Двигатель Алькубьерре ( [alkuˈβjere] ) — это умозрительная идея варп-двигателя , согласно которой космический корабль может достичь явной скорости, превышающей скорость света, сжимая пространство перед ним и расширяя пространство позади него, при условии, что настраиваемая плотность энергии поле меньше, чем у вакуума (то есть отрицательная масса ). [1] [2] Привод Алькубьерре , предложенный физиком-теоретиком Мигелем Алькубьером в 1994 году, основан на решении уравнений поля Эйнштейна . Поскольку эти решения являются метрическими тензорами , привод Алькубьерре также называется метрикой Алькубьерра .
Объекты не могут ускоряться до скорости света в обычном пространстве-времени ; вместо этого двигатель Алькубьерре сдвигает пространство вокруг объекта так, чтобы объект достиг места назначения быстрее, чем свет в обычном пространстве, не нарушая при этом никаких физических законов . [3]
Хотя метрика, предложенная Алькубьерре, согласуется с уравнениями поля Эйнштейна, построение такого двигателя не обязательно возможно. Предлагаемый механизм привода Алькубьерре предполагает отрицательную плотность энергии и поэтому требует экзотической материи или манипулирования темной энергией . [4] Если экзотическая материя с правильными свойствами не может существовать, то и привод построить невозможно. Однако в конце своей оригинальной статьи [5] Алькубьерре утверждал (следуя аргументу, развитому физиками, анализирующими проходимые червоточины [6] [7] ), что вакуум Казимира между параллельными пластинами может удовлетворить требование отрицательной энергии для двигателя Алькубьерре. .
Другая возможная проблема заключается в том, что, хотя метрика Алькубьерре согласуется с уравнениями Эйнштейна, общая теория относительности не включает в себя квантовую механику . Некоторые физики представили аргументы, предполагающие, что теория квантовой гравитации (которая будет включать обе теории) исключит те решения в общей теории относительности, которые допускают путешествие во времени (см. Гипотезу о защите хронологии ) и, таким образом, сделает привод Алькубьерре недействительным.
В 1994 году Мигель Алькубьерре предложил метод изменения геометрии пространства путем создания волны, которая заставляла бы ткань пространства перед космическим кораблем сжиматься, а пространство позади него расширяться. [5] [1] [2] Затем корабль будет кататься на этой волне внутри области плоского пространства, известной как пузырь деформации , и не будет двигаться внутри этого пузыря, а вместо этого будет унесен по мере того, как сама область движется из-за действий привода. Локальная скорость относительно деформированного пространства-времени была бы субсветовой, но скорость, с которой мог бы двигаться космический корабль, была бы сверхсветовой, что сделало бы возможным межзвездный полет, например посещение Проксимы Центавра в течение нескольких дней. [8]
В 2021 году исследователь Гарольд Уайт из Института безграничного космоса, финансируемый DARPA , заявил, что ему удалось создать настоящий варп-пузырь, заявив, что «наш детальный численный анализ наших нестандартных полостей Казимира помог нам идентифицировать настоящий и технологичный наноразмер». микроструктура, которая, по прогнозам, будет генерировать отрицательную плотность энергии вакуума, так что она создаст настоящий наноразмерный варп-пузырь, не аналог, а настоящую вещь». [9]
Метрика Алькубьерре определяет пространство-время варп-двигателя . Это лоренцево многообразие , которое, если его интерпретировать в контексте общей теории относительности , позволяет пузырю деформации появляться в ранее плоском пространстве-времени и удаляться со скоростью, фактически превышающей скорость света. Внутренняя часть пузыря представляет собой инерциальную систему отсчета , и жители не испытывают должного ускорения. Этот метод транспортировки не предполагает движения объектов со скоростью, превышающей скорость света по отношению к содержимому варп-пузыря; то есть луч света внутри варп-пузыря все равно всегда будет двигаться быстрее, чем корабль. Поскольку объекты внутри пузыря не движутся (локально) быстрее света, математическая формулировка метрики Алькубьерре согласуется с традиционными утверждениями законов относительности (а именно, что объект с массой не может достичь скорости света или превысить ее). ) и традиционные релятивистские эффекты, такие как замедление времени, не будут применяться, как к обычному движению на околосветовых скоростях. [10]
Расширение метрики Алькубьерре, которое исключает расширение элементов объема и вместо этого полагается на изменение расстояний вдоль направления движения, принадлежит математику Хосе Натарио. В его метрике пространство-время сжимается по направлению к носу корабля и расширяется в направлении, перпендикулярном движению, а это означает, что пузырь фактически «скользит» в пространстве, грубо говоря, «отталкивая пространство в сторону». [10] [11]
Привод Алькубьерре остается гипотетической концепцией с, казалось бы, сложными проблемами, хотя количество требуемой энергии больше не считается недостижимо большим. [12] Кроме того, Алексей Бобрик и Джанни Мартире утверждают, что, в принципе, класс субсветовых, сферически симметричных варп-пространств-временей может быть построен на основе физических принципов, известных в настоящее время человечеству, таких как положительная энергия. [13]
Используя формализм ADM общей теории относительности , пространство-время описывается слоением пространственноподобных гиперповерхностей с постоянной координатой времени t , при этом метрика принимает следующую общую форму:
где
Конкретная форма, которую изучал Алькубьерре [5], определяется следующим образом:
где
с произвольными параметрами R > 0 и σ > 0 . Таким образом, конкретную форму метрики Алькубьерре можно записать:
С помощью этой конкретной формы метрики можно показать, что плотность энергии, измеренная наблюдателями, чья 4-скорость нормальна к гиперповерхностям, определяется выражением:
где g — определитель метрического тензора .
