NASA обсуждает концепцию варп-двигателя и готовится к созданию пузыря Алькубьерре в лаборатории
NASA обсуждает концепцию варп-двигателя и готовится к созданию пузыря Алькубьерре в лаборатории
Поделитесь в соцсетях:
- Нажмите, чтобы поделиться на Twitter (Открывается в новом окне)
- Нажмите здесь, чтобы поделиться контентом на Facebook. (Открывается в новом окне)
- Нажмите, чтобы поделиться на LinkedIn (Открывается в новом окне)
- Нажмите, чтобы поделиться записями на Pocket (Открывается в новом окне)
- Нажмите, чтобы поделиться в Telegram (Открывается в новом окне)
Еще в конце прошлого года стало известно, что небольшая группа исследователей NASA в секретной лаборатории создают варп-двигатель, который в теории может сделать возможными путешествия быстрее скорости света.
Ближайшей звездной системой к Солнцу является Альфа Центавра. Она находится на расстоянии чуть больше чем четыре световых года. Если лететь к ней со скоростью 62 136 км/ч (именно с такой скоростью летит сквозь пространство зонд «Вояджер-1»), то понадобится около 67 000 лет, чтобы добраться к ней. На данный момент существует очень много разных силовых установок (к примеру, ионные двигатели), но, к сожалению, ни одна из них не способна обеспечить нужную скорость, чтобы сделать реальностью исследования планет, которые находятся на расстоянии нескольких тысяч световых лет от Земли. Двигатели деформации на данный момент являются единственной надеждой, тлеющей в сердцах специалистов NASA.
В настоящее время стало известно, что команда исследователей под руководством Гарольда Уайта из NASA разработала модель варп-двигателя Алькубьерре, который можно изготовить при одном условии – если человечество откроет тайну, каким образом можно манипулировать экзотической материей. Однако, уже сейчас господин Уайт готов обсудить другие особенности двигателя деформации. К примеру, энергопотребление, внешний вид космического аппарата с варп-двигателем, а также, что из себя представляют путешествия со сверхсветовой скоростью.
В основе двигателя деформации Гарольда Уайта лежит теория физика по имени Мигель Алькубьерре. Если говорить коротко, двигатель деформации делает возможными путешествия со сверхсветовой скоростью благодаря искажению пространства-времени вокруг него. В сущности, Мигель Алькубьерре представил устройство, которое сжимает пространство перед космическим кораблем и расширяет его за ним. Таким образом, создается так называемый варп-пузырь или пузырь Алькубьерре, в котором космический корабль может путешествовать со скоростью, которая в 10 раз превосходит скорость света.
Опираясь на многолетние исследования большинство ученых в один голос заявляют о возможности пространство-временных деформаций, но при этом у них возникает множество вопросов, связанных с путешествиями данного характера. К примеру, сможет ли человек пережить такое путешествие или сколько нужно энергии, чтобы развить сверхсветовую скорость?
В прошлом году Гарольд Уайт показал дизайн варп-двигателя (на фото сверху), энергопотребление которого, согласно знаменитой формуле Эйнштейна E=mc², сокращено с рассчитанного для планеты с массой Юпитера значения до значения, рассчитанного для зонда «Вояджер-1» (700 кг). Существует мнение, что двигатель Алькубьерре может потребовать больше энергии, чем масса видимой части Вселенной. Результаты исследований NASA говорят, что потребность в энергии можно удовлетворить, если сделать варп-двигатель тороидальной формы.
В ходе интервью New Scientist Гарольд Уайт дал несколько ответов. Пузырь Алькубьерре он описал следующим образом:
«Вы идете со скоростью 5 км/ч, а затем вы становитесь на эскалатор в аэропорту и вы едете со скоростью 5 км/ч, но вы преодолеваете дистанцию намного быстрее по сравнению с обычными пешеходами. Расширять и сжимать пространство можно на любой скорости».
Он также сказал, что путешествия со сверхсветовой скоростью можно сравнить с просмотром фильмов в ускоренном режиме.
«Представьте мяч для американского футбола, который имеет вокруг себя тороидальное кольцо с креплениями-пилонами. Мяч – это место, в котором будет находиться экипаж и оборудование корабля, а кольцо будет наполнено экзотической материей, о которой, к сожалению, на данный момент известно очень мало», — сказал Гарольд Уайт на вопрос о том, как будет выглядеть двигатель Алькубьерре.
