Введение

Гипотетическая FTL-транспортировка посредством искривления пространства

Двигатель Алькубьерре (alkuˈβjere) – это спекулятивная идея варп-двигателя, согласно которой космический корабль мог бы достигать кажущейся скорости, превышающей скорость света, за счет сжатия пространства перед собой и расширения пространства позади себя, при условии, что можно создать конфигурируемое поле плотности энергии, меньшее, чем плотность энергии вакуума (то есть отрицательную массу). Хотя метрика, предложенная Алькубьерре, согласуется с уравнениями поля Эйнштейна, создание такого двигателя не обязательно возможно. Предлагаемый механизм двигателя Алькубьерре подразумевает отрицательную плотность энергии и, следовательно, требует экзотической материи или манипулирования темной энергией. Однако Алькубьерре утверждал (ссылаясь на аргумент, разработанный физиками, изучающими проходимые червоточины), что вакуум Казимира между параллельными пластинами может удовлетворить требованию отрицательной энергии для двигателя Алькубьерре. Другой возможный вопрос заключается в том, что, хотя метрика Алькубьерре согласуется с уравнениями Эйнштейна, общая теория относительности не включает в себя квантовую механику. Некоторые физики выдвинули аргументы, предполагающие, что теория квантовой гравитации (которая объединила бы обе теории) устранила бы те решения в общей теории относительности, которые допускают путешествия во времени в прошлое (см. гипотезу о защите хронологии) и, таким образом, сделала бы двигатель Алькубьерре неработоспособным.

История

В 1994 году Мигель Алькубьерре предложил метод изменения геометрии пространства путем создания волны, которая сжимала бы пространство перед космическим аппаратом и расширяла пространство позади него. Корабль находился бы внутри этой волны, в области плоского пространства, известной как варп-пузырь, и не двигался бы внутри пузыря, а переносился бы вместе с областью, движущейся под воздействием двигателя. Локальная скорость относительно деформированного пространства-времени оставалась бы ниже скорости света, но скорость, с которой мог бы двигаться космический корабль, превышала бы скорость света, что сделало бы возможным межзвездные перелеты, например, посещение Проксимы Центавра за несколько дней.

Метрическая система Алькубьера

Метрика Алькубьера определяет пространство-время варп-двигателя. Это лоренцев многообразие, которое, при интерпретации в контексте общей теории относительности, позволяет варп-пузырю возникать в ранее плоском пространстве-времени и удаляться со скоростью, эффективно превышающей скорость света. Внутри пузыря находится инерциальная система отсчета, и находящиеся в ней объекты не испытывают собственного ускорения. Этот способ перемещения не предполагает движения объектов со скоростью, превышающей скорость света, относительно содержимого варп-пузыря; то есть, световой луч внутри варп-пузыря всегда будет двигаться быстрее корабля. Поскольку объекты внутри пузыря не движутся (локально) быстрее света, математическая формулировка метрики Алькубьера согласуется с общепринятыми положениями законов относительности (в частности, с тем, что объект, обладающий массой, не может достичь или превысить скорость света), а обычные релятивистские эффекты, такие как замедление времени, не будут проявляться, как при обычном движении на скоростях, близких к скорости света. Математик Жозе Натарио предложил расширение метрики Алькубьера, которое устраняет расширение объёмных элементов и вместо этого основывается на изменении расстояний в направлении движения. В его метрике пространство-время сжимается к носовой части корабля и расширяется в направлении, перпендикулярном движению, что означает, что пузырь фактически "скользит" сквозь пространство, грубо говоря, "раздвигая" его. Варп-двигатель Алькубьера остаётся гипотетической концепцией, сопряжённой с, по-видимому, сложными проблемами, хотя требуемое количество энергии больше не считается недостижимо большим. Более того, Алексей Бобрик и Джанни Мартире утверждают, что в принципе можно построить класс сублюминальных, сферически симметричных пространств-времени варп-типа, основываясь на известных человечеству физических принципах, таких как положительная энергия.

Связь с темной энергией и темной материей

Астрофизик Джейми Фарнс из Оксфордского университета предложил теорию, опубликованную в рецензируемом научном журнале Astronomy & Astrophysics, которая объединяет темную энергию и темную материю в единую темную среду и, как ожидается, будет проверяема с помощью Square Kilometre Array примерно к 2030 году. Фарнс обнаружил, что Альберт Эйнштейн рассматривал идею гравитационно отталкивающих отрицательных масс при разработке уравнений общей теории относительности – идея, приводящая к "элегантной" гипотезе о том, что космос содержит равное количество положительных и отрицательных свойств. Теория Фарнса опирается на отрицательные массы, поведение которых аналогично физике, лежащей в основе варп-двигателя Алькубьерре, предлагая естественное решение для текущего "кризиса в космологии", вызванного зависящим от времени параметром Хаббла. Поскольку теория Фарнса допускает достижение положительной массой (например, космическим кораблем) скорости, равной скорости света, она получила название "вызывающей споры". Если теория окажется верной – что активно обсуждается в научной литературе – она объяснит темную энергию, темную материю, позволит существование замкнутых времениподобных кривых (см. путешествия во времени) и укажет на то, что варп-двигатель Алькубьерре физически реализуем с использованием экзотической материи.