Таким образом, поскольку плотность энергии отрицательна, необходимо, чтобы экзотическая материя перемещалась со скоростью, превышающей скорость света. [5] Существование экзотической материи теоретически не исключается; однако создание и поддержание достаточного количества экзотической материи для совершения таких подвигов, как путешествие со скоростью, превышающей скорость света (и сохранение открытой «глотки» червоточины ) , считается непрактичным. [ нужна цитата ] По словам писателя Роберта Лоу, в контексте общей теории относительности невозможно построить варп-двигатель в отсутствие экзотической материи. [14]
Астрофизик Джейми Фарнс из Оксфордского университета предложил теорию, опубликованную в рецензируемом научном журнале Astronomy & Astrophysicals , которая объединяет темную энергию и темную материю в единую темную жидкость и которую, как ожидается, можно будет проверить с помощью массива квадратных километров. около 2030 года. [15] Фарнс обнаружил, что Альберт Эйнштейн исследовал идею гравитационно-отталкивающих отрицательных масс при разработке уравнений общей теории относительности , идеи, которая приводит к «красивой» гипотезе, согласно которой космос имеет равное количество положительных и отрицательных качеств. Теория Фарнса опирается на отрицательные массы , которые ведут себя идентично физике двигателя Алькубьерре, обеспечивая естественное решение текущего «кризиса в космологии» из-за изменяющегося во времени параметра Хаббла . [16]
Поскольку теория Фарнса позволяет положительной массе (то есть кораблю) достигать скорости, равной скорости света, ее назвали «спорной». [17] Если теория верна, что широко обсуждается в научной литературе, она могла бы объяснить темную энергию, темную материю, допустить замкнутые времяподобные кривые (см. путешествие во времени ) и предположить, что двигатель Алькубьерре физически возможен с экзотической материей. . [18]
Что касается некоторых специфических эффектов специальной теории относительности, таких как лоренцево сжатие и замедление времени , метрика Алькубьерре имеет некоторые явно странные аспекты. В частности, Алькубьерре показал, что корабль, использующий двигатель Алькубьерре, движется по геодезической линии свободного падения, даже когда варп-пузырь ускоряется: его экипаж будет находиться в свободном падении, ускоряясь, не испытывая при этом ускоряющих сил перегрузки . Однако огромные приливные силы будут присутствовать вблизи краев плоского объема пространства из-за большой кривизны пространства там, но подходящая спецификация метрики сохранит приливные силы очень небольшими в объеме, занимаемом кораблем. [5]
Исходная метрика варп-двигателя и ее простые варианты имеют форму ADM , которая часто используется при обсуждении формулировки общей теории относительности для начальных значений. Это может объяснить широко распространенное заблуждение о том, что это пространство-время является решением уравнения поля общей теории относительности. [ нужна цитата ] Метрики в форме ADM адаптированы к определенному семейству инерциальных наблюдателей, но эти наблюдатели на самом деле физически не отличаются от других таких семейств. Алькубьерре интерпретировал свой «варп-пузырь» как сжатие пространства перед пузырем и расширение позади, но эта интерпретация может вводить в заблуждение, [19] поскольку сжатие и расширение на самом деле относятся к относительному движению ближайших членов семейства. наблюдателей АДМ. [ нужна цитата ]
В общей теории относительности часто сначала определяют вероятное распределение материи и энергии, а затем находят связанную с ним геометрию пространства-времени; но можно также запустить уравнения поля Эйнштейна в другом направлении, сначала задав метрику, а затем найдя связанный с ней тензор энергии-импульса , и именно это Алькубьерре сделал при построении своей метрики. Такая практика означает, что решение может нарушать различные энергетические условия и требовать экзотической материи . Потребность в экзотической материи поднимает вопросы о том, можно ли распределить материю в начальном пространстве-времени, в котором отсутствует варп-пузырь, таким образом, чтобы пузырь возник в более позднее время, хотя некоторые физики предлагали модели динамического варп-пространства-времени в в результате чего в ранее плоском пространстве образуется варп-пузырь. [4] Более того, по словам Сергея Красникова , [20] для создания пузыря в ранее плоском пространстве для одностороннего