Гарольд Уайт также сообщил, что первые двигатели деформации появятся очень нескоро, но команда исследователей NASA в ближайшем времени «докажет, что данную концепцию можно воплотить в реальность». Скорее всего, если человечество когда-нибудь и увидит двигатели деформации, то с пузырем Алькубьерре у них будет очень мало общего. Стоит отметить, что варп-двигатель размерами с автомобиль на данный момент воспринимается гораздо легче, чем экзотическая материя.
Варп-двигатель Алькубьерре
Возможность путешествовать быстрее скорости света.
Мы часто видим их в научно-фантастических фильмах — корабли с варп-двигателями ( warp drive ), которые позволяют героям исследовать новые планеты и новые галактики. Эти корабли летали бы даже быстрее скорости света, за исключением того, что если Общая теория относительности чему-то и научила нас, так это тому, что ничто не может превышать скорость света. Верно? Ведь свет не имеет массы и поэтому может двигаться со скоростью 299 792 458 метров в секунду.
Да, это действительно так. Ничто не может превышать этот универсальный предел скорости. За исключением того, что можно построить варп-двигатель, не нарушая никаких законов физики.
В 1994 году мексиканский физик-теоретик Мигель Алькубьерре написал статью, в которой была изложена математическая и научная основа для варп-двигателя, которая не нарушает общей теории относительности. Он заинтересовался этим методом межзвездных путешествий, увидев, что он используется в научно-фантастических романах, чтобы путешествовать на огромные расстояния.
Варп-двигатель работает расширяя пространство-время позади себя и сжимая его перед собой, образуя т.н. пузырь Алькубьерре. Сам корабль при этом никуда не движется, а именно пространство вокруг него движется и толкает его вперед. Представьте себе, такую аналогию: вы стоите на конвейерной ленте, где вам не приходится идти, а вместо этого полотно конвейера перемещает вас вперед. Сжатие пространства перед кораблем будет тянуть его вперёд, а расширение пространства позади корабля будет также толкать его вперед. Эйнштейн показал, что пространство-время может быть деформировано массой или энергией, и если пространство-время может быть изогнуто, то им можно манипулировать другими способами. Причина, по которой этот корабль сможет двигаться быстрее скорости света, заключается в том, что общая теория относительности говорит нам, что ничто в космосе не может нарушить ограничение скорости, однако нет ограничения скорости в том, как быстро само пространство может сжиматься или расширяться. Мы ничего не перемещаем в пространстве — мы перемещаем само пространство.
Работа Алькубьерре была обнадеживающей и впечатляющей, но у в неё было много пробелов. В своей оригинальной статье он предположил, что для питания такого космического корабля нам потребуется больше отрицательной энергии, чем имеется энергии во всей Вселенной. Эта отрицательная энергия — именно то, что заставляет пространство расширяться. Проблема в том, что отрицательная энергия неуловима, и многие ученые даже сомневаются в её существовании, не говоря уже о надежде, что мы сможем добыть её огромное количество.
Наши наблюдения за тем, что могло быть отрицательной энергией, очень незначительны. Идея состоит в том, что то, что кажется черным, пустым пространством, на самом деле таковым не является. Существует плотность энергии пустого пространства — то, что мы называем нулевой энергией. Квантовая механика говорит нам, что пустое пространство заполнено частицами энергии, возникающими и исчезающими. Если мы сможем остановить появление этих частиц, мы получим отрицательную энергию.
Ученые пытались создать это в лаборатории, сдвинув две металлические пластины (настолько плоские, что они идеально гладкие почти до атомарного уровня) на расстояние менее, чем толщина человеческого волоса. Полученное пространство было настолько мало, что оно не позволяло частицам существовать, заставляя силу вокруг пластин увеличиваться и, таким образом, проявлять сигнатуру отрицательной энергии. Однако, полученные в этом эксперименте измерения оказались слишком малы, чтобы сделать окончательные выводы о существовании отрицательной энергии.
