Кеңістік бұрмалау арқылы жарықтан жылдам саяхат мүмкіндігі
Alcubierre drive
Алькубьерре драйвы: жарық жылдамдығынан асып түсу мүмкіндігі, кеңістік бұрмалау арқылы. Теориялық негіздері, қажетті энергия, және физикалық шектеулер туралы ақпарат.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Гипотетикалық FTL тасымалдауды кеңістікті бүктеу арқылы
Hypothetical FTL transportation by warping space
Алкубиерре қозғалтқышы (alkuˈβjere) – бұл болжамды кеңістік бүктеу идеясы, онда ғарыш кемесі алдындағы кеңістікті қысқарту және артындағы кеңістікті кеңейту арқылы жарықтан жылдам қозғалуға қол жеткізе алады, вакуумнан төмен конфигурацияланатын энергия тығыздығы өрісінің (яғни, теріс массаның) құрылуы мүмкін деген болжаммен. Алкубиерре ұсынған метрика Эйнштейннің өріс теңдеулерімен сәйкес болғанымен, мұндай қозғалтқыштың құрылысы міндетті түрде мүмкін емес. Алкубиерре қозғалтқышының ұсынылған механизмі теріс энергия тығыздығын білдіреді, сондықтан экзотикалық материяны немесе қара энергияны манипуляциялау қажет. Алайда, Алкубиерре (өткізуге болатын құрт тесіктерін талдаған физиктердің дәлелдерінен кейін) Казимир вакуумының параллель пластиналар арасында Алкубиерре қозғалтқышының теріс энергия талабын қанағаттандыра алатынын көрсетті. Тағы бір мәселе, Алкубиерре метрикасы Эйнштейн теңдеулерімен сәйкес болғанымен, жалпы салыстырмалылық теориясы кванттық механиканы қамтымайды. Кейбір физиктер кванттық гравитация теориясының (екі теорияны да біріктіретін) жалпы салыстырмалылықта уақытты кері бағытта саяхаттауға мүмкіндік беретін шешімдерді жоятынын (хронологияны қорғау болжамын қараңыз) және осылайша Алкубиерре қозғалтқышын жарамсыз ететінін дәлелдеу үшін аргументтер келтірді.
The Alcubierre drive (alkuˈβjere) is a speculative warp drive idea according to which a spacecraft could achieve apparent faster than light travel by contracting space in front of it and expanding space behind it, under the assumption that a configurable energy density field lower than that of vacuum (that is, negative mass) could be created. Although the metric proposed by Alcubierre is consistent with the Einstein field equations, construction of such a drive is not necessarily possible. The proposed mechanism of the Alcubierre drive implies a negative energy density and therefore requires exotic matter or manipulation of dark energy. however, Alcubierre argued (following an argument developed by physicists analyzing traversable wormholes) that the Casimir vacuum between parallel plates could fulfill the negative energy requirement for the Alcubierre drive. Another possible issue is that, although the Alcubierre metric is consistent with Einstein's equations, general relativity does not incorporate quantum mechanics. Some physicists have presented arguments to suggest that a theory of quantum gravity (which would incorporate both theories) would eliminate those solutions in general relativity that allow for backward time travel (see the chronology protection conjecture) and thus make the Alcubierre drive invalid.
Тарих
1994 жылы Мигель Алькубиерр ғарыш кемесінің алдындағы кеңістікті қысып, артындағы кеңістікті кеңейтетін толқын жасау арқылы кеңістіктің геометриясын өзгерту әдісін ұсынды. Кеме осы толқынмен, жазық кеңістіктегі «сопақша көпіршік» деп аталатын аймақта қозғалады, бірақ бұл көпіршіктің ішінде өзі қозгалмайды, керісінше, қозғалыс қондырғысының әрекетінен аймақ өзгеше жылдамдықпен қозғалғанда, ол аймақпен бірге итемеленеді. Деформацияланған кеңістік-уақытқа қатысты жергілікті жылдамдық жарық жылдамдығынан кем болады, бірақ ғарыш кемесінің жылдамдығы жарық жылдамдығынан асады, соның арқасында жұлдызаралық сапарлар мүмкін болады, мысалы, Проксима Центаврға бірнеше күнде ұшып баруға болады.
