01.09.2022. - Странный квест для межзвездного путешествия

Странный квест для межзвездного путешествия

Человечество давно смотрит на звезды и задается вопросом, что там. Когда космические путешествия вышли из области научной фантастики, внимание обратилось на то, можем ли мы отправиться туда и исследовать горизонт, как корабли прошлого, которые пересекали моря, чтобы отправиться в Новый Свет. Мы добились больших успехов, отправились на Луну и отправили различные зонды и марсоходы в другие миры в нашей Солнечной системе, но сможем ли мы когда-нибудь выйти за ее пределы? Возможно, в конце концов нам придется. Может наступить время, когда мы будем вынуждены покинуть наш мир, чтобы колонизировать другие планеты, но как это вообще станет возможным? С нашими современными технологиями кажется, что нет никакого способа пересечь огромное космическое море, но было много людей, пытающихся решить эту проблему, и кажется, что ключ движение быстрее света.

Основным препятствием для межзвездных путешествий является скорость света, которая в вакууме составляет ровно 299 792 458 метров (983 571 056 футов), или 186 282 миль в секунду. Согласно специальной теории относительности Альберта Эйнштейна, на которой основана большая часть современной физики, это самое быстрое, что может двигаться во Вселенной. Это не просто лежачий полицейский, а скорее кирпичная стена, непреложный вселенский предел скорости, который невозможно превзойти. Хотя причина, по которой это должно быть так, невероятно сложна, основное объяснение состоит в том, что чем быстрее вы движетесь, тем больше сжимается ваше пространственное измерение в прямом направлении и тем медленнее идут ваши часы, если смотреть на них со стороны. Пространство и время не являются фиксированным фоном, который везде одинаков, а скорее могут деформироваться и изгибаться, так что, по сути, это означает, что когда вы превысите скорость света, вы достигнете точки, в которой ваше пространственное измерение в прямом направлении сжимается до ничего, и ваши часы замедляются до остановки. По сути, поскольку вы больше не движетесь вперед, а время стоит на месте, вы теперь находитесь в системе отсчета, которой не существует, и, следовательно, пространство и время фактически не существуют за пределами этой точки. Это намного, намного сложнее, чем это, но суть в этом, и поскольку вопрос о том, почему скорость света является универсальным пределом скорости, выходит за рамки этой статьи, давайте двигаться дальше.

Важным выводом здесь является то, что у нас есть, это так быстро, как мы можем двигаться. Это настолько быстро, насколько это возможно, и это фундаментальная часть того, как работает Вселенная, но проблема в том, что этого просто недостаточно. Давайте посмотрим на ближайшую к Земле звезду, Проксиму Центавра, которая находится примерно в 4,25 световых годах от нас, примерно в 25 триллионах миль (40 триллионов км), поэтому мы не можем управлять ею. 4,5 световых года могут показаться не такими уж плохими, но для сравнения, если мы возьмем самый быстрый из когда-либо созданных земных космических аппаратов, то есть солнечный зонд Parker, с максимальной скоростью 450 000 миль (724 000 км) в час, это нам потребуется около 6633 лет, чтобы добраться до этой звезды. Даже если бы мы каким-то образом смогли достичь скорости света, чего мы не можем, нам все равно потребовалось бы 4,5 года, чтобы добраться до нее, что является довольно долгим путешествием. Если мы когда-нибудь захотим посетить другие звездные системы, нам придется найти более быстрый способ. К сожалению, существует это надоедливое ограничение скорости, и мы никогда не сможем превысить скорость света, но есть ли способ, которым мы могли бы это сделать? Над этим вопросом давно размышляли как ученые, так и писатели-фантасты, но некоторые пути могут быть, так что давайте посмотрим.