Если мы выясним, как создать больше отрицательной энергии в будущем, нам может понадобиться не так много её, как сначала теоретизировал Алькубьерре. В более поздних уточнениях к его статье ученые NASA резко сократили количество энергии, необходимое для варп-двигателя, путем вибрирования частей корабля на высоких частотах, что облегчило бы перемещение в пространстве-времени и уменьшило количество необходимой энергии. Современные теории о том, сколько отрицательной энергии нам понадобится, варьируют значениями от 65 эксаджоулей до энергии нескольких отрицательных и положительных солнечных масс. 65 эксаджоулей составляет количество энергии, которое США использует в год. Всё еще много, но определенно лучше и определенно выполнимо в будущем. Если бы мы могли использовать тёмную энергию, нам бы понадобилась только масса Юпитера. Единственная проблема в том, что мы не понимаем, что такое тёмная энергия и как она работает. Она может оказаться экзотическим материалом, который нам нужен.
Для сравнения, попытка межзвездного космического полета с обычными ракетами не только займёт сотни тысяч лет, но и потребует объем топлива больше, чем вся вселенная. Не говоря уже о поиске материала, который мог бы выдерживать такую длительность путешествия.
У некоторых моделей гипотетических космических аппаратов с варп-двигателем скорость будет в 10 раз превышать скорость света. Это позволит совершить полёт к нашей ближайшей экзопланете, Альфа Центавра Bb, за шесть месяцев, хотя расстояние до неё более 4 световых лет. Наши самые быстрые космические корабли могут двигаться со скоростью более 30 000 км в час, а это означает, что нам потребуется 142 000 лет, чтобы достичь Альфа Центавра Bb. 30 000 км в час — это около 0,003% скорости света.
Путешествие на варп-двигателе приведет нас через более высокие измерения, а это означает, что это может дать нам возможность не только исследовать нашу собственную Вселенную, но и мультивселенную.
Существует предел того, насколько теоретически быстро может перемещаться варп-двигатель, но даже эти ограничения скорости позволят нам прибыть в новую галактику за доли секунды. В качестве дополнительного преимущества корабль может ускоряться и замедляться, а пассажиры не будут испытывать замедления времени. Другими словами, вы не прибудете в пункт назначения, чтобы узнать, что вы так далеко впереди во времени, что все, кого вы знаете, уже мертвы на Земле.
Другие проблемы, помимо источников энергии, связаны с частицами, накопленные во время путешествия, которые могут непреднамеренно запускаться во время торможения и разрушать целые миры. На самом деле, может не быть никакого способа замедления, как только судно начнет движение, а экипаж может оказаться мертвым по ряду других причин. Но до сих пор все математические и экспериментальные данные показали возможность существования варп-двигателей.
Если мы найдем способ создать такую технологию, пройдут столетия, прежде чем мы увидим её использование. Как и червоточины, возможности варп-двигателей огромны, но они не дадутся легко.
Однако нам не придется ждать сотни лет, чтобы начать исследовать далекие просторы космоса: у NASA есть цель создать межзвездный корабль до 2100 года.
Исследования варп-двигателя NASA — планируется IXS Enterprise
Наша воскресная новость касается будущего и связана с современной технологией. Но сначала немного предыстории: на прошлой неделе появилось сообщение о том, что NASA приступила к созданию космического корабля с варп-двигателем. Эта информация прошла в CNN, NBC, Washington Post, Gizmodo и UK Daily Mail, но из неё было ясно, что ничего серьёзного пока нет, потому что нет самого двигателя. Однако Гарольд Вайт, физик из NASA, опубликовал работу «Warp Field Mechanics 101» («Варп-механика 101»), в которой довольно детально определяются теоретические основы варп-двигателя.
Потребность в создании такого двигателя обусловлена тем, что на сегодняшний день нет возможности отправить космический корабль за пределы солнечной системы. Voyager 1, запущенный в 1977 году, до сих пор в пути, его вес составляет 722 кг, и он находится в настоящее время за орбитами внутренних спутников Урана. Но даже если корабль будет двигаться со скоростью 3,6 астрономических единиц в год (что соответствует скорости примерно 61.000 км/ч), до ближайшей звезды Проксима Центавра он полетит 75.000 лет. Даже так называемый ионный двигатель или Nuclear Electric Propulsion (NEP) сократит время путешествия только лишь приблизительно вдвое. Первые исследования, посвящённые проблеме таких полётов, появились в 70 — 80е годы. В рамках проекта «Daedalus» речь шла о космическом корабле массой 54.000 т, который должен был достичь звезды Бернарда, находящейся на расстоянии шести световых лет от Земли, за 50 лет. Сравните с современными космическим кораблями: международная космическая станция весит 400 т. Проект NASA «Longshot» был более «реалистичен»: планировался запуск космического корабля массой 400 т, который мог бы достичь звезды Альфа Центавра за 100 лет. В целом, вывод таков: расстояния слишком велики, чтобы их можно было преодолеть, используя современные двигатели.
