02.09.2026. - Варп-двигатели, червоточины и гало-двигатели

Варп-двигатели, червоточины и гало-двигатели

Добро пожаловать в нашу серию статей о межзвездных путешествиях, где мы рассматриваем множество предложений по отправке миссий к звездам, поступавших с начала космической эры. В нашей первой части мы рассмотрели, как разработки в области ядерного оружия и ракет в эпоху холодной войны шли параллельно с достижениями в освоении космоса, что привело к появлению предложений по созданию ядерных ракет. Затем мы рассмотрели, как создание термоядерного оружия привело к его применению в термоядерных двигателях.

Затем мы рассмотрели, как открытие и создание позитронов и антипротонов привело к появлению предложений по созданию космических аппаратов, приводимых в движение двигателем из антивещества. В нашей четвертой части мы рассмотрели наиболее практичные варианты отправки миссий в межзвездное пространство, включая солнечные паруса, магнитные паруса и двигатели с направленной энергией (DEP). В нашем пятом выпуске мы рассмотрим самые экзотические из когда-либо сделанных предложений, которые (теоретически) могли бы когда-нибудь обеспечить возможность межзвездных полетов.

Как мы уже писали в предыдущей статье, создание корабля, использующего обычные двигатели, заняло бы тысячи лет. И хотя существуют теоретические методы, которые могли бы сократить время транзита до нескольких десятилетий, их создание было бы очень дорогостоящим и потребовало бы огромного количества топлива. Увы, всегда есть перспективные предложения, которые находятся на грани между научной фантастикой и фактами, но все же дают нам надежду.

Среди них варп-двигатель, путешествия по червоточинам и использование черных дыр для достижения скоростей, приближающихся к скорости света.

Ближайшая звезда

Как отмечалось в нашем первом выпуске, за пределами Солнечной системы нет недостатка в планетах (экзопланетах), которые стоит исследовать. На сегодняшний день ученые подтвердили существование 6 354 экзопланет в 4 756 звездных системах. На самом деле, это число увеличилось с тех пор, как 31 июля началась эта серия наблюдений. На тот момент было зарегистрировано 6333 подтвержденных экзопланеты в 4747 системах. Подсчитав, это означает, что менее чем за месяц была подтверждена еще 21 экзопланета в девяти звездных системах.

Более того, хотя "землеподобные" (скалистые) планеты встречаются редко (общее число подтверждений по-прежнему составляет 222), в окрестностях нашей звезды их на удивление много. На самом деле в пределах 50 световых лет от Земли находится 31 известная землеподобная планета, 30 из которых вращаются вокруг маломассивных красных карликов спектрального класса М. Ближайшая из них — Проксима b, каменистая планета, вращающаяся вокруг Проксимы Центавра, красного карлика, расположенного в 4,25 световых годах от Земли.

Температура на поверхности этой планеты, открытой в 2016 году, составляет около -39 °C (-38 °F), в то время как на Земле — 15 °C (59 °F). Мнения учёных о том, пригодна ли эта планета для жизни, расходятся, но есть сценарии, при которых на Проксиме b может существовать жизнь. Как бы то ни было, близость Проксимы b к Земле делает её идеальным местом для межзвёздной миссии и, вероятно, первой остановкой на пути человечества к освоению космоса за пределами Солнечной системы (если это когда-нибудь произойдёт).

Так что же могут сделать самые экзотические из когда-либо изобретённых двигателей, чтобы доставить нас туда?

Варп-двигатель Алькубьерре

Поклонники научной фантастики наверняка знакомы с концепцией варп-двигателя. Эта идея существует уже несколько десятилетий, но по большей части остаётся в сфере научной фантастики и чистых домыслов. Лишь в 1994 году было выдвинуто реальное предположение о том, как мог бы работать варп-двигатель с точки зрения известных законов физики. Автором этого предположения стал мексиканский физик-теоретик Мигель Алькубьерре, который в рамках работы над диссертацией в Кардиффском университете в Уэльсе предложил концепцию, получившую название «двигатель Алькубьерре».

