Ограничението на Айнщайн

Според теорията на Айнщайн, придвижването в пространството със скорост от повече от тази на светлина (300 000км / сек) е невъзможно, защото това ще изисква безкрайно голямо количество енергия, която да премести безкрайно голяма маса. Този въпрос разгледахме по-детайлно в Възможна ли е скорост, по-голяма от скоростта на светлината?

Наистина, хипотетичните частици тахиони (Тахионите – акушерите на Вселената) се движат със скорости над тези на светлината, но уви и за тях тази граница е непреодолима – те не могат да се движат по-бавно от скоростта на светлината, тоест, дори и да има тахионен космически кораб, той не би могъл да спре, за да се качим на него.

Това ограничение означава, че за човечеството е затворен пътя към другите звезди и галактики, но това не обезсърчава физиците-теоретици – мнозина се опитват и може би, успяват да заобиколят това ограничение.

Дискът на Алкубиер

Първата научно обоснована концепция за свръсветлинен двигател е на мексиканския физик Мигел Алкубиер (Miguel Alcubierre), който я представя в публикацията си от 1994 г. “The Warp Drive: Hyper-Fast Travel Within General Relativity“.

Концепцията

Идеята му е да използва “двигател, изкривяващ пространството”, специален вид деформиране на време-пространството под формата на мехур, който се движи по-бързо от светлината във външното пространство на Минковски. Всъщност мехурът не се движи – неговата кинетична енергия в началото и в края на “движението” е една и съща, а той се премества за сметка на изкривяването на пространството.

Илюстрация: zamandayolculuk.com

Същината на технологията се състои в деформиране на пространството – тъканта на пространството пред космическия кораб се свива локално, а зад него се разширява бързо, бутайки го напред – пътниците ще го възприемат като движение, въпреки пълната липса на ускорение.

Тъй като корабът не се движи в рамките на този мехур, а е носен заедно със самата движещаа се зона, традиционните релативистични ефекти като забавяне на времето например, не биха се случили както се очаква при високи скорости през плоското пространство-време.  Циклични деформации ще тласкат кораба напред.По този начин, космическият кораб ще бъде изтеглен към местоназначението си от пространство-времето.

Освен това, този метод всъщност не включва движение по-бързо от светлината в локален смисъл, тъй като светлинен лъч в рамките на мехура пак ще се движи по-бързо от кораба, той е само “по-бърз от светлината”, в смисъл, че благодарение на свиването на пространството пред него, корабът може да достигне местоназначението си по-бързо от светлинен лъч, пътуващ извън мехура.

Илюстрация bgchaos.com по идея на daviddarling.info

Илюстрация: golem.de	Анимация: zamandayolculuk.com

С помощта на мехура корабът се ускорява и забавя винаги като в свободно падане, а екипажът не би почувствал инерционни ефекти.  Обекти в рамките на мехура не се движат (локално) по-бързо от светлината, вместо това, пространството около тях се измества така, че обектите пристигат в местоназначението си по-бързо от светлината в нормалното пространство.

Аналогия – торпедото “Шквал”

Руският флот от края на 70-те години на миналия век разполага с уникално оръжие, торпедото „Шквал”. Скоростта на обикновените торпеда достига 60-70 възела, докато „Шквал” може да развива скорост от 200 възела (370 км/ч или 100м/с) под водата – абсолютен рекорд за подводен обект.

„Шквал” е задвижван от ракетни ускорители, но даже реактивния двигател не може постоянно да преодолява съпротивлението на водната среда при такава огромна скорост. Тайната на „Шквал” е, че торпедото не плава, а лети в газов мехур, който създава сам.

Илюстрация: mordikov.fatal.ru

Математика

Пространство-време на свърхсветлинния двигател е Лоренцово многообразие, което се тълкува в контекста на общата теория на относителността. Ако се интересувате от математическото представяне на идеята на Алкубиер, може да прочетете тук.

