Варп-двигатели - одна из наиболее правдоподобных концепций научной фантастики, по крайней мере, с математической точки зрения. Теперь компания Applied Physics, многопрофильная группа международных ученых и инженеров, запустила Warp Factory - программное обеспечение с открытым исходным кодом, которое любой желающий может использовать для создания функционального варп-привода. “Теперь физики могут создавать и совершенствовать различные конструкции варп-двигателей всего несколькими щелчками мыши, что позволяет нам развивать науку на сверхскоростной скорости”, - сказал Джанни Мартире, генеральный директор Applied Physics. “Warp Factor служит виртуальной аэродинамической трубой, позволяющей нам тестировать и оценивать различные конструкции варп-двигателей. Научная фантастика сейчас постепенно приближается к научным фактам”.
Многие люди были бы знакомы с варп-двигателями, по крайней мере, как с концепцией. Поклонники вселенной "Звездного пути" и других менее масштабных научно-фантастических франшиз смирились с идеей космических путешествий со сверхсветовыми скоростями - это, во-первых, ускоряет повествование и означает, что персонажи могут пересекать галактики, не старея на тысячи лет. Но многие были бы удивлены, узнав, что варп-двигатели на самом деле имеют научную основу. В научно-фантастической литературе сверхсветовое перемещение (FLT) достигается за счет искривления пространства–времени вокруг объекта (например, космического корабля), отсюда и термин "варп-двигатель’. Но что такое пространство-время? В физике пространство-время - это концептуальная модель, которая объединяет три измерения пространства (набор координат x, y и z; физическое местоположение) с четвертым измерением: временем (t). Представление о Вселенной как о едином континууме, в котором пространство и время переплетены, означает, что время, рассматриваемое в соответствии с классической физикой как независимая сущность, на самом деле подвержено влиянию, когда объект перемещается в пространстве. Альберт Эйнштейн помог развить идею пространства-времени как часть своей теории относительности, которая, по сути, является двумя взаимосвязанными теориями.
Специальная теория относительности Эйнштейна объясняет взаимосвязь между пространством, временем, массой и энергией и утверждает, что энергия (E) равна массе (m), умноженной на скорость света (c) в квадрате. E = mc2. То есть энергия и масса – это разные, взаимозаменяемые версии одного и того же явления, но скорость света постоянна - она одинакова повсюду во Вселенной. Одним из следствий этой знаменитой теории является то, что по мере ускорения движения объекта его наблюдаемая масса увеличивается. Когда объект приближается к скорости света, его наблюдаемая масса становится бесконечно большой, поэтому для приведения его в движение требуется бесконечное количество энергии. Таким образом, согласно специальной теории относительности, скорость света является абсолютным пределом скорости Вселенной. Специальная теория относительности относится к объектам, которые не ускоряются (так называемые инерциальные системы отсчета), но не учитывает гравитацию. Для этого и существует общая теория относительности.
Общая теория относительности утверждает, что гравитация - это то, как масса искривляет пространство и время. Чем больше масса, тем сильнее она искривляет пространство-время. Эти искривления, или кривые, ограничивают движение всего во Вселенной, потому что объекты должны следовать траекториям, соответствующим этой искривленной кривизне. Здесь мы получаем классическое изображение шара для боулинга (представляющего собой массивный объект), помещенного на растянутый резиновый лист (представляющий пространство-время). Если на лист положить шарик, он покатится к шару для боулинга и может даже "вращаться" вокруг него. Это происходит не потому, что большая масса излучает силу, притягивающую меньшую массу, а потому, что меньшая масса перемещается по поверхности, которая была деформирована присутствием большей массы.
Варп-двигатели - это решения уравнений поля Эйнштейна, которые составляют ядро его общей теории относительности и позволяют рассчитать, как определенное распределение вещества и энергии деформирует пространство-время. Уравнения слишком сложны, чтобы рассматривать их здесь, но для упрощенного объяснения посмотрите видео, представленное ниже физиком-теоретиком и философом науки Сабиной Хоссенфельдер. Она обсуждает общую теорию относительности на отметке 3:54 и переходит к обсуждению исследований, которые представлены в следующем разделе. Теория Эйнштейна научила нас, что пространство может деформироваться с помощью энергии. Энергетический пузырь, окружающий объект, например космический корабль, сжимает пространство перед ним и расширяет пространство позади него. Деформация приводит к тому, что желаемые точки перемещаются ближе к объекту, то есть он может перемещаться, не двигаясь с места. Но главный вопрос во всем этом заключается в следующем: из какого типа энергии сделан пузырь?
