для путешествий в прошлое вызвали большой скепсис относительно самой идеи пузыря Алькубьерре, так как стражем причинности и парадоксов времени является гипотеза о защищенности хронологии, которая указывает на то, что законы физики предотвращают каждое макроскопические перемещение во времени. {64}$ кг. Эта масса больше, чем масса наблюдаемой части Вселенной.

В 1999 году были приведены расчеты в которых указывалось, что необходимый массовый эквивалент энергии можно уменьшить до трех масс Солнца, что тоже не мало.

Еще позднее С. Красников (Россия) показал, что достаточно нескольких миллиграмм отрицательной массы для реализации задуманного, но плотность энергии при этом не достижима.

В 2012 году появились сообщения, что проводятся эксперименты по созданию варп-полей.

Некоторые ученые считают, что если даже удастся создать подобный пузырь, то поля гравитации разорвут его на части.

Ученые в качестве проблемы так же указывают на то, что космонавты, управляющие кораблем с варп-двигателем не будут иметь возможности отправлять сигналы и получать извне пузыря. В этой связи команда получить ряд проблем, связанных с управлением и остановкой звездолета.

Ряд исследователей полагает, что при движении «пузыря» со скоростями большими скорости света будут возникать крайне высокие температуры. Эти температуры если не уничтожат «пузырь», то могут сделать его нестабильным.

Высказывается мнение о том, что при остановке корабля с варп-двигателем частицы, которые были захвачены «пузырем» при его перемещении освободятся, что вызовет взрывную волну огромной силы. Эта волна будет способна уничтожить все, что находится рядом с кораблем.

В настоящее время с уверенностью невозможно сказать о том, реально ли сконструировать варп-двигатель, или это математический курьез.

Предложена новая модель варп-двигателя, не нарушающего законы физики

В научно-фантастической литературе варп-двигатель — это технология, позволяющая путешествовать быстрее скорости света

 В научно-фантастической литературе варп-драйв — это технология, позволяющая путешествовать быстрее скорости света за счет искривления пространства и времени, что позволяет преодолеть барьер скорости света. В реальности подобное не является абсолютно невозможным. Согласно общепринятой теории относительности Эйнштейна, нельзя ускорить объекты от скорости ниже скорости света до скорости выше скорости света, поскольку для этого потребуется бесконечное количество энергии, тем не менее, это ограничение относится только к объектам в пространстве-времени, а не к самому пространству-времени. Пространство-время может расширяться или искривляться с любой скоростью, и даже физики считают, что Вселенная расширяется быстрее скорости света. Поэтому в диапазоне от фантастики до науки варп-двигатели находятся на стороне науки.

Варп-двигатель Алькубьерре звездолета Энтерпрайз

Недавно два исследователя из отдела прикладной физики создали новую модель варп-двигателя. Они описывают ее как модель космического корабля, который может путешествовать быстрее скорости света, не нарушая законов физики. Исследователи Алексей Бобрик и Джанни Мартире утверждают, что это первая общая модель реального варп-двигателя.Вместе они написали и опубликовали работу под названием «Представление физических варп-двигателей, классической и квантовой гравитации (2021)».

Вместе они написали и опубликовали работу под названием » Представление физических варп-двигателей, классической и квантовой гравитации (2021)».

Каждый раз, когда кто-то упоминает о варп-двигателях, первое, что приходит на ум, это, конечно, сериал «Звездный путь», где благодаря варп-двигателю экипаж преодолевал огромные расстояния в пространстве гораздо быстрее скорости света. Однако в реальной жизни многие ученые, с трудом принимают идею такого двигателя, поскольку эта теория нарушает законы физики.

Концепция варп-двигателя заключается в создании » варпового пузыря» перед кораблем для искривления пространства-времени.  Одним из подходов к созданию такой системы является так называемый привод Алькубьерре. Эта идея основана на решении уравнений поля Эйнштейна в общей теории относительности. Она была создана физиком-теоретиком Мигелем Алькубьерре. Согласно его теории, космический корабль может достичь скорости, превышающей скорость света, если создать регулируемое поле с плотностью энергии ниже, чем в вакууме ( с отрицательной массой). Вместо того чтобы преодолевать скорость света, звездолет будет двигаться, сужая пространство перед собой и растягивая позади себя, что должно позволить ему двигаться со скоростью, превосходящей скорость света. Объекты не могут ускориться до скорости света в пределах обычного пространства-времени, поэтому «Пузырь Алькубьерре» сдвигает окружающее объект пространство таким образом, что объект движется быстрее, чем свет в обычном пространстве, не нарушая законов физики.

Пузырь Алькубьерре

 Хотя предлагаемая Алькубьерре измерительная система согласуется с полевыми уравнениями Эйнштейна, создание такого привода не представляется возможным с нашим нынешним пониманием. Система привода Алькубьерре требует отрицательной плотности энергии, поэтому для ее создания необходима некая особая материя или манипуляции с темной энергией. Если такой материи с нужными свойствами не существует, то и привод не может быть создан. В своей оригинальной статье Алькубьерр утверждал, что «вакуум Казимира» между параллельными пластинами может удовлетворить требование отрицательной энергии для привода Алькубьерра.

В новой попытке разработать работающий искривляющий привод исследователи шагнули дальше предыдущих идей, основанных на искривлении пространства-времени. Бобрик и Мартире создали модель, которая, по их мнению, может быть реализована в будущем. Основываясь на идее искривления Алькубьерре, оба ученых предполагают, что вместо этого для искривления пространства-времени можно использовать мощную гравитационную силу. Для этого необходимо найти способ сжать планету до размеров космического корабля, чтобы использовать ее гравитацию. Эти проблемы пока не позволяют создать работающий варп-двигатель сегодня, однако данная модель не является невозможной и позволяет предположить, что когда-нибудь в будущем можно будет создать работающий двигатель.

«Многие люди в области науки знают о приводе Алькубьерре и считают, что варп-приводы нефункциональны из-за необходимости использования отрицательной энергии», — говорит Алексей Бобрик. «Однако это утверждение неверно; мы пошли в другом направлении, в отличие от НАСА и других специалистов, и наши исследования показали, что на самом деле существует несколько других классов приводов искривления в общей теории относительности. В частности, мы сформулировали новые классы решений варп-двигателей, которые не требуют отрицательной энергии и, таким образом, становятся физическими.»

рекомендации

«Хотя мы по-прежнему не можем превзойти скорость света, но нам не обязательно это делать, чтобы стать межзвездным видом», — говорит Джанни Мартире, — «Наше исследование варп-двигателя имеет потенциал, чтобы сплотить нас всех».

Этот материал написан посетителем сайта, и за него начислено вознаграждение.

Варп-двигатель как физическая гипотеза — онлайн справочник для студентов

  • Двигатель Алькубьерре.
  • Проблемы создания и эксплуатации Варп-двигателя.

Одним из главных вопросов в строении космических кораблей является его скорость. Наша вселенная очень большая и многие галактики и даже ближайшие планеты находятся очень далеко. Настолько далеко, что человеческой жизни для полёта будет мало. Для того, чтобы это было возможно, космический корабль должен развивать скорость больше скорости света. Но какой двигатель на это способен? Также этот двигатель будет способен переносить корабль во времени, что позволит нам путешествовать в прошлое и будущее.

Определение 1.
Варп-двигатель (WARP — drive) – это двигатель, который может достигнуть скорости больше скорости света, но это лишь гипотетически.
Однажды, в 1994 году известный физик-теоретик М. Алькубьерре написал статью в журнал “Classical and Quantum Gravity”, где теоретически описал идею перемещения в пространстве его кривизны. После этой статьи такой двигатель перестал быть чем-то фантастическим.

Двигатель Алькубьерре.

Эйнштейн в своих работах говорил, что тело, имеющее массу отличную от нуля, в обычном пространственно-временном континууме не может перемещаться, однако его теория имеет ограничение на время и пространство.

Алькубьерре описал работу своего двигателя. Космический корабль сможет двигаться со скоростью больше света, если он будет сжимать пространство впереди себя и расширять сзади себя. Такой корабль сможет двигаться вообще с любой скоростью и позволит достигнуть все уголки нашего космоса за считанные секунды.

Однако стоит отметить, что сам корабль будет находиться в неком пространстве, относительно которого он не будет двигаться. Из этого следует:

Перед кораблём эта область изменяется. Идея учёного говорит о том, что эта область будет создаваться самим кораблём, а управлять ею можно будет внутри корабля.

Вследствие сжатия пространства и времени, пространство вокруг корабля толкает вперёд. Движется только пространство вокруг корабля, за счёт искривления пространства и времени. Сам корабль не движется относительно пространства вокруг себя.

Доказательством, что это возможно являются решения уравнений для гравитационных полей в общей теории относительности Эйнштейна. Решения уравнений говорит о том, что действительно возможна волновая деформация пространства.

