Путешествия сквозь пространство и время
2012-09-22 17:28:22 (читать в оригинале)
Многие понятия современной физики прижились и на страницах
научно-фантастических книг или даже заимствованы оттуда: телепортация,
тахионы, многомерное пространство, параллельные вселенные, путешествия
во времени... Не стали исключением и «червоточины», сперва подточившие
устои космоса в книгах популярного жанра, а потом странные космические
тоннели источили и строго научные работы.
Доверясь гипотезе, некоторые
астрономы смело соединяли этими тоннелями отдаленные части космоса,
прокладывая путь будущим экспедициям. Ведь, оказавшись в такой
«червоточине», можно вмиг перенестись на множество световых лет от
Земли. Знать бы только, где найти этот «скоростной лифт» мироздания?
.
Его
мнение разделяют многие ученые. «Мы все вдохновляемся одними и теми же
идеями, — признается американский физик Лоуренс Краус, выпустивший книгу
комментариев к фантастическому сериалу «Star Trek» («Звездный путь»). —
Однако, если даже самые лучшие научно-фантастические романы
завораживают нас сакраментальным «Что было бы, если бы» и, как правило,
не дают никаких окончательных ответов, то современная наука готова нам
объяснить, что возможно, а что все-таки нет...»
Общая теория
относительности Эйнштейна благоволит самым неожиданным гипотезам. В
принципе, согласно ей, «могут существовать самые невероятные вещи, какие
только возможны: от двигателя, искривляющего пространство, до
путешествий во времени» (Л. Краус). Статьи, посвященные уорп-двигателю—
двигателю, искривляющему пространство, в последние десять лет появлялись
даже на страницах серьезных научных журналов (впервые такую статью
опубликовал в 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре).
Действительно, принцип работы подобного двигателя вытекает из уравнений
Эйнштейна.
Представьте себе мироздание в виде листа газеты.
Сложите этот лист пополам, и тогда его половинки почти соприкоснутся
друг с другом. Можно даже вообразить какой-нибудь микроскопический
тоннель, соединяющий их. Остается лишь юркнуть в него, чтобы мигом
достичь цели.
Итак, идея заключается в том, что, например,
уорпдвигатель (от английского «to warp» — «искривлять, искажать»)
деформирует пространство-время таким образом, что в нем появляются ходы,
связывающие отдаленные части космоса. Пространство перед космическим
кораблем, оснащенным подобным двигателем, чрезвычайно сжимается, а
позади него расширяется. Для наблюдателя, оставшегося на Земле, такой
корабль будет двигаться со сверхсветовой скоростью, а для самого
космонавта замрет на месте. Ведь корабль будет окружен оболочкой, за
пределами которой все будет деформироваться, а внутри — останется
неизменным.
По вакууму с «вакуумным топливом» в придачу
Однако такой двигатель обойдется очень дорого.
Для его создания нужен диковинный материал с отрицательной массой и
отрицательной плотностью энергии. Подобное вещество не притягивает к
себе другие тела, а отталкивает их. «Яблоко, падающее в небо» — вот над
чем пришлось бы поломать голову Ньютону, если бы он жил на планете,
состоявшей из такого вот вещества.
Никто не знает, имеется ли
где-нибудь во Вселенной подобное вещество и можно ли запастись им в
достаточном количестве. Впрочем, в лабораторных условиях удавалось
создать отрицательную плотность энергии. Для этого нужен был вакуум.
Как
известно, идеальный вакуум вовсе не похож на воплощенную пустоту. Он
буквально пронизан жизнью, он бурлит. В нем рождаются и исчезают
виртуальные частицы и античастицы. Это пустое пространство заполнено
квантовыми флуктуациями.
Полвека назад нидерландские физики
Хендрик Казимир, получивший позднее Нобелевскую премию, и Дик Полдер
предположили, что между двумя металлическими пластинами, расположенными
на небольшом расстоянии параллельно друг другу, возникает отрицательное
давление, поскольку между пластинами заметно меньше квантовых
флуктуаций, чем снаружи. Пластины прижимаются друг к другу. Эту догадку
подтвердил опыт, поставленный в конце ХХ века в Лос-Аламосской
лаборатории.
