Warp двигатель: Субсветовым варп-двигателям разрешили состоять из обычной материи

Субсветовым варп-двигателям разрешили состоять из обычной материи

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.

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

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.

Ученые DARPA и НАСА случайно создали варп-пузырь для межзвездных путешествий

Концептуальная иллюстрация НАСА корабля с варп-двигателем, IXS Enterprise. Изображение Марка Радемейкера/НАСА.

Исследовательский проект, финансируемый Агентством передовых оборонных исследовательских проектов в Космическом центре Джонсона НАСА, возможно, случайно обнаружил, как построить двигатель варп-двигателя. Ученые опубликовали свои выводы в июле.

Гарольд «Сонни» Уайт, исследователь НАСА из лаборатории Eagleworks в Хьюстоне, штат Техас, в июле опубликовал исследовательскую работу со своей командой о «возможной структуре плотности энергии, присутствующей в полости Казимира».

Согласно отчету, команда Eagleworks обнаружила «структуру микро/наномасштаба… которая предсказывает отрицательное распределение плотности энергии, которое точно соответствует требованиям для метрики Алькубьерре».

Другими словами, Уайт и его коллеги случайно провели микроскопический эксперимент, исследуя распределение энергии по длинам волн — теорию, разработанную голландским физиком Хендриком Казимиром. В результате эксперимента было получено достаточно теоретической энергии для достижения «скорости деформации» — концепции, теоретизированной мексиканским математиком и физиком Мигелем Алькубьерре.

Если вы использовали Slinky для визуализации, как показано выше, Alcubierre Drive расширяет пружину позади космического корабля и сжимает пружину перед ним, оставляя пространство вне пружины в покое, а пространство внутри пружины относительно нормальное. Это гарантировало бы, что путешествие займет всего несколько дней вместо возможных 2 миллионов или более лет, даже со скоростью, превышающей скорость света. Фото предоставлено YouTube.

В 1994 году Алькубьер произвел фурор в сообществе физиков, когда опубликовал свои выводы о теоретических возможностях «искривления» межзвездного пространства. Он утверждал, что можно манипулировать тканью самого пространства, чтобы достичь скорости, превышающей скорость света.

Алькубьер сказал, что можно расширить пространство позади звездолета и сжать пространство перед ним, тем самым сократив промежутки между планетами и звездами до очень коротких расстояний. В визуализации концепция сравнивалась с серфером, катающимся на волне — метафора, часто используемая для описания того, как корабль может путешествовать среди звезд.

Математика Алькубьерре, хотя и считается правильной, содержала некоторые нерешенные проблемы. Некоторых теоретических потребностей в энергии не существует — или, по крайней мере, они еще не обнаружены. Однако последнее исследование, опубликованное Уайтом и его командой, финансируемое DARPA, показывает, что потребности в энергии будут намного меньше, чем предполагалось изначально.

Подобно путешествию по волне в Ньюпорт-Бич, теория Алькубьерре предполагает путешествие по искривленной ткани пространства к следующему межзвездному пункту назначения. Фото Остина Нила/Unsplash.

Подобно путешествию по волнам в Ньюпорт-Бич, теория Алькубьерра предполагает путешествие по искривленной ткани пространства к следующему межзвездному пункту назначения. Фото Остина Нила предоставлено Unsplash.

Если это так, то команда Уайта, возможно, обнаружила первый в мире варп-двигатель. Тем не менее, если бы у ученых были все материалы, необходимые для так называемого привода Алькубьерра, энергии, излучаемой искривляющим пространство космическим кораблем, хватило бы, чтобы разорвать планеты на части.

Ранее на этой неделе Уайт сказал The Debrief , научно-техническому журналу: «Насколько мне известно, это первая статья в рецензируемой литературе, в которой предлагается реализуемая наноструктура, которая, по прогнозам, будет проявлять настоящий, хотя и скромный, варп-пузырь».

Уайт и его команда планируют провести дополнительные эксперименты по изучению возможностей меньших моделей, чтобы лучше понять возможности будущего варп-двигателя. Возможно, лаборатория Eagleworks сможет перенести нас из научной фантастики в реальность.

Читать далее: 26 морских котиков и других спецподразделений подали в суд на освобождение от вакцин

Варп-двигатель «Звездного пути» ведет к новой физике 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.

Изображение путешествия на варп-двигателе, сделанное художником НАСА 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 это делал USS ​​ Enterprise . 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 Звездный путь преданный. 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 от до пространства-времени), может 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, кажется, 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 сильной кривизны 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, могут ли варп-пузыри 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 ».