Варп-двигатель в Star Trek
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 40000 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