Устройство

Илюстрация: The Warp Drive: Kris Holland, въз основа на Enterprise Design от  Matt Jeffries 1) Вертикалните деформации на мрежата представят какъв обем на пространство-времето се разширява или свива. Положителните стойности в червено показват разширяването. Когато пространство-времето се разширява зад кораба, то задвижва кораба напред. 2) Вътре в мехура, неутралното пространство-време ще остави кораба непокътнат. Пътниците ще са в среда с нулева гравитация. 3) Отрицателните стойности в синьо представят свиването на пространство-времето. Свиването балансира разширяване на пространство-времето, като мехурът се движи напред.

Препятствия и проблеми

Огромни количества енергия

Макар и  математически валиден, тъй като е в съответствие с полевите уравнения на Айнщайн, все пак, това не означава непременно, че моделът на Алкубиер е физически е възможен. Първоначалните изчисления показали, че за създаването на такъв мехур и преместването му в Галактиката ще е необходимо чудовищно количество енергия равна на масата-енергията на планетата Юпитер ( 1,9 × 10 27 кг или 317 земни маси) . А някои твърдят направо, че е необходима цялата енергия на Вселената.

Отрицателна маса (енергия)

Как ще се създаде гравитационната яма пред кораба е позната задача – тези вдлъбнатини в гравитационния “гумен лист” на пространство-времето се образуват около всяко масивно тяло. Но за да се образува хълмче е необходима отрицателна маса или енергия (Айнщайн ги свърза завинаги в знаменитата си формула). Заради объркващите и неточни публикации по темата, искам да подчертая отрицателна маса ( m <0 ), не “негативна” – понятие, използвано по-скоро в психологията (числата, по-малки от нула не са “негативни”, а “отрицателни”), не “антиматерия” - това са частици, които се анихилират, срещайки се с нашата материя и още не е изяснено точно как реагират на гравитацията – най-вероятно като обикновената материя, не и “тахиони“, частиците, които се движат със скорост, по-голяма от скоростта на светлината и имат имагинерна маса ( m² = -1 ), които населяват съвсем различни пространствено-времеви измерения (за тях писах неотдавна в “Тахионите – акушерите на Вселената” )

За по-ясно съм съставила една табличка:

Та това, което е необходимо на двигателя на Алкубиер е отрицателна енергийна плътност, която предполага материя с отрицателна маса или отрицателна енергия. Тя може да изкривява пространството по този начин – разширявайки го и отблъсквайки обикновената материя. По-рано физиците отхвърляли всякакви разговори на отрицателна енергия и отрицателна маса като несъстоятелни фантастични идеи, но последни проучвания сочат, че материята с отрицателна маса е най-сериозния кандидат за ролята на “тъмната материя” в космоса.

Проблемът е, че досега е получавана отрицателна енергия само от ефекта на Казимир и то в изключително малки количества, които могат да се засекат само със свръхпрецизни уреди. Например силата на привличане в опит през 1996 г. в Националната лаборатория в Лос Аламос е 1/30 000 от теглото на една мравка.

Според симулация на германски изследователи така би изглеждал свръхсветлинния кораб на Алкубиер за страничен наблюдател за етапите на свиване,  преход и разширяване. Илюстрация: Courtesy Thomas Müller and Daniel Weiskopf

Свръхсветлинно ограничение

Ако учените биха могли да генерират мощно поле на отрицателна енергия, те ще трябва да позиционират част от него в предната част на кораба. Проблемът е, че не би могло предната част на кораба да се движи по-бързо от светлината скорост.

Дестабилизиране

Група от испански и италиански изследователи твърдят в публикация от 2010 г. , че квантовата механична радиация, аналогична на лъчението на Хокинг, което се появява на хоризонта на събитията около черните дупки, ще се появи и “неизбежно ще доведе до дестабилизация в основата на мехура винаги, когато суперсветлинните скорости се достигнат”. Членовете на екипажа не биха могли да контролират поведението на външния мехур и така космическия кораб ще бъде неуправляем.