Отрицательная энергия появляется и в окрестностях
черной дыры из-за резкого искривления пространствавремени. При медленном
испарении — за счет излучения Хоукинга — черная дыра успевает
подпитаться отрицательной энергией. С помощью этой энергии можно
совершать путешествия во времени, а также путешествия в пространстве
фактически со сверхсветовой скоростью, в кратчайший срок переносясь на
несколько световых лет вперед, например, к Сириусу.
Однако та же
квантовая теория, что предсказывает появление в вакууме флуктуации, а
значит, и отрицательной энергии, ограничивает возможность ее применения.
Этой энергией — «топливом» сверхсветовых странствий — не очень-то
разживешься. Чем ее больше, тем она не стабильнее. Нельзя накопить много
отрицательной энергии — ваши сбережения мигом пойдут прахом.
Американские физики Лоуренс Форд и Томас Роман из Университета
Тафта, описывая отрицательную энергию, поневоле прибегли к экономическим
терминам. «Подобно тому, как долги — это отрицательные деньги, которые
рано или поздно надо выплачивать, так и отрицательная энергия — это по
своей сути дефицит энергии. А, как известно, чем больше ссуда, тем
быстрее ее полагается вернуть. Природа — безжалостный банкир и всегда
возвращает выданные кредиты в срок, ну а по квантовым долгам с ней
приходится расплачиваться даже с процентами».
Итак, запастись
отрицательной энергией будет весьма проблематично. А сколько вообще ее
понадобится, раз мы приготовились путешествовать по недоступным глубинам
Вселенной?
В космосе грядет энергетический кризис?
Лоуренс Форд в сотрудничестве с Мичеллом
Пфенингом из Университета Тафта подсчитал грядущую потребность в
отрицательной энергии, и его расчеты не могли обрадовать никого из
поклонников «сайенс-фикшн». «Для путешествия с искривлением пространства
понадобится в 10 миллиардов раз больше энергии, чем содержит вся
видимая Вселенная», — таков был баланс космической экспедиции,
подведенный Пфенингом. И все это для того, чтобы изготовить оболочку из
вещества с отрицательной массой — оболочку, толщиной всего 10-31
сантиметра. «Я не думаю, что кому-нибудь удастся с этим справиться», —
признался Форд.
Окончателен ли этот приговор? Согласятся ли с ним
те, чьей рукой до Сириуса подать? «Форд и Пфенинг в своих расчетах
исходят из того, что пространство изначально не искривлено, однако мы
пока еще слишком мало знаем о квантовой гравитации. Вероятно, она
поможет путешествовать по космосу» (М. Алькубьерре).
Конечно,
теория квантовой гравитации пока еще только создается, но это не мешает
уже сейчас «подсчитывать барыши», которые она принесет. Так, в 2002 году
физик Сергей Красников из Пулковской обсерватории вычислил, что при
определенных условиях для корабля, оснащенного искривителем
пространства, понадобится всего 10 килограммов этого странного вещества.
Впрочем,
проблем хватает и без того. В космическом пространстве царит отнюдь не
идеальный вакуум. Страшно представить себе, что произойдет, если корабль
на огромной скорости столкнется с какой-нибудь крупицей или даже
пылинкой. Поэтому бельгийский физик Крис ван ден Брек, также увлеченный
«игрой в космологический бисер», предложил, прежде чем отправлять
кого-нибудь в полет, вторично искривить пространство. Однако для этого
потребуется не так уж мало вещества с отрицательной массой — в несколько
раз больше, чем весит Солнце.
Кроме того, сама оболочка, в
которую нужно втиснуть космический корабль, гораздо меньше, чем та
бутылка, в которую иной умелец возьмет да и ввернет какой-нибудь
выточенный им парусник. Диаметр отверстия в оболочке — этого «игольного
ушка», сквозь которое надо проникнуть космонавтам, составит всего десять
в минус тридцатой степени сантиметра.
