Двигатель Алькубьерре и отрицательная энергия

Наилучший пример растягивания пространства — двигатель Алькубьерре, предложенный в 1994 г. физиком Мигелем Алькубьерре с использованием теории тяготения Эйнштейна. По сути, это именно тот двигатель, какой фигурирует в сериале «Звездный путь». Пилот подобного звездолета находится в пузыре (защищающем его и сам звездолет от деформации пространства); внутри пузыря все выглядит обычно, даже когда звездолет преодолевает световой барьер. Более того, пилоту кажется, что ничего не происходит. На самом же деле вне пузыря пространство-время претерпевает сильные искажения; пространство перед пузырем сжимается. Внутри пузыря время не растягивается и продолжает идти нормально.

Алькубьерре признает, что при разработке проекта двигателя «Звездный путь» сыграл немалую роль. «Герои сериала постоянно говорят о деформационном двигателе, о концепции искусственного искажения пространства, — говорит он. — Теория того, как можно и как нельзя искажать пространство, у нас уже была, это общая теория относительности. Я подумал, что должен быть какой-то способ посмотреть при помощи этих концепций, как должен в действительности работать деформационный двигатель». Вероятно, это первый случай, когда телешоу вдохновило ученого и помогло найти решение одного из эйнштейновых уравнений.

Алькубьерре считает, что путешествие на предлагаемом им звездолете будет похоже на полет на «Тысячелетнем соколе» в «Звездных войнах». «Мне кажется, что экипаж, вероятно, должен увидеть что-то похожее. Звезды впереди корабля превратятся в длинные линии, штрихи. Позади не будет видно вообще ничего — только чернота, потому что свет звезд не сможет двигаться достаточно быстро, чтобы догнать звездолет», — говорит ученый.

Ключевым моментом в двигателе Алькубьерре является энергия, при помощи которой звездолет разгоняется до сверхсветовых скоростей. Обычно физики говорят о корабле, обладающем для начала некоторым положительным количеством энергии; эта энергия тратится на разгон корабля, который всегда движется медленнее света. Чтобы выйти за рамки этих условий и двигаться быстрее света, придется поменять топливо. Обычный расчет показывает, что нам потребуется «отрицательная масса» или «отрицательная энергия» — самые экзотические, вероятно, объекты во Вселенной, если они вообще существуют. Раньше физики отбрасывали любые разговоры об отрицательной энергии и отрицательной массе как откровенно фантастические. Но теперь стало ясно, что, во-первых, в путешествиях со сверхсветовыми скоростями без них никак не обойтись, а во-вторых, они вполне могут существовать в действительности.

Ученые ищут отрицательное вещество в природе, но пока безуспешно. (Антивещество и отрицательное вещество — совершенно разные вещи. Первое определенно существует и обладает положительной энергией, но противоположным зарядом. Существование отрицательного вещества до сих пор не доказано.) Отрицательное вещество должно обладать очень необычными свойствами; к примеру, оно должно быть легче пустоты. Более того, оно должно летать. Если отрицательное вещество существовало в начале времен, то при рождении Вселенной оно должно было уйти в глубины пространства. В отличие от метеоритов, которые при случае обрушиваются на планеты под действием сил притяжения, отрицательное вещество должно убегать от планет. Его должны отталкивать, а не притягивать любые крупные тела, такие как звезды или планеты. Поэтому, хотя отрицательное вещество вполне может существовать в действительности, обнаружить его можно, скорее всего, только в глубоком космосе — и уж точно не на Земле.

В одном из проектов поиска отрицательного вещества в открытом космосе предлагается воспользоваться явлением, известным как линза Эйнштейна. Когда свет проходит мимо звезды или галактики, его траектория искажается под действием гравитационных сил в соответствии с общей теорией относительности. В 1912 г. Эйнштейн (даже не закончив еще работу над общей теорией относительности) предсказал, что галактика может работать как линза телескопа. Свет отдаленного объекта, огибая близлежащую галактику, как если бы это была линза, собирается за ней в пучок и образует характерную интерференционную картину из концентрических окружностей. В таком виде он доходит и до Земли. В настоящее время подобные явления называют кольцами Эйнштейна.

Первая линза Эйнштейна была обнаружена астрономами в космосе в 1979 г. С тех пор подобные объекты успели стать для астрономов незаменимым инструментом. Вот лишь один пример. Когда-то считалось, что невозможно обнаружить в космосе скрытую массу. (Скрытая масса, известная также как темная материя, — загадочная невидимая, но вполне массивная субстанция. Она окружает галактики и, возможно, во Вселенной ее раз в десять больше, чем обычной видимой материи.) Но ученые NASA сумели составить карты распределения в пространстве скрытой массы, так как она отклоняет свет при прохождении через нее точно так же, как стекло искривляет свет.

Итак, теоретически линзы Эйнштейна должны помочь ученым в поисках отрицательного вещества и кротовых нор. Они должны определенным образом искажать траекторию света — и космический телескоп имени Хаббла должен быть в состоянии зарегистрировать такие искажения. До сих пор не удалось обнаружить ни отрицательного вещества, ни кротовых нор, но поиски продолжаются. И если в один прекрасный день детекторы космического телескопа зафиксируют в одной из эйнштейновых линз присутствие отрицательного вещества или кротовой норы, весь мир физики почувствует на себе поразительные последствия этого открытия.

