[Перевод] Спросите Итана: какие научные эксперименты смогут открыть нам дверь в будущее?
Коллаборация ALPHA ближе всех подошла к измерению поведения нейтральной антиматерии в гравитационном поле. Результаты могут открыть нам путь к удивительным новым технологиям
Мечты о мгновенной передаче сообщений, межзвёздных кораблях и возможности путешествовать во времени — это скрепы научной фантастики. Во многих смыслах они представляют величайшие надежды человечества, однако основываются на технологиях, выходящих за рамки известного сегодняшней науке. И всё же, с учётом экспериментов, идущих на переднем крае открытий, возможно, что новая дверь откроется в любую минуту. Если нам повезёт — что нас ждёт сразу за горизонтом? Именно это хочет знать читатель Игорь Жбанов:
Если нам повезёт, какие научные эксперименты, планируемые на ближайшие лет двадцать, могут открыть нам новые способы создания научно-фантастических технологий?
Существует много фантастических возможностей, способных поменять нашу реальность к концу XXI века.
Всем когда-либо придуманным ракетам требуется какое-то топливо, но если сделать двигатель на тёмной материи, новое топливо можно будет находить, просто передвигаясь по Галактике
Тёмная материя (ТМ) может стать неограниченным источником топлива, которое не надо будет таскать с собой. Одной из величайших загадок науки является вопрос природы ТМ. Благодаря непрямым измерениям мы знаем о её существовании и о её огромном количестве. Если собрать всю ТМ, присутствующую в такой крупной галактике, как наша, её окажется в пять раз больше, чем нормальной материи (на основе атомов). Она почти наверняка состоит из частиц со следующими свойствами:
• у них есть масса,
• у них нет электрического или цветного заряда,
• они взаимодействуют гравитационно,
• и до какой-то степени они должны сталкиваться сами с собой и с нормальной материей.
Из знаменитого уравнения Эйнштейна E = mc2 мы знаем, что в ТМ хранится огромная энергия: в пять раз больше, чем во всей обычной материи. Если Вселенная будет к нам благосклонна, мы, возможно, сумеем её использовать.
Распределение массы в скоплении галактик Abell 370, построенное на основе гравитационного линзирования, демонстрирует два крупных рассеянных гало массы, соответствующей ТМ и двум сталкивающимся скоплениям. Вокруг и внутри каждой галактики, скопления и массивного набора обычной материи существует в 5 раз больше ТМ.
Множество экспериментов ищут столкновения ТМ как с нормальной, так и с самой собой. Всего существует два типа частиц: фермионы (с полуцелыми спинами) и бозоны (с целыми спинами). Если ТМ состоит из бозонов, то она, скорее всего, сама себе античастица, что означает, что если вы сможете поймать пару частиц ТМ и заставить их взаимодействовать друг с другом, они аннигилируют. А если они аннигилируют, они выдадут чистую энергию. Иначе говоря, это будет бесплатный и неограниченный источник энергии, который есть везде, куда бы вы ни отправились. А поскольку он есть везде, вам даже не надо нести его с собой на пути по Вселенной. Поэтому, в случае экспериментов, ищущих ТМ, итоговой мечтой является неограниченная и бесплатная энергия.
Варп-поле из «Звёздного пути», укорачивающее пространство впереди и удлиняющее сзади
У антиматерии может быть отрицательная масса, что означает, что она может стать ключом к созданию варп-двигателя. Если вы хотите путешествовать к звёздам, обычная энергия и источники топлива не дадут вам путешествовать слишком далеко. Или, буквально говоря, они не дадут вам путешествовать слишком быстро: вы всегда будете ограничены скоростью света. Ближайшая солнцеподобная звезда с планетами, потенциально пригодными для жизни, Тау Кита, находится в 12 световых годах от нас, что означает, что на простое путешествие туда и отправку информации об этом обратно уйдёт не меньше целого поколения. Но если бы мы могли сжимать пространство перед нами в путешествии по межзвёздному пространству, одновременно расширяя пространство за нами, мы могли бы добраться туда гораздо быстрее. На этой идее основан варп-двигатель, который в 1994 году поставил на надёжные физические рельсы астрофизик Мигель Алькубьерре.
