Всем привет! С вами подкаст «Феи / Роботы / Пришельцы», меня зовут Сергей Балашов. Продолжаем сегодня космическую тему!
Мы уже рассуждали, каким будет человек космический. Поговорили о том, как полетят к звездам корабли-ковчеги. Теперь сделаем шаг еще дальше в область фантастики. Сегодня наша тема - сверсветовые корабли, способные очень быстро доставить нас в любую точку Вселенной. Варп-двигатель, гиперпространство, червоточины и сеть порталов. Как это работает, насколько это достижимо, и что по этому поводу думает современная физика? Об этом и поговорим.
Размеры космоса и скорость света
Путешествие со скоростью, превышающей скорость света, является одним из основных элементов космической фантастики.
Как мы уже говорили, космос огромен. Другие планетные системы находятся так далеко от нас, что даже свету требуются годы, десятилетия или тысячелетия, чтобы добраться до них.
Аппарат «Вояджер-1», самый далеко улетевший рукотворный объект, удалился от Земли на расстояние 23 миллиарда километров (156 а. е = 21 световой час) от Солнца.
До середины XX века писателям-фантастам могло сойти с рук, что инопланетяне прилетели с Нептуна. Да что там, даже Венера и Марс предполагались вполне обитаемыми мирами. Увы, в настоящее время мы знаем, что остальная часть нашей Солнечной системы почти наверняка лишена других форм жизни. Поэтому для того, чтобы описать колонизацию другого мира, и тем более встретить инопланетян, мы должны выйти за пределы Солнечной системы.
Для любых типов имеющихся сейчас двигателей космос все равно остается слишком большим. С точки зрения физики, как мы ее сейчас понимаем, добраться до любой, хоть сколько-нибудь интересной звезды невозможно в течение средней продолжительности жизни цивилизация.
Даже корабли поколений и корабли спящих будут лететь столетия. А для того, чтобы главные герои фантастического романа могли правдоподобно посещать новые планеты, им нужно путешествовать в космосе со скоростью, превышающей скорость самого света.
Проблема в том, что с точки зрения современной науки двигаться со скоростью равной и тем более превышающей скорость света в вакууме материальному объекту совершенно невозможно.
Скорость света, а точнее скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, равна 300 000 километров в секунду. Это фундаментальная физическая постоянная, которая характеризует свойства пространства-времени в целом.
Писатели решают эту проблему, создавая что-то, позволяющее путешествовать быстрее скорости света. Такое встречается практически в любом научно-фантастическом сеттинге — как в хорошо продуманном мире, старающемся быть как можно ближе к современной науке, так и в космоопере, где нужно переметить персонажей из точки А в точку Б.
Что интересно, сверхсветовые путешествия так часто встречаются в космической фантастике, что их вполне можно классифицировать, собрать набор допущений, которые неоднократно используют писатели. Фактически существует несколько широких категорий технологий, каждая со своими возможностями и ограничениями.
Для сверхсветового путешествия требуется «сверхсветовой двигатель», устройство, которое позволяет обойти законы физики и при активации разгоняет корабль до скорости, превышающей скорость света.
Названия таких устройств могут отличаться. Некоторые авторы используют термины, уже ставшие привычными: «варп-двигатель», «подпространство». Другие предпочитают придумать свое название для одного из таких принципов. Иногда то, что мы называем «гипердвигателем» или «прыжковым двигателем», в другом произведении назовут по-другому. Иногда авторы смешивают и объединяют понятия. Например, в сериале «Вавилон 5» используют «прыжковый двигатель» для гиперпространственной системы, а во вселенной Warhammer 40,000 «варп-двигатель» перемещает в пугающее подпространство.
Будем смотреть на содержание, а не название. Термин не так важен, как принцип работы такого двигателя.
Конечно, большинство авторов фантастики - писатели, а не физики и математики. Они понимают, что нарушают строгие принципы современной науки, когда позволяют своим героям путешествовать на сверхсветовой скорости. К счастью, это не мешает создавать хорошие произведения.