Еще одна проблема,
способная отвратить мечтателей от межзвездной космонавтики, заключается,
по мнению португальского физика Жозе Натарио, в следующем: при движении
корабля со сверхсветовой скоростью вокруг него возникнет горизонт
событий. Корабль словно превратится в черную дыру. Ни один сигнал,
исходящей из него, не достигнет сторонних наблюдателей. Всякое общение с
экипажем будет исключено. «Можно даже не задумываться о техническом
воплощении этой идеи. Чисто теоретически искривитель пространства
невозможен», — отмечает Жозе Натарио.
Космонавты не сумеют даже
управлять кораблем, например, тормозить. Им можно посоветовать лишь
одно: прежде чем лететь к тому же Сириусу, нужно отправить туда обычный
корабль, летящий со скоростью ниже световой. И тогда его капитан даст
команду на посадку вновь прибывающей экспедиции. С таким же успехом,
отправляясь из Москвы в Мадрид, нужно предварительно отправить туда
пешего путешественника, чтобы он на месте позаботился о том, как
встретить вас в аэропорту. А вам остается лишь дождаться, когда через
пару лет из Мадрида придет телеграмма: «На взлет!». Не правда ли, смешно
такое вот «последнее слово техники»?
В своей работе Сергей
Красников предложил еще один вариант решения проблемы. Перед стартом
корабля нужно соорудить своего рода «сверхсветовое метро» — тоннель из
модифицированного пространства-времени. Но опять же, при сооружении
тоннеля нужно сперва «своим ходом» отправиться к цели вашего путешествия
и, прибыв туда после многих лет странствий, дождаться, когда вашему
примеру последуют те, кто от одной части космоса до другой мчатся за
считанные секунды. Точнее, готовы мчаться! Так вот, пусть подождут
окончания работ!
Смета строительства, составленная С. Красниковым, тоже ужаснет
любого — даже нас, привыкших к тому, что на «строительные расходы» можно
списывать невероятные суммы. Так, для возведения подобного тоннеля к
соседней звезде потребуется примерно в 1044 раз больше вещества с
отрицательной массой, чем весит Солнце. Для сравнения: количество
видимого нами вещества во Вселенной составляет примерно 1022
(положительных!) солнечных масс.
Так неужели подобные путешествия
с одного края космоса на другой придется отменить за невозможностью?
Нет, горевать пока рано! Не получилось с двигателем, можно — на
страницах теоретических работ — возвести какой-нибудь мост через
космическое пространство. Назовите этот мост, например, «червоточиной».
Яблоко — на растерзание червю?
«Червоточина
— это тоннель, ведущий сквозь эйнштейновское пространство-время; его
вполне можно сравнить с тем «тоннелем», который протачивает в
ньютоновском яблоке червь, — без литературных образов, подобных тому,
что привел профессор физики университета штата Монтана Уильям Хискок,
порой трудно разобраться в лабиринтах гипотетических миров, выстроенных
современными теоретиками. — Пока червоточины — всего лишь теоретические
конструкции, однако они могут нам помочь использовать возможные краевые
условия общей теории относительности и эффекты теории квантовой
гравитации — науки, которая только создается».
В одном из
рассказов аргентинского писателя Адольфо Бьой Касареса, написанном
несколько десятилетий назад, подобные тоннели существуют даже на Земле.
По ним можно пройти пешком, «не торопясь, что называется, нога за ногу,
за пять минут», из Буэнос-Айреса в один из уругвайских городов, миновав
за эти мгновения «каких-нибудь четыреста километров».
География
Земли нам известна и к подобным фантазиям не располагает, но почему бы
ни помечтать о таких тоннелях в космосе — в таком неведомом нам еще
космосе, где пока, словно в сказке, найдется место всему: зеркальным
мирам, черным дырам, параллельным вселенным? Может быть, там находится и
«вход в тоннель, снаружи его не видно»?
