В научной фантастике, например в сериале «Звездный путь», варп-двигатели перемещают космические корабли через галактики в мгновение ока. Хотя многие вещи, которые раньше были из области научной фантастики, теперь стали технической реальностью (например, подводные лодки, сенсорные экраны, бионические конечности и даже кредитные карты), варп-двигатели, похоже, являются последним рубежом. Сама концепция основана на путешествии со скоростью, превышающей скорость света, и даже люди, которые проспали «Физику 101», в какой-то момент своей жизни слышали, что «ничто не может путешествовать быстрее света».

Но кажущееся невозможным никогда не обескураживало некоторых наиболее амбициозных физиков, которым нравится решать сложные задачи. Группа исследователей из США опубликовала исследование, которое «числовым образом» показало, что «классическое пространство-время с варп-двигателем может быть создано так, чтобы удовлетворять энергетическим условиям» при определенных условиях. Другими словами, если математика подтвердится, физики заявят, что варп-двигатель действительно возможен. Хотя на данный момент нам не хватает технологий, чтобы воплотить теорию в реальность.

«Это исследование меняет представление о варп-двигателях», — сказал ведущий автор доктор Джаред Фукс, физик из Университета Алабамы в Хантсвилле. «Продемонстрировав первую в своем роде модель, мы показали, что варп-двигатели нельзя отнести к научной фантастике».

Варп-двигатель – это не несбыточная мечта?

Технология варп-двигателя предполагает манипулирование пространством-временем — концепцию, предсказанную теорией относительности Альберта Эйнштейна. Вместо превышения скорости света (что остается невозможным согласно нынешним физическим законам) варп-двигатели теоретически допускают расширение и сжатие самого пространства-времени. Космический корабль, оснащенный варп-двигателем, создаст вокруг себя пузырь плоского пространства-времени, сжимая пространство перед ним и расширяя пространство позади, эффективно перемещая корабль в пространстве со сверхсветовой (быстрее света) скоростью.

Эта концепция получила распространение в 1994 году, когда физик Мигель Алькубьерре предложил то, что сейчас известно как «Драйв Алькубьерре». Модель Алькубьерре предполагала, что космический корабль может создавать волны пространства-времени и преодолевать их, чтобы достичь кажущейся скорости движения со скоростью, превышающей скорость света, не нарушая при этом принципов теории относительности. Однако основная проблема заключается в потребностях в энергии и экзотической материи, необходимых для создания такого пространственно-временного пузыря. В настоящее время и то, и другое остается за пределами наших технологических возможностей.

Например, привод Алькубьерре требует отрицательной энергии — концепция, которая бросает вызов традиционной физике, как мы ее понимаем. Это относится к гипотетическому типу энергии, который будет обладать необычными (и совершенно невозможными) свойствами, включая отрицательную массу. При отрицательной массе, если вы что-то толкаете, оно ускоряется по направлению к вам. Если это звучит так, будто это не имеет смысла, то это потому, что это не так.

Существование отрицательной энергии нарушило бы несколько установленных принципов. Одним из них является условие слабой энергии, которое гласит, что плотность энергии в любой системе отсчета должна быть неотрицательной. Общая теория относительности Эйнштейна категорически запрещает отрицательную массу.

Новый варп-двигатель

В своем новом исследовании ученые предлагают новую модель варп-двигателя, в которой не используется умственная гимнастика Алькубьерре. Что еще более важно, это не нарушает общую теорию относительности.

Исследователи использовали новый вычислительный инструмент Warp Factory, чтобы изучить и спроектировать метрики пространства-времени, необходимые для варп-двигателя. Их конструкция начинается с фона Минковского (плоское пространство-время без гравитации и кривизны) и добавляет стабильную материальную оболочку (слой регулярной, неэкзотической материи, расположенной определенным образом вокруг космического корабля) с тщательно распределенным вектором сдвига (математическим устройство, используемое при описании пространства-времени и определяющее, как пространство-время «смещается» или изменяется вокруг космического корабля).

В совокупности эта структура позволяет создать пузырь деформации, необходимый для модификации пространства-времени. Этот пузырь окружает так называемую «пассажирскую область», свободную от локальной кривизны пространства-времени, что позволяет осуществлять геодезическое движение без локального ускорения. По сути, он создает кратчайший путь через пространство-время. Внутри этого пузыря пространство-время искривлено таким образом, что позволяет космическому кораблю перемещаться из одной точки в другую быстрее, чем свет в обычном (плоском) пространстве-времени, при этом самому космическому кораблю не приходится двигаться с такими скоростями локально.

В отличие от предыдущих моделей, эта новая модель учитывает все энергетические условия за счет включения оболочки из обычной материи с положительной массой ADM (Арновитта-Дезера-Миснера). Такой подход обеспечивает физическую жизнеспособность варп-двигателя за счет использования только известных и теоретически осуществимых материалов и механизмов. Авторы подчеркивают важность распределения вектора сдвига в достижении этих условий, отличая свою модель от других, которые в значительной степени полагаются на отрицательные плотности энергии или сверхсветовые скорости.

Практические соображения

Практичность этого варп-двигателя в реальных приложениях остается спекулятивной. Перед ним стоят монументальные инженерные и технологические проблемы. Теоретическая модель, хотя и надежная в рамках общей теории относительности и классической физики, опирается на весьма сложную и непроверенную структуру распределения материи и энергии. Достижение этого в практическом масштабе — не говоря уже об огромных потребностях в энергии и создании стабильного варп-пузыря — остается далеко за пределами наших нынешних технологических возможностей.

«Хотя такая конструкция по-прежнему потребует значительного количества энергии, она демонстрирует, что варп-эффекты могут быть достигнуты без экзотических форм материи», — добавил доктор Кристофер Хельмерих, соавтор исследования. «Эти результаты открывают путь к будущему сокращению потребностей в энергии варп-двигателей».

Тем не менее, эта модель продвигает эту область вперед, предоставляя потенциальную дорожную карту для путешествий со скоростью, превышающей скорость света, в рамках известной физики. Эта работа может стать ценным планом для будущих исследований в области пространственно-временной инженерии.

Результаты появились в журнале Классическая и квантовая гравитация .