полета на сверхсветовой скорости необходимо заставить экзотическую материю двигаться с локальными скоростями, превышающими скорость света, что потребовало бы существования тахионов , хотя Красников также отмечает, что когда пространство-время изначально не плоское, аналогичного результата можно было бы добиться и без тахионов, заранее разместив вдоль пути движения некоторые устройства и запрограммировав их на включение в заданные моменты и работу в заранее заданным образом. Некоторые предложенные методы позволяют избежать проблемы тахионного движения, но, вероятно, приведут к образованию голой сингулярности в передней части пузыря. [21] [22] Аллен Эверетт и Томас Роман комментируют открытие Красникова ( трубка Красникова ):
[Это открытие] не означает, что пузыри Алькубьерре, если бы их можно было создать, нельзя было бы использовать в качестве средства сверхсветового путешествия. Это лишь означает, что действия, необходимые для изменения метрики и создания пузыря, должны быть предприняты заранее каким-то наблюдателем, чей передний световой конус содержит всю траекторию пузыря. [23]
Например, если бы кто-то захотел отправиться на Денеб (2600 световых лет от нас) и прибыть менее чем на 2600 лет в будущем по внешним часам, потребовалось бы, чтобы кто-то уже начал работу по искажению пространства от Земли до Денеба в по крайней мере 2600 лет назад:
Космический корабль, правильно расположенный относительно траектории пузыря, мог бы затем войти в пузырь, подобно пассажиру, догоняющему проезжающий троллейбус, и таким образом совершить сверхсветовое путешествие... как указывает Красников, соображения причинности не мешают экипажу космический корабль не сможет своими собственными действиями совершить путешествие туда и обратно от Земли к далекой звезде и обратно за сколь угодно короткое время, измеряемое земными часами, путем изменения метрики на пути их полета. [23]
Метрика этой формы имеет значительные трудности, поскольку все известные теории пространства-времени варп-двигателя нарушают различные энергетические условия . [24] Тем не менее, варп-двигатель типа Алькубьера может быть реализован путем использования некоторых экспериментально подтвержденных квантовых явлений, таких как эффект Казимира , которые приводят к тензорам энергии-напряжения , которые также нарушают энергетические условия, такие как отрицательная масса-энергия , когда описывается в контексте квантовой теории поля. [25] [26]
Если определенные квантовые неравенства , выдвинутые Фордом и Романом, верны, [27] потребности в энергии для некоторых варп-двигателей могут быть не только недопустимо большими, но и отрицательными. Например, для транспортировки небольшого космического корабля через Млечный Путь может потребоваться энергетический эквивалент −10 64 кг [28] — количество, на порядки превышающее предполагаемую массу наблюдаемой Вселенной . Были также предложены контраргументы этим очевидным проблемам, [3] хотя энергетические потребности все еще обычно требуют цивилизации типа III по шкале Кардашева . [8]
Крис Ван Ден Брук из Католического университета Левена в Бельгии в 1999 году попытался решить потенциальные проблемы. [29] Сжимая 3+1-мерную площадь поверхности пузыря, транспортируемого приводом, и в то же время расширяя трехмерный объем, содержащийся внутри, Ван Ден Брук смог уменьшить общую энергию, необходимую для транспортировки небольших частиц. атомы с массой менее трёх солнечных . Позже в 2003 году, слегка изменив метрику Ван ден Брока, Сергей Красников снизил необходимое общее количество отрицательной массы до нескольких миллиграммов. [3] [24] Ван Ден Брук подробно описал это, заявив, что общую энергию можно значительно уменьшить, сохраняя площадь поверхности самого варп-пузыря микроскопически маленькой и в то же время расширяя пространственный объем внутри пузыря. Однако Ван Ден Брук заключает, что требуемая плотность энергии все еще недостижима, как и небольшой размер (на несколько порядков выше планковского масштаба ) необходимых пространственно-временных структур. [21]