In 1994, Miguel Alcubierre proposed a method for changing the geometry of space by creating a wave that would cause the fabric of space ahead of a spacecraft to contract and the space behind it to expand. The ship would then ride this wave inside a region of flat space, known as a warp bubble, and would not move within this bubble but instead be carried along as the region itself moves due to the actions of the drive. The local velocity relative to the deformed space time would be subluminal, but the speed at which a spacecraft could move would be superluminal, thereby rendering possible interstellar flight, such as a visit to Proxima Centauri within a few days.
Алкубьер метрикасы
Алкубьер метрикасы уорп-қозғалтқыштың кеңістік-уақытын анықтайды. Бұл – Лоренцтік көптік, және егер оны жалпы салыстырмалылық теориясы тұрғысынан қарастырсақ, ол бұрын тегіс болған кеңістікте бұрыштық көпіршіктің пайда болуына және жарық жылдамдығынан асып түсетіндей жылдамдықпен қозғалуына мүмкіндік береді. Көпіршіктің ішкі жағы инерциялық санақ жүйесі болып табылады, ал ондағы адамдар ешқандай дербес үдеуді сезінбейді. Бұл тасымалдау әдісі уорп-көпіршігінің ішіндегілерге қатысты жарық жылдамдығынан асып түсетін қозғалыстағы объектілерді қамтымайды; яғни, уорп-көпіршігінің ішіндегі жарық сәулесі әрқашан кемеден жылдам қозғалады. Көпіршіктің ішіндегі объектілер жарықтан жылдам қозғалмайтындықтан, Алкубьер метрикасының математикалық тұжырымы салыстырмалылық заңдарының қалыпты талаптарына сәйкес келеді (атап айтқанда, массасы бар объект жарық жылдамдығына жете алмайды немесе одан асып түсе алмайды), сондай-ақ уақыттың өзгеруі сияқты қалыпты салыстырмалылық эффектілері де жарық жылдамдығына жақын қозғалыс кезінде болатындай болмайды. Математик Хосе Натарио ұсынған Алкубьер метрикасының кеңейтілген түрі көлем элементтерінің кеңеюін жояды және қозғалыс бағытындағы қашықтықтардың өзгеруіне негізделген. Оның метрикасында кеңістік-уақыт кеменің бағытына қарай жиырылады және қозғалыс бағытына перпендикуляр бағытта кеңейеді, яғни көпіршік кеңістік арқылы "сырғанап" өтеді, шамамен айтқанда, "кеңістікті ығыстырып". Алкубьер қозғалтқышы гипотетикалық тұжырымдама болып қала береді, оның шешілуі қиын көрінетін мәселелері бар, бірақ қажетті энергия мөлшері енді қол жеткізбеуге болатынша үлкен деп есептелмейді. Сонымен қатар, Алексей Бобрик пен Джанни Мартир, принцип бойынша, жарықтан төмен жылдамдықпен қозғалатын, сфералық симметриялы уорп-қозғалтқыш кеңістік-уақытын адамзаттың қазіргі таңдағы физикалық принциптеріне, мысалы, оң энергияға негізделген құрастыруға болады деп мәлімдейді.