Теория Алькубьерре говорит о том, что корабль сможет достигнуть скорости света только при условии, что плотность энергии поля будет меньше, чем плотность энергии вакуума.

Также Алькубьерре предложил метрику пространства, в которой возможно такое перемещение.

Замечание 1.
Однако другие учёные думали иначе. Они считали, что Алькубьерре сделал математический трюк, поэтому гипотеза его не верна.
Однако в 2012 году NASA смогла создать прибор, который может зафиксировать искажения пространства и времени, а также может расширять и сжимать метрику Алькубьерре.

А. Эверетт провёл вычисления, которые показали возможность создания такого пространства вокруг корабля. На этом основание можно заявить, что такой двигатель может разогнаться больше скорости света и позволит нам путешествовать во времени.

Замечание 2.
Однако стоит отметить, что законы физики запрещают любое макроскопическое перемещения во времени. Поэтому идея создания такого пространство вокруг корабля невозможно из-за нарушения защищённости хронологии.

Проблемы создания и эксплуатации Варп-двигателя.

Одной из проблем такого двигателя является то, что нужна такая материя, которая сможет расширять пространство. У этой материи должны быть отрицательная масса и энергия.

Однако, чтоб создать такое пространство вокруг космического корабля нужно энергии больше, чем имеется во Вселенной.

Учёные посчитали, что энергии в массовом эквиваленте, для создания такого пространства, нужно – 1064 кг. Такая масса намного превышает наблюдаемую массу Вселенной.

Но в 1999 году появились расчёты, в которых говорилось, что эту энергию возможно уменьшить до трёх масс Солнца. Однако это тоже большая энергия.

А расчёты С. Красникова (Россия) показали, что вполне будет достаточно нескольких миллиграммов отрицательной массы, но при этом такая плотность энергии достигнуть невозможно.

Впервые эксперименты по созданию вапр-полей начали проводить в 2012 году.

Однако если получится создать такое пространство вокруг корабля, то его разорвут на части из-за гравитационных полей.

Также одной из проблем является отсутствие связи между базой и кораблём. Поэтому команда корабля столкнётся с кучей проблем, связанных с управлением такого корабля.

При движении такого пространства с кораблём будут возникать большие температуры, которые способны уничтожить это пространство или просто сделать его не стабильным.

При остановке корабля, частицы, которые были захвачены пространством вокруг корабля, освободятся. Во время освобождения этих частиц последует взрыв, который может уничтожить всё, что находится рядом с кораблём.

На данный момент проводятся разработки подобной модели двигателя, ведутся эксперименты по созданию такого пространства, которое сможет расширять пространство. Однако присутствует ещё ряд проблем, которые сильно ограничивают создание такого космического корабля. Также стоит отметить, что теоретически создать такой корабль возможно, поэтому можно сказать, что это вопрос времени. Когда человечество сможем создать такой корабль, мы сможем путешествовать во времени и даже по всей вселенной за считанные секунды.

Деформационные двигатели: Физики увеличивают шансы космических путешествий со скоростью, превышающей скорость света

Космос поддерживается своей аудиторией. Когда вы покупаете по ссылкам на нашем сайте, мы можем получать партнерскую комиссию. Вот почему вы можете доверять нам.

Художественная интерпретация использования червоточины для путешествий в космосе, Торн положила начало серьезной дискуссии среди ученых о том, возможны ли путешествия через червоточины.
(Изображение предоставлено НАСА)

Эта статья была первоначально опубликована в Разговор.  Статья опубликована в журнале Space.com Expert Voices: Op-Ed & Insights .

Марио Борунда , доцент кафедры физики Университета штата Оклахома

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 космический корабль Parker Solar Probe, который сейчас находится в космосе, достигнет максимальной скорости 450 000 миль в час. Чтобы добраться из Лос-Анджелеса в Нью-Йорк с такой скоростью, потребуется всего 20 секунд, но солнечному зонду потребуется около 6633 лет, чтобы добраться до ближайшей к Земле соседней солнечной системы.

Если человечество когда-нибудь захочет легко путешествовать между звездами, людям нужно будет двигаться быстрее света. Но пока что путешествия со скоростью, превышающей скорость света, возможны только в научной фантастике.

В серии книг «Основание» Айзека Азимова человечество может путешествовать с планеты на планету, от звезды к звезде или через вселенную, используя прыжковые двигатели. В детстве я прочитал столько таких историй, сколько смог достать. Теперь я физик-теоретик и изучаю нанотехнологии, но я все еще очарован тем, как человечество однажды сможет путешествовать в космосе.

Некоторые персонажи — например, астронавты в фильмах «Интерстеллар» и «Тор» — используют червоточины для перемещения между солнечными системами за считанные секунды. Другой подход, знакомый фанатам «Звездного пути», — это технология варп-двигателя. Деформационные приводы теоретически возможны, если все же 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 на самом деле работают эти теоретические варп-двигатели? И перейдут ли люди к скорости деформации в ближайшее время?

Это двухмерное представление показывает плоский неискаженный пузырь пространства-времени в центре, где должен находиться варп-двигатель, окруженный сжатым пространством-временем справа (нисходящая кривая) и расширенным пространством-временем слева (восходящая кривая). (Изображение предоставлено AllenMcC/Wikimedia Commons)

Сжатие и расширение

Нынешнее понимание физиками пространства-времени исходит из общей теории относительности Альберта Эйнштейна. Общая теория относительности утверждает, что пространство и время сливаются воедино 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, искривляют пространство-время вокруг себя. Эта кривизна — это то, что вы ощущаете как гравитацию, и именно поэтому многие космические герои беспокоятся о том, чтобы «застрять» или «упасть» в гравитационный колодец. Ранние писатели-фантасты Джон Кэмпбелл и Азимов рассматривали это искривление как способ обойти ограничение скорости.

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

В 1994 году Мигель Алькубьерре, мексиканский физик-теоретик, показал, что сжатие пространства-времени перед космическим кораблем и его расширение сзади математически возможно в соответствии с законами общей теории относительности. Так что это значит? Представьте, что расстояние между двумя точками составляет 10 метров (33 фута). Если вы стоите в точке А и можете двигаться со скоростью один метр в секунду, вам потребуется 10 секунд, чтобы добраться до точки Б. Однако, скажем, вы можете каким-то образом сжать пространство между вами и точкой Б, чтобы интервал теперь составлял 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 двигаетесь со скоростью, превышающей скорость света в окружающем вас пространстве. Алькубьер показал, что варп-двигатель из «Звездного пути» теоретически возможен.

Проксима Центавра, вот и мы, верно? К сожалению, метод сжатия пространства-времени Алькубьерре имел одну проблему: он требовал отрицательной энергии или отрицательной массы.

Это двумерное изображение показывает, как положительная масса искривляет пространство-время (левая сторона, синяя земля), а отрицательная масса искривляет пространство-время в противоположном направлении (правая сторона, красная земля). (Изображение предоставлено: Tokamac/Wikimedia Commons, CC BY-SA)

Проблема отрицательной энергии

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

Чтобы создать отрицательную энергию, варп-двигатель должен использовать огромное количество массы, чтобы создать дисбаланс между частицами и античастицами. Например, если рядом с варп-двигателем появятся электрон и антиэлектрон, одна из частиц будет захвачена массой, что приведет к дисбалансу. Этот дисбаланс приводит к отрицательной плотности энергии. Варп-двигатель Алькубьерре использовал эту отрицательную энергию для создания пространственно-временного пузыря.

Но чтобы варп-двигатель генерировал достаточно отрицательной энергии, вам потребуется много материи. Алькубьер подсчитал, что для варп-двигателя со 100-метровым пузырем потребуется масса всей видимой Вселенной.

В 1999 году физик Крис Ван Ден Брок показал, что увеличение объема внутри пузыря 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 написана Алексеем Бобриком и Джанни Мартире, а другая — Эрика Ленца — предлагают решения, которые, кажется, приближают варп-двигатели к реальности.

Бобрик и Мартир поняли, что, изменяя пространство-время внутри пузыря определенным образом, они могут избавиться от необходимости использовать отрицательную энергию. Это решение, однако, не создает варп-двигатель, который может двигаться быстрее света.

[ Более 100 000 читателей полагаются на информационный бюллетень The Conversation, чтобы понять мир.  Зарегистрируйтесь сегодня.]

Ленц также предложил решение, не требующее отрицательной энергии. Он использовал другой геометрический подход для решения уравнений общей теории относительности и, таким образом, обнаружил, что варп-двигатель не должен использовать отрицательную энергию. Решение Ленца позволит пузырю двигаться быстрее скорости света.

Важно отметить, что эти захватывающие разработки являются математическими моделями. 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 поклонник научной фантастики, я приветствую все это новаторское мышление. По словам капитана Пикарда, вещи невозможны только до тех пор, пока они не существуют.

