Концепция сверхсветового двигателя, использующая артефакт общей теории относительности - складку из пустого пространства, как ни удивительно, создана впервые не учеными, а шоуранерами телесериала Star Trek.
Космос - последний рубеж. Он отделен от нас утилитарным проблемами, которые можно описать частушкой:
«На Луне, Луне, Луне мы построили колхоз:
Нет еды и кислорода, половой встает вопрос!»
А есть и концептуальная проблема: ограничение скорости полета световой скоростью. Одолев первый уровень проблем, человечество неизбежно будет остановлено вторым. Или не будет, если воплощение получит хотя бы одна из четырех известных фантастических технологий сверхсветового движения.
В 1966 году создатели оригинального сериала «Star Trek» предложили технологию варп-двигателя и варп-генератора энергии. С тех пор идея прошла серьезную эволюцию, обретя два поколения научных моделей.
Выйти за пределы! Нет, спасибо
Для многих может быть удивительным, но специальная теория относительности, выраженная одной формулой несет ответственность за большинство странностей крупномасштабной физики: дефект времени, относительность одновременности, парадокс близнецов, парадокс бревна и сарая и невозможность обогнать скорость света. Сама теория — это решение задачи: как математически описать пространство, в котором свет имеет одну и ту же скорость для любого наблюдателя? Этот факт был получен экспериментально, под него было нужно подстроиться. Элегантное решение предложил Хендрик Лоренц, однако его теория содержала понятие эфира. Эфир как неподвижная светоносная среда был скомпрометирован экспериментально, однако само уравнение, названное «Лоренц‑инваринат» вошло в специальную теорию относительности Альберта Эйнштейна, которая эфир не подразумевала. В итоге теория названа в честь Эйнштейна, а формула в честь Лоренца. Честная сделка, я считаю.
С точки зрения математики - понятно что мешает достичь скорости света - там ноль в знаменателе. Но физикам интересно что именно тормозит объекты? Кажется, это фундаментальная топология пространства-времени. А фантастам было интересно, как это свойство мира обойти.
Варп двигатель Star Trek: the original series
В оригинальном сериале Star Trek всего через 200 лет в будущем деньги будут отменены, наступит космический коммунизм, дающий каждому по потребностям, в моде будут красные рубашки, а пятилетки станут космическими миссиями. Но в нашем мире на пределе возможного до ближайшей звезды только лететь 4,5 года. Это никак не ассоциируется с исследованием вселенной. Пришлось выкрутиться добавив перемещение гармошкой: перед кораблем пространство сжимается, а позади разжимается. Неподвижный наблюдатель видит яркое кратковременное вытягивание корабля в длину. Возможно, бесконечное, не совсем понятно из‑за перспективы. Скорость движения при этом выше световой но имеет четкие ограничения. Дефекта времени с неподвижным наблюдателем нет. Энергию дает варп‑ядро. В его описании нет ничего похожего на реальную физику, а вот название стоит запомнить.
Складки времени Кипа Торна
В 1994 году Кип Торн издает научно‑популярную книгу «Чёрные дыры и складки времени. Дерзкое наследие Эйнштейна», где раскрывает вышеописанный исторический процесс эволюции физики, пришедшей к идее складок пространства и использует их для другого вида сверхсветового перемещения — червоточины. Гиперпространиво из Вселенной Star Wars и «варп» из Warhammer 40 000 походят по описанию именно на эту технологию.
Пузырь Мигеля Алькубьерре Мойя
В том же году мексиканский физик предложил математическую модель варп-двигателя, которая работает почти точно так же как в Star Trek. Собственно, пузыря как такового нет. Перед кораблем находится сверх массивная черная дыра, позади такая же белая. Между ними островок спокойного неискаженного пространства. Белая дыра отталкивает черную, та улетает, но притягивает белую, получается вечный «бесплатный полет». Но, «пузырь» вытянутый и удлиняется с ростом скорости, на световой становится бесконечным. Это увеличивает необходимую для существования искривления пространства энергию, что приводит к ограничениям скорости. Время в таком пузыре не синхронно с неподвижным наблюдателем, а гравитация вырывается наружу и очень разрушительна для пространства вокруг спокойного островка, где покоится корабль. Ну, а необходимая для страта энергия невероятно высока.
