Как создать двигатель корабля из «Звездного пути»
«Мистер Сулу, установите курс, скорость варп два» — эти слова, пожалуй, известны каждому поклоннику научной фантастики. Они принадлежат Джеймсу Кирку, капитану звездолета «Энтерпрайз» из легендарного сериала «Звездный путь». По сюжету, герои перемещаются по Галактике в сотни раз быстрее света благодаря варп-двигателю, который искривляет окружающее пространство.
В далекие 1960-е годы, когда сериал вышел на экраны, это воспринималось как неосуществимая фантазия. Но сегодня многие ученые и инженеры всерьез говорят о возможности создания такого двигателя, и более того, уже есть конкретные предложения.
Скоростной лимит Вселенной
Наша Солнечная система расположена на довольно разреженном участке Млечного Пути, с невысокой плотностью звездных скоплений. Ближайшая к нам звездная система альфа Центавра находится от Солнца в 4,36 светового года. На современных ракетах, развивающих скорость 10-15 километров в секунду, космонавтам пришлось бы лететь к ней более 70 000 лет!
И это при том, что общий диаметр нашей Галактики составляет 100 000 световых лет. Если мы не можем преодолеть даже такое ничтожное по меркам Вселенной расстояние, то не стоит и заикаться о колонизации и освоении дальнего космоса.
Есть и другая, более серьезная преграда на пути к звездам. Она отражена в теории относительности Эйнштейна. До появления теории в 1905 году в физике безраздельно властвовала небесная механика Ньютона. По ней, скорость света зависела от скорости движения наблюдателя. То есть если бы вам удалось догнать свет и двигаться вместе с ним, то он для вас просто остановился бы. Позже Максвелл дал этой теории математическое обоснование.
Еще будучи студентом, Альберт Эйнштейн не мог принять этот постулат — чувствовал, что где-то здесь кроется ошибка. В конце концов, он нашел ответ на мучивший его вопрос. Он доказал, что скорость света постоянна и никоим образом не зависит от постороннего наблюдателя.
Получалось, что свет догнать невозможно. Как бы быстро вы ни передвигались, свет все равно будет впереди. Знаменитая эйнштейновская формула Е = мс², где энергия тела равна его массе, помноженной на скорость света в квадрате, гласит буквально следующее: для того чтобы разогнать объект до световой скорости, потребуется бесконечное количество энергии, а это значит, что объект должен иметь бесконечную массу. По сути, ракета, которая хочет разогнаться до скорости света, будет весить как вся Вселенная!
Разумеется, в реальной жизни это сделать абсолютно невозможно, скорость света — своего рода вселенский инспектор ДПС, раз и навсегда поставивший скоростное ограничение.
Казалось бы, это ставит крест на мечте человечества о полете к далеким звездам. Однако через десять лет после публикации специальной теории относительности появилась общая теория относительности, где давались более расширенные комментарии и дополнения.
В общей теории относительности Эйнштейн объединил пространство и время. До этого они считались разными физическими понятиями. Для лучшей иллюстрации он сравнил пространство-время с полотном. При определенных условиях это полотно может двигаться гораздо быстрее света. Однако это не давало ответа на главный вопрос: как же все-таки обогнать свет?
Почти 70 лет множество исследователей ломали голову над этой загадкой. И в один прекрасный день один молодой ученый включил телевизор и, переключая каналы, наткнулся на фантастический сериал. Во время просмотра его вдруг осенило, и он понял, как можно развить сверхсветовую скорость, не нарушая при этом законов физики. Этого ученого зовут Мигель Алькубьерре.
Варп-драйв
Тогда, в 1994 году, Алькубьерре изучал теорию относительности в Университете в Кардиффе (Уэльс, Великобритания). По телевизору он увидел сериал «Звездный путь». Ученый обратил внимание на то, что для перемещения в космосе герои используют двигатель деформации пространства, или варп-драйв.
Как когда-то яблоко, упавшее на голову Ньютону, подвигло его на создание небесной механики, так и телешоу вдохновило Мигеля на рождение теории, которая, возможно, раз и навсегда покончит со скоростной «дискриминацией» Вселенной.
Алькубьерре принялся за расчеты и вскоре опубликовал полученные результаты. За основу он взял общую теорию относительности, в которой говорится, что если приложить определенное количество энергии или массы, то можно заставить пространство двигаться быстрее света.
Для этого необходимо создать вокруг корабля специальный пузырь, или поле деформации. Это варп-поле будет сжимать пространство впереди корабля и расширять позади. Получается, что корабль фактически никуда не движется, сам космос искривляется и толкает корабль в заданном направлении.
Внутри пузыря время и пространство не подвергаются деформации и искривлению. Поэтому экипаж судна не испытывает каких-либо дополнительных перегрузок, и может показаться, будто бы ничего и не менялось. В таком случае в космос смогут летать не только астронавты, прошедшие специальный медицинский отбор и подготовку, но и обычные люди.