Эта статья переиздана из  The Conversation  под лицензией Creative Commons. Прочитать оригинальный артикул .

Следите за всеми вопросами и дебатами Expert Voices и участвуйте в обсуждениях на Facebook и Twitter. Выраженные взгляды принадлежат автору и не обязательно отражают точку зрения издателя.

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: [email protected].

Варп-двигатель Star Trek ведет к новой физике

Для Эрика Ленца все началось с Star Trek . Каждые несколько эпизодов «Звездный путь: Следующее поколение» капитан Жан-Люк Пикард поднимал руку и приказывал: «Деформируйте один, вступайте в бой!» Затем звезды превратились в черточки, а световые годы пронеслись с невероятной скоростью. А Ленц, еще учась в начальной школе, задавался вопросом, может ли варп-двигатель работать и в реальной жизни.

«В какой-то момент я понял, что такой технологии не существует, — говорит Ленц. Он изучал физику в Вашингтонском университете, защитил докторскую диссертацию. защитил диссертацию по темной материи и вообще стал слишком занят, чтобы заниматься научной фантастикой. Но затем, в начале пандемии коронавируса, Ленц оказался один в Геттингене, Германия, где работал над докторской диссертацией. Внезапно у него появилось много свободного времени, а в голове детские фантазии.

Ленц прочитал все, что смог найти по варп-двигателям в научной литературе, которой было немного. Потом он начал думать об этом сам. Через несколько недель с ним произошло нечто такое, чего, казалось, не замечали все остальные. Ленц изложил свою идею на бумаге и обсудил ее с более опытными коллегами. Через год она была опубликована в физическом журнале.

Вскоре стало ясно, что Ленц был не единственным, кто мечтал о варп-двигателях. Средства массовой информации по всему миру подхватили эту историю, и дюжина журналистов попросила интервью. Обсуждение на онлайн-форуме Reddit собрало 2700 комментариев и 33000 лайков. Один интернет-пользователь написал: «Кто-нибудь еще чувствует, что родился на 300 лет раньше срока?»

Пузырь в пространстве и времени

Нет сомнений в том, что вселенная все еще слишком велика, чтобы люди могли ее пересечь. Лучу света требуется более четырех лет, чтобы достичь ближайшей к Земле звезды Проксима Центавра. Даже с самыми лучшими двигательными установками человеку потребуются десятки тысяч лет, чтобы добраться туда. Всегда можно мечтать об основании колоний в других звездных системах, но это вряд ли кто-то отправится в такое путешествие.

Но, может быть, когда-нибудь удастся сократить время в пути. Есть много идей о том, как это сделать, от солнечных парусов с лазерным ускорением до ядерных двигателей. Но даже с помощью этих технологий вы не продвинетесь слишком далеко за всю человеческую жизнь. Галактика действительно открыта только для тех, кто путешествует со скоростью света — или еще быстрее.

Представление художника НАСА о путешествии на варп-двигателе в 1998 году. Кольцо вокруг космического корабля создает поле отрицательной энергии. С сегодняшней точки зрения в поле отрицательной энергии больше нет необходимости. Авторы и права: НАСА; Цифровое искусство Les Bossinas (Cortez III Service Corp)

Именно по этой причине физики с богатым воображением долго размышляли над окончательной двигательной установкой: пузырем в пространстве и времени, в котором космический корабль мог бы мчаться от солнца к солнцу, как USS . Энтерпрайз сделал. Это исследование на периферии науки: не обязательно ошибочное, но приправленное большой щепоткой оптимизма.

Тот факт, что сегодня ученые вообще занимаются этой идеей, появился благодаря статье 1994 года мексиканского физика-теоретика Мигеля Алькубьерре. В то время Алькубьер был не просто страстным поклонником Star Trek . В своей докторской диссертации в Уэльском колледже Кардиффа (ныне Кардиффский университет) Алькубьер также работал над теорией относительности. Строго говоря, теория утверждает, что ничто не может двигаться быстрее света. Но, проявив немного изобретательности, Алькубьер обнаружил очевидную лазейку.

Для физиков теория относительности Альберта Эйнштейна состоит из двух частей: «Специальная» теория относительности, которая датируется 1905 годом, имеет дело с равномерным движением быстрых, как свет, объектов. Десять лет спустя Эйнштейн обобщил эти идеи для ускоряющихся тел. Согласно «общей» теории относительности, три знакомых нам пространственных измерения (верхнее-нижнее, левое-правое, переднее-заднее) неотделимы от времени. Каждая масса деформирует это пространство-время.

Согласно легендарному открытию Альберта Эйнштейна, мы живем в четырехмерном «пространстве-времени». Пространство-время не статично. Подобно скатерти, он деформируется массивными предметами. Все, что движется по скатерти (или 9от 0005 до пространства-времени) могут ускоряться только до предела скорости, установленного светом. Сама же скатерть может деформироваться с любой скоростью, как показывает сама вселенная в некоторых ситуациях.

В момент Большого взрыва, например, первоначальная структура пространства-времени предположительно расширилась на долю секунды, и это произошло намного быстрее, чем мог бы двигаться любой луч света. Даже сегодня расширение продолжает отталкивать чрезвычайно далекие галактики со скоростью, превышающей скорость света, а это означает, что их свет больше не может достичь нас.

Основываясь на своем открытии, Алькубьер предположил, что это всего лишь небольшой шаг к варп-двигателю. Если бы пространство-время сжималось перед космическим кораблем и расширялось позади него, чтобы компенсировать это, можно было бы путешествовать к месту назначения со скоростью, превышающей скорость света. Корабль останется заключенным в пузыре, и экипаж не ощутит масштабы межзвездного путешествия. В лекции 2017 года Алькубьер сравнил это с нахождением на пассажирском конвейере в аэропорту: «Вы можете представить, что пол позади вас создается из ничего, а перед вами он разрушается, поэтому вы двигаетесь вперед».

Но формулировка этой идеи на языке общей теории относительности сразу же порождает большие практические проблемы. Во-первых, чтобы так радикально деформировать пространство-время, вам нужно было бы втиснуть огромную массу в пузырь, ограниченный стенкой тоньше атомного ядра. Тогда вам понадобятся две формы материи, чтобы поддерживать пузырь. Гравитация обычной массы заставила бы пространство перед пузырем сжиматься, перемещая всю структуру вперед. Но в то же время пространство позади пузыря должно расширяться, как поднимающееся тесто для хлеба. По словам Алькубьерре, чтобы это расширение произошло, вам понадобится какая-то форма отрицательной энергии, излучающая своего рода антигравитацию.

Проклятие отрицательной энергии

Для большинства физиков на этом мысленный эксперимент закончился. Энергия, которая, согласно формуле Эйнштейна, E = mc2 эквивалентна неограниченной массе, по определению должна быть положительной. Но согласно квантовой теории оно действительно может иметь отрицательное значение. Однако это, по-видимому, происходит только в редких особых случаях — в крошечном масштабе. В так называемом эффекте Казимира, например, вовлеченные количества настолько ничтожны, что любое технологическое применение кажется абсурдным.

Алькубьер, ныне профессор физики Национального автономного университета Мексики, согласен с этим. С точки зрения потенциальной технологии, варп-двигателей «сильно не хватает», — написал он и один из его коллег в недавнем препринте. Теперь он обратил свое внимание на известные явления, такие как черные дыры. Тем не менее концепция варп-двигателя сохраняет свою привлекательность, особенно для Trekkies — и для нескольких гравитационных физиков, которые время от времени публикуют вариации этой идеи.

В некоторых из этих статей показано, как уменьшить требования к массе пузыря, чтобы общая масса, необходимая для деформации пространства-времени, была меньше массы нашего Солнца. Но никто не мог обойти проблему негативной энергии, пока Ленц не занялся ею во время изоляции в Геттингене. В своей вынужденной изоляции Ленц нашел способ построить варп-пузырь, используя только положительную энергию. Поступая таким образом, он, возможно, преодолел величайшее возражение против варп-двигателей.

Это стало возможным благодаря особой особенности геометрии пространства-времени, обнаруженной Ленцем и скрытой в общей теории относительности, точнее, в уравнениях поля Эйнштейна. Эти уравнения могут рассчитать, как конкретное распределение материи и энергии деформирует пространство-время. Исследователи также могут использовать их, как это сделал Алькубьер, для определения массы и энергии, необходимых для создания определенного искривления пространства.

Однако иметь дело с такой динамической четырехмерной структурой, как пространство-время, чрезвычайно сложно. Полное выписывание формул Эйнштейна приводит к беспорядку вложенных друг в друга дифференциальных уравнений с тысячами членов. В зависимости от предположений, которые вы делаете о конкретной физической ситуации, вы принимаете во внимание только некоторые из этих терминов. Для теоретиков это почти безграничная игровая площадка.

