Пузырь Алькубьерре . Будущее человечества [Колонизация Марса, путешествия к звездам и обретение бессмертия]

Помимо кротовых нор, еще одним способом преодолеть световой барьер могут стать пузырь Алькубьерре и соответствующий двигатель. Мне довелось однажды брать интервью у мексиканского физика-теоретика Мигеля Алькубьерре[46]. Революционная идея в области релятивистской физики осенила его перед телевизором — не исключено, что он тогда впервые в жизни сел смотреть телевизор. В одной из серий «Звездного пути» его заинтересовал способ, при помощи которого звездолет «Энтерпрайз» мог лететь быстрее света. Он каким-то образом сжимал пространство перед собой, так что звезды казались не такими далекими. Собственно, «Энтерпрайз» не летел к звездам — звезды сами приближались к нему.

Представьте, что вы движетесь по ковру, а ваша цель — добраться до стола. Здравый смысл подсказывает простейший способ это сделать — пройти по ковру от одной точки до другой. Но есть и другой способ. Можно зацепить стол веревкой и тянуть его к себе, заставляя ковер собираться в складки. Не вы идете по ковру к столу, а ковер идет складками, и при этом стол подъезжает к вам.

Мигелю Алькубьерре пришла в голову интересная идея реализации подобного принципа. Обычно теоретики выбирают звезду или планету, а затем при помощи уравнений Эйнштейна рассчитывают искривление пространства вокруг нее. Но можно поступить и наоборот. Можно задать конкретную степень искривления и с помощью тех же уравнений определить, какая именно звезда или планета вызовет такое искривление. В качестве грубой аналогии можно посмотреть, как автомеханик собирает машину. Можно начать с тех частей, которые имеются под рукой, — это может быть двигатель, колеса, все что угодно — и собирать машину «вокруг них». А можно заранее выбрать необходимую вам конструкцию, а потом определить, какие для ее сборки потребуются части.

Алькубьерре перевернул Эйнштейнову математику с ног на голову и обратил вспять обычную логику физиков-теоретиков. Он попытался разобраться, звезда какого типа могла бы сжимать пространство перед собой и расширять его позади. К полному изумлению ученого, ответ оказался простым. Оказалось, что машина по искривлению пространства, показанная в «Звездном пути», представляет собой допустимое решение уравнений Эйнштейна! Может быть, варп-двигатель в конечном итоге не так уж невероятен.

Звездолет, оборудованный двигателем Алькубьерре, должен быть окружен пузырем искривленного пространства — пустотелым пузырем из вещества и энергии. Пространство-время внутри пузыря и вне его будут полностью изолированы друг от друга. При разгоне звездолета люди внутри ничего не почувствуют. Возможно, они вообще не заметят, что их корабль движется, хотя на самом деле он будет лететь быстрее света.

Полученный Алькубьерре результат потряс физическое сообщество — настолько он был нов и радикален. Однако после публикации статьи критики начали указывать на слабые места его теории. Несмотря на элегантность предложенной концепции сверхсветовых путешествий, она предусматривала не все возможные сложности. Если область внутри звездолета отделена от внешнего мира пузырем, тогда она не сможет обмениваться с внешним миром информацией, а значит, пилот космического корабля не сможет контролировать направление полета. Управлять будет невозможно. К тому же остается практический вопрос о создании варп-пузыря. Чтобы сжимать пространство перед собой, он должен будет иметь на борту запас топлива определенного типа — той самой минус-материи или минус-энергии.

Итак, мы вернулись к тому, с чего начали. Минус-вещество или минус-энергия — вот недостающее звено, необходимое для поддержания нашего варп-пузыря, а также наших кротовых нор, в стабильном состоянии. Стивен Хокинг доказал общую теорему, согласно которой все решения Эйнштейновых уравнений, допускающие движение со сверхсветовой скоростью, должны содержать в себе минус-материю или минус-энергию. (Иными словами, положительные материя и энергия, которые мы наблюдаем в звездах, способны искривлять пространство-время так, что с их помощью можно идеально описывать движение небесных тел. Но отрицательные материя и энергия искривляют пространство-время причудливым образом и порождают антигравитационную силу, способную стабилизировать кротовые норы, не давая им схлопываться, и разгонять варп-пузыри до сверхсветовых скоростей, сжимая перед ними пространство-время.)

Физики попытались рассчитать количество минус-материи или минус-энергии, необходимые для движения звездолета. Последние результаты показывают, что это количество эквивалентно массе Юпитера. Это означает, что лишь очень высокоразвитой цивилизации под силу использовать минус-материю или минус-энергию в качестве топлива для своих звездолетов, если это вообще возможно. (Однако не исключено, что количество минус-материи или энергии, необходимой для сверхсветового движения, уменьшится, поскольку расчеты сильно зависят от геометрии и размеров варп-пузыря или кротовой норы.)