В 2012 году физик Гарольд Уайт и его коллеги объявили, что изменение геометрии экзотической материи может снизить требования к массе и энергии для макроскопического космического корабля с эквивалента планеты Юпитер до космического корабля «Вояджер-1» (около 700 кг) [12]. ] или меньше, [30] и заявили о своем намерении провести небольшие эксперименты по созданию варп-полей. [12] Уайт предложил утолщать чрезвычайно тонкую стенку варп-пузыря, чтобы энергия концентрировалась в большем объеме, но общая пиковая плотность энергии на самом деле меньше. В плоском двумерном представлении кольцо положительной и отрицательной энергии, изначально очень тонкое, становится более крупным нечетким тором (формой пончика). Однако, поскольку этот менее энергичный варп-пузырь также сгущается по направлению к внутренней области, он оставляет меньше плоского пространства для размещения космического корабля, который должен быть меньше. [31] Более того, если интенсивность пространственной деформации может колебаться с течением времени, требуемая энергия снижается еще больше. [12] По мнению Уайта, модифицированный интерферометр Майкельсона-Морли мог бы проверить эту идею: при включении испытательных устройств одна из опор интерферометра будет иметь немного другую длину. [30] [32] Алькубьерре выразил скептицизм по поводу эксперимента, заявив: «Насколько я понимаю, это невозможно сделать, вероятно, в течение столетий, если вообще». [33] [34]
В 2021 году физик Эрик Ленц описал способ существования варп-двигателей, источником которых является известная и знакомая чисто положительная энергия — варп-пузыри, основанные на сверхсветовых самоусиливающихся «солитонных» волнах. [35] [36] [37] [38] [39] Это утверждение является спорным: другие физики утверждают, что все физически разумные варп-двигатели нарушают условие слабой энергии , а также условия сильной и доминирующей энергии. [40]
Красников предположил, что если тахионную материю невозможно найти или использовать, то решением может быть приведение в движение масс на пути судна таким образом, чтобы создавалось необходимое поле. Но в этом случае судно-водитель Алькубьерре может путешествовать только по маршрутам, которые, как и железная дорога, предварительно оборудованы необходимой инфраструктурой. Пилот внутри пузыря причинно оторван от его стенок и не может осуществлять никаких действий за пределами пузыря: пузырь нельзя использовать для первого полета к далекой звезде, поскольку пилот не может разместить инфраструктуру впереди пузыря, находясь «в пути». Например, путешествие на Вегу (которая находится в 25 световых годах от Земли) требует устроить все так, чтобы появился пузырь, движущийся к Веге со сверхсветовой скоростью; такие меры всегда будут занимать более 25 лет. [20]
Коул утверждал, что схемы, подобные предложенной Алькубьерре, неосуществимы, поскольку материя, помещенная на пути предполагаемого пути корабля, должна перемещаться со сверхсветовой скоростью - что для создания двигателя Алькубьерре требуется двигатель Алькубьерре, даже если метрика, которая позволяет это имеет физический смысл. Коул далее утверждает, что аналогичное возражение применимо к любому предложенному методу построения привода Алькубьерре. [22]
В статье Хосе Натарио (2002) утверждается, что члены экипажа не могли контролировать, направлять или останавливать корабль в его варп-пузыре, потому что корабль не мог посылать сигналы в переднюю часть пузыря. [19]
В статье Карлоса Барсело, Стефано Финацци и Стефано Либерати 2009 года используется квантовая теория, чтобы доказать, что двигатель Алькубьерре на скоростях, превышающих световые, невозможен главным образом потому, что чрезвычайно высокие температуры, вызванные излучением Хокинга , разрушили бы все внутри пузыря на сверхсветовых скоростях и дестабилизировать сам пузырь; в статье также утверждается, что эти проблемы отсутствуют, если скорость пузыря субсветовая, хотя для привода все равно требуется экзотическая материя. [4]
Брендан МакМонигал, Герайнт Ф. Льюис и Филип О'Бирн утверждали, что если корабль, управляемый Алькубьером, замедлится со сверхсветовой скорости, частицы, которые его пузырь собрал во время транспортировки, будут высвобождаться в виде энергетических вспышек, подобных бесконечно сдвинутому в голубую сторону излучению. предположительно происходит на внутреннем горизонте событий черной дыры Керра ; Таким образом, частицы, обращенные вперед, будут достаточно энергичными, чтобы уничтожить что-либо в пункте назначения прямо перед кораблем. [41] [42]