Принцип двигателя Алькубьерре: пространство-время сжимается в передней части пузыря (справа), что соответствует искривлению пространства-времени. За пузырем (слева) новое пространство создается из ничего, что эквивалентно растяжению пространства-времени. Кредит: AllenMcC Wikimedia  (CC BY-SA 3.0)

Ленц специально изучил предположения, приводящие к отрицательной потребности в энергии в работе Алькубьерре. Как и его коллега, Ленц начал с анализа пространства-времени, смоделировав многомерное вещество как набор очень тонких слоев. Он обнаружил, что Алькубьер рассматривал только сравнительно простые «линейные» отношения между уравнениями перехода с одного слоя на другой. На этом этапе выбор более сложных «гиперболических» соотношений, которые обычно выражают быстро меняющиеся величины, приводит к другому пузырю деформации, чем тот, который получил Алькубьер. Для этого по-прежнему требуется огромное количество массы и энергии, но, согласно расчетам Ленца, только положительное количество. «Я был очень удивлен, что никто не пробовал это до меня, — говорит Ленц.

Пузырь Ленца отличается от того, который разработал Алькубьер в 1994 году. Он состоит из ромбовидных областей измененного пространства-времени, которые напоминают стаю птиц. По словам Ленца, создание такой геометрии пространства-времени в действительности потребовало бы сложного наслоения колец и дисков, состоящих не из твердого материала, а из чрезвычайно плотной жидкости заряженных частиц, похожей на вещество, находящееся внутри нейтронных звезд.

Это означает, что путешествия со скоростью, близкой к скорости света, все еще очень и очень далеки от прикладных технологий. Но теперь, когда нет необходимости в каких-то экзотических отрицательных плотностях энергии — по крайней мере, согласно последней работе Ленца, — теоретические игры находятся в сфере устоявшейся физики. Алькубьер описывает статью Ленца как «очень важное событие». Франсиско Лобо, исследователь из Лиссабонского университета и коллега Алькубьерре, опубликовавший учебник по варп-двигателям, тоже не может найти явных ошибок. «Если это правильно, это может открыть новый интерес и новые направления исследований в области физики варп-двигателя», — говорит он.

Идея Ленца даже вызвала интерес у исследователей, не входящих в небольшое сообщество энтузиастов варп-двигателя, включая Лавинию Хайзенберг, профессора космологии Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе. Гейзенберг и ее ученик Шон Фелл сочли статью Ленца настолько захватывающей, что они развили ее, сконструировав собственные варп-пузыри с положительной энергией, для которых потребовалось бы всего лишь тысячная часть массы нашего Солнца.

«Все это гораздо менее загадочно, чем кажется большинству людей», — говорит Алексей Бобрик, астрофизик из Лундского университета в Швеции. Сотрудничая с предпринимателем из Нью-Йорка Джанни Мартире, Бобрик в 2020 году нашел несколько многообещающих решений уравнений поля Эйнштейна. По словам Бобрика, все, что нужно для варп-пузыря, — это оболочка соответствующей формы из плотного материала, которая искривляет пространство-время в его непосредственной близости, в то время как вселенная, через которую движется пузырек, и пространство внутри оболочки остаются относительно нетронутыми.

Время идет так медленно

Ключевое слово — «сравнительно». Алькубьерре и более поздние архитекторы варпа предполагали резкий переход между искривленным пространством-временем в стенке пузыря и гладким внутренним и внешним пространством. Но Бобрик и Мартир обнаружили, что это «усечение» гравитационного поля является причиной того, что для стабилизации искривления пространства и времени требуется большое количество отрицательной энергии.

Однако отказ от мультяшного изображения мыльного пузыря позволяет создавать варп-двигатели на основе обычной материи, утверждают они. Гравитационное поле не могло бы просто исчезнуть при удалении от стенки оболочки. Вместо этого он будет постепенно распадаться. Следовательно, пространство-время также будет искривлено внутри пузыря. Для путешественников на космическом корабле, находящемся прямо в центре пузыря, это явление было бы наиболее очевидным во времени: их часы шли бы медленнее, чем в остальном космосе, потому что, согласно теории относительности, на время влияет гравитация. .

Более медленное течение времени на космическом корабле может понравиться межзвездным путешественникам. Тем не менее, Бобрик и Мартире описывают другие препятствия. Они утверждают, что до сих пор не существует известного способа действительно ускорить варп-пузырь. Все предыдущие представления об этом предмете просто предполагают, что кривизна пространства-времени уже движется с большой скоростью.

Луч света движется со скоростью 299 000 километров в секунду. Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, это физическая константа. Скорость света — это максимальная скорость, которой может достичь любая частица, а частица может двигаться только в том случае, если у нее нет массы. Следовательно, современная физика не предлагает возможности ускорения объектов выше скорости света. Однако при ближайшем рассмотрении это ограничение применимо только к четырехмерному пространству-времени, составляющему вселенную. Кроме того, возможны еще более высокие скорости.

«Ни один из физически мыслимых варп-двигателей не может разогнаться до скоростей, превышающих скорость света», — говорит Бобрик. Это потому, что вам потребуется материя, способная выбрасываться со скоростью выше скорости света, но ни одна известная частица не может двигаться с такой скоростью. Кроме того, пассажиры самого космического корабля не могли контролировать пузырь, потому что они потеряли бы контакт с внешним миром из-за чрезвычайно сильного искривления пространства вокруг них.

Ленц тоже считает эти возражения проблемой, но считает, что решение можно найти. Тем временем Бобрик отмечает, что также возможно путешествовать к далеким звездам со скоростью, равной трети или половине скорости света, особенно если время для людей в варп-пузыре течет медленнее. Только не думайте о том, что все ваши родственники, оставшиеся на Земле, наверняка умрут от старости до того, как вы вернетесь. «Но, по крайней мере, эта идея уже не совсем сумасшедшая», — говорит Бобрик.

От теории к практике

До сих пор ведутся споры о том, действительно ли варп-пузыри могут обходиться без отрицательной энергии. Недавно три теоретика предположили, что это утверждение верно только для наблюдателей, движущихся рядом с пузырем. Кроме того, не все, что кажется возможным согласно теории относительности, на самом деле существует или технологически осуществимо. Например, уравнения поля Эйнштейна также можно использовать для обоснования «белых» дыр (антитеза их черных двойников), мостов Эйнштейна-Розена (часто называемых червоточинами) и других экзотических изменений в пространстве-времени, которые никто никогда не наблюдал. Это может быть потому, что законы природы, пока еще неизвестные, исключают такие явления.

Поэтому некоторые исследователи предостерегают от перебора с фантазиями. Эксперт по космическим двигателям Мартин Таймар из Технического университета Дрездена, например, не видит практической значимости в текущей работе над варп-двигателями. По его словам, вовлеченные огромные массы просто превышают все, что можно испытать на Земле.

Большинство ветеранов-исследователей варп-двигателей, несомненно, согласятся. Они рассматривают свою работу не столько как подготовку к экспериментам в реальном мире, сколько как способ исследовать пределы относительности. По словам Лобо, в этом начинании полезны даже спекулятивные «мысленные эксперименты».

Ленц, с другой стороны, активно работает над практическим применением своей идеи. После исследований в Геттингене он устроился на работу в ИТ-компанию. Но в свободное время он все еще думает о том, как ускорить искривление пространства-времени до скоростей, превышающих скорость света, и как уменьшить необходимую для этого энергию.

Ленц также выступает за внимательное изучение окружения нейтронных звезд. Возможно, эти сверхкомпактные звездные остатки выбрасывают пузыри, подобные тем, которые он описывает в своей статье. «До тех пор, пока человек не позволяет личным предубеждениям мешать и принимает то, что говорят вам факты, это область исследований, достойная того, чтобы ею занимались, как и любая другая», — говорит он.

Жан-Люк Пикард, вероятно, увидел бы это так же. «Вещи невозможны только до тех пор, пока они не являются невозможными», — отметил персонаж в эпизоде ​​ «Звездный путь: Следующее поколение ». Но это также легче сказать, когда вы живете на 300 лет вперед.

Эта статья первоначально была опубликована в Spektrum der Wissenschaft и была воспроизведена с разрешения

ОБ АВТОРЕ (АТОРАХ)

    Роберт Гаст — физик и редактор в Zeit Online . Ранее он был редактором в Spektrum der Wissenschaft .

    Технология варп-двигателя «Звездного пути», объяснение

    Автор
    Элис Роуз Доддс

    Делиться
    Твитнуть
    Делиться
    Делиться
    Делиться
    Электронная почта

    В этой научно-фантастической вселенной возможно все. Давайте рассмотрим технические аспекты преодоления скорости света.

