Американський дослідник Гарольд Уайт розповів The New York Times, що працює над сверхсветовое двигуном. Як не дивно, нічого паранаукового в роботі Уайта немає - його дослідження цілком укладаються в існуючі фізичні уявлення.
В даний час Гарольд Уайт працює в Космічному центрі імені Ліндона Джонсона. Його група намагається зареєструвати відхилення світла, що викликається електростатичним полем з дуже високою напруженістю. Фінансує експерименти NASA - в 2011 році дослідник опублікував опис плану робіт, і в космічному агентстві його проект визнали заслуговуючим невеликого (50 тисяч доларів) гранту. Крім того, NASA допомогло відремонтувати стару лабораторію в віброізольованого будинку, побудованому ще в кінці 1960-х, і змонтувати в ній лазерний інтерферометр. За допомогою останнього Уайт розраховує виявити вплив на простір-час потужних електричних полів. І тим самим довести, що простір-час можна викривити в лабораторних умовах.
На даному етапі досліджень мова ні про яке двигуні, звичайно, ще не йде. Мета, яку ставить перед собою Уайт, досить проста - підтвердити принципову можливість викривлення простору-часу доступними на сьогодні технологічними засобами. Але перш ніж перейти до опису того, як викривлення пов'язано з міжзоряними подорожами, необхідно зрозуміти, що ці самі викривлення з себе представляють.
До Проксіма не пускає тензор
Уявімо собі тонку еластичну нитку, на яку нанесені поділки. Якщо ділення нанесені досить щільно, то ширина кожного з них приблизно дорівнює відстані між сусідніми поділками (всякий шлях і, отже, його довжина приблизно складається з таких от складових його відрізків).
Припустимо тепер, що ми деформували нитку. При цьому якісь ділення могли розтягнутися, якісь - стиснутися. Ставлення квадрата довжини «розтягнутого» поділу до квадрату довжини нерастянутого (квадрат тут потрібен з математичних міркувань) і буде характеристикою, що відбиває «порушення» в геометрії нитки. Так як це відношення залежить від точки (тобто фактично від місця розташування конкретного розподілу на нашій нитки), то виходить по суті одна функція від координати. Втім, геометрія нитки характеризується всього однією величиною - відстанню між точками, тому тут все досить просто.
Додамо в нашій задачі ще один вимір і розглянемо гумовий лист з роздрукованої на ньому квадратної сіткою (скажімо, мат для різання паперу). Нехай на цьому аркуші намальована деяка крива. Знову, як і в попередньому випадку, якщо ділення нашої сітки досить дрібні, криву з хорошою точністю можна замінити ламаною, кожна ланка якої з'єднує сусідні вершини сітки. Якщо лист рівний, то квадрат відстані між сусідніми вузлами сітки вважається за теоремою Піфагора, тобто як сума квадратів відстаней по двох осях.
Тепер уявімо, що ми якось деформуємо лист. На відміну від одновимірної нитки, напрямків для деформації тут два, тому довжина кривої може мінятися досить хитро (в одновимірному випадку, як ми пам'ятаємо, були тільки стиск і розтяг). Зокрема, квадрати сітки перестають бути квадратами і перетворюються на паралелограми. У результаті доводиться звертатися до узагальненої теоремі Піфагора, в якій, як відомо, квадрат сторони трикутника представляється як сума квадратів двох інших сторін мінус подвоєний добуток довжин цих сторін на косинус кута, протилежного вихідної стороні. Самі сторони при цьому також можуть мати довжину, відмінну від довжини сторони вихідного квадрата.
Таким чином, в сумі є три доданків, перед кожним з яких виникає коефіцієнт. Ці коефіцієнти можна записати у вигляді таблиці 2 на 2, поставивши на друге місце першого ряду і перше місце другого половину коефіцієнта перед твором сторін в узагальненій теоремі Піфагора (всього вийде 3 функціональних параметра). Така симетрична таблиця називається метричним тензором (а також тензором Рімана, або просто метрикою). Виявляється, ця ж матриця характеризує не тільки зміна довжин кривих, а й зміна площ, тому повністю характеризує геометрію м'ятої листа. Міркуючи аналогічно, отримуємо, що геометрія тривимірного простору (довжини кривих, площі поверхонь і об'єми окремих регіонів) характеризується симетричною таблицею 3 на 3.
