В 2370 было обнаружено, что использование высоких варп-скоростей наносит существенный вред пространству и командование флота ввело ограничение на максимальную скорость в 5 варп-факторов. Однако уже через восемь месяцев было найдено решение проблемы и звездолёты с модернизированными двигателями вновь смогли использовать высокие скорости.
Варп-двигатель — космический Тянитолкай
Виктор Березин Вячеслав Докучаев
Специальная теория относительности (СТО) — прекрасный хрустальный дворец для физиков, но она лежит камнем преткновения, досадным препятствием на пути у писателей-фантастов. Согласно СТО нельзя двигаться быстрее света, поэтому стремительные межзвездные путешествия становятся невозможны. Правда, для самих путешественников время сокращается, и еще (по мысли фантастов) их можно погрузить в длительный сон. Но остающиеся на Земле соратники получат радиосообщение от другой звезды в лучшем случае спустя несколько лет после старта корабля. Что уж говорить о путешествиях на тысячи световых лет или к другим галактикам… Это ограничение одновременно подстегивало фантазию, и в своих книгах фантасты все препятствия без труда преодолевали. Они придумали нырки через подпространства, нуль-транспортировки и многое другое. В целом была надежда, что в будущем наука нечто подобное откроет, а техника — реализует.
Юрий Ерошенко
А что могут сказать об этом физики-теоретики с позиций сегодняшнего дня, основываясь только на более-менее установленных фактах и концепциях? Одним из предложенных способов обойти (но не нарушить!) ограничение по скорости света стали кротовые норы — решения общей теории относительности в виде трубок или тоннелей. Для поддержания кротовой норы требуется вещество со специальными свойствами — обычно это «экзотическое вещество», нарушающее так называемые энергетические условия. Оно обладает отрицательной плотностью массы и/или большим по величине отрицательным давлением. Однако даже если научиться производить такое вещество в больших объемах, непонятно, как можно организовать пространственно-временной тоннель, который имел бы выход в заданной точке в далекой области Вселенной. Вероятно, само строительство тоннеля займет много времени, так что сразу быстро перелетать из одного места в другое, скорее всего, не получится.
Но относительно недавно, в 1994 году, Мигель Алькубьерре (Miguel Alcubierre Moya) предложил новый способ перелетов, который (пока лишь в теории) позволяет свободно перемещаться в любых направлениях без предварительного строительства тоннеля. Мигель так наглядно объясняет свою идею: позади космического корабля пространство раздувается, а спереди, наоборот, сжимается. За счет этого корабль может перемещаться вперед со сколь угодно большой скоростью относительно внешних наблюдателей. Речь идет о варп-двигателе, называемом в англоязычной литературе Warp Drive, а мы его можем назвать «космическим Тянитолкаем». Тянитолкай — сказочное животное с двумя головами, спереди и сзади, одна половина которого тянет всё туловище вперед, а другая его толкает.
Доктор Айболит с Тянитолкаем. Иллюстрация В. Конашевича к сказке К. Чуковского «Доктор Айболит»
Интересно, что идея движения, основанного на сжатии пространства, эксплуатировалась фантастами уже давно. Например, принцип работы варп-двигателя представлен в одной из серий фантастического фильма «Стартрек» (Star Trek). Сжатие и расширение пространства означает выход за пределы СТО, и Мигель Алькубьерре действительно смог записать метрику, создаваемую варп-двигателем, в рамках общей теории относительности (ОТО). Тем самым варп-двигатель из разряда гипотез писателей-фантастов перешел в разряд научно обсуждаемых вещей. И теперь, когда мысль сформулирована на математическом языке, ее уже можно детально обсуждать с научной точки зрения. Далее мы кратко остановимся на нескольких ключевых моментах идеи варп-двигателя.
В эпизоде Заражение из серии Звездный путь: Следующее поколение, то Предприятие-D обнаружил бывший родной мир Икониане. Эти люди могли мгновенно телепортировать людей на большие расстояния с помощью Iconian Gateways. Чтобы шлюз не попал в чужие руки, Капитан пикард уничтожил его.
Варп-привод. Внутри пузыря
Пузырь Алькубьерре – это идея, предложенная мексиканским физиком-теоретиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году. Он предположил, что возможно есть все-таки способ достижения скорости, превышающей скорость света (а иначе откуда все эти НЛО берутся). Ученый использовал в своей теории один из постулатов общей теории относительности Эйнштейна, который гласит, что масса искривляет ткань пространства-времени.