Варп-двигатель должен быть знаком поклонникам «Star Trek». Такая технология позволяет кораблю двигаться со скоростью, превышающей скорость света за счёт искривления простанства. До сих пор неясно, соответствует ли варп-двигатель теории относительности. Но даже если он возможен теоретически, воплощение технологии на практике пока невозможно, поскольку для этого требуется столько энергии и такая плотность энергии, которую не могут обеспечить современные технологии. Использование антиматерии может быть единственным подходом к решению проблемы, однако, это из области научной фантастики.
Большую сенсацию вызвала на прошлой неделе не теория, а сопровождающие её иллюстрации. Они принадлежат голландскому художнику Марку Радемейкеру, довольно известному в сфере цифрового искусства. Несколько раз он обращался к теме космоса и вселенной Star Trek. Стремясь воссоздать дизайн современных космических технологий, Радемейкер сумел визуализировать ISX Enterprise с максимальной реалистичностью, что позволяет зрителю составить довольно чёткое представление о разработках команды NASA Advanced Propulsion team. Теоретически возможный IXS Enterprise ориентируется на теоретические основы варп-двигателя, благодаря чему изображение вышло таким «реалистичным».
Оборудование, использованное Радемейкером, представляет собой систему с NVIDIA GeForce GTX Titan. Поэтому логотип NVIDIA виден на всех изображениях IXS Enterprise. В качестве программного обеспечения используется Autodesk 3DS Max 2014 с nPower Software Power NURBS и многочисленными плагинами-переводчиками. Для моделирования использовали Power NURBS. Радемейкер работал над изображениями год. Так что, подобные проекты весьма трудоёмки не только для космической индустрии, но и для дизайнеров-любителей. Замечательный знак времени — устанавливается связь между цифровым искусством и теоретической работой.
Новая волна в исследованиях варп-двигателя. Решение Ленца и что из него следует
Варп-двигатель — одна из тех концепций, которые кажутся преждевременно проникшими из фантастики в науку, притягательных и недостижимых. Как известно, варп-двигатель был «изобретен» во вселенной «Стар Трек» и представляет собой устройство, позволяющее космическому кораблю мгновенно перемещаться в пространстве из точки A в точку B, не совершая многолетних и многовековых перелетов на субсветовых скоростях. Этот двигатель работает на антивеществе и кристаллах дилития, поэтому, в сущности, авторы могли нарисовать его сколь угодно мощным, компактным и красивым, не ограничивая собственную фантазию. Для полноты картины приведу здесь его схему, взятую с сайта startreker.su.
При всей фантастичности подобного проекта, в нем есть более чем внушительное рациональное зерно. Действительно, согласно теории относительности Эйнштейна, ничто в пространстве не может двигаться быстрее света, но при этом никак не ограничивается скорость движения самого пространственно-временного континуума. Именно такая лазейка позволила молодому мексиканскому физику Мигелю Алькубьерре (род. 1964) сформулировать концепцию пузыря Алькубьерре, а вслед за ним – и смоделировать аналог варп-двигателя, получивший известность под названием «двигатель Алькубьерре».
Двигатель Алькубьерре. Краткая история
В 1994 году в престижном научном журнале «General Relativity and Quantum Cosmology» вышла статья Мигеля Алькубьерре «The warp drive: hyper-fast travel within general relativity» (Варп-двигатель: гипербыстрые перемещения в рамках общей теории относительности). В этой статье Алькубьерре предлагал инженерный проект, более реалистичный, чем гиперпространственные прыжки через червоточины. Червоточина (кротовая нора) – это своеобразный туннель между сильно удаленными областями пространства или разными вселенными. Впервые подобная идея была предложена в 1935 году под названием «Мост Эйнштейна-Розена». Даже без учета того, что ни одна кротовая нора до сих пор не обнаружена, в данном контексте важны две ее черты:
Червоточина служит мостом в неизвестность, то есть, невозможно заранее рассчитать, в какую точку мы попадем, пройдя через нее.
