Всесвіт надто великий, щоби люди могли по ньому мандрувати. Промінь світла досягає найближчої зірки Проксима Центавра за понад чотири роки. Навіть з найкращими ракетними двигунами знадобляться десятки тисяч років, щоб дістатися туди. Завжди можна мріяти про заснування численних колоній у далекому космосі, але з сучасними технологіями навряд чи хто-небудь вирушить у таку подорож.
Панорама, яку спостерігає екіпаж космічного корабля USS «Ентерпрайз» під час запуску «варп-двигунів» у серіалі «Зоряний шлях».
Але, можливо, колись вдасться скоротити час у дорозі. Існує багато ідей, як це зробити, – від сонячних вітрил з лазерним прискоренням до ядерних силових установок. Проте навіть з ними ми однаково не дістанемося далеко за час людського життя. Всесвіт по-справжньому стане відкритим лише для тих, хто подорожуватиме зі швидкістю світла – або навіть швидше.
Саме тому фізики з багатою уявою вже давно розмірковують про гіпотетичний спосіб переміщення на таких швидкостях – так званий «варп-двигун», або «двигун викривлення». Космічний корабель з таким двигуном створював би довкола себе бульбашку із часу-простору і перелітав би від зірки до зірки, як військовий корабель США «Ентерпрайз» із культового науково-фантастичного серіалу «Зоряний шлях». Дослідження такого переміщення перебувають на периферії науки: вони не обов’язково хибні, але приправлені великою дозою оптимізму.
Той факт, що вчені сьогодні узагалі розглядають цю тему, завдячує собою статті мексиканського фізика-теоретика Міґеля Алькуб’єре, опублікованій у 1994 р. У ті часи Алькуб’єре не просто був прихильником «Зоряного шляху» – він ще й писав докторську дисертацію у Кардіффського коледжі Вельського університету, присвячену теорії відносності. Згідно з цією теорією, ніщо не може рухатися швидше, ніж світло. Але проявивши трохи винахідливості, Алькуб’єре виявив у ній цікаву прогалину:
Для фізиків теорія відносності Альберта Айнштайна складається з двох частин. «Спеціальна» теорія відносності, опублікована у 1905 році, має справу з рівномірним рухом об'єктів із швидкістю світла. Через десять років Айнштайн узагальнив ці ідеї для тіл, що рухаються з прискоренням. Згідно із «загальною» теорією відносності, три відомих нам просторових виміри (вгору-донизу, вліво-вправо, вперед-назад) невіддільні від часу. Кожна маса деформує цей простір-час.
Згідно із великою теорією Альберта Айнштайна, ми живемо у чотиривимірному просторі-часі. Цей простір-час не є статичним. Його, наче скатертину, деформують масивні предмети. Все, що рухається «скатертиною» (або в просторі-часі), може прискорюватися лише до межі, встановленої швидкістю світла. Проте сама ця «скатертина» може деформуватися з будь-якою швидкістю, що у певних ситуаціях можна спостерігати у Всесвіті.
Зокрема, в момент Великого вибуху оригінальна структура простору-часу розширилися набагато швидше, аніж швидкість світла. Сьогодні галактики з різних сторін видимого Всесвіту віддаляються одна від одної зі швидкістю, що теж перевищує швидкість світла. Це означає, що промінь світла, який покине одну галактику, ніколи не досягне іншої.
Алькуб’єре дійшов висновку, що звідси лишень один крок до двигуна викривлення. Якби простір-час міг стискатися перед космічним кораблем й розширюватися позаду нього, то цей корабель міг би рухатись зі швидкістю світла. При цьому він перебуватиме у релятивістській бульбашці викривлення («варп-бульбашці») й не відчуватиме масштабів міжзоряної мандрівки. У лекції 2017 р. Алькуб’єре порівняв це з переміщенням на пасажирському конвеєрі в аеропорту: «Уявіть, що підлога спереду вас виникає з нічого, а позаду вас знищується, і ви рухаєтесь уперед».