В «Звездном пути», чтобы обойти это неудобное препятствие, постулировано существование редкого минерала под названием дилитий, кристаллы которого являются необходимым компонентом варп-двигателя. Сегодня мы знаем, что под названием «кристаллы дилития» может скрываться «минус-материя или энергия».

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.

Что такое «деформационный» двигатель Alcubierre?

Мэтт Уильямс, Universe Today

Визуализация варп-поля по Alcubierre Drive. 1 кредит

Всегда приятно узнать, что идеи, распространенные в научной фантастике, основаны на научных фактах. Криогенные морозильники, лазерные пушки, роботы, силикатные имплантаты… и давайте не будем забывать о варп-двигателе! Хотите верьте, хотите нет, но эта концепция — попеременно известная как сверхсветовое путешествие (Faster-Than-Light), гиперпространство, скорость света и т. д. — на самом деле одной ногой находится в мире реальной науки.

В физике это то, что известно как варп-двигатель Алькубьерре. На бумаге это очень спекулятивное, но, возможно, правильное решение уравнений поля Эйнштейна, в частности, как взаимодействуют пространство, время и энергия. В этой конкретной математической модели пространства-времени есть особенности, которые, по-видимому, напоминают вымышленный «варп-двигатель» или «гиперпространство» из известных научно-фантастических франшиз, отсюда и ассоциация.

Предыстория:

С тех пор как Эйнштейн впервые предложил Специальную теорию относительности в 1905 ученые работали в условиях ограничений, налагаемых релятивистской Вселенной. Одним из таких ограничений является вера в то, что скорость света непреодолима и, следовательно, никогда не будет сверхсветовых космических путешествий или исследований.

Несмотря на то, что последующим поколениям ученых и инженеров удалось преодолеть звуковой барьер и победить притяжение Земли, скорость света оказалась одним из барьеров, которым суждено было устоять. Но потом, в 19В 94 году мексиканский физик по имени Мигель Алькубьерре предложил метод растяжения ткани пространства-времени таким образом, который теоретически позволил бы путешествовать на сверхсветовых скоростях.

Предоставлено: Universe Today

Концепция:

Проще говоря, этот метод космического путешествия включает растяжение ткани пространства-времени в виде волны, которая (теоретически) заставит пространство перед объектом сжаться, в то время как пространство за ним будет расширяться. Объект внутри этой волны (т. е. космический корабль) затем сможет перемещаться по этой области, известной как «варп-пузырь» плоского пространства.

Это то, что известно как «Метрика Алькубьерре». Интерпретируемая в контексте общей теории относительности, эта метрика позволяет варп-пузырю появляться в ранее плоской области пространства-времени и удаляться со скоростью, превышающей скорость света. Внутренняя часть пузыря является инерциальной системой отсчета для любого объекта, населяющего его.

Поскольку корабль не движется внутри этого пузыря, а увлекается движением самой области, обычные релятивистские эффекты, такие как замедление времени, неприменимы. Следовательно, правила пространства-времени и законы относительности не будут нарушаться в общепринятом смысле.

Художественный концепт космического корабля, использующего варп-двигатель Alcubierre. Кредит: НАСА

Одна из причин этого заключается в том, что этот метод не будет полагаться на движение быстрее света в локальном смысле, поскольку световой луч внутри этого пузыря все равно всегда будет двигаться быстрее, чем корабль. Это только «быстрее света» в том смысле, что корабль может добраться до места назначения быстрее, чем луч света, путешествующий за пределами варп-пузыря.

Трудности:

Однако с этой теорией мало проблем. Во-первых, не существует известных методов создания такого варп-пузыря в той области пространства, в которой он уже не содержится. Во-вторых, если предположить, что существует способ создать такой пузырь, пока не существует известного способа покинуть его. В результате диск Алькубьерре (или метрика) остается в настоящее время в категории теории.

Математически это можно представить следующим уравнением: ds2= – (a2 – BiBi) dt2 + 2Bi dxi dt + gijdxi dxj, где a – функция промежутка, задающая интервал собственного времени между соседними гиперповерхностями, Bi – вектор сдвига, связывающий системы пространственных координат на разных гиперповерхностях, причем gij является положительно определенной метрикой на каждой из гиперповерхностей.

Попытки разработки:

Предоставлено: Universe Today

В 1996 году НАСА основало исследовательский проект, известный как «Прорыв в физике движения» (BPP), для изучения различных предложений и технологий космических аппаратов. В 2002 году финансирование проекта было прекращено, что побудило основателя — Марка Дж. Миллиса — и нескольких участников создать фонд Tau Zero Foundation. Эта организация, названная в честь знаменитого одноименного романа Пола Андерсона, занимается исследованием межзвездных путешествий.

