Фізика
Фізика

Варп-двигуни і Зоряні брами. Як обійти швидкість світла та не порушити фізику

Події науково-фантастичних ігор, фільмів та романів чомусь дуже люблять переносити нас у якісь інші галактики, хоча і у нашій власній є де розлітатися — діаметр Чумацького Шляху оцінюється в 100 тисяч світлових років. Але куди летіти питання швидше другорядне, враховуючи, що подорож кудись межами Сонячної системи обов’язково передбачає вихід за межу швидкості світла. А це, між іншим, заборонив Ейнштейн та його теорія відносності. Або не зовсім заборонив? Тож чи можна наздогнати і перегнати світло? Які лазівки знайшли фізики у теорії, яка визначає наше світосприйняття?

«Ентерпрайз» на варп швидкості. Wikimedia Commons

«Ентерпрайз» на варп швидкості. Wikimedia Commons

Яке правило потрібно порушити?

Проблемою з далекими космічними подорожами варто завдячувати найвідомішій фізичній теорії — теорії відносності Ейнштейна. Два простих правила в один момент обмежили природу Всесвіту: його закони не залежать від систем відліку, а швидкість світла у будь-якій з цих систем буде однаковою. Найбільше обмеження наших можливостей полягає у тому, що зі збільшенням швидкості у об’єкта неминуче зросте імпульс, а тому по досягненню швидкості світла, він наблизиться до нескінченності. Причому навіть якщо вас це влаштовує, то все одно, щоб розігнатися до такої швидкості, потрібно витратити нескінченну енергію. По суті Ейнштейн зробив висновок, що швидкість світла — це максимально можлива швидкість у Всесвіті, а тому подорож навіть до найближчої нам Проксима Центаври займе більш як 4 роки.

Тож тепер у нас два варіанти: або забути про Ейнштейна, або про міжзоряні подорожі. Втім, останнє було б зовсім просто, а перше надто самонадіяно, бо у висновках Ейнштейна ми впевнені більш як на соті долі відсотка. Фізики не можуть і не хочуть нічого порушувати, але вони здатні знайти рішення у рамках великого обмеження і показати, що неможливість відпустки на Андромеді — проблема інженерна, а тому за більших технологічних досягнень фізика сама дозволить нам долати величезні відстані. Тож підкреслюємо, що ми тут не говоримо про жодні порушення теорії відносності й Ейнштейна у труні не перевертаємо — ми просто пошукаємо лазівки у постулатах та спробуємо знайти спосіб все ж відвідати принаймні зорю-сусідку.

GIPHY

GIPHY

Спочатку треба викривити простір

Насправді від Ейнштейна нам дісталися не лише заборони. Разом з тим, як завдяки йому час і простір перестали бути абсолютними і стали повністю залежати від спостерігача, світ став чотиривимірним. До відомих нам трьох вимірів додався час і відтепер ми говоримо не стільки про відстань між точками А і Б, скільки про їхню віддаленість одна від одної і в просторі, і в часі. Тепер у вас не тільки точка у просторі, але і подія, про яку ви знаєте, де і коли вона сталася. Але і це ще не все.

Утворене теорією відносності полотно простору-часу вміє викривлюватися. Але перш ніж викривлювати його, давайте спробуємо це візуалізувати. Згадайте, що світ тепер став чотиривимірним та протягніть крізь нього сітку геодезичних кривих, якими у цьому світі рухатиметься об’єкт. Схожі на меридіани та паралелі на шкільному глобусі ці лінії називають світовими — вони є найкоротшим шляхом для об’єкта та під дією гравітаційного поля будуть викривлюватися і формувати нові траєкторії руху. Так світлу поруч з масивним об’єктом доведеться змінювати шлях, хоча зазвичай воно полюбляє рухатися прямо.