Але якщо сформулювати цю ідею на мові загальної теорії відносності, одразу ж виникають серйозні проблеми. По-перше, щоби настільки деформувати простір-час, потрібно втиснути величезну масу в бульбашку, обмежену стінкою, яка була б тоншою за атомне ядро. По-друге, щоб така бульбашка могла існувати, потрібні дві форми матерії. Гравітація, породжена звичайною матерією, змушувала простір попереду корабля стискатися, переміщаючи корабель уперед. Але при цьому також потрібно, щоби простір-час позаду корабля розширювався, що нагадує те, як під дією дріжджів піднімається тісто для хліба. За словами Алькуб’єре, для цього потрібна якась форма негативної енергії, що випромінює антигравітацію.
Для більшості фізиків розумовий експеримент на цьому й закінчується. Енергія, яка, згідно з відомою формулою E = mc2, еквівалентна вільній масі, може бути лишень позитивною. Але квантова теорія все-таки не заперечує проти від’ємних значень енергії. Така енергія, щоправда, може існувати лише на крихітних масштабах. Наприклад, у так званому «ефекті Казимира» її величина настільки незначна, що про будь-яке практичне застосування, здається, годі й думати.
Алькуб’єре, який сьогодні є професором фізики у Національному автономному університеті Мексики, погоджується з цим. Враховуючи ці застереження, «варп-двигуни» здаються недосяжними навіть на суто концептуальному рівні. Однак ця ідея продовжує непокоїти trekkies – фізиків, які є фанатами серіалу «Зоряний шлях», – що іноді публікують різні її варіації.
Так, деякі з цих робіт показали, як зменшити вимоги до варп-бульбашки, щоби маса, необхідна для її утворення, була меншою, ніж маса Сонця. Але нікому ще досі не вдавалося вирішити проблему негативної енергії.
Це вдалося лише Еріку Ленцу, фізику, який захистив дисертацію, присвячену загальній теорії відносності, в Університеті Вашингтона. Під час карантину Ленц опинився в Геттінгені у Німеччині. Маючи вдосталь вільного часу, він почав розмірковувати, як поєднати свої наукові зацікавлення із захопленням свого дитинства – серіалом «Зоряний шлях». У своїй вимушеній ізоляції Ленц придумав спосіб, як отримати «бульбашку викривлення», використовуючи суто позитивну енергію. Таким чином, йому, можливо, вдалося подолати найсерйозніше концептуальне заперечення проти варп-двигунів.
Це стало можливим завдяки одній особливості геометрії простору-часу, яку Ленц виявив у загальній теорії відносності, а точніше – у рівняннях поля Айнштайна. Ці рівняння дозволяють обчислити, як певний розподіл речовини та енергії деформує простір-час. Дослідники також можуть використовувати їх, як це робив Алькуб'єре, для розрахунку маси та енергії, необхідних для створення певної кривизни простору-часу.
Однак мати справу з динамічною чотиривимірною структурою, якою є простір-час, надзвичайно складно. Якщо записати формули Айнштайна повністю, то вийде нагромадження вкладених одне в одне диференціальних рівнянь з тисячами членів. Щоправда, залежно від припущень про конкретну фізичну ситуацію, дослідники можуть враховувати тільки деякі з цих умов. Для теоретиків це практично безмежне поля для гри.
Ленц вирішив спеціально дослідити припущення, з яких випливає необхідність негативної енергії у роботі Алькуб’єре. Як і його старший колега, він розпочав із аналізу простору-часу, моделюючи цю багатовимірну субстанцію як нагромадження дуже тонких шарів. Він виявив, що Алькуб’єре розглядав лише порівняно прості «лінійні» відносини між шарами. Якщо ж розглянути складніші «гіперболічні» відношення, що описують вплив одного шару на інший і найчастіше використовуються для зображення величин, що швидко змінюються, то з них випливає вже інша «варп-бульбашка», аніж та, до якої дійшов Алькуб’єре. Вона однаково потребує величезної кількості маси і енергії, проте, за розрахунками Ленца, тепер вже виключно позитивних. «Я був дуже здивований, що ніхто раніше не дійшов до цього», – стверджує фізик.