Одна из проблем, связанных с тем, чтобы обойти эту раздражающую скорость света, заключается в том, что скорость света непреодолима, поэтому мы не можем просто немного постараться, чтобы сделать космический корабль, который движется немного быстрее. — Но это всего лишь теория, верно? Вы можете спросить. Не совсем. В науке теория — это не просто недоказанная или непроверенная идея (это было бы гипотезой), а, скорее, хорошо проверенный принцип, который раз за разом доказывает свою правильность и оказывается правильным или, по крайней мере, обоснованным. на таких принципах в той мере, в какой мы можем логически предположить, что это, скорее всего, верно. Мы не прекращаем строить здания только потому, что структурная теория — это «всего лишь теория». В науке теория очень сильно поддерживается многочисленными доказательствами и может считаться разумным предположением о том, как что-то работает на самом деле, пока кто-то каким-то образом не докажет, что это неправильно. Теория относительности Эйнштейна проверялась бесчисленное количество раз, выдержала все до единого наблюдательные и экспериментальные проверки, и она всегда верна. Никто не смог ее опровергнуть, поэтому ее можно считать довольно твердой, и она недвусмысленно утверждает, что мы не можем превысить скорость света. Принимая это во внимание, мы не можем смотреть на путешествия со скоростью, превышающей скорость света, а скорее находить способы обойти их, не нарушая теорию относительности, своего рода лазейку.

Один из предложенных способов освободиться от ограничения скорости света — использовать так называемые червоточины. Червоточины — это теоретические туннели, которые прорезают пространство и время, чтобы соединить две точки в пространстве, которые могут быть разделены многими световыми годами, по сути, проходя через Вселенную. Хороший способ представить это — представить себе два города на противоположных сторонах горы. Чтобы добраться от одного до другого, как правило, вам придется пройти весь путь вокруг горы, чтобы добраться до другой стороны. Однако, если бы вы прорыли туннель через гору, вы могли бы добраться туда намного быстрее. Этот туннель и есть червоточина. Предполагается, что червоточины также прорезают время, а это означает, что вы можете путешествовать через одну в другую точку времени, как на машине времени. Итак, идея состоит в том, что если бы вы могли создать одну из этих червоточин, вы могли бы пройти через нее и прыгнуть на много световых лет за минуты или часы, может быть, даже практически мгновенно. Эта концепция уже давно используется в научной фантастике, но все чаще рассматривается учеными как реальная возможность межзвездных путешествий, а поскольку теория Эйнштейна допускает существование червоточин, она не нарушает никаких правил.

Проблема с червоточинами заключается в том, что никогда не было найдено никаких доказательств того, что они действительно существуют, хотя теория Эйнштейна объясняет их наличие, и предполагается, что они где-то там. Другая проблема заключается в том, сможем ли мы физически войти в нее и пройти через нее, а проходимая червоточина немного сложна. Хитрость в построении червоточины заключается в том, чтобы найти такую ??конфигурацию материи и энергии, которая позволит вам образовать туннель между двумя точками в пространстве. Однако червоточина, построенная в соответствии со спецификациями общей теории относительности Эйнштейна, будет скрыта за горизонтом событий, который по сути является односторонним барьером в космосе, а это означает, что через него нельзя пройти. Червоточины также невероятно нестабильны и разрушатся, как только что-либо войдет в них из-за огромной гравитации, которую это создаст. Все, что попытается проникнуть в туннель, даже одиночный фотон или световая частица, будет катастрофически раздавлено, когда червоточина резко разрушится, поэтому хитрость здесь состоит в том, чтобы не дать червоточине этого сделать. Некоторые исследователи считают, что способ есть, и он влечет за собой небольшую настройку гравитации.

Один из способов обойти это препятствие и стабилизировать червоточину, чтобы сделать ее проходимой, — создать ее из формы материи с отрицательной энергией или отрицательной массой, также известной как «экзотическая материя». Идея отрицательной массы относительно проста. Отрицательная масса — это именно то, на что это похоже, а отрицательная энергия — это состояние, в котором энергия в определенном месте отрицательна по сравнению с окружающей средой. Теоретически это нейтрализует или нейтрализует сокрушительную гравитацию внутри червоточины и позволяет пройти. Проблема в том, что отрицательная масса на самом деле никогда не наблюдалась, а отрицательная энергия была продемонстрирована только в очень малых масштабах в квантовой области. Даже если существует отрицательная масса, которая, по мнению ученых, должна где-то существовать, она будет невероятно редкой и будет существовать в таких мизерных количествах, что маловероятно, что мы когда-либо сможем собрать достаточно, чтобы построить червоточину. Однако теория Эйнштейна не смогла полностью объяснить тонкости гравитации и мало углубилась в квантовую физику, так что способ все же есть. Но без этой отрицательной энергии или материи проходимая червоточина была бы невозможна. Жоао Роса, физик из Тартуского университета в Эстонии, говорит о возможности путешествия через червоточины:

Возможность посетить другие звезды или даже другие галактики, возможно, найти инопланетные цивилизации, а также возможность вернуться в прошлое или не ждать будущего долгое время были частью человеческого воображения и фантазии, а червоточины обеспечивают относительно простое и универсальное решение для обеих этих проблем. Присутствие этой отрицательной материи необходимо, поскольку она предотвращает обрушение горловины червоточины на путешественника. Любой путешественник, пытающийся пересечь червоточину, которая не удовлетворяет этому, будет раздавлен внутри, когда туннель рухнет.

Роза пыталась фактически построить стабильную, проходимую червоточину, используя модифицированную форму сверхъестественной гравитации, называемую обобщенной гибридной метрической гравитацией Палатини. Эта измененная форма гравитации следует теории Эйнштейна, но допускает большую свободу действий и гибкость в связях между материей и энергией, а также пространством и временем. Ранее об этом уже говорили другие ученые, но Роза нашла теоретический способ сделать это, не требуя отрицательной массы или энергии. Сделать это, по его мнению, можно, если вход в червоточину заслоить серией двойных тонких оболочек из регулярной материи. Роза объясняет:

Что происходит, так это то, что эти гравитационные эффекты, необходимые для обеспечения проходимости червоточины, происходят естественным образом, если изменить гравитацию, и экзотическая материя [материя с отрицательной массой] больше не нужна для этой цели. Это всего лишь очень маленький шаг к конечной цели: теперь нужно использовать экспериментальные данные и наблюдения (например, гравитационные волны и траектории звезд вблизи центра Млечного Пути), чтобы проверить и, надеюсь, подтвердить справедливость этих теорий.

На данный момент использование червоточин для реальных путешествий по звездному морю остается областью научной фантастики, но кто знает, куда заведет нас будущее? Другая теория преодоления скорости света заключается в использовании того, что обычно называют «варп-двигателями», также являющимися образцом бесчисленных научно-фантастических историй. Основная идея заключается в том, что мы можем обойти предел скорости Вселенной, согнув ткань реальности, деформируя пространство и время так, чтобы они обтекали нас и сближали две точки. Эта концепция была впервые серьезно рассмотрена в 1994 году физиком Мигелем Алькубьерре, который считал, что существует гипотетический способ создания «варп-пузыря», то есть пузыря, который изгибает пространство-время перед собой и расширяет его назад таким образом, что позволяет «плоской» области внутри пузыря двигаться быстрее света. Чтобы представить себе, что в данном случае означает слово «плоский», представьте Вселенную в виде мата, который искривляется в присутствии материи и энергии. Гравитация — это в основном склонность объектов скатываться в углубления или изгибы этого мата, которые могут быть созданы такими вещами, как звезды и планеты, поэтому «плоский» будет подобен неизогнутому мату, на котором ничего нет.

По сути, варп-двигатель будет сжимать пространство-время, чтобы сделать ваш путь короче, что позволит вам двигаться быстрее скорости света, не нарушая при этом теории относительности или причинно-следственной связи. Один из способов представить это — представить чашку через стол от вас на коврике вне досягаемости. Вы можете встать и подойти, чтобы поднять его, или вы можете просто потянуть коврик на себя и протянуть руку, чтобы взять чашку. Варп-двигатель будет работать примерно так. Физик доктор Гарольд «Сонни» Уайт приводит другой пример:

Это как использовать «путешественник» — горизонтальные ленточные конвейеры в крупных аэропортах. Обычно вы идете со скоростью около трех миль в час от одних ворот к другим. Но в некоторых местах у вас есть эти горизонтальные «путешественники», и вы наступаете на них. Итак, вы все еще идете со скоростью три мили в час, но лента тоже движется. Концептуально говоря, ремень сжимает пространство перед вами и расширяет пространство позади вас, так что он увеличивает вашу кажущуюся скорость. Но локально вы все еще движетесь с той же скоростью.

