Когда астрофизики (а вместе с ними и остальной мир) начали понимать расстояния, которые отделяют Землю от других небесных тел, то с неизбежной очевидностью возник вопрос - как мы можем до них добраться? Например, расстояние от Земли до Марса составляет 55 млн км. Мы сейчас не берем в расчет целесообразность такого путешествия, но лететь до красной планеты на доступном нам химическом двигателе нужно будет порядка полугода. О путешествии до соседней звезды и речи не идет: мы говорим о сроках, измеряемых в тысячелетия. Соответственно, наша задача - научиться строить все более мощные двигатели, которые бы преодолевали огромные расстояния за секунду, верно?
Не все так просто. Дело в том, что у нас есть ограничение - нельзя двигаться быстрее определенной постоянной, а именно скорости света. Она составляет 300 000 км/с и, по всей видимости, является константой, выйти за рамки которой невозможно. Но если так, то на межзвездных путешествиях и вовсе можно ставить крест, ведь, даже изобретя двигатель с околосветовой скоростью, мы будем ограничены этой скоростью. Да, добираться до соседних солнц получится быстрее, но что насчет других Галактик? Или же все-таки варианты есть? Давайте посмотрим, как на вопрос - можно ли преодолеть скорость света - отвечает современная физика.
Относительная постоянная
Начать следует с вопроса, почему скорость света является постоянной величиной и почему она ограничена. Разве свет не может разгоняться или замедляться? Так считал Ньютон в своей модели классической механики. В системе координат этого физика обогнать свет можно было без труда, ведь время в любой точке Вселенной течет одинаково. В то же время, изучение света и его скорости физиками постепенно привело последних к представлению о том, что это величина постоянная. Точку в вопросе поставил Эйнштейн, который просто исходил из здравого смысла.
Логика следующая. Если бы свет можно было обгонять, то мы могли бы гипотетически видеть неподвижные световые волны. Но такого не происходит. Конечно, свет замедляется в атмосфере и проходя через вещества - постоянной (примерно 300 000 км/с) считается только его скорость в вакууме. Эйнштейн принял ее за константу потому, что ему нужно было найти выход из парадокса, созданного теорией Ньютона. Давайте представим следующую ситуацию: допустим, мы изобрели двигатель, который бы разгонялся до скорости, близкой к световой. И мы летим на нем с Земли на Марс к гипотетическим колонистам будущего. Для астронавтов этот полет занял бы около трех минут. Для них на корабле время текло бы гораздо медленнее, чем для людей на Марсе. На околосветовой скорости оно вообще бы остановилось. По прибытию время на часах астронавтов и аборигенов расходилось на определенную величину.
Если не брать такие радикальные примеры, то относительность по отношению к скорости света проявляется даже в системах GPS. Часы GPS замедляются при движении спутников по орбите, так что в них нужно вносить релятивистские поправки.
Впрочем, согласно Эйнштейну, чем ближе к скорости света объект движется, тем больше он сжимается и тем сильнее увеличивается его масса. На околосветовой скорости масса становится бесконечной, а длина - нулевой. Это следует из знаменитого уравнения E=mc2. Звучит как полный абсурд, и именно поэтому знаменитый ученый посчитал достижение светового барьера невозможным. Но в современной физике все-таки есть пара лазеек.
Игры с пространством
Согласно общей теорией относительности Эйнштейна, пространство-время неразделимы и являются некой «тканью», которую можно растягивать и сжимать. Если это так, то путешествия на скорости света должны затрагивать манипуляции с самим пространством. А именно - растягивать и разрывать его. В первом случае, при растяжении пространства перед нами и сжатии его позади, мы можем как бы «подтягивать» себя от звезды к звезде. В случае с разрывами мы бы создали дыру в полотне пространства и времени, своеобразную «срезку» между двумя точками. Проще всего это представить на примере с листом бумаги. Если двигаться по его плоскости, то путь займет некоторое время. Но если свернуть его так, что два конца соединятся, то мы можем, проделав дыру в листе, мгновенно оказаться на другой стороне.