The Alcubierre metric defines the warp drive spacetime. It is a Lorentzian manifold that, if interpreted in the context of general relativity, allows a warp bubble to appear in previously flat spacetime and move away at effectively faster than light speed. The interior of the bubble is an inertial reference frame and inhabitants experience no proper acceleration. This method of transport does not involve objects in motion at faster than light speeds with respect to the contents of the warp bubble; that is, a light beam within the warp bubble would still always move more quickly than the ship. Because objects within the bubble are not moving (locally) more quickly than light, the mathematical formulation of the Alcubierre metric is consistent with the conventional claims of the laws of relativity (namely, that an object with mass cannot attain or exceed the speed of light) and conventional relativistic effects such as time dilation would not apply as they would with conventional motion at near light speeds. An extension of the Alcubierre metric that eliminates the expansion of the volume elements and instead relies on the change in distances along the direction of travel is that of mathematician José Natário. In his metric, spacetime contracts towards the prow of the ship and expands in the direction perpendicular to the motion, meaning that the bubble actually "slides" through space, roughly speaking by "pushing space aside". The Alcubierre drive remains a hypothetical concept with seemingly difficult problems, although the amount of energy required is no longer thought to be unobtainably large. Furthermore, Alexey Bobrick and Gianni Martire claim that, in principle, a class of subluminal, spherically symmetric warp drive spacetimes can be constructed based on physical principles presently known to humanity, such as positive energy.
Қара энергия мен қара материяға байланысы
Оксфорд университетінің астрофизигі Джейми Фарнс, "Астрономия және астрофизика" ғылыми журналында жарияланған, қараңғы энергия мен қараңғы материяны бір қараңғы сұйықтыққа біріктіретін және 2030 жыл шамасында Квадратты километрлік массивпен тексеруге болатын теория ұсынды. Фарнс Альберт Эйнштейннің жалпы салыстырмалылық теориясының теңдеулерін жасау кезінде гравитациялық тұрғыдан теріске итергіш теріс массалар идеясын зерттегенін тапты, бұл идея ғаламның тең мөлшерде оң және теріс қасиеттерге ие болуына алып келетін "әдемі" гипотезаға негізделген. Фарнс теориясы Алькубиерр драйвының физикасына ұқсас әрекет ететін теріс массаларға сүйенеді, бұл уақыт бойынша өзгеретін Хаббл параметріне байланысты қазіргі "космологиядағы дағдарысқа" табиғи шешім ұсынады. Фарнс теориясы оң массаға (мысалы, ғарыш кемесіне) жарық жылдамдығына тең жылдамдыққа жетуге мүмкіндік беретіндіктен, ол "даулы" деп аталды. Егер бұл теория дұрыс болса, және ғылыми әдебиеттерде кеңінен талқыланса, ол қараңғы энергияны, қараңғы материяны түсіндіретін болады, жабық уақыт тәрізді қисықтарға (уақыт саяхаты) мүмкіндік береді және Алькубиерр драйвының экзотикалық материямен физикалық тұрғыдан мүмкін екенін көрсетеді.
Astrophysicist Jamie Farnes from the University of Oxford has proposed a theory, published in the peer reviewed scientific journal Astronomy & Astrophysics, that unifies dark energy and dark matter into a single dark fluid, and which is expected to be testable by the Square Kilometre Array around 2030. Farnes found that Albert Einstein had explored the idea of gravitationally repulsive negative masses while developing the equations of general relativity, an idea which leads to a "beautiful" hypothesis where the cosmos has equal amounts of positive and negative qualities. Farnes' theory relies on negative masses that behave identically to the physics of the Alcubierre drive, providing a natural solution for the current "crisis in cosmology" due to a time variable Hubble parameter. As Farnes' theory allows a positive mass (i. e. a ship) to reach a speed equal to the speed of light, it has been dubbed "controversial". If the theory is correct, which has been highly debated in the scientific literature, it would explain dark energy, dark matter, allow closed timelike curves (see time travel), and suggest that an Alcubierre drive is physically possible with exotic matter.
Заттың орналасуы
Красников егер тахиондық материяны табу немесе қолдану мүмкін болмаса, онда шешім ретінде кеменің жолындағы массаларды осылай қозғалысқа келтіруге болады, арқасында қажетті өріс туындайды. Бірақ осы жағдайда, Алькубьерре драйвы бар кеме тек теміржол сияқты, алдымен қажетті инфрақұрылыммен жабдықталған маршруттармен ғана жүре алады. Көпіршектің ішіндегі пилот оның қабырғаларынан себеп-салдақ байланысы үзіліп, көпіршектен тыс әрекеттер жасай алмайды: көпіршекті алыс жұлдызға алғашқы сапар үшін пайдалануға болмайды, өйткені пилот "жолда" көпіршектің алдына инфрақұрылым орната алмайды. Мысалы, Вегаға саяхаттау (Жерден 25 жарық жылы қашықтықта) барлық дайындықтарды қажет етеді, нәтижесінде Вегаға жарық жылдамдығынан асып түсетін жылдамдықпен қозғалатын көпіршектің пайда болуын қамтамасыз ету керек; мұндай дайындықтар әрқашан 25 жылдан аса уақыт алады.