Согласно Алькубьерре, квантовая теория поля допускает существование областей пространства-времени с отрицательной плотностью энергии, известных как эффект Казимира. Он предположил, что если вокруг космического корабля может быть создано «кольцо» отрицательной массы, то пространство-время, возможно, может сжаться перед кораблем и расшириться за ним, что позволит космическому кораблю двигаться быстрее скорости света, не нарушая закон Эйнштейна. теории, потому что она просто движется на волне, порожденной расширением и сжатием локального пространства-времени. Проблема в том, что, как и в случае с червоточинами, такой варп-двигатель потребует огромного количества отрицательной энергии или массы, чтобы заставить его работать, и, хотя у него были идеи о том, как генерировать отрицательную массу, считалось, что для этого требуется слишком много обычной массы и энергии, чтобы сделать это возможным. Чтобы представить это в перспективе, в 1999 году физик Крис Ван Ден Брок предложил способ снизить потребность в энергии для такого варп-двигателя, увеличив объем внутри пузыря, но сохранив площадь поверхности постоянной, но для этого все равно потребуется масса, эквивалентная массе варпа. солнце, что делает его едва практичным. Тем не менее, были исследователи, работающие над исправлением этого.

Одним из них является группа физиков Алексея Бобрика и Джанни Мартире, которые разработали модель варп-двигателя, который мог бы значительно сократить потребление энергии за счет использования положительной энергии (то есть «нормальной» энергии) или смеси отрицательных. и положительной энергии в сочетании с огромной гравитационной силой, но все же потребовалось бы сжать массу размером с планету до управляемого размера модуля космического корабля, чтобы использовать ее гравитацию, что исключает наши нынешние средства для строительства. Еще одним исследователем, работающим над этой проблемой, является физик Эрик Ленц из Геттингенского университета в Германии, который считает, что нашел решение, позволяющее приблизить варп-двигатели к реальности без необходимости использования отрицательной энергии и с использованием обычных источников энергии.

В статье 2021 года Ленц предположил, что работающий варп-двигатель может быть создан без отрицательной энергии с использованием нового класса сверхбыстрых солитонов, которые представляют собой волны, сохраняющие свою форму и энергию при движении с постоянной скоростью. Обладая достаточной энергией, эти солитоны гипотетически могут быть помещены в конфигурации, которые могли бы по существу функционировать как «варп-пузырь», способный сжимать пространство перед собой и расширять пространство позади, чтобы двигаться быстрее света и позволять объекту проходить сквозь пространство-время, в то время как защищены от экстремальных приливных сил, и все это без использования экзотических материалов и в соответствии с теорией относительности. Однако есть некоторые препятствия. Проблема с методом Ленца заключается в том, что для его работы потребуется чрезвычайно большое количество энергии, превышающее все, что мы можем практически произвести в данный момент, хотя Ленц считает, что способы могут быть. Он объясняет это:

Энергия, необходимая для этого двигателя, движущегося со скоростью света, охватывающего космический корабль радиусом 100 метров, порядка сотен раз превышает массу планеты Юпитер. Экономия энергии должна быть резкой, примерно на 30 порядков, чтобы быть в пределах досягаемости современных ядерных реакторов деления. Эта работа продвинула проблему путешествий со скоростью, превышающей скорость света, на один шаг от теоретических исследований в фундаментальной физике и ближе к технике. Следующим шагом является выяснение того, как снизить астрономическое количество энергии, необходимой для достижения диапазона современных технологий, таких как большая современная атомная электростанция. Затем можно будет говорить о создании первых прототипов.

На данный момент путешествия со скоростью, превышающей скорость света, все еще остаются в области научной фантастики, но они начали выходить из тени как нечто, что, по крайней мере, гипотетически возможно. Подобные исследователи в значительной степени демистифицируют эту концепцию и заложили основы для возможного использования такого рода технологий в будущем. Сможем ли мы когда-нибудь выйти за пределы нашей Солнечной системы и проникнуть в новые миры за пределами звезд? Нет никакого способа быть уверенным, но на данный момент это не похоже на обсуждение, и хотя это может не произойти при нашей жизни, возможно, наши внуки или правнуки будут воспринимать эту технологию как должное и жить в других мирах.

Источник