    Вселенная, созданная чудесным умом Джина Родденберри еще в конце 19 века.60-е содержат множество дурацких и замечательных вещей, от невероятно разнообразных инопланетных рас до головокружительного набора футуристических технологий. Одна из таких невероятных технологий находится в самом сердце Star Trek. Без него вообще не было бы особого шоу, а такие, как Кирк и Пикард, были бы крайне ограничены в исследовании чудесным образом пустого Млечного Пути. Технология, конечно же, — это варп-двигатель, который является важным краеугольным камнем в огромном «Звездном пути 9».0006 история.

    Роль варп-двигателя во франшизе «Звездный путь»

    Варп-двигатель необходим по двум причинам. Во-первых, он действует как важный маркер Первого контакта между Федерацией (или вулканцами до образования Федерации) и развивающейся культурой. Причина этого довольно проста: если вид может легче перемещаться по вселенной, он в конечном итоге столкнется с чужеродными видами, поэтому они также могут представиться. Он также служит важным маркером того, что культура достаточно развита, чтобы справляться с богатством технологий и информации, которыми делится федерация, не искажая при этом естественную эволюцию культуры.

    СВЯЗАННЫЙ: Как «Звездный путь: Следующее поколение» исследовало слепоту и доступность с Джорди ЛаФоржем

    Вторая причина важности варп-двигателя еще проще: космос очень, очень большой. Пересечение его даже с использованием технологии варп-двигателя может занять от недель до месяцев — и это только при путешествии между двумя довольно близкими звездными системами. Экипаж USS Voyager прекрасно это понимает. Путешествие капитана Кэтрин Джейнвей, чтобы вернуть свою команду домой из Дельта-квадранта, заняло примерно 70 лет, не считая пит-стопов и объездов по пути. Сценаристы 9.0005 Звездный путь нуждался в решении, чтобы каждый эпизод был не просто медленной прогулкой по космосу, сжимая пальцы в голодеке, и чтобы сократить огромные расстояния между звездными системами и, таким образом, Варп-Драйв (или Гипердрайв, как его классифицировали в пилотный эпизод) родился. Зрители могут часто слышать этот термин, но как именно он работает?

    Технология вымышленных космических путешествий

    Несмотря на то, что варп-двигатель был чисто вымышленным, было затрачено много усилий на то, чтобы объяснить и изучить науку о том, как он может работать. «Звездный путь » опирался на различные примеры ранее написанной научной фантастики, чтобы создать собственное слияние того, как может работать это межгалактическое космическое путешествие, и с годами оно только расширялось. Первый пример такого путешествия с использованием таких скоростей был впервые упомянут в романе 1915–1921 годов « Космический жаворонок », так что идея витала в воздухе некоторое время. Самая большая проблема с таким перемещением в пространстве заключается в том, что скорость, с которой объект должен двигаться на такие расстояния, должна быть выше скорости света. Не обращая внимания на эту невозможность, сшитую теорией относительности Эйнштейна, варп-путешествие работает, искривляя пространство-время, как складки на ткани, немного искривляя реальность, чтобы позволить путешествовать с такими скоростями.

    Для этого требуется огромное количество энергии. Конечно, было бы логично, если бы для футуристической цивилизации у них был бы и футуристический источник энергии. В Star Trek, основное топливо создается путем сжигания материи (в данном случае дейтерия, разновидности газообразного водорода) и антиматерии в термоядерном реакторе, который тщательно контролируется с помощью кристаллов дилития. Это создает вокруг корабля варп-пузырь или поле, которое искажает локальный пространственно-временной континуум и позволяет совершать путешествия, которые обычно не допускаются законами физики.

    Эти скорости измеряются в варп-факторах и доходят до варп-фактора 9,99. Можно двигаться быстрее, как обнаружил пилот-отступник Том Пэрис в серии Voyager , но эта великая скорость начала слишком сильно искажать реальность, и в результате вы оказываетесь абсолютно везде одновременно. В результате это очень нестабильный и неправдоподобный способ транспортировки. Коэффициенты деформации в оригинальной серии были определены как число, возведенное в куб, а затем умноженное на скорость света; например, Warp 4 определяется как скорость, в 64 раза превышающая скорость света. Однако все изменилось по мере того, как сценаристы вводили во вселенную все больше и больше. В течение The Next Generation, Специфика варпа была немного смягчена, и сценаристы заставили эти расстояния работать на то, что лучше всего подходит для повествования.

    Технология варп-двигателя лежит в основе Star Trek и, возможно, является одним из самых важных столпов его повествования. Мало того, что это имеет основополагающее значение почти для каждого отдельного эпизода, поскольку необходимое означает, что их команда полагается больше, чем на что-либо еще, чтобы просто передвигаться, но было несколько целых эпизодов, исследующих возможности и проблемы, связанные с этим, в том числе, в Discovery , что происходит, когда он сильно ограничен. Это неотъемлемая часть сериала и, вероятно, останется таковой на протяжении всей франшизы.

    БОЛЬШЕ: Самый душераздирающий момент в «Звездном пути: Глубокий космос 9»

    У Дома Дракона остался еще один прыжок

    Читать Далее

    Делиться

    Твитнуть

    Делиться

    Делиться

    Делиться

    Эл. адрес

    Похожие темы

    • Кино и ТВ
    • GR Оригиналы
    • научно-фантастический
    • Звездный путь

    Об авторе

    Элис Роуз Доддс
    (опубликовано 435 статей)

    Алиса — фанатка «Властелина колец», выросшая на сказках Толкина. Она любит все виды письма, от статей и рассказов до своего дебютного романа, для которого она ищет литературное воплощение.
    Помимо своей писательской страсти, она страстный защитник природы, обученный пчеловод, любитель стрельбы из лука и любитель собак.

    Еще от Элис Роуз Доддс

    ученых говорят, что физический варп-двигатель теперь возможен

    • В новой статье предлагается полностью физически реализованная модель варп-двигателя.
    • Это основано на существующей модели, которая требует отрицательной энергии, что невозможно.
    • Новая модель захватывающая, но до скорости варпа, вероятно, еще десятилетия или столетия.

    В удивительной новой статье ученые говорят, что они разработали физическую модель варп-двигателя, которая противоречит тому, что мы давно думали о сумасшедшей концепции путешествия на варп-скорости: это требует экзотики. , негативные силы.

    Чтобы лучше понять, что означает прорыв, вам понадобится краткий ускоренный курс по далекой идее путешествия через свернутое пространство.

    Разговорный термин «варп-двигатель» взят из научной фантастики, наиболее известной из которых является «Звездный путь». Сверхсветовой варп-двигатель Федерации работает за счет столкновения материи и антиматерии и преобразования энергии взрыва в движение. Звездный путь предполагает, что только эта необыкновенная сила толкает корабль со скоростью, превышающей скорость света.

    Ученые десятилетиями изучали и теоретизировали космические путешествия со скоростью, превышающей скорость света. Одна из основных причин нашего интереса — чистый прагматизм: без варп-двигателя мы, вероятно, никогда не доберемся до соседней звездной системы. Ближайшее такое путешествие будет продолжаться четыре года со скоростью света.

    Наше нынешнее понимание скорости деформации восходит к 1994 году, когда ныне культовый физик-теоретик по имени Мигель Алькубьер впервые предложил то, что мы с тех пор называем двигателем Алькубьерре.

    Двигатель Алькубьерре соответствует общей теории относительности Эйнштейна для достижения сверхсветовых путешествий. «Благодаря чисто локальному расширению пространства-времени позади космического корабля и противоположному сжатию перед ним, — писал Алькубьерре в аннотации к своей статье, — возможно движение со скоростью, превышающей скорость света, которую видят наблюдатели за пределами возмущенной области».

    По сути, двигатель Алькубьерре затрачивает огромное количество энергии — вероятно, больше, чем доступно во Вселенной, — чтобы сжимать и искривлять пространство-время перед собой и создавать пузырь. Внутри этого пузыря будет инерциальная система отсчета, в которой исследователи не почувствуют должного ускорения. Правила физики по-прежнему будут действовать внутри пузыря, но корабль будет локализован за пределами космоса.

    Можно представить себе двигатель Алькубьерре как классический трюк для вечеринки со скатертью и посудой: космический корабль сидит на скатерти пространства-времени, двигатель натягивает на себя ткань, и корабль находится в новом месте относительно фабрика.

    Посмотреть полный пост на Youtube

    Алькубьер описывает пространство-время, расширяющееся с одной стороны корабля и сжимающееся с другой благодаря этому огромному количеству энергии и необходимому количеству экзотической материи — в данном случае отрицательной энергии.

    История по теме
    • НАСА работает над варп-двигателем?

    Однако некоторые ученые критикуют двигатель Алькубьерре за то, что он требует слишком много массы и отрицательной энергии, чтобы люди когда-либо серьезно построили двигательную установку на основе варпа. НАСА пыталось создать физический варп-двигатель с помощью лабораторий Eagleworks на протяжении большей части последнего десятилетия, но пока не добилось значительных успехов.