Изначально интерес Алькубьерре заключался в том, чтобы понять, – возможны ли на самом деле путешествия в пространстве, описанные в фантастической Вселенной «Звездный путь»? Для перемещения между мирами звездолеты там используют вымышленный «варп-двигатель». Принцип его работы таков – корабль перемещается в космосе с произвольной скоростью в некоем пузыре. Он двигается вперед за счет расширения пространства за ним, и сжатия пространства перед ним. Это способ позволяет путешествовать быстрее скорости света не нарушая никаких физических законов. По отношению к пространству-времени корабль, находящийся в варп-пузыре, находится в состоянии покоя. Кроме того, будучи локально неподвижным, космический корабль и его экипаж будут защищены от любых последствий катастрофически высоких ускорений. Это избавляет от необходимости разработки и использования так называемых «инерционных компенсаторов». К тому же, при таком способе путешествий не будет возникать никаких релятивистских эффектов. Таких, например, как замедление времени. Поскольку время внутри пузыря будет течь с такой же скоростью, что и снаружи.
Экзотическая материя
Все это здорово, скажете Вы. И спросите: а можно ли построить такой двигатель в реальности? Теоретически можно. Как указывал Алькубьерре, для этого потребуется использование вещества с отрицательной плотностью энергии. Осталось лишь где-то его раздобыть. Это гипотетическое вещество известно как экзотическая материя. И оно является весьма своеобразным материалом. Например, как считают физики, оно необходимо для поддержания в стабильном состоянии червоточин. А они, кстати, являются еще одним предлагаемым средством для преодоления светового барьера. Интересно, но квантовая механика допускает существование областей с отрицательной плотностью энергии. Они могут возникнуть при особых обстоятельствах. Таких, как например эффект Казимира.
Детальный анализ концепции варп-двигателя, предложенной Алькубьерре, впоследствии производился Крисом Ван Деном Броком из Католического университета в Левене, Бельгия. И, возможно, эта работа немного приблизила к реальности возможность создания звездолета, похожего на Enterprise. Расчеты Ван Дена Брока показывают, что количество энергии, необходимой для работы варп-двигателя намного меньше, чем указано в статье Алькубьерре.
Однако это вовсе не значит, что мы находимся на грани создания подобного устройства. Как заключил Ван Ден Брок:
«До создания первого варп-двигателя еще очень и очень далеко. Но быть может, возможность создания такой технологии стала чуть ближе».
Варп-двигатель, или какая-то другая технология, обязательно будут изобретены. Потому что мы рождены, чтобы покорить эту Вселенную…
Было также установлено, что варп-драйв существовал у многих других цивилизаций до людей; Первый контакт соавтор Рональд Д. Мур предположил, что стремление Кокрейна в некотором роде превосходило формы, существовавшие до этого, и постепенно было принято всей галактикой. 16
Что предложил Мигель Алькубьерре?
Как мы уже сказали, кротовую нору нужно предварительно построить и лишь затем по ней путешествовать. Это не очень удобно. А нельзя ли создать нечто подобное динамической кротовой норе, которую космический корабль будет непрерывно достраивать спереди от себя и закрывать сзади, при этом перемещаясь вперед по имеющемуся кусочку тоннеля?
Примерно так должен действовать двигатель Мигеля Алькубьерре, который был описан строго математически в рамках ОТО в статье, опубликованной в одном из лучших научных журналов «Classical and Quantum Gravity» 1 . Только кусочек тоннеля в этом случае более правильно называют «пузырем Алькубьерре», так как он не имеет топологии трубки.
Двумерное сечение пузыря Алькубьерре. По вертикальной оси показана величина сжатия и расширения пространства. «Википедия»
Если говорить на математическом языке, автор статьи использовал 3+1 формализм и задал буст в одном из пространственных направлений с помощью вектора сдвига. Этот вектор является произведением скорости перемещения и функции, определяющей форму пузыря, в котором находятся путешественники. Алькубьерре записал один из возможных видов этой функции (в форме шляпы), но возможны и другие варианты. Скорость перемещения может превосходить скорость света и формально быть любой, однако при этом потребуются разные энергетические затраты. Еще одна важная особенность решения М. Алькубьерре заключается в том, что собственное время пилотов звездолета внутри пузыря равно внешнему координатному времени, т. е. в данном случае отсутствует известное из СТО сокращение времени — весь полет и процессы внутри звездолета происходят «в реальном времени» земных наблюдателей.