Бульбашка Ленца відрізняється від бульбашки, яку Алькуб’єре розробив у 1994 році. Вона складається з ромбовидних областей зміненого простору-часу, що нагадують зграю птахів. Отримання такої геометрії простору-часу в реальності потребувало б складного нашарування кілець і дисків, утворених не з твердого матеріалу, а з надзвичайно щільної рідини із заряджених частинок, що нагадують речовину, яка, за припущенням науковців, існує всередині нейтронних зірок.
Це означає, що «варп-двигун» все ще дуже і дуже далекий від прикладних технологій, але тепер, коли зникла необхідність в екзотичній негативній енергії, він вже перебуває в області звичайної фізики. За словами Алькуб’єре, стаття Ленца є «дуже важливою подією». Франсиско Лобо, дослідник з Лісабонського університету і колега Алькуб’єре, який опублікував підручник з «варп-двигунів», теж не знайшов у ній жодних очевидних помилок. На його думку, ця стаття «може відновити інтерес вчених до цієї проблеми і відкрити нові напрями досліджень в галузі фізики “двигунів викривлення”».
Ідея Ленца викликала інтерес навіть у дослідників за межами невеликого кола ентузіастів цієї теми, зокрема у Лавінії Гейзенберг, професорки космології Швейцарського федерального технологічного інституту у Цюріху. Гейзенберг та її студент Шон Фелл визнали статтю Ленца настільки цікавою, що створили на її основі власні «бульбашки викривлення» з позитивною енергією, для отримання яких потрібна усього лишень одна тисячна маси нашого Сонця.
«Усе це є значно менше загадковим, ніж думає собі більшість людей», – стверджує Аляксей Бобрик, астрофізик з Лундського університету у Швеції. Минулого року Бобрик отримав фінансування від підприємця з Нью-Йорка Джанні Мартіре і придумав кілька переспективних розв’язків рівнянь поля Айнштайна. За його словами, усе, що потрібно для «варп-бульбашки», – це оболонка відповідної форми з щільного матеріалу, яка викривлює простір-час безпосередньо біля себе, тоді як Всесвіт, крізь який рухається «бульбашка», і простір усередині неї залишаються відносно непорушеними.
Слово «відносно» тут є ключовим. Алькуб’єре і наступні ентузіасти «варп-двигунів» припускали різкий перехід між спотвореним простором-часом довкола стінок бульбашки і гладким внутрішнім і зовнішнім простором. Але Бобрик виявив, що таке «усічення» гравітаційного поля є причиною того, що для стабілізації бульбашки потрібна величезна кількість негативної енергії.
Однак якщо відійти від поширеного уявлення про мильну бульбашку, за його словами, гіпотетично можна створювати двигуни викривлення навіть на основі звичайної матерії. Гравітаційне поле само собою одразу не зникне, якщо віддалиться від стінки оболонки. Натомість воно зникатиме поступово. Отже, простір-час буде викривлений і всередині бульбашки. Для екіпажу космічного корабля це радше хороші новини, адже їхні годинники йтимуть повільніше, а повільніший хід часу дасть змогу подорожувати далі протягом людського життя.
Проте Бобрик вказує і на інші перешкоди. Зокрема, він стверджує, що поки немає відомого способу, як можна прискорити «бульбашку викривлення». Усі ідеї щодо цього ґрунтуються на апріорному факті, що кривизна простору-часу вже сама собою рухається з величезною швидкістю.