Художнє уявлення викривлення простору-часу як двомірної поверхні, трьома масивними тілами. Спричинене ними спотворення пропорційне масі кожної кульки. ESA–C.Carreau

Художнє уявлення викривлення простору-часу як двомірної поверхні, трьома масивними тілами. Спричинене ними спотворення пропорційне масі кожної кульки. ESA–C.Carreau

Труба, нора і бульбашка

Причиною викривлення простору-часу є матерія, а чим більша її енергія, тим викривлення буде сильнішим. І матерія, і простір-час обидва впливають один на одного і загалом саме простір-час вказує матерії як їй рухатися, а матерія зі свого боку вказує простору-часу як йому викривлятися. Цей взаємозв’язок фізики і пропонують використовувати в ім’я міжзоряних подорожей. Щоправда, вони передбачають, що ваш корабель доведеться вміщувати у таку область простору-часу, швидкість якої відносно спостерігача буде перевищувати швидкість світла, а разом з нею і корабель всередині, не порушуючи постулати Ейнштейна. Для цього у нас є принаймні три незаборонені фізикою інструменти, які активно експлуатуються вченими та письменниками-фантастами: кротова нора, бульбашка Алькуб'єрре та труба.

Вглиб кротової нори

Як ми вже згадали, рівняння Ейнштейна пов’язують гравітацію з деформацією простору-часу під дією присутньої у ньому матерії. Так одним із рішень цих рівнянь ще у 1915 році вчені передбачили існування чорних дір, а згодом і почали помічати свідчення цьому. Зараз у існуванні таких об’єктів, які не випускають зі своєї пастки навіть світло, ми не сумніваємося. А свої сумніви ви можете розвіяти у нашому матеріалі «Що таке чорна діра?». Втім, у загальної теорії відносності є і дещо на противагу тому, з чого немає виходу — кротові нори або червоточини.

За їхнім горизонтом подій світло не зникне безслідно, а змінить напрям і переміститься у просторі. Це вже за рік після теоретичного відкриття чорних дір передбачили рішення ейнштейнових рівнянь вченим Людвігом Фламмом, а через 20 років це вже, так само теоретично, не заперечив і сам Ейнштейн. Кротові нори — улюбленці кінорежисерів і саме цей тунель, що з’єднує дві точки простору, переніс 12 добровольців з «Інтерстелара».

Ілюстрація прохідної кротової нори, яка з’єднуватиме різні частини космосу. estt/istock/getty images plus

Ілюстрація прохідної кротової нори, яка з’єднуватиме різні частини космосу. estt/istock/getty images plus

Щоб пронестися між зірками або галактиками кротовою норою вам доведеться знайти прохідну кротовину, яка все ж встигне перенести вас кудись, перш ніж колапсувати. Не зважаючи на песимізм науковців, які говорять, що такі могли б утворитися лише за народження Всесвіту й тому ми їх ніколи не побачимо, інші пропонують нам сценарій «Інтерстелара». Тобто шукати кротовини близ надмасивних чорних дір, бо лише їхньої гравітації вистачить. Наступними критеріями для вдалої подорожі є достатньо широкий вхід у нору та п’ятий вимір. Перший має складати приблизно півтори тисячі кілометрів, а другий має доповнити три просторові та один часовий вимір, щоб утримати кротовину від руйнування та допомогти мандрівнику пережити всі принади подорожей у місцях з такою гравітацією. Втім, поки у центрі зображення чорної діри ми побачили лише чорноту, а не образи об’єктів з іншого кінця тунелю, кротові нори лишаються теорією.

Спустити все в трубу

Схожим і так само теоретичним тунелем може стати так звана трубка Краснікова, яка могла би поєднати Землю із якою-небудь зіркою та пропустити всередині себе корабель. Вона подобається вченим, оскільки не порушує принципу причинності, за якого причина у будь-яких системах координат має передувати наслідку. Цей тунель є своєрідним викривленням простору-часу, який дозволить спотворити час для якого-небудь корабля так, що спостерігачі з Землі й не помітять його відсутності, а сам корабель досягне швидкості світла. Корабель повертатиметься тим же шляхом, яким і прибув у місце призначення, причому повернеться й у той самий час — незабаром після того, як вилетів. Час польоту в один кінець до далекої зірки обмежується всіма звичайними обмеженнями спеціальної теорії відносності, але час польоту туди і назад можна зробити як завгодно коротким.