Автор написал (т. е. фактически «нарисовал», не решая уравнения Эйнштейна) метрику пространства-времени, необходимую для движения «звездолета», и затем подставил эту придуманную метрику в уравнения Эйнштейна (в левую их часть, ответственную за геометрию) и вычислил правую часть — тензор энергии-импульса необходимой для этого материи. Назвать это решением очень проблематично. Такой метод «решения» физики-гравитационисты называют «обратной инженерией»: сначала задается метрика, а затем из уравнений Эйнштейна находится соответствующий ей тензор энергии-импульса.
Оказалось, что для поддержания «пузыря Алькубьерре» требуется совершенно особое вещество с отрицательной плотностью. В решении Алькубьерре нарушается слабое энергетическое условие и условие энергодоминантности. Эти условия означают, что плотность энергии, измеряемая любым наблюдателем, должна быть положительной и что абсолютная величина давления меньше по величине, чем плотность, — естественные требования для «обычной» материи. Нарушение этих условий ведет к необходимости экзотической материи для реализации варп-двигателя. Позже были предложены другие варианты варп-двигателя без экзотической материи.
Решение Мигеля Алькубьерре имеет горизонт событий на границе пузыря. Это означает, что свет изнутри пузыря не сможет достигнуть его внешней границы и поэтому у пилота звездолета не будет способов перераспределять экзотическую материю по поверхности пузыря и тем самым управлять движением пузыря. Не исключено, что эту проблему как-то можно преодолеть; например, можно заранее наметить траекторию движения пузыря, чтобы не было необходимости в корректировке курса.
Почему варп-двигатель не противоречит теории относительности
Мы видим, что кротовые норы и варп-двигатель способны обойти ограничение, связанное с предельным характером скорости света. Не нарушить, а именно обойти. Если фотон летит в вакууме, то никакой материальный объект, двигаясь по той же траектории, не сможет этот фотон обогнать. Но в стороне от траектории фотона можно так искривить пространство-время, что в заданную точку можно будет прилететь раньше фотона через кротовую нору или с помощью варп-двигателя. Мы не обгоним фотон, а просто придем в ту же точку по более короткому пути в искривленном пространстве-времени. Похоже на то, как было с кротовой норой, но только здесь реализована другая идея обхода.
Простой пример. Вам нужно перейти через высокий горный перевал на другую сторону. Вы можете сначала подняться на вершину, а потом спуститься вниз. Но если есть более короткий тоннель сквозь гору, то по нему вы можете дойти до пункта назначения гораздо быстрее. Скорость света является предельной только локально, однако наличие разных путей в пространстве-времени дает возможность попасть в нужную точку раньше света, если свет движется по более длинному пути. В плоском пространстве-времени (как говорят, в пространстве Минковского) для света существует лишь один путь. Но наше пространство не плоское, поэтому ОТО дает принципиальную возможность построения разных путей в виде кротовых нор, варп-двигателей и, возможно, чего-то еще, более удивительного и ошеломляющего.
Когда говорят, что варп-двигатель позволяет двигаться быстрее света, то имеют в виду, что вне траектории его движения пространство может быть плоским, как в СТО. Поэтому с точки зрения внешних наблюдателей нечто движется быстрее света, который мог бы двигаться вдоль той же линии в этом плоском пространстве. Как мы уже объяснили выше, в ОТО такая ситуация вполне возможна, если имеется экзотическая материя.