У теорії відносності (далі ТО для стислості), простір-час чотиривимірному, тому геометрія визначається матрицею 4 на 4. Від описаних вона відрізняється ось ще чим - квадрат відстані в розлініяний, але ще не деформованому чотиривимірному просторі вважається трохи по-іншому: потрібно з квадрата відстані по часу між сусідніми вузлами сітки, помноженого на квадрат швидкості світла, відняти (а не додати, як у попередньому випадку) суму квадратів довжин просторових сторін чотиривимірної осередки сітки. Таке недеформоване простір було введено в спеціальній теорії відносності і володіє простим фізичним змістом - так виглядало б простір-час, в якому повністю відсутня б маса-енергія.
Ніхто не заважає застосувати той же математичний апарат для опису небудь 96-мірної Всесвіту, яка при цьому перекручена, стисла і перекошена у всіх мислимих напрямках, та ще й має безліч порталів з однієї області в іншу. Однак реальний світ описується простіше, і компоненти метричного тензора (а незалежних компонент в 4-х мірному просторі 10 штук) не можуть брати в ньому які завгодно значення.
Вся справа в тому, що головним в ТО є рівняння Ейнштейна. У них метричний тензор (а також деякі величини, що виражаються через нього) пов'язують з так званим тензором енергії-імпульсу - ще однієї симетричної таблицею 4 на 4, яка описує вже розподіл маси-енергії в просторі. Коли рівняння записують на космологічних масштабах, то додають в нього ще один член, в який входить так звана космологічна постійна. Вона визначає універсальні властивості простору і, в теорії (точніше, в найбільш поширеній теорії), пов'язана з темною енергією.
Пузир Алькубьерре
Для космічних польотів Уайт намір використовувати концепцію «міхура Алькубьерре» - особливої конфігурації простору-часу, яку запропонував в 1994 році мексиканський математик Мігель Алькубьерре. У цій схемі простір-час навколо корабля спотворюється нерівномірно: спрощено «бульбашка» можна описати як розтягнення перед кораблем і стиснення за його кормою. Ідея математика полягала в тому, що можна не долати швидкість світла, а стискати сам простір, зменшуючи відстань до цілі.
Внаслідок цього буде створюватися ефект руху, притому що сам корабель всередині міхура може бути нерухомим. Це не порушує постулатів теорії відносності, оскільки в рух приходить сам простір, а не фізичні об'єкти.
Важливо підкреслити, що Алькубьерре не приховував фантастичного характеру своєї пропозиції, хоча математично ця ідея зовсім коректна. Проте математична коректність ще не означає фізичної можливості, фізична можливість ще не гарантує інженерної реалізації, а інженерно здійсненні проекти далеко не завжди мають економічний сенс.
Але як би там не було, метричний тензор, що описує міхур Алькубьерре, є математично коректним рішенням рівняння Ейнштейна. Так як це рівняння має фізичний зміст, то «бульбашка» ще й проходить першу фізичну перевірку. Але тільки першу: справа в тому, що змінювати компоненти тензора як завгодно можна. Ту ж щільність речовини або напруженість електромагнітних полів не можна нарощувати як завгодно, і це лише саме очевидне обмеження. Інше полягає в тому, що щільність енергії не може бути негативною. Речовини з негативною масою поки що невідомі, та й у самій можливості їх існування у фізиків є цілком обгрунтовані сумніви.
А двигун Алькубьерре вимагає якраз негативною маси для того, щоб розтягнути простір. І це тільки півбіди: друга проблема полягає в тому, що, згідно оригінальним розрахунками математика, для створення міхура потрібно вкласти занадто багато енергії. «Занадто багато» - це на порядки більше, ніж можна отримати при анігіляції всієї матерії Всесвіту. Причому мова йде всього лише про відправку єдиного космічного корабля в один кінець через всього лише одну галактику!