Итак, какие бывают способы достичь дальних миров?
Варп-двигатель
Корабль не сам движется быстрее света, но вместо этого сокращает расстояние, которое ему нужно пройти. Позади корабля пространство «раздувается» и перед кораблем «сжимается». При этом корабль оказывается внутри варп-пузыря — сферы искривленного пространства. Относительно пузыря корабль неподвижен, а движется сам варп-пузырь вместе с кораблем. В том числе, за счет сжатия пространства, перемещается к цели быстрее, чем туда прилетят фотоны света, не нарушая никаких физических законов.
В отличие от других методов, с помощью варпа корабль продолжает путешествовать в нашей обычной вселенной, а не через другое измерение или червоточину, и, таким образом, все еще подвергается всем обычным опасностям межзвездного путешествия. Метеориты, столкновения с другими небесными телами, гравитационное влияние звезд и черных дыр – все это может повлиять на корабль, скользящий внутри варп-пузыря. Но стороннему наблюдателю покажется, что корабль движется невероятно быстро.
Варп-двигатель, вероятно, самый реалистичный метод сверхсветового путешествия. По крайней мере, на уровне физики может существовать двигатель Алькубьерре. Эту теоретическую идею предложил в 1994 году мексиканский физик-теоретик Мигель Алькубьерре. Такой двигатель основан на решении уравнений поля Эйнштейна в общей теории относительности. Можно представить такой набор параметров в уравнения, чтобы привод сжимал пространство перед кораблем. Для этого нужно создать настраиваемое поле с плотностью энергии ниже, чем у вакуума, то есть с отрицательной массой. Пока что у нас нет понимания, существует ли такая «экзотическая материя» с отрицательной массой.
Как остановить пузырь Алькубьерре, когда он прибудет в пункт назначения, является полной загадкой для современной науки, но писатель-фантаст, который хочет использовать привод, может выдвинуть гипотезу, что пузырь лопается, когда он попадает в гравитационный колодец, поскольку ничто не запрещает объектам извне воздействовать на пузырь.
Таким образом, навигация проста: наведите корабль прямо на цель, включите варп-двигатель и вращайтесь, пока корабль не достигнет гравитационного колодца целевой звезды, пузырь лопнет, и вы вернетесь в нормальное пространство. Однако, если вы промахнетесь, прибытие на другой конец галактики — это самое легкое из возможных последствий.
Также, возможно, что при создании такого пузыря варпа энергетическое поле будет все равно распространятся со скоростью света. То есть наш корабль сможет долететь до Проксима Центавра меньше, чем за 4,5 года. Но перед этим команде придется ждать этот срок, пока пузырь будет готов для полета. И нет, работающего прототипа варп-двигателя у нас пока что нет. Все наработки в этой сфере относятся к теоретической физике.
Авторам фантастики, конечно, удается решить все проблемы фактического создания работающего двигателя Алькубьерре. Похожий принцип движения был описан в романе «Люди как боги» советского фантаста Сергея Снегова, так что возможно приоритет такого концепта принадлежит нам.
Варп стал популярным в научной фантастике как метод достижения сверхсветовой скорости, без нарушения текущего понимания законов физики. Один из самых известных примеров – сериал «Звездный путь».
Гипердвигатели
Развитие идеи варп-двигателя – это перемещение через подпространство.
Корабль покидает локальное пространство и входит в другое измерение, где можно двигаться быстрее. Это позволяет кораблю обойти ограничения физики, перемещаясь в место, где физика больше не применяется, по крайней мере в известном нам виде. Путешествие по этому параллельному измерению по-прежнему требует времени, что позволяет найти золотую середину между мгновенным путешествием и непрактично долгим путешествием. Альтернативное измерение часто называют «подпространством» или «гиперпространством», а устройство, позволяющее войти в него, часто называют «гипердвигателем». Один из самых известных «гиперпространственных» способов перемещения – это вселенная «Звездных войн».