Отрицательная энергия отличается от отрицательного вещества тем, что достоверно существует, хотя и в крошечных количествах. В 1933 г. Хендрик Казимир, опираясь на законы квантовой теории, сделал очень необычное предсказание. Он утверждал, что две незаряженные параллельные металлические пластины будут притягиваться друг к другу как по волшебству. Обычно параллельные пластины никак не влияют друг на друга, поскольку не обладают суммарным зарядом. Но вакуум между двумя такими пластинами на самом деле не пуст; он полон «виртуальных частиц», возникающих и тут же исчезающих снова.

На мгновение из пустоты возникают пары электрон-позитрон — и тут же аннигилируют, снова растворяясь в вакууме. Как ни странно, пустота, которую когда-то считали лишенной чего бы то ни было, на самом деле наполнена квантовыми событиями. Здравый смысл подсказывает, что крохотные всплески с одновременным образованием вещества и антивещества нарушают закон сохранения энергии. Но, согласно принципу неопределенности, эти всплески невероятно кратковременны, и в среднем энергия по-прежнему сохраняется.

Казимир обнаружил, что множество виртуальных частиц создает в вакууме ненулевое суммарное давление. Пространство между двумя параллельными пластинами ограниченно, поэтому и давление виртуальных частиц там невелико. А вот снаружи пластин места много и им ничто не мешает «развернуться» как следует, поэтому и давление там выше; в сумме же возникает сила, которая толкает пластины друг к другу.

В обычных обстоятельствах — когда пластины находятся в покое и разделены значительным расстоянием — наблюдается состояние с нулевой энергией. Но если сблизить пластины, они начнут притягиваться и из них можно извлечь некоторое количество энергии. После этого, поскольку у пластин отняли кинетическую энергию, их собственная энергия становится меньше, чем ноль, т. е. отрицательной.

Отрицательную энергию впервые удалось измерить в лаборатории в 1948 г., и результат полностью подтвердил предсказание Казимира. Теперь отрицательная энергия и эффект Казимира рассматривались уже не как научная фантастика, а как установленный факт. Проблема, однако, состоит в том, что эффект Казимира очень слаб; чтобы обнаружить эту энергию в лаборатории, необходимо пользоваться точнейшим и новейшим измерительным оборудованием. (В целом энергия Казимира обратно пропорциональна четвертой степени расстояния между пластинами. Это означает, что чем меньше это расстояние, тем больше энергия.) Точно эффект Казимира измерил в 1996 г, Стивен Ламоро из Лос-Аламосской национальной лаборатории; сила притяжения у него получилась в 30 000 раз меньше веса муравья.

С момента публикации теории Алькубьерре физики успели обнаружить у предложенного им звездолета немало странных свойств. К примеру, люди внутри корабля причинно изолированы от внешнего мира. Это означает, что невозможно просто нажать кнопку и полететь быстрее света. Вы не сможете поддерживать связь с внешним миром за пределами защитного пузыря. Должен существовать заранее проложенный «маршрут» через пространство и время, и тогда по нему корабли могут следовать один за другим, как поезда по расписанию. В этом смысле звездолет по Алькубьерре не будет обычным звездолетом и не сможет произвольно менять направление движения и скорость. Этот звездолет будет подобен вагону, который движется на заранее созданной «волне» сжатого пространства по заранее созданному коридору искаженного пространства-времени. Алькубьерре рассуждает так: «Нам потребуется серия генераторов экзотического вещества, расставленных вдоль трассы движения, как вдоль шоссе; эти генераторы будут синхронно управлять пространством так, как нужно».

Нельзя исключить, что в будущем будут обнаружены еще более странные и причудливые решения уравнений Эйнштейна. Сами уравнения говорят о том, что если дано определенное количество массы или энергии, то можно рассчитать искажение пространства-времени, которое вызовет эта масса или энергия (точно так же, бросив камень в воду, вы можете рассчитать круги, которые пойдут от него). Но эти уравнения можно применить и в обратном направлении. Можно начать с заданного состояния пространства-времени, каким бы странным оно ни казалось. В качестве примера можно привести причудливые миры сериала «Сумеречная зона». (В тех вселенных можно, к примеру, открыть дверь и оказаться на луне. Можно обежать вокруг дерева и оказаться в прошлом, а затем обнаружить к тому же, что сердце бьется с правой стороны.) Затем следует рассчитать распределение вещества и энергии, связанное с этим конкретным состоянием. (Точно так же, если задано странное распределение волн на поверхности воды, то можно произвести обратный расчет и определить, сколько, где и каких камней было брошено в пруд.)

Примерно таким образом, кстати говоря, Алькубьерре вывел свои уравнения. Он начал с пространства-времени, в котором допустимо движение со сверхсветовой скоростью, а затем провел обратный расчет и вычислил энергию, необходимую для получения такого пространства-времени.