Получается, это скорее нереалистичный концепт по многим причинам, включая отсутствие белых дыр в наблюдаемом нами космосе. Но, идея получила развитие.
Пузырь Алексея Бобрика
В 2018 году Алексею Бобрику и Джанни Мартине удалось существенно математически доработать варп‑двигатель. Появился ряд логичных требований:
у пузыря должны быть стенки, вне которых нет никакой паразитной гравитации и искривлений;
пузырь не удлиняется;
требует умеренное количество энергии для старта и это требование не растет с набором скорости;
время корабля и неподвижного наблюдателя идет одинаково;
не требуются сингулярности.
В результате расчетов все эти требования получилось удовлетворить для четырех различных классов пространственных пузырей. На варп‑двигатель из Star Trek похож 3й класс экстремального искривления. Такой пузырь так же требует экзотическую материю — с отрицательной массой и покрыт горизонтом Киллинга, смотреть сквозь которой нельзя. Кроме этого неудобства, пузырь не едет сам. Ему нужен внешний двигатель. Благо, на борту корабля Enterprise NCC 1701 еще три различных фантастических двигательных технологии.
Кроме двигателя, пространственный пузырь может создать небольшую эргосферу — область вращающегося пространства, где водород сжимается до старта реакции ядерного синтеза. Это философский камень энергетики, дающий тепло, свет, электромагнитное поле без траты ископаемых ресурсов. Получается, варп‑двигатель можно питать варп‑генератором термоядерного синтеза. Это довольно близко к концепции оригинального сериала, если забыть про волшебные дилитиевые кристаллы.
О чем мы не сказали
Уже почти сегодня в Планетарии 1 в Петербурге состоится бесплатная лекция, где мы рассмотрим другие классы пузырей Бобрика, концепцию измерений в теории относительности и сколько их нужно для варп‑двигателя. Разберем что такое пространство Германа Минковского и где в нем найти времениподобные и пространственноподобные вектора.
Когда пройдут все запланированные лекции по этой теме, эта статья будет дополнена. Приходите пообщаться офлайн или дождитесь апгрейда.
Автор статьи — физик Георгий Тимс для проекта «Физика для гуманитариев». При копировании, пожалуйста, указывайте авторство. Социальные сети проекта: Телеграмм канал, Ютуб канал
Комментарии (27)
smrl
17.10.2023 02:55+8Но физикам интересно что именно тормозит объекты?
Господи, ну почему все подобные статьи такие... квадратно-гнездовые? Пресно-бесполезные?
В "теоретической" части никогда не упомянут про быстроту - которая и соответствует интуитивно-бытовому представлению гуманитариев том, как должны вести себя скорости, и которая вполне может быть бесконечной.
А в завиральной - в упор не заметят, что договорились до машины времени. И если все-таки принять сверхсветовые путешествия как допущение, то вселенная у нас получится "расслоенная" - в разных копиях для разных наблюдателей. Вот где начинается настоящий полет фантазииа, приколы и развлечения! А не в быдлочастушках "для оживляжа" материала.
MAXH0
17.10.2023 02:55-2Ну быдлочастушки не для оживляжа, а для пропаганды. Пока в СССР ничего не было, в США варп-двигатели придумывали сценаристы.
paranoya_prod
17.10.2023 02:55+1Иван Ефремов "Туманность Андромеды" 1956 год - нуль-пространство. "Час Быка" 1969 год - варп.
Oncenweek
17.10.2023 02:55И то и то технически не варп - это то, что в фантастике обычно зовется "гиперпространством" - некое параллельное измерение, имеющее отображение на наше, но с более короткими расстяниями между точками, либо не имеющее ограничения на скорость света. Варп же подразумевая деформацию пространства особым образом в нашем измерении, не нарушая ОТО
MAXH0
17.10.2023 02:55не нарушая ОТО
Ну-ну... А что мешает долететь на варп-двигателе и синхронизировать часы быстрее скорости света? А это уже покушение на постулаты СТО, которая сейчас часть ОТО...