В реальном мире термин «гиперпространство» относится к математическим понятиям, включающим более трех измерений. В лексикон научной фантастики это слово вошло со времен журналов 1930-х годов. Термин «подпространство» тоже пришел в фантастику из математики. Оба понятия могут использоваться как синонимы, или обозначать разные способы нарушить законы физики. Обычно подпространство допускает только передачу данных, но переносит их почти мгновенно. Гиперпространство работает медленнее, но зато позволяет перемещаться со сверхсветовой скоростью материи (космическим кораблям).
В любом случае, подпространство или гепреспейс – это другой мир, «изнанка космоса».
Здесь не действуют привычные законы физики. Как правило, для описания такого места автор упоминает «семимерное пространство», «неэвклидову геометрию», понять которые могут только несколько совершенно безумных ученых.
Подпространство даже можно назвать параллельным измерением. Фактически, это научно-фантастический аналог «Волшебного мира», мира потустороннего.
В гиперпространстве не действуют естественные законы. Оно вполне может оказаться опасным для обычной жизни — даже более опасным, чем сама пустота космоса.
Если что-то пойдет не так во время гиперпространственного путешествия, результаты будут разными. Если экипажу повезет, корабль просто вернется в нормальное пространство или будет уничтожен мгновенно и относительно безболезненно. Если это не так, корабль вообще не вернется. Иногда произойдет что-то похуже.
Самое известное опасное подпространство описано во вселенной игр и книг «Warhammer 40,000». В мире далекого мрачного будущего наиболее распространенный способ сверхсветовых путешествий – это особое пространство, известное как Варп. Это, кстати, пример путаницы терминов. В данном случае варп не имеет отношения к тому принципу, про который мы говорили выше, это собственное название местного опасного альтернативного мира. В этом пространстве нет времени в нашем понимании, но что более важно, это источник всех эмоций и идей для всех рас галактики.
Путешествие через Варп означает путешествие через очень буквальный ад, полный демонов, темных богов и так далее. Силовые поля поддерживают "нормальное" пространство внутри и вокруг корабля, но иногда обитатели просачиваются сквозь них, захватывая весь экипаж корабля.
Даже обычное пространство не защищено от подпространства. Иногда наш мир и Варп-пространство могут наложиться друг на друга. Во время такой катастрофы, называемой Варп-шторм, образуется разлом, который может поглотить планеты, звездные системы или даже целые сектора космоса.
Впрочем, такие крайности – это не обязательная часть путешествия. В других произведениях путь через «изнанку космоса» проходит скучно и обыденно, а корабли не встречают ничего, кроме пустоты.
Прыжковые двигатели и червоточины
Следующий тип - прыжковые двигатели. Корабль мгновенно исчезает и снова появляется в другом месте. Это часто достигается за счет изменения самого пространства — вместо того, чтобы двигаться быстрее света, сокращается расстояние, которое необходимо пройти. Обычно применяют аналогию с листом бумаги; если вам нужно провести линию от одной точки к другой, лучше всего согнуть бумагу так, чтобы точки оказались прямо друг над другом, и проколоть лист иголкой. Такой прыжок также называют «проколом пространства».
Например, в романах серии «Полдень XXII век» братьев Стругацких всякое тело у светового барьера при определенных условиях чрезвычайно сильно искажает форму мировых линий и как бы прокалывает пространство. Это прокалывание называется деритринитацией, или сокращенно Д-принципом.
Такие двигатели, как правило, являются самыми быстрыми сверхсветовыми приводами, но иногда есть ограничения — чаще всего они ограничены по дальности. Нужно сделать серию прыжков, чтобы преодолеть более длинные дистанции. Возможно, потребуются повторные калибровки между прыжками. Также часто для такого прыжка требуются сложные вычисления. Требуется очень точное представлять, где вы находитесь и куда направляетесь, либо нужно проложить курс вокруг препятствий, таких как звезды.