Если бы вы оказались на мостике корабля во время его движения со сверхсветовой скоростью и взглянули на окружающий вас космос, звезды превратились бы в длинные штрихи. Но если вы посмотрите назад, то не увидите ничего, кроме непроглядной тьмы, так как свет не может догнать вас.
Алькубьерре подсчитал, что варп-двигатель позволит развивать скорость в 10 раз быстрее света, однако, по его же мнению, ничто не мешает увеличить мощность двигателя и разгоняться до более высоких показателей.
Однако при ознакомлении с теорией Алькубьерре Сергей Красников из Главной астрономической обсерватории в Пулково выявил одну особенность. Дело в том, что пилот не сможет произвольно менять траекторию движения судна. То есть если вы, к примеру, летите от Земли к Сириусу и вдруг вспоминаете, что не выключили дома утюг, то вернуться назад уже не получится. Придется сначала долететь до пункта назначения, а потом возвращаться назад.
Более того, у вас также не получится связаться с кем-либо, поскольку варп-поле полностью изолирует корабль от внешнего мира и блокирует любые сигналы. Поэтому Красников сравнил путешествие на таком корабле с поездкой в подземке. Он так и назвал это «сверхсветовым метро».
Но это не главная проблема. Само поле деформации должно обладать отрицательным зарядом. Для его создания нужна отрицательная энергия, о существовании которой уже долгие годы идут споры.
То, чего не может быть
Если гравитация — это энергия притяжения, то отрицательная энергия должна обладать противоположными свойствами и отталкивать от себя посторонние объекты. Но как же получить такую энергию?
В 1933 году голландский физик Хендрик Казимир выдвинул предположение, что если взять две идентичные металлические пластины и расположить их идеально параллельно друг другу на минимально возможном расстоянии, то они начнут притягиваться. Как будто незримая сила толкает их навстречу друг другу.
Согласно квантовой механике, вакуум не является абсолютно пустым местом, в нем постоянно возникают пары частиц вещества и антивещества, которые мгновенно сталкиваются и аннигилируют. Этот процесс занимает буквально миллиардные доли секунды. При их столкновении выделяется микроскопическое количество энергии, что создает в «пустом» вакууме ненулевое суммарное давление.
Важно приблизить пластинки друг к другу как можно ближе, тогда объем частиц снаружи будет намного превышать их количество в промежутке между пластинами. Как результат, давление снаружи будет сдавливать пластины, а их энергия будет, в свою очередь, становиться меньше нуля, то есть отрицательной. В 1948 году в ходе эксперимента удалось измерить отрицательную энергию. В историю это вошло под названием «эффект Казимира».
В 1996 году после 15 лет опытов и исследований Стиву Ламоро из Лос-Аламосской национальной лаборатории совместно с Умаром Мохидином и Анушри Роем из Университета Калифорнии в Риверсайде удалось точно измерить эффект Казимира. Он равнялся заряду эритроцита — красного кровяного тельца.
Увы, но это просто чудовищно мало для создания поля деформации, нужно в миллиарды раз больше. До тех пор пока не получится вырабатывать отрицательную энергию в промышленных масштабах, варп-двигатель так и останется на бумаге.
Через тернии к звездам
Несмотря на все сложности в создании, варп-двигатель является наиболее вероятным кандидатом для осуществления первого межзвездного полета. Альтернативные проекты, такие как солнечный парус или термоядерный двигатель, могут развить лишь субсветовые скорости, а такие как кротовые норы или звездные врата, чересчур сложны, и их реализация — вопрос тысяч лет.
Сегодня наиболее активно разработкой прототипа варп-двигателя занимается NASA, чьи специалисты уверены, что это скорее техническая проблема, нежели теоретическая. И команда инженеров уже занимается этим в Космическом центре имени Джонсона, где когда-то готовили первый полет человека на Луну.
По мнению многих экспертов, скорее всего первые образцы технологии деформации пространства появятся не ранее чем через 100 лет, при условии наличия постоянного финансирования.
Скажете, фантастика? Но, может, стоит вспомнить, что за несколько лет до того как братья Райт подняли в воздух свой самолет, выдающийся английский физик Уильям Томсон сказал, что ничто тяжелее воздуха не способно летать. А 60 лет спустя первый космонавт Земли улыбнулся и сказал: «Поехали. »
Источник
НАСА готовит эксперимент для проверки концепции варп-двигателя
Знатокам научно-фантастических произведений (в частности, сериала Star Trek) хорошо известно, что основным двигателем на кораблях Звёздного флота Федерации планет является именно варп-двигатель. В научно-фантастических произведениях исключительно подробно объясняют принцип его работы.
Варп-поле представляет собой пузырь Алькубьерре, своеобразное искривление пространства-времени, внутри которого корабль может достичь сверхсветовой скорости. Поскольку варп-поле сжимает пространство перед собой и расширяет его позади корабля, то не нарушается запрет на движение выше скорости света в обычном пространстве-времени.