По любому в рамках теории ОТО мы скорость света не преодолеем. Пусть даже в искривленном пространстве-времени. НО есть шансы отыскать граничные условия, где теорию можно дополнить.
V_Scalar
17.10.2023 02:55Но физикам интересно что именно тормозит объекты?
для ответа надо знать динамический механизм генерации масс Хиггса. Все массивные частицы движутся сквозь конденсат Хиггса с постоянной скоростью даже когда покоются (на маленькой орбитальке), и получают присоединённую массу, какой конвейер в фронтальной части рождаются фононы и тут же поглощаются на тыльной поверхности. Если частица будет двигаться быстрее световой скоростью с неё будет срываться фононы и уносить энергию, частица будет тормозиться, иметь бесконечно большую массу. Как пример, самолёт достигший звукового барьера чувствует большее сопротивление, потому что энергию уносит ударная волна конуса маха
smrl
17.10.2023 02:55Подождите про объекты с массой. Давайте начнем со случая попроще: сам свет (БЕЗ масы покоя). Его-то кто тормозит?
(Если уж вы предполагаете, что предельная скорость возникает из-за того, что кто-то кого-то буквально "тормозит", - а не по другим причинам.)V_Scalar
17.10.2023 02:55свет (БЕЗ масы покоя). Его-то кто тормозит?
ну это же элементарно, если мы постулировали некую среду вакуум (скалярный конденсат жидкость то есть, через которую в буквальном смысле продираются частицы по словам Игоря Иванова с сайта элементы). Естественно и поперечные возбуждения -фотоны будут распространяться через эту среду по закону распространение в сплошных средах с определённой фиксированной скоростью. Можете даже проверить, например, скорость фотонов реликтового излучение привязана к этой среде, Также вращение аккреационного диско чёрной дыры увлекает пространство вместе с фотонами
MaxAkaAltmer
17.10.2023 02:55+5
В 1966 году вышла первая серия Стар Трек, а снимать начали в 1965. С какой серии упоминают данный двигатель в сереале - нужно смотреть - не знаю.
Но в 1966 году так же была опубликована книга первая из трилогии "Люди как боги" Сергея Снегова, в котором та же самая концепция заложена в "пожиратель пространства", при этом принцип работы двигателя изложен, скажем так, на ступеньку лучше. Книгу писать начал он с 1960 года.
Совпадение? Не думаю, Снегов был ученым, и вероятно исходил из неких предпосылок той же упомянутой теории относительности, как возможно и авторы сериала.Концепция сверхсветового двигателя, использующая артефакт общей теории
относительности - складку из пустого пространства, как ни удивительно,
создана впервые не учеными, а шоуранерами телесериала Star Trek.Так что данное утверждение под большим сомнением.
MaxAkaAltmer
17.10.2023 02:55Интересно, если материя все же связана с пространством (как бы одно порождае другое, не важно кто кого, эдакий дуализм), то вероятно квантовое тоннелирование способно создать тягу в нужном направлении?
Т.е. мы тоннелируем множество частиц строго в одном направлении, а потом отправляем их обратно обычным способом, за счет превышения скорости света при тоннелировании мы получим полезный градиент в метрике?
IvanLokh
17.10.2023 02:55Тут дело не в то, что Снегов был ученым. Он сидел в Норильлаге и потом дружил с Николаем Александровичем Козыревым, известным и очень неординарным астрофизиком.
MAXH0
17.10.2023 02:55+1По любому Варп требует Имматериума. Можно назвать Имматериум - "экзотической материей". НО суть от этого не изменится...