Илюстрация: offbeatworlds.com

Докато вътрешността на мехура ще бъде без ускорение и ще се държи като плоско пространство, ръбовете ще са съвсем друго нещо. Преходът от отвътре навън или обратното, ще произвежда огромни приливни вълни, които потенциално биха унищожили кораба.

Колкото и е бързо да пътува корабът на Алкубиер през космоса, той не е сам –  пространството не е  празно, има много високоенергийни частици, които ще го бомбардират през космическия вакуум.  В скорошна публикация на  University of Sydney research се казва, че тези частици са в състояние да обхванат звездолета във фотонно поле. В мига, когато корабът на Алкуриер изключи пространствено-времевия градиент, който му позволява  да се движи по-бързо от светлината, всички енергийни частици хванати в капан по време на пътуването трябва да отида някъде и учените смятат, че ще стане грандиозен взрив, който ще унищожи не само кораба, но и планетата, на която е кацнал.

Заради всичките тези възражения, идеята е пренебрегната като твърде непрактична за известно време.

Сензацията на Харолд Уайт

През октомври миналата година (2012), на симпозиума по аеронавтика 100 Year Starship project, физикът Харолд Уайт (Harold White) смая света като обяви, че той и екипът му в НАСА са започнали работа по разработването на свръхсветлинен двигател. Представеният от него проект може да доведе до двигател, който да може да пренесе космически кораб до Алфа Центавър (на 4,3 светлинни години) за две седмици – при това – без да нарушава теорията на относителността на Айнщайн.

За щастие, Харолд Уайт, който е ръководител на изследователската лаборатория на съвременни форми на движение към NASA (Eagleworks), е направил нови изчисления и установил, може значително да се подобри дизайна опрости практическото прилагане на идеята на Алкубиер.

Илюстрация: CBS

Той променил формата на пръстена, заобикалящ кораба от окръжност в елипса и увеличил дебелината на стените на мехурa. Според Уайт това може значително да намали количестово използваната енергия – например за 10 метров обект – 500 кг гориво. Освен това, той смята, че промяната на формата ще намали ефекта върху околното “нормално” пространство-време при спиране

В своята лаборатория.Уайт и екипът му експериментират с миниатюрна версия на своя свръхсветлинен двигател.

За да регистрират дори минимално изкривяване на пространството, той и колегите му искат да използват експериментален инструмент, който наричат Уайт-Джудей (White-Juday Warp Field Interferometer). Това е модифициран интерферометър на Майкелсон – Морли, вече използван за определяне промените на скоростта на светлината в зависимост от външните условия. Бъдещите експерименти ще бъдат проведени в космическия център Линдън Джонсън.

Бели дупки, проходи на червеи и тръбата на Красников

Белите дупки в астрофизиката са  времева противоположност на черните дупки. Ако зад хоризонта на събитията на черна дупка нищо не може да излезе, то зад хоризонта на събитията на една бяла дупка нищо не може да проникне. Черните дупки поглъщат материя, а белите я изхвърлят. И макар че, черните дупки са отдавна засечени, до преди няколко години нямаше достоверно съобщение за намерена бяла дупка, освен GRB 060614 , в съзвездието Индианец.

Можем да приемем, че черната и бялата дупка са съответно вход и изход на един еднопосочен тунел, наречен чревоядина (червейна дупка), за който пишат Айнщайн и Розен още през 1935 г. Теоретично чрез такава чревоядина може да се пътува през пространството и времето.

През 1995г, Сергей Красников предлага друг хипотетичен метод за свръхсветлинно движение – в специално създадени тунели. Получената структура е аналогична на проходите на червеи в тъканта на пространство-времето, но не изисква промяна на топологията на пространството.

Тръбата е изкривяване на пространство-времето, а не някаква мегаструктура от метал или пластмаса. Тя ще дава възможност за пътуване със скорости по-големи от скоростта на светлината и подобно на двигателя на Алкубиер, тръбата на Красников и тунелите са напълно легитимни решения на уравненията на Айнщайн.