Втім, такий спосіб не завоював популярності саме через принцип причинності. Річ у тім, що одна така трубка може й не спричинить нічого, але якщо створити дві такі, то з’являться замкнені часові криві. Так астронавти з майбутнього зможуть подорожувати до зірок в одній трубі, а повертатися в іншій та прибути на 6000 років раніше свого відльоту.

Диво-двигун з бульбашки

Насправді ця трубка Краснікова виросла з іншої концепції вже мексиканського фізика-теоретика, Мігеля Алькуб’єре. Ідея полягає у зміні геометрії простору за допомогою хвилі, яка стискатиме простір попереду корабля та розширюватиме позаду. Для цього область простору із зорельотом потрібно оточити бульбашкою сильно викривленого простору з особливою геометрією, що в результаті й дасть змогу розігнатися до надвисоких швидкостей і у тому числі подолати швидкість світла. Це схоже на мініатюру зовсім незабороненого фізикою розширення Всесвіту, але дуже локального — лише для бульбашки. Всередині неї утвориться «пласка» область простору-часу, де пасажири корабля навіть не відчують, що вони рухаються. Подібну ідею заклали у варп-двигуни — двигуни викривлення, які лежать в основі «Зоряного шляху» та розроблюють досі, бо, здається, саме бульбашка Алькуб’єре обійде всі обмеження попередніх способів міжгалактичного пересування.

Так ми би могли спостерігати за експедицією корабля у бульбашці Алькуб’єре. Thomas Müller and Daniel Weiskopf / ESO/S Brunier

Так ми би могли спостерігати за експедицією корабля у бульбашці Алькуб’єре. Thomas Müller and Daniel Weiskopf / ESO/S Brunier

Енергія в мінусі

Головним недоліком трубки Краснікова, кротовини і бульбашки Алькуб’єре є потреба у джерелі негативної маси і енергії. У кротовинах негативна енергія захищає їх (і вас) від колапсу, у механізмі Алькуб’єре екзотична матерія потрібна для збалансованих викривлень бульбашки, а трубці Краснікова вона потрібна, щоб повернути час назад. У класичній фізиці поняття негативної енергії немає.

Але нещодавно фізики (на жаль все ще теоретики) дозволили варп-двигунам забути про негативну енергію. Негативну енергію німецький астрофізик Ерік Ленц (Erik Lentz) запропонував замінити на солітони. Так простір-час прийме форму компактної гравітаційної хвилі, яка поширюється з постійною швидкістю і не втрачає форми, при цьому у її центрі приливні сили будуть мінімальними, а тому потенційний парадокс близнят пасажирам корабля не загрожуватиме. Ленц запропонував інший механізм утворення хвиль бульбашкою, який не потребує негативної енергії для викривлень простору-часу. Однак, поки і звичайної енергії для цієї ідеї знадобиться надзвичайно багато, але таку все ж легше роздобути, ніж негативну.

GIPHY

GIPHY

Таким чином фізика говорить нам, що переміщатися простором з надсвітловою швидкістю все ж можливо. Але подорожувати доведеться у бульбашці, що викривлює простір-час, трубі-тунелі або кротовій норі, здатній поєднати різні точки оточуючого нас світу. По суті фізики-теоретики дійсно знайшли лазівку і вирішили запропонувати свої способи викривлення простору-часу та дозволити вам побудувати як мінімум Зоряну браму і як максимум — двигун для Ентерпрайза із «Зоряного шляху».

солітони
поодинокі хвилі щільності матерії
парадокс близнят
один з близнят, який вирішив подорожувати на надсвітловій швидкості до іншої галактики, повернеться додому до вже літнього родича