ToxicMuffel
17.10.2023 02:55Имматериум скорее это вероятностное поле. Повезет-выпрыгнешь где надо. Не повезет в иной части галактики. Так что это не материя с отрицательной массой.
kauri_39
17.10.2023 02:55+3Для гуманитариев (сам такой), чтобы лучше понимать принцип движения варп-двигателя, надо перейти от понятия пространства-времени с его метрикой разной кривизны к понятию физического вакуума с разной плотностью энергии. С таким вакуумом мы знакомимся при объяснении эффекта Казимира: в область менее плотного вакуума между пластинами всегда стремится более плотный внешний вакуум и придавливает пластины друг к другу. Соответственно перед варпом, где метрика пространства сжата (Риманова геометрия), плотность энергии вакуума ниже, а сзади него, где метрика расширяется (Лобачевского геометрия) плотность выше. И, как в эффекте Казимира, вакуум, двигаясь из области высокой плотности в область низкой, увлекает с собой корабль, двигатель которого постоянно создаёт разность плотности вакуума. А поскольку вакууму не запрещено двигаться со сверхсветовой скоростью (так он улетает от нас за космологический горизонт событий), то и корабль может двигаться вместе с ним (и покоясь в нём) со сверхсветовой скоростью.
Кстати, для локального снижения и повышения плотности энергии вакуума можно использовать квантовые процессы, при которых она меняется. Например, одномоментное излучение материей фотонов резко снижает её массу, и это сопровождается ростом плотности окружающего её вакуума. И наоборот, поглощение материей фотонов увеличивает её массу и снижает плотность вакуума вокруг неё. Если оба процесса так закольцевать вокруг корабля, чтобы перед ним фотоны поглощались материей, а за ним - излучались, то корабль начнёт разгоняться до сверхсветовых скоростей.
Хотя прежде всего гуманитариям надо объяснить природу гравитации - почему метрика пространства-времени искривляется в сторону материи. Да, как рыбацкая сеть искривляется течением воды. Потому что материя постоянно снижает плотность энергии вакуума, и в её сторону постоянно расширяется и ускоренно движется внешний более плотный вакуум. Кто в этом сомневается, тот сомневается в существовании физического вакуума - среды, проявляющейся в Лэмбовском сдвиге электронов, эффекте Казимира и разлёте друг от друга скоплений галактик. И только этим можно объяснить эквивалентность инертной и пассивной гравитационной массы, которая превращается в эквивалентность ускоренного движения тела сквозь вакуум и ускоренного движения вакуума сквозь тело.
ptr128
17.10.2023 02:55+1Для перемещения (но не движения!) со скоростью, превышающей скорость света, во всех теориях необходима экзотическая материя с отрицательной гравитацией. А её обнаружить пока не удалось. И не факт, что она существует.
С другой стороны, история колонизации показывает, что люди нередко покидали родные края навсегда. Без всякой надежды когда-то туда вернуться. А передвигаясь со скоростью, не превышающей скорость света, теоретически, можно добраться до любого уголка вселенной за годы локального времени.
net_racoon
17.10.2023 02:55Для перемещения (но не движения!) со скоростью, превышающей скорость света, во всех теориях необходима экзотическая материя с отрицательной гравитацией.
Может на основе темной энергии можно что-то придумать? Когда поймем что это
kauri_39
17.10.2023 02:55В Великом Кольце говорят: "Если в цивилизации начали обсуждать варп-двигатель, чтобы летать к другим звёздам, то ей пора встречать гостей с других звёзд". Человечество готово к рождению в Великое Кольцо?
net_racoon
17.10.2023 02:55Да варп то мы точно при нашей жизни не увидим. Больше надежд на двигатель на антиматерии и на солнечный парус.
petr77
17.10.2023 02:55не надо приписывать создателям стар трека чужие заслуги. принцип действия варп двигателя впервые описан Джоном Кэмпбеллом еще в 30-е годы.
petr77
17.10.2023 02:55так же хочу подчеркнуть, что Кэмпбелл по образованию как раз физиком был. так что увы и ах - но концепция варп двигателя пришла в голову именно физику. в 60-е создатели стар трека просто взяли его идею и обозвали варп)
diakin
Напоминает персонажа, который сам себя за волосы вытянул из болота.
xxxinsignia
Да, только для того чтобы белая дыра отталкивала черную, нужно полностью управлять гравитационным полем белой и направлять его в сторону черной дыры. Подождем новых открытий и опытов в течении ближайших 2000х лет.