Krasnikov proposed that if tachyonic matter cannot be found or used, then a solution might be to arrange for masses along the path of the vessel to be set in motion in such a way that the required field was produced. But in this case, the Alcubierre drive vessel can only travel routes that, like a railroad, have first been equipped with the necessary infrastructure. The pilot inside the bubble is causally disconnected from its walls and cannot carry out any action outside the bubble: the bubble cannot be used for the first trip to a distant star because the pilot cannot place infrastructure ahead of the bubble while "in transit". For example, traveling to Vega (which is 25 light years from Earth) requires arranging everything so that the bubble moving toward Vega with a superluminal velocity would appear; such arrangements will always take more than 25 years.
Қабырға қалыңдығы
Мұндай қозғалту үшін қажетті теріс энергия мөлшері әлі белгісіз. Тюфтс университетінің профессорлары Пфеннинг пен Аллен Эверетт жарық жылдамдығынан 10 есе жылдам қозғалатын деформациялық көпіршіктің қабырға қалыңдығы 10−32 метрден аспауы керек дейді. Бұл Планк ұзындығының шегіне, 1,6 × 10−35 метрге жуық. Алкубьердің бастапқы есептеулерінде 200 метрлік кемені қоршауға жеткілікті макроскопиялық көпіршік үшін байқаланатын ғарыш массасынан артық экзотикалық материя қажет болады, ал экзотикалық материяны 10−32 метрлік өте жіңішке жолаққа сығудың мүмкін еместігі айтылады. Ұқсас шектеулер Красниковтың суперлюминалды туннеліне де қатысты. Крис Ван ден Брок Алкубьердің моделін өзгертті, ол әлдеқайда аз экзотикалық материяны қажет етеді, бірақ кемені 10−32 метрлік мойны бар қисық кеңістік-уақыт "бөтелкесіне" орналастырады. Физиканың негізгі заңдары жабық уақыт тәрізді қисықтарға мүмкіндік берсе де, хронологияны қорғау гипотезасы, жалпы салыстырмалылық теориясының классикалық теориясы оларға рұқсат беретін барлық жағдайларда кванттық эффектілер осы мүмкіндікті жою үшін араласады деп болжайды, осылайша осы кеңістіктерді іске асыру мүмкін емес. Бұл эффектінің бір түрі – уақыт саяхаты алғаш мүмкін болатын кеңістік-уақыт аймағының шекарасында вакуумдық флуктуациялардың жиналуы, энергия тығыздығының жеткілікті деңгейге жететініне және басқа жағдайда уақыт машинасына айналатын жүйені жоятынына себеп болуы мүмкін. Жартылай классикалық гравитациядағы кейбір нәтижелер осы гипотезаны қолдайды, соның ішінде варп көпіршіктерінің жартылай классикалық тұрақсыздығын көрсеткен есептеулер, бірақ ақырында гипотезаны тек кванттық гравитацияның толық теориясы шеше алады. Алкубьер интернетте жарияланған лекция слайдтарында осы мәселелердің кейбіреулерін қысқаша талқылайды, онда ол: "Ескеріңіз: салыстырмалылық теориясында жарықтан жылдам саяхаттаудың кез келген әдісі принципиалды түрде уақытқа кері саяхаттау үшін (уақыт машинасы) қолданылуы мүмкін" деп жазады. Келесі слайдта ол хронологияны қорғау гипотезасын көтеріп, былай дейді: "Гипотеза дәлелденген жоқ (дәлелденсе, ол гипотеза болмас еді), бірақ кванттық өріс теориясына негізделген оны қолдайтын нақты аргументтер бар. Гипотеза жарықтан жылдам саяхаттауға тыйым салмайды. Ол жарықтан жылдам саяхаттау әдісі бар және оны уақыт машинасы жасау үшін қолдануға тырылса, бірдеңе дұрыс болмайды: жиналған энергия жарылады немесе қара тесік пайда болады деп мәлімдейді".