Если бы подобные тоннели
существовали, то перед нами открылись бы неожиданные возможности
посещать отдаленные области Вселенной. Тоннели, как скоростные лифты,
увозили бы нас в такие края, о которых и помыслить невозможно.
По
оценкам специалистов, эти тоннели могли бы выглядеть примерно так же,
как те червоточины, по которым снуют герои сериала «Звездный путь».
Дальше мнения расходятся. Оптимисты рады уже тому, что ученые не
опровергли саму возможность существования таких тоннелей. Пессимисты же
вновь напоминают, что для путешествий понадобится огромное количество
отрицательной энергии. А ее, как известно, и взять особенно неоткуда.
При нынешних технологиях невозможно долго удерживать червоточину
открытой. Она сомкнется, едва в нее направится межзвездный корабль.
Так,
чтобы удержать открытым тоннель радиусом всего один метр, нужно
облицевать его стенки тончайшим слоем с отрицательной энергией. Толщина
этого слоя составит всего десять в минус двадцать первой степени метра,
что в миллионы раз меньше диаметра протона. Чтобы получить такое
количество отрицательной энергии, нужно затратить примерно столько же
энергии, сколько вырабатывают в течение года десять миллиардов звезд.
Похоже, что этим тоннелям останется место лишь на страницах
теоретических трудов, где, повинуясь логике цифр, могут возникать и не
такие фантомы.
Сюжет путешествия, которое не состоится
В
2005 году обнародовали свои подробные расчеты физики Стивен Сю и Роман
Бани из Орегонского университета. Они разделили червоточины на две
категории: одни подчинялись лишь законам квантовой механики, в других
соблюдались многие классические законы физики.
Оказалось, что
квантовомеханические червоточины были довольно стабильными, но, как и
все в квантовом мире, непредсказуемыми. Путешественники, заглянув внутрь
такого тоннеля, всякий раз вынуждены были бы начинать жизнь «с чистого
листа». Тоннель мог перенести их в любую точку времени и пространства. А
куда именно, никто и сказать не мог! Понятно, что отправиться в такую
экспедицию вряд ли кто захочет, кроме тех, кому надоела жизнь, ведь о
возвращении домой, может быть, придется забыть. «Опасность заключается в
том, что конечный пункт червоточины, которая колеблется во времени,
может оказаться в стене или на дне Тихого океана», — комментировал этот
результат Стивен Сю.
В других червоточинах — их назвали
«полуклассическими» — можно задать пункт назначения, но отправляться по
ним в путь все равно, что взлетать на самолете, из которого убраны все
крепежные детали. Тоннель чрезвычайно нестабилен. Вы углубились в него, а
он возьмет, да и сомкнётся, не оставив и тени незадачливых
путешественников.
«Мы не говорим, что вы не можете построить
червоточину. Но те из них, что позволили бы вам предсказать, что мистер
Спок прибудет в Нью-Йорк, в два часа пополудни и в такой-то день,
похоже, исчезнут», — пояснил Стивен Сю. Отчет о работе Сю и Бани
моментально обошел страницы интернетовских научно-популярных изданий.
Казалось бы, вопрос с тоннелями решен раз и навсегда. Вот только в науке
ученые периодически возвращаются к однажды решенным вопросам, чтобы,
быть может, пересмотреть прописные истины, даже изреченные такими
авторитетами, как Евклид, Ньютон или Эйнштейн. В последние годы ученые
не раз пытались понять, есть ли дополнительные условия, при которых
путешествия по таким тоннелям могут стать реальностью. Пусть
когда-нибудь. Пусть через тысячи тысяч лет.
• По расчетам Сергея
Красникова, червоточина может сама вырабатывать экзотическое вещество с
отрицательной массой, «причем в таком количестве, что ее хватит для
космических путешествий».