    Прикладная физика

    Это подводит нас к новому исследованию, которое ученые Лаборатории перспективных двигателей (APL) в Applied Physics только что опубликовано в рецензируемом журнале Classical and Quantum Gravity. В отчете команда APL представляет первую в мире модель физического варп-двигателя, которая не требует отрицательной энергии.

    Исследование, по понятным причинам, довольно объемное (прочитайте все здесь), но вот суть модели: Где существующая парадигма использует отрицательную энергию — экзотическую материю, которая не существует и не может быть создана в рамках нашего нынешнего понимания Вселенная — эта новая концепция использует плавающие пузыри пространства-времени, а не плавающие отправляет в пространство-время.

    Вам это тоже понравится
    • Этот термоядерный двигатель может ускорить межзвездные путешествия
    • EmDrive просто не умрет

    Физическая модель почти не использует отрицательную энергию и основывается на идее о том, что пузыри пространства-времени могут вести себя почти так, как им нравится. И, как говорят ученые APL, это даже не единственный другой способ, которым может работать варп-скорость. Создание хотя бы физически понятной модели — большой шаг.

    Кроме того, сам Алькубьер одобрил новую модель, что похоже на появление Альберта Эйнштейна на вводном уроке физики.

    Вот полезное видео, в котором Сабина Хоссенфельдер, профессор и научный сотрудник Франкфуртского института перспективных исследований, излагает полученные данные:

    Посмотреть полный пост на Youtube

    эта работа все еще находится в зоне возможного «далекого будущего», она состоит из идей, которые ученые до сих пор не знают, как сконструировать в каком-либо смысле.

    «Хотя требования к массе, необходимые для таких модификаций, в настоящее время все еще огромны, — пишут ученые APL, — наша работа предлагает метод построения таких объектов, основанный на полностью понятных законах физики».

    Но хотя физический привод может быть нереален сегодня, завтра или даже через столетие — будем надеяться, что это не , а — с этой захватывающей новой моделью путешествия со скоростью деформации теперь намного более вероятны в гораздо большей степени. более короткий промежуток времени, чем мы думали ранее.

    Кэролайн Делберт

    Кэролайн Делберт — писатель, заядлый читатель и пишущий редактор журнала Pop Mech. Она также энтузиаст практически всего. Ее любимые темы включают ядерную энергию, космологию, математику повседневных вещей и философию всего этого.

    Как НАСА планирует отправить людей в глубокий космос: объяснение двигателя Алькубьерре, также известного как «варп-двигатель» в реальной жизни

    Р. Дж. Пирс, Tech Times

    (Фото: Getty Images) (Фото: Getty Images) (Фото: Getty Images)

    У НАСА большие планы на будущие пилотируемые космические исследования. И под большим они, вероятно, подразумевают вселенский (или, по крайней мере, галактический) масштаб.

    (Фото: Getty Images)

    Видите ли, главная проблема пилотируемых космических исследований заключается в том, что космос невообразимо огромен. Серьезно, цифры, используемые для обозначения расстояний во Вселенной, чрезвычайно велики, ученым пришлось изобрести новый способ их измерения: световые годы.

    И если человечество действительно хочет заглянуть в самые далекие звезды, ему понадобится двигательная установка гораздо более мощная, чем обычные ракеты. Имея его, люди смогут достигать звездных систем, расположенных в световых годах от Земли.

    Введите что-то, что звучит так, как будто это пришло прямо из научной фантастики: двигатель Алькубьерре, или то, что ученые называют потенциально реальным, работающим варп-двигателем.

    Варп-двигатель НАСА: реален ли он вообще? И откуда это взялось?

    Да, это правда. Просто наука, стоящая за его теоретической работой, настолько ошеломляет, что можно поклясться, что она возникла из чрезмерно активного воображения голливудского писателя.

    Согласно The Conversation, история Alcubierre Drive начинается с легендарного Альберта Эйнштейна и его общей теории относительности. Уравнения Эйнштейна утверждают, что пространство-время искривляется в ответ на существование энергии и материи. Это, в свою очередь, объясняет, как две вещи перемещаются в пространстве.

    Общая теория относительности накладывает два ограничения на путешествия в дальний космос. В первом говорится, что космический корабль не может достичь самых дальних краев Вселенной (не говоря уже о галактике Млечный Путь) в разумные сроки, если он не может превысить скорость света, которая составляет примерно 300 000 км в секунду. Есть причина, по которой Эйнштейн назвал скорость света «пределом космической скорости»: нет ничего быстрее ее.

    Вторая причина заключается в том, что на любом космическом корабле, приближающемся к скорости света, часы будут замедляться по сравнению с часами на Земле. Это явление, известное как замедление времени, можно объяснить просто следующим образом: космический корабль, движущийся со скоростью света, будет ощущать время намного медленнее, чем человек на Земле.

    (Фото: Getty Images)

    Человеческий экипаж на борту старел бы медленнее, в то время как сотни (или даже тысячи) лет уже прошли бы дома, что сделало бы их путешественниками во времени в будущее.

    Это основные принципы, лежащие в основе (каламбур) варп-двигателя НАСА. Но как они разыгрываются в технике?

    Читайте также:  Ученые объявляют, что двигатель Space Warp теперь возможен: НАСА может применить его для исследования космоса

    Двигатель Алькубьерре: как он (теоретически) работает

    Самое простое возможное объяснение привода Алькубьерре состоит в том, что он использует две концепции общей теории относительности, описанные в предыдущем абзаце.

    Согласно журналу Popular Mechanics, варп-двигатель НАСА расходует огромное количество энергии, которая будет «искажать» (сжимать и искривлять) пространство-время позади космического корабля, что создаст пространственно-временной «пузырь». Этот пузырь, который будет создаваться вокруг корабля и изгибаться за ним, теоретически уменьшит расстояние, которое должен будет пройти корабль. Следовательно, это может сделать возможным путешествие со скоростью света (или даже быстрее, чем скорость света).

    (Фото: Getty Images)

    Единственная проблема заключается в том, что количество энергии, необходимое для варп-двигателя НАСА, было бы невозможно получить с помощью обычных технологий. Проще говоря, для создания пузыря, толкающего космический корабль, потребуется больше энергии, чем есть во всей Вселенной.

    Как НАСА нашло «обходной путь» для варп-двигателя

    Путешествие со скоростью света имеет, однако, некоторые интересные (и довольно опасные) последствия. Есть так много вещей, которые могут пойти не так, но некоторые из самых важных из них объясняются в этом коротком видео НАСА:

    Теперь об обходном пути. По словам ученого Эрика Ленца, проблема использования безумного количества энергии может быть решена путем создания другого типа пространственно-временного пузыря. По его словам, пузырь, который должно создать НАСА, должен иметь форму солитонов. Солитоны работают так же, как рябь на спокойном озере, поскольку они сохраняют свое «хлесткое» движение с постоянной скоростью.

    Для такого типа пространственно-временного пузыря, как утверждает Ленц, потребуются только традиционные методы производства энергии.

    Взгляд в будущее

    Очевидно, что НАСА все еще работает над ошибками своего варп-двигателя, но, возможно, это только вопрос времени, когда по крайней мере соседние звездные системы, такие как Проксима Центавра, станут доступны для экипажей людей.

    До тех пор мы можем смотреть только на самые далекие звезды с помощью наших телескопов.

    Статья по теме:  Возможна спячка человека в космосе? Вот что показывает новое исследование с участием лемуров

    Эта статья принадлежит Tech Times. Не воспроизводить без разрешения.

    Метки:
    НАСА
    варп-двигатель НАСА
    варп-двигатель

    Физика и математика варп-двигателя

    Физика и математика варп-двигателя

    В этой статье описывается физика и математика, лежащие в основе класса
    решений уравнений поля Эйнштейна, известных как
    метрики «варп-драйва». Эти показатели были изучены (в основном только
    для развлечения, хотя они раскрывают некоторые интересные свойства
    уравнения поля) с 1994 года, и многие ссылки можно найти
    в конце статьи. Эта статья разделена на две части.
    Нематематическая часть, доступная для всех (надеюсь), которая опирается
    опирается на аналогии с хорошо известными системами и просит читателя
    верить некоторым утверждениям без доказательств. Вторая часть немного более строгая и математическая. Это требует некоторой математической сложности, а также некоторого знания общей теории относительности и квантовой теории поля.

    А. ДеБенедиктис

    Часть I Качественное обсуждение.