The amount of negative energy required for such a propulsion is not yet known. Pfenning and Allen Everett of Tufts hold that a warp bubble traveling at 10 times the speed of light must have a wall thickness of no more than 10−32 meters—close to the limiting Planck length, 1.6 × 10−35 meters. In Alcubierre's original calculations, a bubble macroscopically large enough to enclose a ship of 200 meters would require a total amount of exotic matter greater than the mass of the observable universe, and straining the exotic matter to an extremely thin band of 10−32 meters is considered impractical. Similar constraints apply to Krasnikov's superluminal subway. Chris Van den Broeck constructed a modification of Alcubierre's model that requires much less exotic matter but places the ship in a curved space time "bottle" whose neck is about 10−32 meters. While it is possible that the fundamental laws of physics might allow closed timelike curves, the chronology protection conjecture hypothesizes that in all cases where the classical theory of general relativity allows them, quantum effects would intervene to eliminate the possibility, making these spacetimes impossible to realize. A possible type of effect that would accomplish this is a buildup of vacuum fluctuations on the border of the region of spacetime where time travel would first become possible, causing the energy density to become high enough to destroy the system that would otherwise become a time machine. Some results in semiclassical gravity appear to support the conjecture, including a calculation dealing specifically with quantum effects in warp drive spacetimes that suggested that warp bubbles would be semiclassically unstable, but ultimately the conjecture can only be decided by a full theory of quantum gravity. Alcubierre briefly discusses some of these issues in a series of lecture slides posted online, where he writes: "beware: in relativity, any method to travel faster than light can in principle be used to travel back in time (a time machine)". In the next slide, he brings up the chronology protection conjecture and writes: "The conjecture has not been proven (it wouldn't be a conjecture if it had), but there are good arguments in its favor based on quantum field theory. The conjecture does not prohibit faster than light travel. It just states that if a method to travel faster than light exists, and one tries to use it to build a time machine, something will go wrong: the energy accumulated will explode, or it will create a black hole."
"Жұлдыздар жолының" варп-қозғалысы
Star Trek телесериалдары мен фильмдері жарық жылдамдығынан асып түсу әдісін сипаттау үшін "warp drive" терминін пайдаланады. Сериал жаратылған кезде Алькубьер теориясы да, оған ұқсас ештеңе де болған жоқ – "warp drive" термині және жалпы идея Джон В. Кэмпбеллдің 1931 жылғы "Ғарыш аралдары" ғылыми-фантастикалық романында туындады. Алькубьер Уильям Шатнерге жолдаған электрондық хатында, өзінің теориясы тікелей сериалда қолданылған терминмен шабыттандырылғанын айтты және 1994 жылғы мақаласында "ғылыми фантастиканың 'warp drive'-ы" деп атады. "Star Trek: The Original Series" көрсетілгеннен бері, жаңа "Star Trek" туындылары Алькубьер драйвының теориясын ғаламдық ғылымға енгізілген көпіршіктер/өрістерді пайдалану арқылы жақынырақ қолданды.
The Star Trek television series and films use the term "warp drive" to describe their method of faster than light travel. Neither the Alcubierre theory, nor anything similar, existed when the series was conceived—the term "warp drive" and general concept originated with John W. Campbell's 1931 science fiction novel Islands of Space. Alcubierre stated in an email to William Shatner that his theory was directly inspired by the term used in the show and cites the "'warp drive' of science fiction" in his 1994 article. Since the release of Star Trek: The Original Series, more recent Star Trek spin off series have made closer use of the theory behind the Alcubierre Drive incorporating warp bubbles/fields into the in universe science.