Рассмотрим первый вариант - растягивание пространства. Идею двигателя на таком принципе предложил физик Мигел Алькубьерре. Звездолет, предложенный им, будет представлять собой некий пузырь. Внутри пузыря пространство и время от приближения к скорости света искажаться не будут. В то же время снаружи пространство деформируется, подтягивая корабль за собой. Получается, звездолет будет двигаться за счет деформации геометрии вокруг себя. Хорошая аналогия - серфингист, который катается на доске по волнам. Он движется не за счет скорости двигателя, а за счет скорости волны, которая толкает доску. Весь вопрос в том, какая энергия понадобится, чтобы оседлать волну пространства-времени?
Ответ - колоссальная. Причем речь не про обычную энергию, а про отрицательную. Отрицательную энергию в небольших количествах удалось получить физикам в 1948 году, согласно эффекту Казимира. Хендрик Казимир предсказал, что две незаряженные пластины из металла, стоящие параллельно, притянутся друг к другу. Почему? Вакуум между пластинами не пуст, а полон виртуальных частиц, возникающих вследствие квантовых событий. Если сблизить пластины, они начнут притягиваться - за счет энергии из случайно аннигилирующих частиц. Притягивание означает отрицательную энергию.
Впрочем, на практике воплотить этот эксперимент удалось только в 1996 году, и сила притяжения оказалось в 30 000 раз меньше веса муравья. Таким образом, идея Алькубьерре имеет право на жизнь, но мы понятия не имеем, откуда брать столько отрицательной энергии.
Ныряем в норы
Второй способ - проколоть пространство и создать своеобразный «короткий» путь между двумя точками. Прямо как в «Алисе в стране чудес». Этот способ затрагивает так называемые черные дыры. Черными дырами в основном становятся коллапсирующие под собственным весом звезды. Это области пространства-времени с такой сильной гравитацией, что, после прохождения определенного предела, покинуть ее не могут никакие объекты. Предел этот называется «горизонт событий». Свет, оказавшийся за горизонтом событий, не может его покинуть, и будет блуждать миллиарды лет, показывая вам события давно минувших дней. Впрочем, физики предсказали на основе математических моделей и такие черные дыры, сквозь которые можно попасть в другую часть галактики. Это и есть так называемые кротовые норы.
Но обольщаться не стоит. У горизонта событий атомы тела астронавтов растянет до состояния спагетти, а потом разорвет. Как этому противодействовать? Опять же нам понадобится негативная энергия. Только она удержит астронавта в безопасной зоне, ближе к центру «воронки» кротовой норы. Из такой негативной энергии можно создать антигравитационный пузырь, в котором мы и пройдем невредимыми.
Проблемы здесь те же, что и с искривлением пространства. Допустим, мы хотим искусственно создать кротовую нору. Это теоретически возможно, потому что речь идет просто о сильном сжатии пространства. Негативной энергии потребуется очень много. Для кротовой норы диаметром 1 метр оно сравнимо по объему с массой Юпитера - самой большой планеты солнечной системы. Вторая проблема - отсутствие понимания того, как стабильны будут эти норы. Даже открыть одну - это много энергии. А удержать?
Впрочем, над вопросом энергии ученые уже работают. Специальные ускорители частиц, вроде Международного линейного коллайдера, созданы для того, чтобы получать громадные выбросы энергии. Есть и другие варианты - вроде получения кротовых нор из квантовой пространственно-временной пены.
Несмотря на все трудности, связанные с межзвездными путешествиями, физики не унывают и придумывают разные способы преодолеть заветный рубеж скорости света. Вполне возможно, в будущем окажется, что все ограничения были в нашей голове.
***
Если вам понравилась статья, вы можете поставить отметку «нравится». Если есть с чем поспорить, пишите в комментарии - мне интересно альтернативное мнение. Также вы можете подписаться на канал. Я пишу материалы о науке, истории и психологии.