Было также установлено, что варп-драйв существовал у многих других цивилизаций до людей; Первый контакт соавтор Рональд Д. Мур предположил, что стремление Кокрейна в некотором роде превосходило формы, существовавшие до этого, и постепенно было принято всей галактикой. 16
Содержание
В 1994 году физик Мигель Алькубьерре сформулировал теоретическое решение, названное Алькубьерре драйв, для перемещения со скоростью, превышающей скорость света, которая моделирует концепцию привода деформации. 5 6 Расчеты показали, что такая модель потребует недопустимых количеств отрицательная энергия или масса. 7
В 2012 году исследователь НАСА Гарольд Г. Уайт выдвинул гипотезу о том, что, изменяя форму варп-двигателя, гораздо меньше отрицательная масса и энергия может быть использована, хотя требуемая энергия колеблется от массы Вояджер 1 к массе наблюдаемой Вселенной, или на много порядков больше, чем все, что в настоящее время возможно с помощью современных технологий. НАСА инженеры начали предварительные исследования такой технологии. 8
В 2018 году США Агентство военной разведки обнародовала отчет за 2010 год, в котором рассматривались несколько различных подходов к путешествию со скоростью, превышающей скорость света. Калтех профессор Шон Кэрролл, который просмотрел отчет, объяснил, что, хотя теории были законными, они не представляли «что-то, что будет связано с инженерией в ближайшее время, возможно, когда-либо». 9
Звездный путь
Исходная шкала деформации (Оригинальная серия, Анимационный сериал, Предприятие, и Открытие)
Варп-двигатель — одна из основных характеристик Звездный путь франшиза; в первом пилотном эпизоде Звездный путь: Оригинальный сериал, «Клетка», это упоминается как» гипердвигатель «, где капитан Пайк указывает скорость достижения планеты Талос. IV как «деформация времени, фактор 7». Приступая к объяснению времени путешествия выжившим в иллюзии (до того, как его прервал вид Вины), член команды Хосе заявил, что «временной барьер сломан», что позволило группе межзвездных путешественников вернуться на Землю гораздо раньше, чем в противном случае. возможное. Позже в пилоте, когда Спок сталкивается с единственным действием — побегом, он объявляет экипажу, что у них нет другого выбора, кроме как уйти, заявив: «Наш фактор искажения времени. . «до того, как системы корабля начнут выходить из строя. Во втором пилоте для Оригинальная серия, «Куда не уходил ни один мужчина», время был исключен из настройки скорости, когда Кирк упорядочил скорости в простом «первом факторе искривления вперед», который с тех пор стал так хорошо знаком.
Скорость привода основы в Звездный путь обычно выражается в единицах «коэффициента деформации», который, согласно Star Trek Star Fleet Техническое руководство— соответствует величине поля варпа. Достижение коэффициента перекоса 1 равна преодолению светового барьера, а фактическая скорость, соответствующая более высоким факторам, определяется по неоднозначной формуле. Согласно Звездный путь руководство автора эпизода для Оригинальная серия, коэффициенты деформации преобразуются в кратные скорости света на умножение с кубическая функция самого фактора деформации. Соответственно, «варп 1» эквивалентен скорости света, «варп 2» в восемь раз больше скорости света, «варп 3» в 27 раз превышает скорость света и т. Д. Оригинальная серия разместил Предприятие в опасности из-за того, что он путешествует с высокими факторами деформации. Однако скорость (в нынешних размерных единицах) любого заданного фактора деформации редко является предметом явного выражения, а время прохождения для определенных межзвездных расстояний не согласуется с различными сериями. в Звездный путь: Техническое руководство нового поколения Было написано, что реальная скорость деформации зависит от внешних факторов, таких как плотность частиц или электромагнитные поля, и лишь приблизительно соответствует расчетной скорости текущего коэффициента деформации. Справочная работа Карты Звездного пути установил теорию подпространственных (или варповых) магистралей. В некоторых регионах космический корабль может летать со скоростью, кратной скорости, соответствующей текущему коэффициенту деформации.
В Оригинальная серия, коэффициент перекоса 6 была установлена как обычная скорость USS Предприятие НКЦ-1701. В некоторых случаях звездолет двигался в варпе. 7 или выше, но с риском повреждения судна или двигателей. Деформация 9 дюйм Оригинальная серия была «никогда не превышать» скорость для корпусов и двигателей Конституция-звездолетов класса, эквивалентных самолету VNE V-скорость. Деформация 6 был VНет «Нормальная работа» максимум Безопасно крейсерская скорость для этого класса судна. 10 Всего пять рассказов в оригинале Звездный путь серия включала Предприятие путешествие за пределы варпа 9. В каждом случае это было результатом влияния инопланетных существ или чужих технологий. Инцидент варпа 14.1 в То, что выживает был результатом неуправляемых двигателей, которые привели к тому, что корпус в течение нескольких секунд разрушения конструкции был поврежден, прежде чем было отключено питание. 11