В 2012 году Лаборатория перспективной двигательной физики НАСА (также известная как Eagleworks) объявила, что они начали проводить эксперименты, чтобы выяснить, действительно ли возможен «варп-двигатель». Это включало разработку интерферометра для обнаружения пространственных искажений, вызванных расширением и сжатием пространства-времени метрики Алькубьерре.

Руководитель группы — доктор Гарольд Сонни Уайт — описал свою работу в статье НАСА под названием «Механика варп-поля 101».0003

Предоставлено: Universe Today

«Мы запустили испытательный стенд интерферометра в этой лаборатории, где мы собираемся пройти и попытаться создать микроскопический пример маленького варп-пузыря. И хотя это всего лишь микроскопический пример явления , мы возмущаем пространство-время, одна часть на 10 миллионов, очень маленькое количество… Математика позволит вам добраться до Альфы Центавра за две недели по земным часам. Так что чьи-то часы на борту космического корабля имеют такую ​​же скорость времени, как мог бы быть у кого-нибудь из центра управления полетами здесь, в Хьюстоне. Здесь нет ни приливных сил, ни чрезмерных проблем, и правильное ускорение равно нулю. Когда вы включаете поле, никто не ударяется о переборку, (которая) будет очень короткой и печальной поездкой».

В 2013 году доктор Уайт и сотрудники Eagleworks опубликовали результаты своих 19,6-секундных испытаний поля деформации в условиях вакуума. Эти результаты, которые были сочтены неубедительными, были представлены на конгрессе Icarus Interstellar Starship в 2013 году, проходившем в Далласе, штат Техас.

Когда речь заходит о будущем освоения космоса, неизбежны очень сложные вопросы. И вопросы вроде «сколько времени нам понадобится, чтобы добраться до ближайшей звезды?» кажутся довольно тревожными, если мы не делаем поправок на какую-то гиперскорость или метод перемещения со скоростью, превышающей скорость света. Как мы можем ожидать, что станем межзвездным видом, когда все доступные методы либо займут столетия (или больше), либо вместо этого будут включать отправку нанолетательных аппаратов?

В настоящее время такое кажется невозможным. А попытки доказать обратное остаются безуспешными или безрезультатными. Но, как учит история, то, что считается невозможным, со временем меняется. Когда-нибудь, кто знает, чего мы сможем достичь? Но до тех пор нам просто нужно набраться терпения и дождаться будущих исследований.

---

Узнать больше

Не останавливай меня сейчас! Сверхсветовое путешествие во вселенной Эйнштейна

---

Источник:
Universe Today

Цитата :
Что такое «деформационный» двигатель Alcubierre? (2017, 20 января)
получено 28 октября 2022 г.
с https://phys.org/news/2017-01-alcubierre-warp.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие
часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

Новые исследования варп-двигателей несутся быстрее, чем мечта о путешествиях на свету, но открывают более странные возможности

В 1994 году физик Мигель Алькубьерре предложил радикальную технологию, которая позволила бы путешествовать быстрее скорости света: варп-двигатель, гипотетический способ обойти предельные возможности Вселенной. ограничение скорости, искривляя ткань реальности.

Это была интригующая идея — даже НАСА исследовало ее в лаборатории Eagleworks — но предложение Алькубьерре содержало проблемы, которые казались непреодолимыми. Недавняя статья американских физиков Алексея Бобрика и Джанни Мартире решила многие из этих проблем и вызвала много шума.

Но хотя Бобрику и Мартиру удалось существенно демистифицировать технологию деформации, их работа на самом деле предполагает, что путешествия со скоростью, превышающей скорость света, останутся недоступными для таких существ, как мы, по крайней мере, в настоящее время.

Однако есть и плюс: технология варпа может иметь радикальное применение помимо космических путешествий.

Через вселенную?

История варп-двигателей начинается с главного достижения Эйнштейна: общей теории относительности. Уравнения общей теории относительности отражают то, как пространство-время — сама ткань реальности — изгибается в ответ на присутствие материи и энергии, что, в свою очередь, объясняет движение материи и энергии.

Общая теория относительности накладывает два ограничения на межзвездные путешествия. Во-первых, ничто не может быть ускорено выше скорости света (около 300 000 км в секунду). Даже путешествуя с такой головокружительной скоростью, нам понадобилось бы четыре года, чтобы добраться до Проксимы Центавра, ближайшей к нашему Солнцу звезды.

Во-вторых, часы на космическом корабле, движущемся со скоростью, близкой к скорости света, будут замедляться по сравнению с часами на Земле (это называется замедлением времени). Предполагая постоянное состояние ускорения, это позволяет путешествовать по звездам. В течение жизни можно добраться до далекой звезды, которая находится на расстоянии 150 световых лет. Загвоздка, однако, в том, что по возвращении на Земле пройдет более 300 лет.