На цьому розмова про варп-приводі можна було б вважати закінченим, але деякі дослідники вирішили пошукати обхідні шляхи, звернувшись до теорій струн. Підкреслимо: ці нові теорії не спростовують, а доповнюють ТО. У них, наприклад, розглядається вже не просте чотиривимірний простір-час, а простір-час з додатковими прихованими вимірами.
Приховані можливості?
Ідею прихованих вимірів можна проілюструвати все тієї ж еластичною ниткою. У більшості практичних завдань нам важлива тільки її довжина, тому ми розглядали її як одновимірну, однак її можна розглядати і як поверхню циліндра або навіть як тривимірний циліндр з внутрішнім об'ємом. Для мурашки нитка двумерна, а для бактерій в ній вже три виміри: приховані вимірювання нашого простору в теорії струн проявляються на дуже малих відстанях, які значно менше навіть розмірів кварків.
Якщо якимось чином взяти приховану на мікроскопічному рівні багатовимірну структуру, збільшити її до габаритів в десятки метрів, а потім створити в ній достатню щільність енергії - то можна отримати запропонований Алькубьерре міхур з меншими витратами енергії. Однак описувану ідею запропонували її в 2010 році фізики не опублікували в наукових журналах, обмежившись лише розміщенням препринтів (1, 2) у загальнодоступному архіві. І на це були причини.
По-перше, «менші витрати» як і раніше означали абсолютно недосяжні величини. Так, тепер для подорожі через Галактику було б потрібно «всього лише» аннигилировать Юпітер. По-друге, автори чесно сказали, що не знають способу розтягнути петлі прихованих вимірів, по-третє, вони не дуже уявляють механізм створення в вийшла структурі достатньої щільності енергії. По-четверте, нікуди не поділося вимога роздобути негативну масу в настільки ж астрономічних кількостях і з наступним стисканням до астрономічних величин. По-п'яте, якщо ми все-таки живемо у Всесвіті, яка не описується теоріями струн, то вся ідея виявляється в принципі неможливою. П'ять фантастичних припущень в одній статті - це забагато навіть для теоретиків.
Деяким теоретикам вдалося, втім, знайти рішення, які знижують кількість речовини з негативною масою до кількох міліграмів. А сам Уайт в 2011 році заявив, що за рахунок зміни конфігурації «міхура» витрати енергії можна знизити до значень, що відповідають анігіляції приблизно півтонни матерії. Це все ще дуже багато, але вже цілком реально: стільки виробляють всі електростанції планети за півроку, і стільки ж можна отримати всього за секунду, якщо зібрати сонячне світло з майданчика в тисячу квадратних кілометрів на орбіті Землі. Будівництво дзеркал подібних розмірів можливо навіть з інженерної точки зору, однак говорити про перехід з рівня фізики на рівень інженерної справи поки рано одразу з трьох причин.
Перша: заяву Уайта про можливість такого радикального зниження щільності енергії засноване на розрахунках, які мають сенс тільки в рамках теорії струн. Друга причина: ні розрахунки Уайта, ні інші оптимістичні оцінки поки що не пройшли процедуру рецензування та сторонньої експертизи. Якщо в них не знайдуть помилок і якщо наш світ дійсно містить струни (та ще саме в тій модифікації, яку припускають прихильники ідеї Уайта) - ось тоді можна буде задуматися над вирішенням третього труднощі. Тобто як нам знайти матерію з негативною щільністю хоча б в кількості декількох міліграм.
Схематичне зображення викривленого простору
Суть міхура Алькубьерре: спереду створюється область з негативною, а ззаду з позитивною щільністю енергії. У результаті корабель переміщається зі швидкістю, меншою швидкості світла, але сам простір змінює геометрію так, що пропускає його в потрібне місце.
Мені, будь ласка, мінус два грами
Прихильники ідеї варп-приводу підкреслюють, що негативна щільність енергії вченим давно відома. Йдеться відразу про два сутності: ефекті Казимира і темної енергії. Темна енергія - це якийсь феномен, який проявляє себе прискореним розширенням Всесвіту, хоча гравітація мала б уповільнювати розбігання галактик. Що з себе являє темна енергія, є вона невід'ємним властивістю простору або ж якимось невідомим полем, квінтесенцією, поки неясно.