Физики давно смакуют идею реализации пузыря Алькубьерре. До сих пор считалось, что искривление пространства-времени потребует нереально больших затрат энергии. Обнаружились и некоторые другие проблемы, в том числе возможность аннигиляции звёздных систем в пункте назначения по прибытию корабля.
Однако, инженер НАСА Гарольд Уайт (Harold White) уверен, что есть способ значительно снизить затраты энергии. Он убедил руководство НАСА провести эксперимент по созданию пузырей Алькубьерре в лабораторных условиях для проверки теории, пишет New Scientist.
Гарольд Уайт объясняет, что для простоты восприятия звездный корабль с варп-двигателем можно представить себе как мяч для американского футбола с окружающим его тороидальными кольцом.
Иллюстрация из презентации Гарольда Уайта для конференции “100 Year Starship Symposium” в Орландо (2011)
Корабль с варп-двигателем может выглядеть примерно так.
Мяч — это сам корабль, в котором находятся экипаж и техника, а кольцо содержит некую «отрицательную энергию вакуума», существование которой следует из законов квантовой механики. Присутствие тороидального кольца с отрицательной энергией, согласно математическим и физическим расчётам, — необходимое условие для создания варп-поля.
Идею впервые предложили в 1994 году, и тогда расчёт показал, что нужно слишком большое количество энергии. На долгое время практическую реализацию варп-двигателя пришлось отложить. Но в 2011-2012 гг Гарольд Уайт сделал собственные расчёты — и нашёл способ снизить требования к энергозатратам на много порядков, так что теоретически можно создать варп-поле для корабля диаметром 10 метров с разгоном до скорости в 10х от скорости света, говорит он.
В ближайшее время будет поставлен эксперимент для проверки правильности математических и физических концепций, на которые опирается Уайт в своих расчётах. Инженеры НАСА попытаются сгенерировать микроскопические варп-пузыри в лаборатории — и измерить их свойства.
Источник
Как работает варп-двигатель?
Варп-двигатель даёт возможность двигаться со скоростями близкими или даже больше, чем скорость света. Но какой принцип работы этого двигателя и возможно ли его создать с помощью современных технологий?
Скорость света огромна по человеческим меркам, фотон со скоростью 300 000 километров в секунду с поверхности Солнца до Земли долетает чуть более чем за 8 минут, а это около 150 000 000 километров. Но это мелочи на масштабах галактики, приняв во внимание расстояния до ближайших к нам звёзд, таких как Проксима Центавра, звезда Барнарда или Сириус, от них фотону до Земли лететь более пяти лет. Если мы хотим отправиться к далеким звёздным системам, то нужно превзойти скорость света, но не противоречит ли это теории относительности?
Общая теория относительности утверждает, что пространство и время слиты, и ничто не может двигаться быстрее, чем скорость света, а также описывает, как масса и энергия деформируют пространство-время. Следовательно, кривизна пространства-времени — это то, что мы ощущаем как гравитацию. Первые писатели научной фантастики рассмотрели это искривление как способ преодоления ограничения в виде скорости света.
В 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре показал, что сжатие пространства-времени перед космическим кораблём при его расширения позади него математически возможно и оно вписывается в рамки законов общей теории относительности Эйнштейна. Если, например, космический корабль стоит в точке А и ему нужно добраться в точку B, которая находится на расстоянии 5 световых лет, а скорость корабля при этом составляет одну десятую от скорости света, то ему понадобится 50 лет, чтобы совершить такой перелёт. Однако если мы сможем сжать пространство между точкой А и B так, чтобы расстояние между ними составляло половину светового года, то космический корабль при этом прибудет в точку B уже через 5 лет.
Как уже было выше упомянуто, данный принцип никак не нарушает законы общей теории относительности, ведь мы не двигались быстрее света, а просто сжали пространство-время перед собой. Но этот двигатель пока невозможен, ведь для работы он требует негативной энергии. Для её генерации нужно использовать огромное количество вещества, для создания дисбаланса между частицами и античастицами. Этот дисбаланс приводит к получению негативной плотности энергии. Варп-двигатель Мигеля Алькубьерре использовал бы эту негативную энергию для создания пространственно-временного пузыря, но по его подсчётам, чтобы варп-двигатель произвёл достаточно негативной энергии для деформации стометрового пузырька, нам понадобится масса всей видимой Вселенной.
Некоторые учёные обнаружили, что массы нужно в разы меньше до примерно массы Солнца, другие же считают, что негативной энергии вообще не нужно и предлагают свои математические модели, которые в настоящее время экспериментально проверить невозможно. Так или иначе, существование варп-двигателей пока остаётся только гипотетическим.
Автор: Алексей Нимчук. Редакция: Фёдор Карасенко.
Ставьте палец вверх, чтобы видеть в своей ленте больше статей о космосе и науке!
Подписывайтесь на мой канал здесь, а также на мои каналы в телеграме и на youtube . Там вы можете почитать большое количество интересных материалов, а также задать свой вопрос. Поддержать наш канал материально можно через patreon .
Источник