    Идея путешествия к далеким звездам и галактикам многим кажется весьма привлекательной. Просто прыгай на ракету и лети, да? Ну, нет, не совсем. Первый
    прежде всего, потребовалось бы очень много топлива, чтобы разогнать ракету до высоких скоростей, чтобы полет мог совершиться в разумные сроки.
    количество времени для космонавта. Здесь же лежит и суть другой проблемы, а именно замедления времени. Видите ли, теория относительности говорит нам, что если вы
    путешествовать на корабле со скоростью, близкой к скорости света, а затем возвращаться на Землю, время, которое проходит на корабле, намного меньше, чем то, которое
    прошло на Земле. Иными словами, если путешествие к далекой звезде и обратно занимает у космонавта несколько лет, то на Земле прошло много лет. Когда астронавты вернутся, человеческое общество
    вполне мог испытать тысячи лет (или больше). Черт возьми, может пройти достаточно времени, чтобы у нас развились вторые головы, если астронавты путешествуют с достаточно высокими скоростями и на достаточно большие расстояния. Этот любопытный эффект связан (хотя он может быть и неочевидным) с тем фактом, что ничто, имеющее массу (например, ракету или космонавта), не может быть ускорено до скорости света или выше. Скорость света может показаться нам высокой, но если рассматривать расстояния в галактическом масштабе, она действительно очень медленная (свету требуется 100 000 лет, чтобы пересечь нашу галактику в одну сторону!)

    Итак, просто заправить ракету большим количеством топлива и запустить ее в путь — не такой уж и полезный способ исследовать вселенную. По иронии судьбы, сама теория, которая запрещает нам исследовать
    произвольная скорость также может быть той, которая спасает нас. Аргумент, который я собираюсь представить, сильно упрощен. Тем не менее, аргумент, по сути, правильный, за исключением некоторых незначительных размышлений в
    такие вещи, как то, что вселенная похожа на пружину (это не так, но весна — хорошая аналогия).

    Рассмотрим нерастянутую пружину, как показано на рисунке 1. Эта пружина будет представлять собой пространство. Правильно, пространство, которое вы видите вокруг себя и которое вы видите, когда смотрите в ночное небо.
    Почему пружина? Итак, общая теория относительности рассматривает пространство (и время) как динамическую величину. То есть пространство может искривляться и растягиваться и сжиматься ( деформация! ) по-разному с течением времени. Добрый
    как весна! А теперь представьте, что вы живете 90 484 в 90 485 весне (в конце концов, вы живете 90 484 во вселенной 90 485). Поскольку вы живете весной, вы почувствуете последствия этого растяжения и
    изгиб. Эти эффекты имеют причудливое название. Их называют гравитационными. Гравитация описывается общей теорией относительности. Говоря, что ничто во Вселенной не может двигаться быстрее, чем
    скорости света, это все равно, что сказать, что ничто в нашей весне не может двигаться быстрее скорости света по отношению к пружине или, точнее, по отношению к определенным нарушениям
    весна, которую мы сейчас обсудим. (Эта аналогия не совсем корректна, но ее будет достаточно для нашего
    цель. На самом деле я пытаюсь сказать, что ничто не может двигаться быстрее скорости света, но это локальное явление.)

    Теперь рассмотрим участок пружины длиной L, как показано на схеме. Представьте, что наш космический корабль находится в центре этой секции. Мы знаем, что космический корабль не может двигаться быстрее, чем
    скорость света весной. Тогда возникает вопрос, возможно ли переместить небольшое возмущение внутри пружины со скоростью, превышающей скорость света? Кроме того, если наш космический корабль находится в
    этот участок пружины можно устроить так, чтобы он двигался вместе с возмущением? (Помните, что относительность запрещает (ну, строго говоря, это не так, но не будем
    беспокоиться об этом пока) что-нибудь в нашей весне двигаться быстрее скорости света
    относительно пружины, но если участок пружины движется «быстрее», чем скорость света, и мы движемся медленно (например, идем) в пределах этого участка, предел скорости света равен
    не нарушается. )
    Профессор по имени Мигель Алькубьерре продемонстрировал, что ответ на поставленные выше вопросы оказывается «да» (на самом деле ответ на первый вопрос был известен уже давно).

    Таким образом, вопрос, который мы сейчас хотим решить, заключается в том, «как мы это делаем?». Я подозреваю, что вы уже видели пружину и знаете, как ее растягивать и сжимать. Мы хотим сделать следующее: Разместите свой
    Корабль где-то в секции L пружины, создайте возмущение так, что несжатая секция длиной L будет двигаться по пружине с произвольной скоростью, ваш корабль будет двигаться с
    это возмущение. Рисунок 2 демонстрирует эту процедуру. Положение корабля указано на рисунке.

    Хорошо, в этот момент вы можете спросить себя (и правильно), почему корабль не движется быстрее скорости света? Ведь только возмущение движется со скоростью
    произвольная скорость, а не сечение физической пружины. Ну, к сожалению, ответ может не удовлетворить. Аналогия с пружиной несколько искусственна (вы не скажете?). Наше пространство или
    конкретно пространство-время, не ведет себя точно так же, как какой-то твердый объект, например пружина. Тем не менее, пружина — довольно хорошая модель, если мы знаем о ее недостатках. В пространстве-времени
    вы можете заставить «кусок пространства-времени» двигаться внутри большего целого. Если пружину кажется трудно проглотить, подумайте о «жесткой пластине», движущейся внутри сжимаемой (и растяжимой) пружины.
    жидкость. Здесь следует также подчеркнуть, что корабль делает , а не , движутся с кажущейся сверхсветовой скоростью, сжимая пространство в
    перед ним и путешествуя по этому сжатому пространству. Корабль никогда не в сжатой области. Это в регионе, где нет сжатия . Обсуждаемое сжатие
    здесь
    является просто побочным продуктом выбранного типа метрики. Следует отметить, что объем во всех частях пружины можно поддерживать постоянным, также растягивая и сжимая пружину.
    боком. Это деформация, сохраняющая объем.
    драйв впервые изучил Хосе Натарио.

    Почему раздел L должен быть несжатым? Помните, что растяжение, сжатие и изгиб будут ощущаться экипажем корабля как гравитационные эффекты. Если вы растянете сегмент или
    сжать его слишком сильно, экипажу будет очень неудобно (может быть, он мертв… раздавлен или взорван гравитационными силами). Обратите внимание на диаграмме, что для перемещения возмущения вниз по
    spring нам нужно сжать пружину перед кораблем и растянуть пружину за кораблем. Тогда в этих точках будут большие гравитационные эффекты, но члены экипажа будут
    будьте в безопасности, пока они держатся подальше от этих точек. Эти точки составляют то, что называется «деформационным пузырем» (попробуйте думать в 3D, а не в 1D… на самом деле, это проблема 4D, но давайте не будем
    беспокойтесь об этом позже.) Итак, что мы имеем на данный момент: корабль находится внутри варп-пузыря и почти не испытывает гравитационных эффектов. Остальная вселенная находится за пределами варпа
    пузыря, и он также не чувствует эффектов варп-пузыря. Варп-пузырь вместе с внутренней частью (участком длиной L) и вашим кораблем двигаются по пружине сколь угодно быстро. Примечание
    что ничто не движется быстрее скорости света относительно пружины (или, точнее, возмущения пружины).
    свойство этой конструкции состоит в том, что если
    члены экипажа перемещаются внутри варп-пузыря со скоростью, намного меньшей скорости света, то есть нет разницы между количеством времени которое проходит внутри варпа
    пузыря и вне варп-пузыря (на Земле, например)! Нет второй головы.

    Как вы понимаете, для образования варп-пузыря требуется энергия. Так же, как энергия, связанная с Землей, искривляет пространство и, что более важно, расширяет время вокруг себя. Так что должны
    Корабельные двигатели, генерирующие варп, производят энергию для деформации пространства вокруг корабля (на самом деле это нечто большее, чем просто энергия, но это не важно для наших целей). Вы можете подумать, что
    огромное количество энергии требуется для создания варп-пузыря, который может охватывать космический корабль. Собственно, проблема в том, что для его питания требуется крайне малое количество энергии.
    варп-драйв. Позвольте мне объяснить это последнее утверждение.

    В повседневном мире предметы имеют положительную массу и положительную энергию. На самом деле, по формуле E=mc 2 энергия и масса в основном одно и то же. Ну, чтобы создать варп
    привод, как описано выше, требует изрядное количество отрицательных энергии! Отрицательную энергию трудно описать. Достаточно сказать, что в макроскопических масштабах (например,
    что-то размером с муравьиную ногу или больше), отрицательные энергии (или отрицательные массы) не наблюдались. Отрицательная энергия, такая как та, которая требуется для поддержания варп-пузыря
    однако имеет некоторое отношение к экспериментам. В квантовой теории поля можно поместить две проводящие параллельные пластины близко друг к другу в вакууме, и область между пластинами будет иметь
    (пусть и небольшая) отрицательная плотность энергии. Видите ли, в квантовой теории поля вакуум не есть ничто. Это целая куча вещей (полей), чьи кванты постоянно появляются и исчезают.
    существование. Вакуум — очень сложный объект, и вакууму посвящено много книг. Фактически, многие исследователи посвящают большую часть своей карьеры изучению вакуума. это
    интересно! Во всяком случае, очень (очень!) грубо говоря, если вы поместите эти параллельные пластины близко друг к другу, энергия, связанная с этими полями между пластинами, будет меньше, чем энергия, связанная с ними.
    с полями вне пластин. Суммарная энергия, связанная с полями вне пластин, равна нулю (или близка к нему), так как в конце концов это вакуум, поэтому энергия между пластинами
    оказывается отрицательным. Проблема в том, что этот эффект «Казимира» очень мал, и, если учесть энергию, связанную с металлическими пластинами, общая энергия системы положительна.
    не отрицательный, как того требует варп-двигатель. Крайне маловероятно, что с помощью этой техники можно генерировать достаточно отрицательной энергии, чтобы сформировать варп-пузырь. я думаю в теории это возможно
    но не задерживайте дыхание.