Препятствия и проблеми

Дори и да успеем, не е ясно как да го предпазим от разпад. Тунелът, описан от Айнщайн и Натан Розен, е толкова нестабилен, че преди да мине и един фотон през него, се разпада.

Съвременните версии, като тези, предложен от Кип Торн (Kip Thorne) и Красников  са много по-стабилни, но изискват също екзотична материя (с отрицателна маса), която да ги държи отворени.

Има още едно усложнение. Дори и да може да се направи тунел, ще трябва да се изгради изхода му и на мястото, до където искаме да стигнем, което прави пътуването по-бавно от скоростта на светлината.

Квантова телепортация

Телепортацията е стара мечта на писателите на научна фантастика и се практикува в различни варианти: последователно разглобяване на тялото на телепортирания на атоми и отново сглобяване в точката на пристигане, прехвърляне през “портали” в пространството, скок през хиперпространството и прочие. Но квантовата телепортация е нещо съвсем друго.

Препятствия и проблеми

Илюстрация: iqc.uwaterloo.ca

Съгласно уравнението на Шрьодингер, винаги съществува различна от нула вероятност, частица да прескочи потенциалната бариера, извършвайки т.н. квантова телепортация, като това е напълно случаен процес. Знаем, че при всички частици – електрони, протони, атоми и дори някои молекули може да се наблюдава интерференция и дифракция, те могат да се прояват и като частици, и като вълни едновременно. Заради принципа на неопределеността на Хайзенберг, понятието “траектория” е малко безсмислено за квантовите частици. Обаче, колкото са по-големи и по-тежки частиците, толкова по-малко се проявява това странно поведение.

Квантовата телепортация се основава на квантовото заплитане. Но квантовата телепортация не прехвърля енергия или материя на разстояние.Научното разбиране на термина не означава прехвърляне на физически обекти, а данни, информация. Правят се опити да се използва квантовата телепортация за предаване на данни в криптографията, но да се възстанови информацията по квантово състояние не е възможно – подателят трябва да изпрати данните от измерванията по обичайния бавен, досветлинен комуникационен канал. Така че свръхсветлинната скорост за предаване на данни е все още твърде неосъществима идея.

Квантовото тунелиране дава друга надежда за преодоляване на светлинната бариера. В редица опити Гюнтер Нимитц (Günter Nimtz) показва, че при този квантов ефект е измерена свръхсветлинна скорост на сигнала. Той изрично посочва, че това не води до нарушаване на причинността: невъзможно е да се пренесе информация в миналото и че в края на краищата, тунелирането може да се обясни с виртуалните фотони, частиците, въведени от Ричард Файнман. Според Нимитц, резултатите не могат да бъдат обяснени от класическата физика, нито от специалната теория на относителността.

В тази много дискутирана тема обаче, привържениците на Нимитц са малцинство.

Надявам се не съм попарила надеждите ви за пътуване в дълбокия космос. Това е само сегашното положение на нещата.

Източник: ВОЗМОЖНА ЛИ СВЕРХСВЕТОВАЯ СКОРОСТЬ?, д.т.н. А.Голубев
Alcubierre drive, wikipedia
Физика на невъзможното, 11. По-бързо от светлината, Мичио Каку
Середин С. ПУЗЫРЬ АЛЬКУБЬЕРРЕ ИЛИ ТРУБА КРАСНИКОВА // Юный техник 2013
Свръхсветлинният двигател, Драгомир Дончев
Faster-Than-Light Drive, Konstantin Kakaes
How NASA might build its very first warp drive
НАСА готовит эксперименты по сверхсветовому движению, Александр Березин
В погоне за чудо-двигателем Алексей Левин
What are your prospects for getting a faster-than-light drive?, Dr. Dave Goldberg
Krasnikov Tube, wikipedia