Релятивистские червоточины фактически непроходимы, так как должны схлопываться при попадании в них космического корабля, который в таком случае будет раздавлен сингулярностью.
Стабильная (проходимая) червоточина может существовать лишь при условии, что она будет заполнена веществом с отрицательной массой, которая, соответственно, обладает отрицательной энергией. Червоточины — отдельная большая тема, подробно раскрытая на Хабре, а также популяризованная знаменитым физиком Кипом Торном в фильме «Интерстеллар» и книге «Интерстеллар. Наука за кадром». Алькубьерре формулирует суть своей статьи так:
«Здесь показано, как в рамках общей теории относительности и без привлечения червоточин можно изменять пространство-время таким образом, что космический корабль сможет перемещаться в нем с произвольно большой скоростью. Речь идет о чисто локальном расширении пространства-времени за космическим кораблем и о таком же сжатии пространства-времени перед кораблем. В таком случае возможно перемещение, которое будет происходить со сверхсветовой скоростью с точки зрения наблюдателя, находящегося за пределами области описанных возмущений. Результирующее искажение пространства напоминает эффект «варп-двигателя», описанного в научной фантастике. Однако, как и в случае с червоточинами, для генерации таких искажений пространства-времени, которые обсуждаются здесь, потребуется экзотическая материя».
Прежде, чем перейти к обзору конструкции двигателя Алькубьерре, оговоримся, что мгновенное расширение пространства, несопоставимо более быстрое, чем скорость света – ключевой компонент теории инфляционного расширения Вселенной. Инфляционную теорию впервые предложил в 1980 году советский ученый Алексей Михайлович Старобинский (род. 1948), а вслед за ним, в 1981 году — американский космолог Алан Гут (род. 1947), также пришедший к ней независимо. Суть инфляции заключается в мгновенном расширении Вселенной от 10 -33 см практически до современных, почти сразу после Большого Взрыва. Эпоха инфляции продлилась с 10 -35 до 10 -32 секунд после возникновения Вселенной, но здесь важно отметить, что ей предшествовали еще две космологически принципиальные эпохи: с 0 до 10 -43 секунды продолжалась планковская эпоха, по окончании которой гравитация отделилась от остальных фундаментальных взаимодействий, а с 10 -43 до 10 -35 секунды продолжалась эпоха великого объединения (ЭВО), в течение которой во Вселенной наряду с квантовыми законами начали действовать законы теории относительности. Таким образом, инфляционное расширение Вселенной произошло после того, как в ней включилась теория относительности, и согласуется с релятивистскими законами. Это дополнительно свидетельствует в пользу физической возможности как червоточин, так и двигателя Алькубьерре, к рассмотрению которого мы сейчас вернемся. Тема Мультивселенной, основанная на инфляционной теории и разработанная великим советско-американским физиком Андреем Дмитриевичем Линде (род. 1948), заслуживает отдельного рассмотрения. Периодизация первых эпох в развитии Вселенной подробно изложена в книге нобелевского лауреата Стивена Вайнберга (род. 1933) «Первые три минуты».
Итак, варп-двигатель модели Алькубьерре воздействует не на космический корабль, а на окружающее пространство, искривляя его:
В центре иллюстрации показан пузырь Алькубьерре, в рамках которого действует релятивистская физика Эйнштейна, и скорость света локально ни разу не превышается. Зато в «кильватере» такого корабля пространство расправляется, а в направлении движения – сжимается. Итак, никакого дилития, никакого антивещества, никакого локального превышения скорости света в пространстве.
NASA со всей серьезностью отнеслось к теоретической проработке и экспериментальной проверке принципов, намеченных Алькубьерре. В 2011 году на конференции в Орландо был представлен доклад о метрике Алькубьерре, то есть, о форме пространства-времени, возникающей при движении пузыря Алькубьерре. В этом докладе содержится относительно современное представление о порядке работы двигателя Алькубьерре, и эта работа выглядит так:
Космический корабль отправляется от Земли на традиционной реактивной тяге и преодолевает расстояние d, после чего останавливается относительно Земли.