Расположение вещества

Красников предположил, что если тахионную материю не удастся обнаружить или использовать, то решением может стать создание распределения массы вдоль траектории корабля, которое приводилось бы в движение таким образом, чтобы создать необходимое поле. Однако в этом случае корабль на двигателе Алькубьерре сможет двигаться только по маршрутам, которые, подобно железной дороге, предварительно оборудованы необходимой инфраструктурой. Пилот внутри пузыря причинно отсоединен от его стенок и не может совершать никаких действий за его пределами: пузырь нельзя использовать для первого путешествия к далекой звезде, поскольку пилот не может создать инфраструктуру впереди пузыря, находясь в движении. Например, для путешествия к Веге (находящейся в 25 световых годах от Земли) потребуется подготовить все необходимое, чтобы пузырь, движущийся к Веге со сверхсветовой скоростью, возник; на такую подготовку потребуется всегда больше 25 лет.

Толщина стен

Количество отрицательной энергии, необходимое для такого типа движения, пока неизвестно. Пфеннинг и Аллен Эверетт из Тафтс утверждают, что варп-пузырь, движущийся со скоростью, в 10 раз превышающей скорость света, должен иметь толщину стенки не более 10−32 метров – близкую к предельной длине Планка, 1,6 × 10−35 метров. В первоначальных расчетах Алькубьерре пузырь, макроскопически достаточно большой, чтобы вместить корабль длиной 200 метров, потребовал бы общего количества экзотической материи, превышающего массу наблюдаемой Вселенной, а сжатие экзотической материи до чрезвычайно тонкой полосы в 10−32 метров считается непрактичным. Аналогичные ограничения применимы и к суперсветовому метро Красникова. Крис Ван ден Брок разработал модификацию модели Алькубьерре, которая требует гораздо меньше экзотической материи, но помещает корабль в искривлённую "бутылку" пространства-времени, горлышко которой составляет около 10−32 метров. Хотя не исключено, что фундаментальные законы физики могут допускать существование замкнутых времениподобных кривых, гипотеза защиты хронологии предполагает, что во всех случаях, когда классическая теория общей относительности допускает их, квантовые эффекты вмешаются, чтобы исключить такую возможность, делая эти пространства-времена нереализуемыми. Возможный механизм этого – накопление вакуумных флуктуаций на границе области пространства-времени, где путешествие во времени стало бы впервые возможным, что привело бы к достаточно высокой плотности энергии для уничтожения системы, которая в противном случае могла бы стать машиной времени. Некоторые результаты в полуклассической гравитации, по-видимому, подтверждают эту гипотезу, включая расчет, специально посвященный квантовым эффектам в пространствах-временах с варп-двигателем, который показал, что варп-пузыри будут полуклассически нестабильны, но в конечном итоге решение этой гипотезы возможно только с помощью полной теории квантовой гравитации. Алькубьерре кратко обсуждает некоторые из этих вопросов в серии слайдов лекций, опубликованных в интернете, где он пишет: "Остерегайтесь: в теории относительности любой метод путешествия быстрее света в принципе может быть использован для путешествия во времени (машина времени)". На следующем слайде он упоминает гипотезу защиты хронологии и пишет: "Гипотеза не доказана (иначе это была бы не гипотеза), но в её пользу есть веские аргументы, основанные на квантовой теории поля. Гипотеза не запрещает путешествия быстрее света. Она лишь утверждает, что если существует способ путешествовать быстрее света, и кто-то попытается использовать его для создания машины времени, что-то пойдет не так: накопленная энергия взорвется или образуется чёрная дыра".

Отношение к варп-движению "Звездного пути"

Телесериал и фильмы "Звёздный путь" используют термин "варп-двигатель" для описания их способа путешествия со сверхсветовой скоростью. Ни теория Алькубьерре, ни что-либо подобное не существовало, когда задумывался сериал — термин "варп-двигатель" и сама концепция возникли в научно-фантастическом романе Джона Кэмпбелла "Острова космоса", опубликованном в 1931 году. Алькубьерре в письме Уильяму Шатнеру сообщил, что его теория была напрямую вдохновлена термином, использованным в сериале, и ссылается на "варп-двигатель научной фантастики" в своей статье 1994 года. После выхода "Звёздного пути: Оригинальный сериал" более поздние спин-оффы "Звёздного пути" стали более активно использовать теорию, лежащую в основе варп-двигателя Алькубьерре, включая варп-пузыри/поля в научную картину мира вселенной.