Промінь світла долає 299 000 кілометрів за секунду. Згідно із спеціальною теорією відносності, це – фізична константа. Швидкість світла (с) – це максимальна швидкість, якої може досягнути будь-яка частинка, причому лише тоді, коли у неї немає маси. Отже, сучасна фізика не пропонує можливості прискорення об'єктів вище цієї швидкості. Однак це обмеження стосується лише чотиривимірного простору-часу, що утворює Всесвіт. Поза ним можливі навіть більші швидкості.
«Жоден з фізично мислимих “двигунів викривлення” не може розігнатися до швидкості, що перевищує швидкість світла», – каже Бобрик. Адже для цього потрібно викидати матерію зі швидкістю, що перевищу константу c, проте жодні з відомих частинок не можуть рухатися з такою швидкістю. Крім того, екіпаж самого космічного корабля не зможе керувати ним, адже через надзвичайно сильну кривизну простору довкола себе він би втратив контакт із зовнішнім світом.
Ленц погоджується з усіма цими обмеженнями, проте вважає, що існують рішення, як їх обійти. Натомість Бобрик зазначає, що до далеких зірок також можна подорожувати зі швидкістю, що дорівнює третині або половині швидкості світла, особливо якщо час для людей у «варп-бульбашці» йтиме повільніше. Екіпажу варто лише змиритися з думкою, що усі їхні родичі, яких вони залишать на Землі, помруть від старості до їхнього повернення. «Але ідея такого двигуна більше не є повністю божевільною», – каже науковець.
Серед теоретиків досі тривають суперечки про те, чи справді «варп-бульбашки» можуть утворюватися без негативної енергії. Нещодавно троє фізиків припустили, що це твердження правильне лише для спостерігачів, що рухаються поруч із бульбашкою. Крім того, не усе, що дозволяє теорія відносності, насправді може існувати. Наприклад, за допомогою рівнянь поля Айнштайна можна обґрунтувати існування так званих «білих» дір (протилежність до чорних дір), мостів Айнштайна-Розена (по-іншому названих «кротовинами») та інших екзотичних об’єктів, яких ще ніхто не бачив, хоча й теорія їх прямо не забороняє. Причиною може бути те, що є ще якісь невідомі нам закони природи, які виключають існування таких феноменів.
Тому деякі дослідники застерігають від надмірних фантазій. Експерт з космічних двигунів Мартін Таймар з Технічного університету Дрездена, наприклад, не вважає, що теоретичні дослідження «варп-двигунів» коли-небудь матимуть якесь практичне застосування. На його думку, величезна маса, необхідна для того, щоб протестувати такий двигун на Землі, далеко перевершує можливості людства.
Більшість дослідників «варп-драйву» погоджуються з цим і розглядають свої дослідження не як підготовку до реальних експериментів, а як аналіз меж теорії відносності. За словами Лобо, для цього корисні навіть чисто абстрактні «розумові експерименти».
Ленц, навпаки, працює над практичним застосуванням своєї ідеї. Після досліджень у Геттінгені він влаштувався на роботу в ІТ-компанію. Але у вільний від роботи час він все ще думає над тим, як прискорити бульбашку у просторі-часі до швидкості, що перевершує швидкість світла, за найменших енергетичних затрат.
Він також виступає за активніші дослідження нейтронних зірок. Можливо, ці надщільні об’єкти створюють бульбашки, схожі на ті, які він описав у своїй роботі. «Доки ви не дозволяєте своїм особистим упередженням заважати дослідженням і приймаєте лише те, про що свідчать дані, ця область така ж гідна, аби нею займалися, як і будь-яка інша галузь фізики», – вважає він.
Жан-Люк Пікар, командир корабля USS «Ентерпрайз» із «Зоряного шляху», мабуть, подумав би так само. «Речі неможливі лише доти, доки вони перестають такими бути», – зазначив один із персонажів епізоду «Зоряний шлях: наступне покоління». Якщо подивитись на сучасні технології з 300-річної перспективи, з цією думкою цілком можна погодитись.
Robert Gast
Star Trek’s Warp Drive Leads to New Physics
Scientific American, 03/07/2021
Зреферував Є. Л.
16.07.2021