Включается поле Алькубьерре, и корабль отправляется в межзвездное путешествие, ни разу локально не превышая скорость света, но преодолевая расстояние D за произвольно краткий период времени.
Поле выключается в промежуточной точке на расстоянии d от цели, и корабль завершает рейс обычным способом.
Такой метод позволит попасть в систему Альфы Центавра за несколько недель или месяцев, а не за десятилетия или века, как по часам наблюдателя, находящегося на Земле, так и по часам, установленным на самом космическом корабле.
Таким образом, 10 лет назад создание двигателя Алькубьерре уперлось в фундаментальную проблему: он был непредставим без отрицательной энергии, которой должно обладать вещество с отрицательной массой, а такого вещества во Вселенной не наблюдается. На основе конденсата Бозе-Эйнштейна в лаборатории было получено вещество, проявляющее некоторые свойства отрицательной массы — произошло это в 2017 году, но на этом пришлось поставить жирную точку с запятой.
Эрик Ленц и солитоны
Удивительное решение для гиперпространственных прыжков, не требующее привлечения отрицательной массы, предложил в 2020 году Эрик Ленц из Гёттингенского университета. В статье, вышедшей в 2021 году, он предлагает использовать солитоны – одиночные волны, перемещающиеся на (потенциально неограниченно) большие расстояния, не меняя при этом формы и не разглаживаясь.
Солитон, также именуемый в научно-популярной литературе «уединенной волной», возникает в самых разных средах, располагающих к образованию волн. Солитон был открыт шотландским физиком Джоном Скоттом Расселом в 1834 году. В тот период Рассел изучал возможности использования паровой тяги в шотландских каналах, а на момент описываемых событий тяга была еще лошадиная. И вот что он заметил (цитируется по «Науке и жизни»):
«Я следил за движением баржи, которую быстро тянула по узкому каналу пара лошадей, когда баржа неожиданно остановилась. Но масса воды, которую баржа привела в движение, собралась около носа судна в состоянии бешеного движения, затем неожиданно оставила его позади, катясь вперед с огромной скоростью и принимая форму большого одиночного возвышения — округлого, гладкого и четко выраженного водяного холма. Он продолжал свой путь вдоль канала, нисколько не меняя своей формы и не снижая скорости. Я последовал за ним верхом, и когда нагнал его, он по-прежнему катился вперед со скоростью примерно 8-9 миль в час, сохранив свой первоначальный профиль возвышения длиной около тридцати футов и высотой от фута до полутора футов. Его высота постепенно уменьшалась, и после одной или двух миль погони я потерял его в изгибах канала».
Долгое время наблюдение Рассела не воспринимали всерьез – «померещилось». Но уже после его смерти (в 1895 году, тогда как Рассел умер в 1882), Дидерик Кортевег и Густав де Фриз показали, что стабильные одиночные волны действительно могут существовать в самых разных средах и подчиняются уравнению, обнаруженному Жозефом Буссинеском еще в 1877 году, но не применительно к солитонам. Впоследствии выяснилось, что ключевое свойство солитона – сохранение неизменной формы и скорости при распространении.
Примерами солитона являются, в частности, цунами и нервный импульс. Признаки солитона обнаружены даже в паттернах образования кровеносных сосудов при развитии раковой опухоли. Долгое время, однако, сохранялись сомнения в том, могут ли солитоны образовываться в вакууме. Утвердительный ответ на этот вопрос был получен в 2002 году, когда спутник Европейского Космического Агентства обнаружил в районе магнитопаузы солитон шириной около 6 км, двигавшийся к внешней границе Солнечной системы со скоростью примерно 9 км/c.