Решение Алькубьерре для теории относительности, позволяющее двигаться сходным с варп-двигателем образом. Это решение требует отрицательной массы
Чтобы создать нужную конфигурацию пространства-времени, требуемую для варп-двигателя, необходимы две вещи: огромное количество энергии и существование отрицательной массы. Эта отрицательная масса, наличие которой лишь предполагается, нужна для деформации пространства-времени особым образом, необходимым для реализации варп-двигателя. Мы пока ещё не измеряли массу частиц антиматерии; падают они в гравитационном поле «вверх» или «вниз», нам ещё предстоит проверить в эксперименте. Эксперимент ALPHA на ЦЕРН сейчас проводится в целях измерения воздействия гравитации на антиматерию и поведения антиматерии в гравитационном поле. Если окажется, что она в гравитационном поле падает «вверх», мы можем получить нужную нам отрицательную массу, и варп-двигатель окажется возможным.
Инструмент Virtual IronBird для модуля центрифуг (Centrifuge Accommodations Module, CAM) на МКС — один из способов создания искусственной гравитации, но ему требуется много энергии, и он позволяет создавать только определённую силу центростремительного типа. Настоящая искусственная гравитация потребовала бы манипуляций с отрицательной массой
Также отрицательная масса позволила бы нам создать искусственную гравитацию. Эта возможность существования отрицательной массы во Вселенной — позволила бы нам создавать искусственное гравитационное поле так, как сейчас у нас не получается. Существование положительного и отрицательного заряда в электромагнетизме позволяет нам создавать проводники, благодаря которым мы можем манипулировать электрическом полем между ними и закрываться от электрического поля вне их. Гравитация, насколько мы сейчас понимаем, обладает только одним типом заряда: положительной массой. Однако существование отрицательной массы позволило бы нам создать окружение с по-настоящему нулевой гравитацией, если мы сможем настроить его правильно, а также дало бы нам возможность создать поле искусственной гравитации любой мощности между двумя системами с положительной и отрицательной массой.
Идея о путешествии назад во времени сегодня относится к научной фантастике. Однако, если в нашей Вселенной могут существовать замкнутые временные петли, это будет не просто возможно, а даже неизбежно
Вращающаяся Вселенная могла бы позволить нам путешествовать назад во времени. Путешествие во времени не просто возможно, оно неизбежно — по направлению вперёд. Когда пространство и время объединены в единую ткань пространства-времени, должна произойти серьёзная встряска известной нам сегодня физики, чтобы разрешить путешествия назад во времени. Довольно легко вернуться в отправную точку в пространстве; Земля делает это, возвращаясь в начальную точку орбиты вокруг Солнца, но при этом значительно продвинувшись во времени (на год). Замкнутой пространственной петли достичь легко. А вот чтобы вернуться на исходную точку во времени, потребуется что-то необычное — замкнутых временных петель в нашей расширяющейся и заполненной материей Вселенной нет. Если, конечно, Вселенная не вращается.
Для появления замкнутых временных петель вращения одной галактики недостаточно, нужно, чтобы вращалась вся Вселенная
Во вращающейся Вселенной существует точное решение, при котором, если плотность материи и космологическая константа (она же — тёмная энергия) имеют определённые значения, то во Вселенной будут существовать замкнутые временные петли. Пока что мы ограничили глобальное вращение Вселенной, но не исключили его полностью. Если окажется, что Вселенная вращается с определённой скоростью, идеально балансирующей требования плотности материи и космологической константы, тогда будет вполне возможно отправиться назад во времени и прибыть в отправную точку не только в пространстве, но и во времени. Глубокие обзоры больших областей неба, по типу готовящихся экспериментов WFIRST и LSST, могут обнаружить такое вращение, если оно существует.
Концепция спутника НАСА WFIRST, который должен отправиться в космос в 2024-м и дать нам наиболее точные измерения тёмной энергии, а также обнаружить другие невероятные космические находки
Наука позволяет существовать и более экзотическим возможностям — телепортации физических объектов, мгновенному перемещению между разными точками (червоточины) или коммуникации быстрее света —, но такие возможности требуют гораздо более серьёзных и сложных обходных путей, чем один простой эксперимент, выдающий неожиданные, но допустимые результаты. Однако мы обязаны искать такие возможности. Наука — это не история с конечной целью, где мы узнаем всё, что можно, и затем остановимся. Это продолжающийся детектив, где каждое открытие, каждая веха и каждый эксперимент неизбежно ведут к более глубоким вопросам на этом пути. Куда бы ни завела нас эта дорога, важно представлять себе эти возможности и то, что необходимо для их осуществления — на каждом шагу путешествия.
Итан Сигель — астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].
ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части .