• В 2005 году английский физик Крис Фьюстер и его американский
коллега Томас Роман показали, что червоточина будет вполне стабильна и
человек может совершить по ней путешествие без опаски, если только
геометрия ее стенок будет выдержана с точностью порядка десяти в
шестидесятой степени. Конечно, сейчас это немыслимо, но надежду не
убедишь в плохом!
• В 2002 году бразильский ученый Жозе Мартинш
Салим рассчитал, что можно обойтись и без отрицательной энергии. В таком
случае для стабилизации тоннеля понадобятся магнитные монополи, —
гипотетические частицы, обладающие одним магнитным полюсом — магнитным
зарядом, аналогичным электрическому. Предполагается, что такие частицы
возникли сразу после Большого Взрыва.
Монополи оказывают
отрицательное давление на червоточину, распирают ее стены, не дают им
сомкнуться — и все за счет одного лишь магнитного поля.
• В том
же году физик Сэан Хэйуорд, работающий в одном из южнокорейских
университетов, и его японский коллега Хисааки Синкаи разработали
компьютерную модель, которая свидетельствует о родстве черных дыр и
космических червоточин. В их модели, стоило стенкам тоннеля сомкнуться,
как на его месте уже зияла черная дыра. Если же на экране компьютера
прямо к черной дыре с двух противоположных сторон подводили
отрицательную энергию, то она вмиг вытягивалась в тоннель, зазывавший
отправиться в неведомую даль...
• По мнению Стивена Хоукинга и
некоторых других ученых, подобные червоточины — только крохотных
размеров — регулярно возникают в микрокосмосе по причине квантовых
эффектов. Возникают и исчезают — этакая рябь в квантовой пене. Но
когда-нибудь и эта мельчайшая рябь может вырасти в громадную волну.
Расчеты показывают, что с помощью механизма «инфляции» — благодаря нему
Вселенная сразу после Большого Взрыва расширялась со сверхсветовой
скоростью — можно увеличить протяженность крохотных квантовых тоннелей
до поистине космических масштабов. Вот только как остановить их рост,
как прекратить космическую инфляцию, ученые пока не берутся сказать.
В стороне от скоростных космических дорог
Порой
экзерсисы физиков-теоретиков кажутся настоящим образчиком схоластики.
Сколько копий сломано вокруг возможного факта существования во Вселенной
червоточин! И ради чего? Пересчитана вся отрицательная наличная
энергия, собран комплект монополей, выстроена даже модель неуправляемого
— катастрофического, инфляционного — строительства космических дорог.
Как же все это далеко от насущной жизни — даже от проблем
фундаментальной физики!
Однако сами исследователи так не считают.
«Изучение червоточин, — подчеркивает Сэан Хейуорд, — расширяет наше
понимание силы гравитации, заставляет нас прибегнуть к альтернативным
идеям гравитации, например, к моделям бран, используемым в теории
струн».
Наука полна чудес. Самые странные гипотезы могут здесь
сбыться. Вот уже и черные дыры стали общепризнанной примечательностью
космических далей, в то время как к червоточинам, — открыт ли нам вход в
них или нет, — по-прежнему относятся, как к чему-то курьезному, как к
фантому, рожденному на кончике пера. «А ведь червоточины — это всего
лишь черные дыры с отрицательной плотностью энергии», — так
прокомментировал свои компьютерные метаморфозы тот же Сэан Хейуорд.
Конечно,
большинство его коллег рассуждает так: «Я полагаю, что ни червоточины,
ни двигатели, искривляющие пространство, никогда не найдут практического
применения, хотя в принципе они могут существовать» (Л. Краус). Однако
так ли это важно?
«Мы слишком озабочены земными, практическими
вопросами, мы сковываем человеческий дух, — написал однажды Стивен
Хоукинг. — Речь же идет о том, чтобы картографировать неведомое в
мироздании».
Александр ГРУДИНКИН
Категория: Эксперты,ученые-мнения,прогнозы |
Материал подготовлен: http://planeta.moy.su