Розрахунки, втім, вказують на щільність темної енергії близько -10-29 грам на кубічний сантиметр, що набагато нижче маси одного електрона. Так що якщо навіть темна енергія дозволить збирати себе в якісь компактні згустки, нашкребти бодай міліграм буде скрутно. А швидше за все, її і зовсім зібрати не вдасться. Ті моделі, які сьогодні припускають існування квінтесенції як якогось поля, припускають, що вона в принципі не формує мало-мальськи компактних структур.
Інший ефект, який пов'язують з негативною енергією - ефект Казимира. Він полягає в тому, що розташовані поблизу один від одного у вакуумі пластини притягуються один до одного за рахунок флуктуацій електромагнітного поля. Його можна інтерпретувати як поява області з негативним тиском, але правомірність такої інтерпретації теж викликає запитання. Ефект Казимира виникає через те, що у вакуумі спонтанно народжуються і зникають кванти електромагнітного поля, а між пластинами народження деяких частинок придушене (дуже грубо можна сказати, що їм просто не вистачає місця): це все-таки зовсім не те ж саме, що стабільні частинки з негативною масою.
Остаточно говорити про те, що негативною маси бути не може, поки рано. Але ймовірність виявлення об'єктів з такими незвичайними властивостями, та ще й у вигляді, допускає хоч якісь маніпуляції з ними, явно невелика.
У сухому залишку
Навіть якщо Уайт зуміє показати те, що потужне електростатичне поле може викривити простір-час сильніше, ніж передбачене рівняннями Ейнштейна, до міжзоряних польотів все одно ще буде дуже далеко. Хоча таке відкриття і підштовхне фізику, оскільки ефекти, безпосередньо розходяться з існуючими теоріями, на сьогодні практично невідомі (аномальне прискорення «Піонерів" не відтворюється в лабораторіях). Якщо ж Уайт покаже, що рівняння Ейнштейна працюють коректно і простір-час викривляється там, де сформовано дуже сильне поле, це буде досить тривіальний результат. І цей варіант набагато більш ймовірний: інші експерименти не давали приводів шукати порушення теорії відносності саме в сильному електричному полі.
Крім того, група Уайта займається не тільки варп-приводом, а й ще однією спірною розробкою: квантовим вакуумним плазма-двигуном, QVPD. Це пристрій, як стверджують його автори, має працювати як звичайний іонний двигун, але прискорювані частки при цьому будуть братися не з з'єднаного з паливним баком джерела іонів, а безпосередньо з вакууму. У 2011 році дослідники представили повідомлення, в якому послалися на виміряну ще в 2005 році тягу експериментального двигуна. За цими даними, пристрій видавало тягу в 0,1 ньютона на кіловат поданої електричної потужності, проте підтвердження цієї інформації з незалежних джерел поки не надходило. Крім того, сам по собі висновок про можливість створення плазмового тяги з нізвідки відноситься до категорії екстраординарних висновків, а про такі англійці й американці кажуть, що їх треба підтверджувати екстраординарними доказами. Відсутність серйозних публікацій з 2005 року змушує припускати або помилку, або підтасовування: виходячи з презумпції наукової чесності, резонно зупинитися на помилку.
Отже, одна хибна робота і одна спірна: чи не занадто багато для групи, що одержує державне фінансування? З одного боку, практичний ефект від лабораторії Уайта сумнівний. З іншого ж - за суму, приблизно рівну витратам такої організації, як NASA, на скріпки або туалетний папір, агентство отримує прекрасну можливість зайвий раз привернути до своєї роботи молодь. Перевірка працездатності варп-приводу - це набагато цікавіше, ніж підвищення тяги ракетних двигунів на два відсотки, розробка клапана для санітарного модуля МКС або навіть аналіз місячного грунту, всі основні характеристики якого давно відомі. Та й зрештою негативний результат, як відомо, теж результат.