В любом случае прыжок нельзя торопить. Разумеется, по законам приключенческого жанра, обязательно наступит ситуация, когда подготовка к прыжку будет невозможна. Если корабль не прыгнет прямо сейчас, он будет обречен. Тогда команда использует последний шанс: прыжок вслепую. Без вычислений, просто нажать кнопку и надеяться на чудо. Конечно же, шансы на успешный прыжок в таком случае – один на миллион, но герои произведения с этим справятся. В худшем случае – окажутся в поясе астероидов в сотнях световых лет от точки назначений.
Часто для прыжка через ткань пространства требуется особый навигатор. Для того, чтобы вести корабль в сверхсветовом путешествии, иногда нужен человек с экстрасенсорными способностями. Предвидение может понадобиться для обнаружения препятствий до столкновения с ними, или для чрезвычайно сложных вычислений маршрута, неподвластных компьютерам. Этот прием позволяет внести больше драмы в процесс путешествия, когда судьба корабля и всех, кто находится на борту, находится в руках одного талантливого человека, а без него придется прыгать вслепую, полагаясь на удачу.
Такие навигаторы известны нам по романам вселенной «Дюна» Френка Герберта. Для прыжка от одной планеты к другой требовался не просто экстрасенс, а специально измененный человек. Навигаторы Космической Гильдии погружаются в концентрированный спайсовый газ, чтобы обрести способности к предвидению. Без них корабли, участвующие в космическом прыжке, имеют один шанс из десяти бесследно исчезнуть.
При использовании прыжка через пространство корабль может сам создавать «проколы», в этом случае на нем должен быть установлен специальный «прыжковый двигатель» или «генератор проколов». А можно использовать уже существующие (гипотетически) пространственные дыры – так называемые «червоточины», или «кротовые норы».
Червоточины – это научная гипотеза, следствие тех же уравнений, что и черные дыры. Общая теория относительности допускает существование таких туннелей, хотя для существования проходимой кротовой норы необходимо, чтобы она была заполнена экзотической материей с отрицательной плотностью энергии.
Мы пока что не можем их найти или как-то использовать. Но в художественной литературе, червоточины — это вихревые энергетические разрывы пространства, через которые попасть из одного места в другое. Они также позволяют путешествовать во времени, действовать как двери в альтернативные вселенные или что-то еще.
Кроме того, если червоточины в космосе расположен достаточно часто и последовательно, они могут стать узлами в межзвездной сети порталов.
Сети порталов
Возможно, сверхсветовые путешествия возможны только между заранее определенными точками. Иногда это сеть естественных червоточин, в других случаях это система Врат, которую кто-то построил. Учитывая, что их создание вручную заняло бы целую вечность, зачастую это остатки древней цивилизации, охватывающей всю галактику.
Межзвездные корабли используют обычные двигатели для того, чтобы долететь до врат и затем «ныряют» в портал. Такие порталы могут работать по-разному. Иногда перемещать корабль с места на место мгновенно, используя квантовую телепортацию. Иногда – отправлять его в путь через гиперпространство. В некоторых фантастических работах переход через портал вызывают дезориентацию, галлюцинации или слабость, что делает экипаж космического корабля временно уязвимым сразу после перехода.
В произведениях, где используется такой способ перемещения, существует множество «островов обитаемости» в космосе. Обычное путешествие между ними отнимает много времени и непрактично. Зато есть набор врат или точек прыжка, соединяющих все обитаемые планеты, что позволяет путешествовать практически мгновенно.
Но ведь для того, чтобы путешествовать между вратами, кто-то должен создать эту сеть порталов?
Для создания межзвездной сети порталов без каких-либо других средств сверхсветовых путешествий, потребуются тысячи, если не миллионы лет. Так что такие вещи нередко делаются Предтечами, некой развитой, но уже исчезнувшей цивилизацией, а сами порталы становятся примером утерянных технологий.
