Впервые в истории создан варп-двигатель, который действительно подчиняется законам физики.
Начало концепции
С лёгкостью, с какой мы заводим автомобиль, экипаж звездолёта USS Enterprise в каждом эпизоде «Звёздного пути» устремляется в новое приключение. Корабль преодолевает расстояния во много раз быстрее скорости света. Этот научно-фантастический образ межзвёздных путешествий, впервые показанный в 1966 году, вдохновил мексиканского физика Мигеля Алькубьерре Мойя на исследование возможности реального метода светового движения. Спустя десятилетия он опубликовал результаты своих передовых исследований, удивив сообщество теоретических физиков.
Так появился знаменитый варп-двигатель Алькубьерре. В его гипотезе пространство-время сжимается перед кораблём и расширяется позади, позволяя двигаться из точки А в точку Б с «произвольно высокой» скоростью. Для внешнего наблюдателя корабль в «варп-пузыре» выглядит быстрее света, но сами пассажиры не чувствуют ускорения.
Если бы такой сверхсветовой двигатель заработал, это полностью изменило бы представления человечества о путешествиях по Вселенной. Например, до Альфы Центавра — ближайшей к нам звёздной системы — можно было бы долететь за дни или недели, хотя расстояние до неё составляет четыре световых года.
Отрицательная и положительная энергия
Однако у концепции Алькубьерре есть серьёзная проблема. Для её работы требуется так называемая «отрицательная энергия», связанная с экзотическими частицами. Это гипотетическая материя, которая, насколько известно, в нашей Вселенной не существует. В уравнениях такие частицы обладают отрицательной массой и действуют противоположно гравитации, то есть фактически создают «антигравитацию». На протяжении 30 лет учёные публиковали исследования, которые пытались обойти эти фундаментальные трудности, впервые описанные Алькубьерре в 1994 году в журнале Classical and Quantum Gravity.
Теперь же исследователи из нью-йоркского аналитического центра Applied Physics предложили новый подход. Вместе с коллегами из других организаций они разработали концепцию варп-двигателя на основе «положительной энергии», которая не нарушает известных законов физики. Это настоящий прорыв, утверждают авторы работы — Джанни Мартире, генеральный директор Applied Physics, и старший научный сотрудник Джаред Фукс. Их статья, опубликованная в конце апреля в том же журнале, может стать первой главой «руководства» по межзвёздным перелётам.
Варп-пузырь из положительной энергии
Положительная энергия меняет всё. Представьте, что вы астронавт в космосе и пытаетесь оттолкнуть теннисный мяч. При отрицательной энергии мяч не улетает, а, наоборот, давит на вашу руку, словно пытаясь её оторвать. Именно такой принцип лежал в основе первоначальной идеи Алькубьерре, но использовать его невозможно.
Вместо этого можно применить обычную положительную энергию. Она формирует «варп-пузырь» — сферическую оболочку из невероятно плотной материи, окружающей корабль. Этот пузырь движет корабль за счёт своей мощной гравитации, но при этом пассажиры не чувствуют ускорения. «По сравнению с этим даже поездка в лифте выглядит более впечатляющей», — говорит Мартире.
Секрет в том, что плотность оболочки и давление внутри тщательно регулируются. Согласно общей теории относительности Эйнштейна, ничто не может двигаться быстрее света в своём локальном пространстве. Поэтому пузырь устроен так, что внутри люди ощущают нормальное течение времени. Но сам пузырь сжимает пространство-время впереди и расширяет его позади, тем самым перенося корабль с колоссальной скоростью.
Фукс объясняет это так: движение материи в стенках пузыря создаёт импульс, похожий на катящиеся шары. Именно этот процесс и обеспечивает эффект для пассажиров внутри.
Первые вычислительные модели
Учёные развили идеи своей работы 2021 года, тоже опубликованной в Classical and Quantum Gravity. Тогда они создали специальный программный инструмент Warp Factory, который моделирует варп-пространства. Программа позволяет рассчитывать уравнения Эйнштейна и определять энергетические условия для разных форм варп-двигателей. Любой исследователь может скачать и использовать её бесплатно.
Эти эксперименты позволили создать первую общую модель варп-двигателя на основе положительной энергии. Ранее команда показала, что количество энергии зависит от формы пузыря: чем более сплюснут он в направлении движения, тем меньше энергии нужно.
Проблемы и перспективы
Физик Эрик Лентц из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории отмечает, что эта новейшая модель открывает новые возможности. Его собственные исследования тоже связаны с теорией варп-двигателей, основанной на классической физике. Но он подчёркивает: тема остаётся крайне сложной.
Чтобы управлять варп-пузырём, нужны огромные массы вещества и энергии. Кроме того, важно, чтобы время внутри пузыря текло так же, как и снаружи. Иначе пассажиры рискуют прибыть в пункт назначения в «другой временной реальности». «Мы легко можем опоздать на встречу в Проксиме Центавра, если не будем осторожны», — говорит Лентц. Даже связь между экипажем и внешним миром может искажаться, проходя через искривлённое пространство.
Пока что модель Applied Physics предполагает скорость ниже световой. Для создания нужного эффекта потребуется масса примерно в два Юпитера. Где её взять — пока неизвестно. Некоторые исследователи предполагают, что можно использовать тёмную материю, но Мартире и Фукс сомневаются: она по-прежнему остаётся загадкой и относится к категории «экзотических частиц».
Тем не менее, даже такой неполный вариант — это огромный шаг вперёд. Например, при скорости половины скорости света путь до Альфы Центавра занял бы девять лет. А современный зонд «Вояджер-1», летящий со скоростью 61 000 км/ч, добирался бы туда 75 000 лет.
Главные препятствия
Приближаясь к скорости света, мы сталкиваемся с эффектами специальной теории относительности Эйнштейна. Масса движущегося объекта возрастает до бесконечности, а для поддержания скорости потребуется бесконечная энергия.
«Главный вызов в том, как разместить всю эту материю в пузыре, но при этом в масштабе, который мы вообще можем собрать», — говорит Мартире. Возможно, решение скрыто в физике конденсированных сред, где изучаются силы между атомами и электронами. Эта область уже дала миру транзисторы, твердотельные лазеры и магнитные накопители.
Есть и другая проблема: нынешние модели допускают стабильный варп-пузырь только при постоянной скорости. Учёным ещё предстоит придумать, как запускать ускорение и как останавливать корабль в конце пути. «Это как изобрести автомобиль впервые», — отмечает Мартире. «У нас ещё нет двигателя, но свет в конце тоннеля уже виден».
Межзвёздное будущее
В Applied Physics уверены: развитие варп-технологий неизбежно. Общая модель положительной энергии — лишь первый шаг. И для межзвёздных путешествий не всегда нужна скорость света. Даже движение ниже этого предела способно подарить человечеству то, что ещё недавно казалось фантастикой.
«Мы официально, математически вступили на межзвёздный путь», — подытоживает Мартире.