Эрик Ленц изобразил в своей статье различные варианты солитона с силуэтами космических кораблей, захваченных подобной волной:
Но у фанатов «Стар-Трека» получилось более наглядно:
Статья Ленца, ссылка на которую оставлена в начале этого раздела, содержит много формул и сводится к обоснованию того, что при применении солитона вместо варп-пузыря в качестве носителя звездолета можно обойтись только известной материей, имеющей положительную массу. В качестве материи, в которой предполагается возбудить такой солитон, Ленц предлагает использовать магнитоактивную релятивистскую плазму, подчиняющуюся уравнениям Максвелла и Эйнштейна. Вот как он описывает работу над солитонами в разделе «Научные интересы» на своем персональном сайте:
Гипербыстрые (сверхсветовые) солитоны, укладывающиеся в современные теории гравитации, активно обсуждаются на протяжении последних трех десятилетий. Одно из наиболее видных критических замечаний по поводу компактных механизмов, которые бы обеспечивали сверхсветовое движение, не противоречащее общей теории относительности, заключается в следующем: геометрия такого решения в основном зависит от отрицательной энергии, а никаких макроскопических источников отрицательной энергии в физике частиц не известно. Недавно мне удалось опровергнуть это убеждение, предложив новый класс гипербыстрых солитоновых решений, строящихся исключительно на положительной энергии и, следовательно, не требующих источников экзотической материи. Это удалось сделать путем рассмотрения гиперболических отношений между компонентами вектора сдвига пространственно-временной метрики. Кроме того, такие солитоны можно генерировать из классической электронной плазмы, полностью описываемой в рамках известной физики.
Еще одно достижение Ленца заключается в том, что оно позволяет практически полностью нивелировать приливные силы, которые могли бы разорвать космический корабль. При этом масса, которую необходимо преобразовать в энергию для создания сверхсветового солитона, до сих пор остается вне наших технических возможностей и составляет несколько масс Юпитера. Тем не менее, решения Ленца являются очевидным шагом вперед, демонстрирующим, что варп-двигатель может работать в полном согласии с известной физикой.
При этом до сих пор непонятно, сможет ли экипаж выжить после такого путешествия на солитоне, а также каким образом остановить солитон в нужной точке и приступить к торможению. Во Вселенной «Стар Трека» на конечной станции маршрута предполагается ставить специальное оборудование, которое рассеет приближающийся солитон, но непонятно, как остановить волну в диком космосе без наличия какого-либо космопорта.
Итак, по состоянию на март 2021 года известны математические (но не физические) решения, которые позволяют согласовать сверхсветовые путешествия с общей теорией относительности. Более того, в феврале 2021 году вышла еще одна статья от Алексея Бобрика и Джанни Мартире, работающих в Лаборатории Реактивного Движения NASA (Advanced Propulsion Laboratory), в которой представлена полноценная классификация варп-двигателей. Подробный ее разбор с удовольствием уступаю читателям, готовым еще немного пофантазировать, а здесь процитирую лишь ремарку авторов, тон которой кажется мне скептическим и оптимистическим одновременно:
«Варп-двигатели оказываются гораздо более простыми и менее таинственными объектами, чем может показаться по изучению популярных источников, посвященных работе Алькубьерре. Варп-двигатель – это инерционно движущаяся оболочка, внутри которой заключен «пассажирский» регион с плоской метрикой. Источником движения для варп-двигателя может служить как положительная, так и отрицательная энергия. Ключевая черта, отличающая корабли с варп-двигателем от тривиальной оболочки, движущейся по инерции – это колоссальный объем энергии, нужной для искривления окружающего пространства и модификацию пространства-времени внутри затронутой области».
Шкала Кокрейна
где V-скорость корабля, с-скорость света, W-варп-фактор.
К 2300 году все больше и больше людей становились недовольными этой шкалой искривления. Хотя очень удобно использовать эту формулу для перевода в единицы скоростей света, но эта формула была очень неудобна инженерам и специалистам, так как им приходилось учитывать состояние подпространства (которое в разных местах космоса неодинаково). Например, если звездолет находился в пределах гравитационного искажения, то ему требовалось больше энергии, чтобы достичь скорости Варп 5, чем в нормальном «спокойном» пространстве. Инженерный департамент требовал ввести новую шкалу, но капитаны кораблей не соглашались с этим требованием. Командование звездного флота, которое в основном состояло из бывших капитанов, не согласилось с требованием инженеров.