Они могут быть равномерно распределены между обитаемыми мирами, а могут сходиться к одному центральному миру, перекрестку цивилизаций. Например, во вселенной игр Mass Effect центром сети порталов является гигантская станция «Цитадель», а дальние миры зачастую отрезаны от сети телепортаторов.
Тирьям-пам-пация
Также встречаются смешанные типы межзвездных перелетов. На корабле может быть установлен собственный прыжковый двигатель, но использование Врат между мирами быстрее и надежнее. Червоточина может отправлять корабль в долгий путь по подпространству, а длительность пути и точка выхода зависит от параметров входа.
В романе Сергея Лукьяненко «Порог» присутствуют все перечисленные способы сверхсветовых путешествий. Варп-двигатель в той или иной форме изобрели все развитые цивилизации, но потом сочли этот способ слишком опасным и перешли на другие принципы.
Ну и наконец для того, чтобы путешествовать между звездами, в фантастике иногда вообще не нужны обоснования. Давайте просто сломаем физику! Корабль перемещается из одного места в другое, и не надо ломать голову, как именно он это делает.
В некоторых случаях механизм, благодаря которому корабль движется быстрее скорости света, вообще не упоминается. В других случаях это упоминается только в контексте поломки - важно не то, что питает корабль, сколько то, что двигатель сломался, и персонажи что-то делают, чтобы его починить. Такого не увидишь в «твердой» научной фантастике, это скорее признак «космооперы». Но это вовсе не плохо, просто в таких произведениях межзвездное путешествие является фоном для какой-то другой истории.
Особенности путешествий со скоростью больше скорости света
Независимо от того, какой тип двигателя мы используем, есть много принятых в фантастике общих принципов их работы.
Нам нужен будет космический корабль. Иногда космос заполняют легкие «корабли дальнего поиска», способные прыгать по вселенной. Иногда двигатель для межзвездного полета такой сложный, массивный и дорогой, что устанавливается только на самые лучшие, специализированные корабли.
Есть ограничения на точку начала и завершения путешествия. В случае портала или червоточины нужно сперва долететь до них. В других случаях нельзя стартовать слишком близко к поверхности планеты, потому что возникнет зона деформации; большинство сверхсветовых двигателей настолько разрушительны для окружающего их пространства, что их нельзя использовать рядом с планетой. Часто до начала пути требуется произвести сложные расчеты и указать правильное направление.
Зато после начала путешествия корабль, как правило, исчезает из нашего «обычного» мира. Если один корабль преследует другой, и беглецу удастся уйти в сверхсветовой путешествие, беглец как правило недоступен для погони. В некоторых случаях просто потому, что преследователь не будет знать, куда беглецы отправились после того, как совершили прыжок. В других случаях механизм сверхсветовой скорости означает, что невозможно поймать корабль, перешедший сверхсветовую скорость, даже если вы знаете, куда он направляется.
А если во время перемещения сверхсветовой привод перестанет работать, то движение мгновенно. Сломанный гипердвигатель выкинет корабль из гиперпространства; сломанный прыжковый двигатель остановит корабль между прыжками; сломанный варп-двигатель заставит пространство вновь вернуться в привычный вид. Таким образом, корабль все еще может дрейфовать вперед, но уже не так быстро, как раньше, и становится уязвимым для других кораблей со сверхсветовыми двигателями.
Сверхсветовые путешествия не всегда безопасны. Иногда это происходит потому, что гиперпространство — страшное место, там опасно находиться, но это необходимо для путешествия. Иногда причина в нестабильности технологии; одно маленькое неверное движение, и все разлетается вдребезги. А в других случаях такое быстрое путешествие может иметь негативные последствия для пассажиров корабля.