Количество отрицательной энергии, необходимой для такого движения, пока неизвестно. Пфеннинг и Аллен Эверетт из Тафтса считают, что варп-пузырь, движущийся со скоростью, в 10 раз превышающей скорость света, должен иметь толщину стенок не более 10–32 метров , что близко к предельной планковской длине 1,6 × 10–35 метров . [43] Согласно первоначальным расчетам Алькубьерре, макроскопический пузырь, достаточно большой, чтобы вместить корабль длиной 200 метров, потребовал бы общего количества экзотической материи, превышающей массу наблюдаемой Вселенной, и напряжения экзотической материи до чрезвычайно тонкой полосы 10 − 32 метра считается непрактичным. Аналогичные ограничения применимы и к сверхсветовому метро Красникова . Крис Ван ден Брук сконструировал модификацию модели Алькубьерре, которая требует гораздо меньше экзотической материи, но помещает корабль в искривленную пространственно-временную «бутылку», горлышко которой составляет около 10–32 метров . [21]
Расчеты физика Аллена Эверетта показывают, что пузыри деформации можно использовать для создания замкнутых времяподобных кривых в общей теории относительности, а это означает, что теория предсказывает, что их можно использовать для путешествий во времени назад . [44] Хотя вполне возможно, что фундаментальные законы физики допускают существование замкнутых времяподобных кривых, гипотеза о защите хронологии предполагает, что во всех случаях, когда классическая теория общей теории относительности допускает их, квантовые эффекты будут вмешиваться, чтобы устранить эту возможность, делая эти пространства-времени невозможно реализовать. Возможный тип эффекта, который может привести к этому, — это накопление флуктуаций вакуума на границе области пространства-времени, где путешествия во времени впервые станут возможными, в результате чего плотность энергии станет достаточно высокой, чтобы разрушить систему, которая в противном случае стала бы машиной времени. . Некоторые результаты в области квазиклассической гравитации , по-видимому, подтверждают эту гипотезу, в том числе расчет, посвященный конкретно квантовым эффектам в пространстве-времени с варп-двигателем, который предполагает, что варп-пузыри будут квазиклассически нестабильными, [4] [45] , но в конечном итоге эта гипотеза может быть подтверждена только полная теория квантовой гравитации . [46]
Алькубьерре кратко обсуждает некоторые из этих проблем в серии слайдов лекций, размещенных в Интернете [47] , где он пишет: «Остерегайтесь: в теории относительности любой метод перемещения быстрее скорости света в принципе может быть использован для путешествия во времени (машина времени )". На следующем слайде он поднимает гипотезу о защите хронологии и пишет: «Эта гипотеза не доказана (это не была бы гипотеза, если бы она была доказана), но есть веские аргументы в ее пользу, основанные на квантовой теории поля. Гипотеза не запрещает путешествия со скоростью, превышающей скорость света. Она просто утверждает, что если существует способ путешествовать быстрее скорости света и попытаться использовать его для создания машины времени, что-то пойдет не так: накопленная энергия взорвется или создаст черную дыру».
В телесериалах и фильмах «Звездный путь » используется термин «варп-двигатель» для описания метода путешествия со скоростью, превышающей скорость света. Ни теории Алькубьерре, ни чего-либо подобного на момент задумки сериала не существовало — термин «варп-двигатель» и общая концепция возникли из научно-фантастического романа Джона Кэмпбелла « Острова космоса» 1931 года . [48] Алькубьерре заявил в электронном письме Уильяму Шетнеру , что его теория была непосредственно вдохновлена термином, использованным в сериале [49] , и в своей статье 1994 года он цитирует «варп-двигатель научной фантастики». [50] Военный корабль США «Алькубьерре» появляется в настольной ролевой игре Star Trek « Star Trek Adventures» . [51] С момента выхода Star Trek The Original Series в более поздних сериях Star Trek Spin более широко использовалась теория, лежащая в основе привода Алькубьерре, включающая варп-пузыри/поля во вселенскую науку.
Алькубьерре, следуя примеру теоретиков червоточин, утверждает, что квантовая теория поля допускает существование областей с отрицательной плотностью энергии при особых обстоятельствах, и приводит в качестве примера эффект Казимира.
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )Эти результаты показывают, что любому кораблю, использующему варп-двигатель Алькубьерре, перевозящему людей, потребуется защита, чтобы защитить их от потенциально опасных частиц с синим смещением во время путешествия, и любые люди в пункте назначения будут подвергнуты гамма-излучению и частицам высокой энергии, преданным забвению из-за до крайних синих смещений для частиц области P+.