Мы видим их все время в лучших научно-фантастических историях — корабли с варп-двигателями, которые позволяют персонажам исследовать новые планеты и галактики. Эти корабли могли бы двигаться быстрее света, но, как нас учит общая теория относительности, ничто не может превышать скорость света, верно? Ведь свет не имеет массы и поэтому может двигаться со скоростью 299 792 458 метров в секунду.
Это правда. Ничто не может превышать этот универсальный предел скорости. Однако все же возможно создать варп-двигатель, не нарушая никаких законов физики.
В 1994 году мексиканский теоретический физик Мигель Алькубьерре написал статью, заложившую математические и научные основы для реального варп-двигателя, который не будет противоречить общей теории относительности. Он заинтересовался этим методом межзвездных путешествий, увидев его использование в научно-фантастических историях для путешествий на большие расстояния.
Как работает варп-двигатель? Он расширяет и сжимает ткань пространства-времени вокруг корабля и его пузыря. Корабль никогда не ускоряется и не движется сам, это ткань вокруг него движется и толкает его вперед. Представьте себе аналогию с конвейерной лентой, на которой вам не нужно идти. Вместо этого ткань самой ленты движет вас вперед. Сжатие пространства-времени перед кораблем будет тянуть его к этой точке, а расширение позади него будет продолжать это движение вперед. Эйнштейн показал, что пространство-время можно изогнуть массой или энергией, и если пространство-время можно изогнуть, то его можно манипулировать и другими способами. Причина, по которой этот корабль сможет двигаться быстрее скорости света, заключается в том, что общая теория относительности говорит нам, что ничто в пределах пространства не может нарушить предел скорости, однако нет предела скорости для того, как быстро само пространство может сжиматься или расширяться. Мы не движем вещь в пространстве — мы движем само пространство.
Работа Алькубьерре была многообещающей и впечатляющей, но в ней было много пробелов. В своей первоначальной статье он теоретизировал, что для питания такого космического корабля нам потребуется больше отрицательной энергии, чем есть энергии во всей Вселенной. Эта отрицательная энергия вызывает расширение пространства. Проблема в том, что отрицательная энергия неуловима, и многие ученые даже сомневаются в ее существовании, не говоря уже о надежде, что мы сможем создать ее в огромных количествах.
Наблюдения за тем, что могло бы быть отрицательной энергией, были очень малы. Идея заключается в том, что то, что кажется черным, пустым пространством, на самом деле не таково. Существует плотность энергии пустого пространства — то, что мы называем нулевой точечной энергией. Квантовая механика говорит нам, что пустое пространство заполнено частицами энергии, которые появляются и исчезают. Если мы сможем остановить появление этих частиц, у нас будет отрицательная энергия.
Ученые пытались создать это в лаборатории, сдвигая две металлические пластины вместе (пластины настолько плоские, что они практически идеально гладкие почти на атомном уровне) еще ближе, чем ширина человеческого волоса. Это пространство настолько мало, что оно не позволит существовать частицам, вызывая увеличение силы вокруг пластин и, таким образом, оставляя след отрицательной энергии. То, что было наблюдено в этом явлении, было очень мало, только измерение, слишком малое, чтобы быть убедительным.
Если в будущем мы научимся создавать больше отрицательной энергии, нам может понадобиться не так много ее, как первоначально теоретизировал Алькубьерре. Позднейшие уточнения его статьи учеными NASA значительно уменьшили количество энергии, необходимой для варп-двигателя, путем осцилляции частей корабля на высоких частотах, что облегчает движение через пространство-время и уменьшает количество необходимой энергии. Современные теории о том, сколько отрицательной энергии нам потребуется, варьируются от 65 эксаджоулей до энергии нескольких отрицательных и положительных солнечных масс. 65 эксаджоулей — это примерно количество энергии, которое США используют за год. Все еще много, но определенно улучшение и определенно достижимо. Если бы мы могли использовать темную энергию, нам потребовалась бы только масса Юпитера. Единственная проблема в том, что мы мало что знаем о том, что такое темная энергия и как она работает. Возможно, она окажется экзотическим материалом, который нам нужен.
Для сравнения, попытки межзвездных путешествий с обычными ракетами потребовали бы сотни тысяч лет и потребовали бы резервуар, больший, чем вся Вселенная. Не говоря уже о нахождении материала, который мог бы выдержать такую длину путешествия.
Некоторые модели космического корабля позволяют ему двигаться со скоростью, в 10 раз превышающей скорость света, делая путешествие к нашему ближайшему экзопланету, Альфа Центавра Bb, делом шести месяцев, несмотря на то, что она находится более чем в 4 световых годах от нас. Наши самые быстрые корабли сейчас могут двигаться со скоростью 20 000 миль в час, что означало бы, что нам потребуется 142 000 лет, чтобы достичь Альфа Центавра Bb, и возвратное путешествие оттуда еще менее вероятно. 20 000 миль в час — это 0,003% от скорости света.
Путешествуя так быстро, мы проходили бы через более высокие измерения, что означает, что варп-двигатели могли бы дать нам возможность не только исследовать нашу собственную Вселенную, но и мультивселенную. Существует предел того, насколько быстро теоретически может двигаться варп-двигатель, но даже эти пределы скорости позволили бы нам прибыть в новую галактику за долю секунды. Дополнительным преимуществом является то, что корабль мог бы ускоряться и замедляться, и пассажиры не испытывали бы дилатации времени. Другими словами, вы не прибудете в пункт назначения, чтобы обнаружить, что вы настолько далеко в будущем, что все, кого вы знали на Земле, умерли.
Другие проблемы, кроме источников энергии, включают частицы, накопленные во время путешествия, которые могут случайно быть выброшены во время замедления и уничтожить целые миры. Фактически, может не быть способа замедлить движение корабля, и экипаж может погибнуть по любой причине. Но до сих пор вся математика и экспериментальные данные показывают, что варп-двигатели возможны.
Если мы найдем способ создать эту технологию, пройдет столетия, прежде чем мы увидим ее в действии. Как и в случае с червоточинами, возможности, которые предоставили бы варп-двигатели, огромны, но они не придут легко.
Однако нам не придется ждать сотни лет, чтобы начать исследовать дальние уголки космоса; NASA имеет цель создать межзвездный корабль до 2100 года.