    Кстати, если вы хотите посмотреть, как выглядит корабль в варпе снаружи, вот хорошее видео (Д. Вайскопф, Университет Тюбингена).

    И последнее замечание перед тем, как перейти к части 2. Первоначально считалось, что как только сформируется варп-пузырь и вы начнете «двигаться» с видимой скоростью, превышающей скорость света, вы
    не сможет послать сигнал в варп-пузырь. То есть, как только вы включили варп-двигатель, его невозможно было выключить! На причудливом языке горизонт существует в
    пространство-время. Однако было показано (см. статью Лу и др. в библиографии), что это не проблема, поскольку вы можете послать сигнал части варп-пузыря, замедлиться до
    субсветовой кажущейся скорости, а затем полностью перекрыть пузырек.

    P.S. Нет, нет никаких шансов построить это с помощью чего-либо, даже отдаленно напоминающего наш нынешний уровень технологий. Это просто интересное пространство-время для изучения.

    Часть 2 Количественное обсуждение.

    Метрики варп-двигателя в координатной диаграмме декартова типа задаются линейным элементом:

    .

    .

    X, Y и Z являются компонентами векторного поля, определенного в евклидовом трехмерном пространстве. Это функция координат. Алькубьер (см. библиографию) использовал в качестве первого
    математический пример варп-двигателя, функция:

    где и r — радиальная координата с центром в корабле:

    .

    С этого момента полезно использовать обозначение .

    Функция f(r) является ограниченной функцией. В частности, для первого варп-двигателя эта функция равна
    в непосредственной близости от корабля и быстро стремится к нулю за пределами варп-пузыря (как функция «цилиндра»). Есть
    некоторые вещи, чтобы отметить об этой метрике. Во-первых, t=constant гиперповерхностей — это просто старое доброе евклидово пространство. Во-вторых, ну
    вне варп-пузыря метрика — это просто пространство-время Минковского. Кроме того, эта метрика строится с помощью формализма 3+1 и
    поэтому не допускает замкнутых причинных кривых. Наконец, эйлеровы наблюдатели находятся в свободном падении. То есть наблюдатели, чей четырехскоростной
    ортогональны пространственным гиперповерхностям, следующие геодезическим путям. Другими словами, потому что весна
    не растянутый внутри и снаружи пузыря, сила тяжести не «толкает»
    ни члены экипажа, ни люди за пределами варп-пузыря.

    Поскольку трехмерная геометрия плоская, кривизну можно изучать с внешней точки зрения. Тензор внешней кривизны
    t=постоянная поверхность определяется как:

    .

    Теперь интересно, конечно, насколько пространство-время
    быть растянутым или сжатым и, что более важно, каково значение
    измеряется эйлеровыми наблюдателями. Из дифференциальной геометрии хорошо известно
    что след тензора внешней кривизны дает следующий результат:

    .

    Назовем это функцией растяжения. Если мы подключим
    выражения для исходного варп-двигателя выше, это количество дает:

    .

    Обратите внимание на следующее: чем быстрее движется корабль, тем больше
    функция растяжения. Если мы рассмотрим функцию типа цилиндра для f(r) , то
    функция растяжения исчезает снаружи пузыря деформации (края), а также внутри
    варп-пузырь (цилиндр). Это хорошая новость, поскольку мы не хотим
    экипаж, ни люди за пределами варп-пузыря должны быть сжаты. Функция растяжения есть
    на рисунке 3. Корабль расположен в центре графика, и вы
    видно, как пространство вокруг корабля сжимается (перед кораблем, где функция растяжения отрицательна) и растягивается
    (сзади, где положительно). Также обратите внимание, что если вы установите dy=dz=0 а также настройка
    x=x s , то элемент строки, представленный в начале
    этот раздел дает хороший результат: как внутри пузыря деформации, так и внутри
    вне варп-пузыря

    .

    Другими словами, собственное время внутри корабля равно собственному
    время вне варп-пузыря.

    Эйлеровы наблюдатели обладают ковариантной четырехскоростной
    предоставлено

    .

    Следовательно, плотность энергии, измеренная в их мире
    строки даются

    ,

    , где сейчас мы рассматриваем конкретный случай
    оригинальный варп-драйв. Как упоминалось в части 1, эта величина отрицательна.
    чем быстрее вы идете, тем больше негатива это получает. Насколько это негативно и
    как мы можем минимизировать количество отрицательной энергии? Заметьте, что производная
    исчезает как внутри, так и снаружи варп-пузыря (не совсем, но близко, начиная с f
    является приблизительно цилиндрической функцией). Это означает, что эта функция
    отлично от нуля только в непосредственной близости от варп-пузыря. Если корабль
    большой, то (у 2 +z 2 )/r с 2 есть
    потенциально большой или порядка единицы вблизи варп-пузыря. Если это
    было возможно сделать этот термин небольшим, но все же охватывающим корабль приличных размеров,
    мы могли бы свести к минимуму количество необходимой отрицательной энергии.

    Профессор Крис Ван Ден Брок (библиография) изменил исходную метрику варп-двигателя и предложил следующий линейный элемент:

    ,

    , где функция B(r s ) выбирается как
    для области глубоко внутри варп-пузыря, для области внутри варп-пузыря, но близко к варп-пузырю (переходная область. .. здесь взорванная часть присоединяется к обычному варп-двигателю Алькубьерре), и B(r s ) =1 от внутренней стенки варп-пузыря и наружу. Константа может быть большой и положительной. Обратите внимание, что эта метрика заключает произвольно большой объем внутри пузыря деформации. Другими словами, у вас может быть небольшой варп-пузырь (который, следовательно, потребует лишь небольшого количества отрицательной энергии), но объем внутри варп-пузыря достаточно велик, чтобы вместить космический корабль. В весенней модели части 1 картина будет как на рисунке ниже.

    Обратите внимание, что область длиной L, а также сжатая и
    растянутые области, теперь намного меньше, чем в
    предыдущие диаграммы (в 3D гораздо более очевидно, что вы сжимаете
    и растягивая меньшую область). Это означает, что отрицательная энергия
    требования будут
    быть меньше. В переходной области плотность энергии обеспечивается:

    .

    При соответствующем выборе функции B можно получить достаточно гладкую геометрию в переходной области. Части этой области, однако, также должны обладать отрицательной энергией, но требований гораздо меньше, чем в исходной модели. Итак, здесь у нас есть варп-двигатель с очень маленьким «горлом» или варп-пузырем, требующий небольших отрицательных энергий. Внутри этого пузыря существует переходная область между внутренней частью расширенного объема и внутренней частью исходного варп-двигателя. Эта переходная область требует некоторого количества положительной энергии и некоторого количества отрицательной энергии, но, как упоминалось выше, эти требования намного меньше, чем в немодифицированном варп-двигателе.

    Теперь мы обсудим отрицательную энергию и что о ней говорит квантовая теория поля. Мы сосредоточимся на любопытном эффекте, упомянутом в части, которую я назвал эффектом Казимира. В искривленном пространстве-времени ситуация немного пугающая, поэтому мы примем фон Минковского и пренебрежем гравитацией. Кроме того, мы сосредоточимся на одном из простейших квантовых полей — безмассовом скалярном поле.

    Энергия, связанная с квантовым полем, определяется интегралом:

    Где 00 > — ожидаемая плотность энергии поля. На самом деле это расходящаяся величина, если интегрировать ее по всему пространству (для получения энергии), но, конечно, важны изменения энергии.

    Классически тензор энергии-импульса для безмассового скаляра имеет вид

    .

    Аналогом в квантовой теории является математическое ожидание. Поэтому нам нужны эти производные в квантованной теории. Они получаются путем взятия производных функции Грина скалярного волнового уравнения:

    а затем принять предел как x -> x’ .

    Ожидаемое значение компонента плотности энергии квантованного тензора энергии-импульса может быть вычислено как

    ,

    где a — ширина разделения пластин и . (омега — частота, k — волновое число моды.)

    Когда мы интегрируем вышеперечисленное в область между пластинами, мы получаем:

    .