Корабли, движущиеся быстрее света, могут общаться с теми, кто находится в обычном пространстве. Часто у них будут датчики и средства связи, которые позволяют в реальном времени наблюдать все, что происходит за миллионы световых лет от него. Все это позволяет кораблям понять, что нужно двигаться куда-то быстрее скорости света. В некоторых случаях так работает «сверхсветовое радио», которое позволяет кораблям отправлять сообщения быстрее света, даже если они сами не летают в сверхсветовом режиме.
Сверхсветовая связь, однако, открывает несколько неприятных парадоксов причинно-следственной связи. В таком случае получается, что сообщение, отправленное быстрее скорости света, будет получено еще до того, как оно было отправлено. Поэтому в некоторых работах есть сверхсветовые полеты, но нет сверхсветовой связи.
Физика нашей реальности
В завершение разговора вернемся к физике нашей реальности. Скорость света - это предел. Ничто не может двигаться быстрее электромагнитного излучения в вакууме. Сам свет может двигаться медленнее, например в воде. Но на просторах космоса 299*108 м/с – это предел, заложенный в саму физику вселенной.
Если мы говорим об «обычных» двигателях (т. е. ракетах того или иного типа), то даже для достижения скорости света потребуется больше энергии в секунду, чем все отрасли промышленности Земли используют за год. Конечно, с развитием технологий ситуация улучшится. Но все равно - общие формулы для скорости и ускорения таковы, что вам нужно бесконечное количество энергии, чтобы разогнаться до скорости света. Энергия частицы положительной массы стремится к бесконечности при приближении её скорости к скорости света. Это не просто инженерная задача — это принципиально невозможно.
Что касается более «экзотических» форм движения, червоточин, искривления пространства и телепортации, то у них есть общая проблема: никто пока что не знает, как такое вообще можно сделать. Большинство теорий, которые даже затрагивают такие темы, предполагают наличие материи с отрицательной массой или невообразимые требования к мощности, которые буквально превышают астрономические.
Еще одна фундаментальная причина, которая делает невозможной сверхсветовые путешествия: они нарушают причинно-следственные связи.
Допустим, у нас есть два человека, «А» и «Б», разделенных в пространстве. Время для каждого из них может течь с разной скоростью, но скорость света всегда одинакова по отношению к обоим. Если бы А отправил Б сигнал со скоростью, превышающей скорость света, то Б с его точки зрения фактически получил бы сигнал раньше, чем А его отправил. И если бы Б мог отправить сверхсветовой ответ, то он достиг бы A до того, как A передал исходный сигнал! Этот ответ, нарушающий причинно-следственную связь, может затем изменить первоначальный сигнал, который собирался послать А. Тогда ситуация приводит к «парадоксу дедушки» - будущее поменяло прошлое.
Вот почему сверхсветовые путешествия ломают физику, позволяя некоторым наблюдателям видеть события, предшествующие их собственным причинам. А причинность лежит в логической основе всего нашего понимания Вселенной. По сути, это означает, что в специальной теории относительности невозможно двигаться быстрее света.
Заключение
Для того чтобы космический корабль главных героев произведения обогнал луч света, всегда потребуется серьезное фантастическое допущение со стороны автора. Но сама идея настолько заманчива и интересна, что многие ученые, которые выросли на чтении фантастических книг, посвящают свою работу исследованию и развитию таких сверхсветовых двигателей.
На сегодня это все. Спасибо, что читали! Как вы думаете, возможны ли путешествия к другим мирам?
Канал «Феи / Роботы / Пришельцы» можно читать на Яндекс.Дзен, в Телеграме и ВКонтакте. Аудиоверсия подкаста доступна на сервисах Яндекс.Музыка, Apple Podcasts, Google Podcasts и в подкастах ВКонтакте. Видео-версию смотрите на канале YouTube.
Поддержать канал можно на сервисе Boosty по ссылке в описании.
Оставляйте комментарии и ставьте оценки. Не забудьте подписаться на канал, чтобы не пропустить новые выпуски. Скоро увидимся!