В 1994 году физик-теоретик Мигель Алькубьерре предположил, что космический корабль мог бы перемещаться быстрее скорости света, используя этот механизм сжатия-расширения. По сути, корабль оставался бы заключенным в энергетический пузырь, и его экипаж не ощущал бы межзвездного путешествия. К сожалению, математические уравнения Алькубьерре не объясняли, как предложенный им варп-двигатель позволял перемещаться со скоростью, превышающей скорость света. Кроме того, для этого требовалось большое количество "отрицательной энергии" – чего-то, чего не существует. Многие считали, что двигатель Алькубьерре недостижим. После Алькубьерре "реальность" варп-двигателей сильно изменилась. Концепция по-настоящему возродилась только в 2020 году, когда вышла следующая важная статья: Алексей Бобрик и Джанни Мартире представили физические варп-двигатели. В этой статье Бобрик, астрофизик-теоретик, и Мартир, физик-самоучка и технический предприниматель, разработали первую в мире модель физических варп-двигателей, которая позволяет избежать проблем, связанных с моделью Алькубьерре. Важно отметить, что модель исследователей была связана с субсветовыми путешествиями, то есть перемещениями медленнее скорости света.
Исследователи из прикладной физики описывают варп-двигатели как “инерционно движущиеся оболочки из материала с положительной или отрицательной энергией, которые заключают "пассажирскую" область в плоскую метрику". Чем массивнее становится сферическая оболочка, тем большее влияние она оказывает на пространство–время внутри нее - значительная масса создает значительный эффект. Модель Бобрика-Мартира снизила энергопотребление в 30 раз и доказала, что варп-двигатели могут функционировать без теоретического топлива, такого как отрицательная энергия, что якобы подтверждает физическую возможность варп-двигателей. Хотя исследование не объяснило, как объект может быть ускорен до сверхсветовых скоростей, оно обеспечило прочную математическую основу для изучения варп-двигателей. После просмотра "Звездного пути: Следующее поколение" в детстве физик Эрик Ленц загорелся идеей воплотить в жизнь варп-двигатели. В сочетании с недавно опубликованной статьей Бобрика и Мартира статья Ленца "2021" вызвала ажиотаж в средствах массовой информации по всему миру, возродив в общественном сознании идею сверхсветовых путешествий.
Используя уравнения поля Эйнштейна, Ленц соединил вместе неизведанные конфигурации варп–пузырей – он назвал их "солитонами" - и получил устройство, которое могло обеспечить сверхсветовое путешествие, используя только положительную энергию из обычных источников энергии. В пресс-релизе, сопровождающем исследование, Ленц предположил, что при условии выработки достаточного количества энергии уравнения, которые он использовал, позволят совершить космическое путешествие от Земли к Проксиме Центавра, ближайшей из известных звезд к Солнцу, и обратно “за годы, а не за десятилетия или тысячелетия”. Однако энергия оставалась препятствием для реализации реального физического варп-двигателя, и Ленц не объяснил, как его модель положительной энергии позволяет избежать отрицательных энергий. “Энергия, необходимая для того, чтобы этот двигатель двигался со скоростью света, охватывая космический аппарат радиусом 100 метров [328 футов], в сотни раз превышает массу планеты Юпитер”, - сказал Ленц. “Экономия энергии должна быть значительной, примерно на 30 порядков, чтобы достичь уровня современных ядерных реакторов деления”.
Бобрик и Мартир снова включились в дискуссию в 2024 году, сотрудничая с исследователями из Израильского технологического института и Университета Алабамы, чтобы опубликовать статью под названием "Анализ пространства-времени с использованием варп-двигателя с помощью Warp Factory". Одновременно с публикацией исследования был запущен упомянутый Warp Factory. Разработанная в лаборатории прикладной физики Applied Physics (APL), Warp Factory позволяет исследователям, стремящимся воплотить в жизнь варп-двигатели, моделировать пространство-время с помощью варп-двигателей. Программное обеспечение с открытым исходным кодом выполняет уравнения поля Эйнштейна и вычисляет энергетические условия, среди прочего, предоставляя пользователям 2D и 3D визуализации. Код доступен на GitHub. “Используя Warp Factory, исследователи могут тщательно исследовать широкий спектр показателей warp, особенно в тех случаях, когда аналитические расчеты становятся непрактичными”, - говорят исследователи. Чего вы ждете? Вас ждут межзвездные путешествия! Сделайте это!
