Будут ли люди будущего использовать варп-двигатели для исследования космоса? Мы не в состоянии исключить такую возможность. Но если наши далекие потомки когда-нибудь это и сделают, то без использования кристаллов дилития, а шотландский акцент к тому времени канет в лету. Варп-двигатели берут свое начало в одной из самых популярных научно-фантастических франшиз всех времен, но у них есть и научная основа. В новой статье рассматривается научная основа, стоящая за ними, и задается вопрос, может ли сбой в защитной оболочке варп-двигателя вызвать заметные гравитационные волны. Статья называется "То, чего никто раньше не видел: гравитационные волны при коллапсе варп-двигателя" и размещена на сервере препринтов arXiv. Авторы - Кэти Клаф, Тим Дитрих и Себастьян Хан, физики из институтов в Великобритании и Германии. В Общей теории относительности есть место для варп-двигателей, и мексиканский физик Мигель Алькубьерре в 1994 году описал, как они теоретически могут работать. Он хорошо известен в кругах космологов и физиков благодаря своему стремлению к Алькубьерре.
Всем известно, что ни один объект не может двигаться быстрее скорости света. Но варп-двигатели могут предложить обходной путь. Искривляя само пространство-время, космический корабль с варп-двигателем не будет нарушать правило сверхсветовой скорости (FTL). "Несмотря на то, что варп-двигатели появились в научной фантастике, они имеют конкретное описание в общей теории относительности, и Алькубьерре впервые предложил пространственно-временную метрику, которая поддерживала перемещение со сверхсветовой скоростью", - пишут авторы. На пути к созданию варп-двигателя существуют явные научные препятствия. Но можно смоделировать, как он будет работать и как его можно будет обнаружить с помощью гравитационных волн в случае сбоя. Варп-двигатели искажают само пространство-время, точно так же, как бинарные слияния компактных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды. Теоретически возможно, что они излучают гравитационно-волновой сигнал в том же духе, что и слияния. "Чтобы искать такие сигналы и правильно идентифицировать их в измеренных данных, важно понимать их феноменологию и свойства", - объясняют авторы.
Все начинается с понимания того, как могут работать варп-двигатели, а для этого нам нужно глубоко погрузиться в физику. "Основная идея варп-двигателя заключается в том, что вместо превышения скорости света непосредственно в локальной системе отсчета, что нарушило бы Лоренц-инвариантность, "варп-пузырь" мог бы преодолевать расстояния быстрее скорости света (измеряемой каким-либо удаленным наблюдателем) за счет сжатия пространства-времени перед ним и расширяющееся пространство-время позади него", - говорится в статье. Первое препятствие заключается в том, что для варп-двигателей требуется нулевое энергетическое условие (NEC). Физика утверждает, что область пространства не может иметь отрицательную плотность энергии. Для этого существуют теоретические решения, но на данный момент ни одно из них не применимо на практике. "Другие проблемы, связанные с метрикой варп-двигателя, включают в себя возможность возникновения замкнутых временных кривых и, с более практической точки зрения, трудности для тех, кто находится на корабле, в управлении и деактивации пузыря", - объясняют авторы.
Это связано с тем, что у экипажа не было бы возможности посылать сигналы в переднюю часть корабля. Как объяснялось в предыдущей статье, события внутри пузыря сложно влияют на события за пределами варп-пузыря. "С точки зрения динамического моделирования варп-двигателя, ключевой проблемой является стабильность", - объясняют авторы. Уравнения показывают, что двигатель Алькубьерре может инициировать варп-пузырь, используя уравнение Эйнштейна, но никакие известные уравнения не могут его поддерживать. "Насколько нам известно, не существует известного уравнения состояния, которое поддерживало бы показатели варп-двигателя в стабильной конфигурации с течением времени. Следовательно, хотя изначально можно требовать, чтобы варп-пузырь был постоянным, он быстро выйдет из этого состояния, и в большинстве случаев деформации варп-жидкости и пространства-времени рассеются или схлопнутся в центральную точку." Хотя нестабильность является главным препятствием для варп-двигателей, она же может сделать их заметными. Если двигатель Алькубьерре развивает постоянную скорость, его невозможно обнаружить. Он не генерирует гравитационных волн и не имеет массы ADM. ADM расшифровывается как Arnowitt–Deser–Misner, названный в честь трех физиков.
Но варп-двигатель невозможно обнаружить, только если он постоянный и стабильная работа. Как только он выйдет из строя, ускорится или замедлится, его можно будет обнаружить. В своей работе авторы допускают коллапс пузыря варп-двигателей. "Физически это может быть связано с поломкой защитного поля, которое цивилизация после варпа (предположительно) использует для защиты варп-пузыря от разрушения", - пишут они. В их формулировках природа самого корабля не важна. Значение имеют только деформационный пузырь и деформационная жидкость внутри него. Исследователи смоделировали разрушение деформационного пузыря. Они обнаружили, что коллапс породил гравитационные волны с характеристиками, отличными от тех, которые возникают при слияниях. "Сигнал поступает в виде всплеска, первоначально не содержащего гравитационных волн, за которым следует период колебаний с характерной частотой порядка 1/[R]", - пишут они. "В целом, сигнал сильно отличается от типичных компактных двойных слияний, наблюдаемых детекторами гравитационных волн, и больше похож на такие события, как коллапс нестабильной нейтронной звезды или лобовое столкновение двух черных дыр".
Авторы отмечают, что, хотя варп-привод создает высокочастотный сигнал, он находится за пределами частотного диапазона наших современных наземных детекторов. "Были сделаны предложения по созданию высокочастотных детекторов, так что в будущем, возможно, удастся ограничить существование таких сигналов", - пишут они. Сам корабль также мог бы посылать какой-то сигнал с несколькими передатчиками, но трудно понять, как материя корабля будет взаимодействовать с обычной материей. "Поскольку мы не знаем, какой тип материи использовался для создания варп-корабля, мы не знаем, будет ли он взаимодействовать (помимо гравитационного) с обычной материей при ее распространении по Вселенной", - объясняют исследователи. Это забавный мысленный эксперимент. Возможно, что когда-нибудь в отдаленном будущем появится какой-то способ обойти сверхсветовые путешествия. Если это произойдет, это может быть связано с лучшим пониманием темной материи и темной энергии. Если какие-либо инопланетяне существуют, они могут быть в состоянии использовать фундаментальные знания о Вселенной, которыми мы пока не обладаем.
Если они придумают, как сконструировать и использовать варп-двигатель, то, несмотря на все кажущиеся невозможными возможности, их деятельность может создать гравитационные волны, которые наши будущие обсерватории смогут обнаружить даже в других галактиках. Но пока все это теоретически. "Мы предупреждаем, что полученные формы сигналов, вероятно, будут очень специфичны для используемой модели, которая имеет несколько известных теоретических проблем, как обсуждалось во введении", - пишут авторы в своем заключении. "Потребуется дальнейшая работа, чтобы понять, насколько характерны эти сигнатуры, и должным образом охарактеризовать их обнаруживаемость". Без сомнения, некоторые любопытные физики продолжат работать над этим.