Новая надежда

Здесь в дело вступил Алькубьер. Он утверждал, что математика общей теории относительности допускает «варп-пузыри» — области, в которых материя и энергия расположены таким образом, что пространство-время искривляется перед пузырем и расширить его назад таким образом, чтобы «плоская» область внутри пузыря двигалась быстрее света.

---

Читать далее:
Не останавливай меня сейчас! Сверхсветовое путешествие во вселенной Эйнштейна

---

Чтобы понять, что означает слово «плоский» в данном контексте, обратите внимание, что пространство-время похоже на резиновый коврик. Коврик изгибается в присутствии материи и энергии (подумайте о том, чтобы положить на коврик шар для боулинга). Гравитация — это не что иное, как склонность объектов скатываться в углубления, созданные такими вещами, как звезды и планеты. Плоская область подобна части мата, на которой ничего нет.

Такой привод также позволит избежать неприятных последствий замедления времени. Потенциально можно совершить кругосветное путешествие в глубокий космос и при этом быть встреченным родными и близкими дома.

Странность пространства-времени

Как работает устройство Алькубьерре? Здесь обсуждение часто опирается на аналогии, потому что математика очень сложна.

Представьте ковер с чашкой на нем. Вы на ковре и хотите добраться до кубка. Вы можете двигаться по ковру или тянуть ковер на себя. Варп-двигатель похож на дергание пространства-времени, чтобы приблизить пункт назначения.

Но у аналогий есть свои пределы: варп-двигатель на самом деле не тянет пункт назначения к вам. Он сжимает пространство-время, чтобы сделать ваш путь короче. Когда вы включаете привод, между вами и чашкой остается меньше коврика.

Предложение Алькубьерре, хотя и строгое с математической точки зрения, трудно понять на интуитивном уровне. Работа Бобрика и Мартире призвана все изменить.

Ошибки звездолета

Бобрик и Мартир показывают, что любой варп-двигатель должен быть оболочкой из материала, находящейся в постоянном движении, охватывающей плоскую область пространства-времени. Энергия оболочки модифицирует свойства пространственно-временной области внутри нее.

Это может показаться не большим открытием, но до сих пор было неясно, что такое варп-двигатели с физической точки зрения. Их работа говорит нам, что варп-двигатель, как ни странно, похож на автомобиль. Автомобиль также представляет собой энергетическую оболочку (в форме материи), которая окружает плоскую область пространства-времени. Разница в том, что попадание в машину не заставляет вас стареть быстрее. Это, однако, то, что может сделать варп-двигатель.

Используя свое простое описание, Бобрик и Мартир демонстрируют метод использования уравнений общей теории относительности Эйнштейна для нахождения пространства-времени, позволяющего организовать материю и энергию так, чтобы они действовали как варп-пузыри. Это дает нам математический ключ для поиска и классификации варп-технологий.

Их работа позволяет решить одну из основных проблем варп-двигателей. Чтобы сбалансировать уравнения, устройство Алькубьерре работает на «отрицательной энергии», но нам еще предстоит обнаружить какие-либо жизнеспособные источники отрицательной энергии в реальном мире.

Двумерная визуализация привода Алькубьерре. Расширение и сжатие областей пространства-времени на противоположных сторонах центральной плоской области заставляют ее двигаться.
Прикладная физика

Хуже того, отрицательные энергетические потребности устройства Алькубьерре огромны. По некоторым оценкам, потребуется вся энергия известной Вселенной (хотя более поздние работы немного уменьшают это число).

Бобрик и Мартир показывают, что варп-двигатель может быть создан из положительной энергии (то есть «нормальной» энергии) или из смеси отрицательной и положительной энергии. Тем не менее, потребности в энергии все равно будут огромными.

Если Бобрик и Мартир правы, то варп-двигатель движется точно так же, как и любой другой объект. В конце концов, на него будет распространяться универсальное ограничение скорости, установленное общей теорией относительности, и для его ускорения потребуется какая-то обычная двигательная установка.

Новости ухудшаются. Многие виды варп-двигателей могут изменять пространство-время только определенным образом: замедляя часы пассажира именно так, как это делает путешествие в глубокий космос проблемой.

Бобрик и Мартир показывают, что некоторые варп-двигатели могут двигаться быстрее скорости света, но только если они созданы уже с такой скоростью, что не поможет любому обычному человеку, надеющемуся на межзвездный туризм.

Завершение игры

Помните, что варп-двигатель может изменить область плоского пространства-времени, которую он окружает. В частности, он может ускорять или замедлять часы внутри накопителя.

Подумайте, что означает наличие такого объекта.