Но после того как в 2309 году USS Wilmington был разрушен ионным штормом, командование изменило свое мнение. Этот звездолет попал в ионный шторм, и необходимо было срочно покинуть это место. Капитан Lamarr приказал включить скорость Варп 7. Этот звездолет мог двигаться с такой скоростью, но в нормальных условиях, а не в условиях ионного шторма. Поэтому когда он разогнался до Варп 7, двигатели были сильно перегружены, и ядро искривителя разрушилось, уничтожив звездолет. Конечно причиной взрыва корабля были и другие факторы, такие как поломка в коммуникационной системе звездолета, но Звездный флот не хотел, чтобы такая ситуация повторилась. Поэтому была предложена новая шкала, которая назвалась фамилиями создателей шкалы: шкала Terrance-Neltorr (Terrance-Neltorr Graduated), сокращенно TNG (не путать с сокращенным названием сериала STAR TREK: Next Generation). В этой шкале варп-фактор показывает уровень напряженности полей подпространства, которые создаст и выдержит звездолет, двигаясь с этим варп-фактором. Фактическая скорость корабля зависит от состояния подпространства, через которое двигается звездолет. Поэтому если капитан прикажет лететь со скоростью Варп 7, то где бы он ни был: в открытом космосе, в звездной системе или в ионном шторме, он может не опасаться, что будут перегружены двигатели корабля. С помощью новой шкалы было достигнуто множество технических улучшений. Звездный флот провел быструю оценку других шкал искривления, но в 2312 году была принята шкала TNG. При идеальном состоянии подпространства, в открытом космосе, до варп-фактора 9, формула по расчету скорости выглядит следующим образом:
Эта формула похожа на формулу при расчете шкалы Кокрейна. Выше варп-фактора 9 формула становиться более сложной. Приблизительный вариант выглядит так:
где a — плотность поля подпространства, n — электромагнитный поток f1 и f2 индексы преломления и отражения. При идеальных условиях a = 0.00264320, n = 2.87926700, f1=0.06274120 и f2=0.32574600.
Хотя шкала TNG показала, что она очень удобна в использовании, но недавний прогресс при разработке ядра искривителя ставит вопрос о практичности использования этой шкалы. В 2312 году казалось, что маловероятно, что звездолеты будут летать на скорости выше, чем Варп 9,9. Но современные корабли могут летать со скоростью более Варп 9,97. А в следующие двадцать лет скорость кораблей будет Варп 9,999 и выше. Инженеров устраивает эта шкала, но вскоре эта шкала не будет устраивать командование кораблем, особенно при критических ситуациях. Пока капитан будет говорить, с какой скоростью лететь (Варп 9,999563742346), корабль будет уже уничтожен.
Показанная ниже таблица применима к идеальным областям подпространства. Но есть такие регионы космоса, где звездолет будет двигаться со скоростью значительно выше нормальной. Эти регионы получили прозвище «шоссе искривления (warp highways)» в честь древней системы перемещения. Они могут состоять из широких областей, включающие в себя множество звездных систем, но это может быть и узкий коридор, протяженностью тысячи световых лет. Эффект «шоссе искривления» изменяет скорость корабля на множитель, известный как число Кокрейна. Это число может резко меняться, при движения корабля из одного региона в другой. Пример одного «шоссе искривления», это то шоссе, которое существовало между Nimbus III и ядром галактики. В 2287 году USS Enterprise на скорости Варп 7 (по старой шкале), влетел в это шоссе, и за 6,8 часа достиг ядра галактики, пролетев 22 000 световых лет. Но явление «шоссе искривления» существует в течении определенного промежутка времени. Поэтому то «шоссе искривления» больше не существует, поэтому USS Voyager не смог использовать его, возвращаясь из Дельта квадранта. «Шоссе искривления» очень трудно обнаружить. USS Voyager смог преодолеть эту трудность с помощью своих астрометрических датчиков. «Шоссе искривления» сыграли значительную роль в расширении границ Федерации.
Тем не менее, существуют такие области подпространства, в которых скорость искривления значительно ниже обычной. Например, в области Xendi Sabu, скорость падает почти в два раза. Там число Кокрейна равно 0,55. Эти регионы получили прозвище «отмели искривления (Warp Shallows)», и они чаще встречаются, чем «шоссе искривления» и занимают большие области космоса.
Но существуют и такие области, в которых использование двигателей искривления невозможно. Там число Кокрейна падает до 0. Эти области называются «рифы искривления». К счастью эти области очень редки.