Алькубьерре описал эту концепцию в статье 1994 года под названием «Варп-двигатель: сверхбыстрое перемещение в рамках общей теории относительности», в которой он утверждал, что можно двигаться быстрее скорости света (БСС), не нарушая при этом теорию относительности Эйнштейна. В частности, он проводил различие между специальной теорией относительности (СТО) и общей теорией относительности (ОТО).

«Изучая специальную теорию относительности, мы узнаём, что ничто не может двигаться быстрее скорости света, — писал он. — Этот факт остаётся верным и в рамках общей теории относительности, хотя в этом случае нужно быть более точным: в рамках общей теории относительности ничто не может локально двигаться быстрее скорости света».

Согласно этой концепции, ткань пространства-времени растягивается в виде волны («пузыря варпа»), из-за чего пространство перед ним теоретически сжимается, а пространство позади него расширяется. Объект внутри этой волны может разогнаться до сверхрелятивистских скоростей. Как он это объяснял:

основную идею будет проще понять, если мы на минутку представим себе инфляционную фазу ранней Вселенной и рассмотрим относительную скорость удаления двух сопутствующих наблюдателей друг от друга. Нетрудно убедиться, что если мы определим эту относительную скорость как скорость изменения собственного пространственного расстояния за собственное время, то получим значение, которое намного превышает скорость света. Это не значит, что наши наблюдатели будут двигаться быстрее скорости света: они всегда движутся внутри своих локальных световых конусов. Огромная скорость удаления обусловлена расширением самого пространства-времени.

Поскольку корабль движется вместе с расширяющимся пространством-временем (но сам при этом не движется), законы пространства-времени и общей теории относительности перестают действовать, поскольку этот метод не предполагает движения со скоростью, превышающей световую в локальном смысле. Это сверхсветовое движение лишь в том смысле, что корабль внутри пузыря достигнет другой звезды раньше, чем луч связи преодолеет то же расстояние. Теоретическая основа этой двигательной системы, в рамках которой Алькубьерре предложил решения уравнений Эйнштейна для общей теории относительности, известна как метрика Алькубьерре.

Как утверждал Алькубьерре, квантовая теория поля допускает существование областей пространства-времени с отрицательной плотностью энергии. Это явление известно как эффект Казимира — сила притяжения между двумя поверхностями в вакууме. Если бы вокруг космического корабля можно было создать «кольцо» с отрицательной массой, то пространство-время теоретически могло бы сжиматься перед кораблем и расширяться позади него. Как писал Алькубьерре:

Благодаря чисто локальному расширению пространства-времени позади космического корабля и противоположному сжатию перед ним становится возможным движение со скоростью, превышающей скорость света для наблюдателей, находящихся за пределами возмущенной области. Возникающее в результате искажение напоминает «варп-двигатель» из научной фантастики. Однако, как и в случае с кротовыми норами, для создания такого искажения пространства-времени потребуется экзотическая материя.

Тем не менее у этой концепции есть ряд теоретических проблем. Согласно оригинальной статье Алькубьерре, количество отрицательной массы (или «экзотической материи»), необходимое для создания варп-поля, выходит за рамки того, что может быть достигнуто человечеством. Кроме того, существует множество неопределенностей, связанных с нарушением причинно-следственных связей, влиянием на пространство-время в точке назначения и безопасностью такой системы для тех, кто находится на ее борту. Кроме того, все предлагаемые теории варп-двигателей нарушают различные энергетические условия.

За последние 15 лет к двигателю Алькубьерре возобновился интерес, во многом благодаря ученому из NASA Гарольду «Сонни» Уайту. Доктор Уайт заинтересовался этой темой в 2011 году, когда готовился выступить с докладом на первом симпозиуме «100-летний звездолет» — совместном проекте NASA и Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA). Уайт решил рассказать об уравнениях поля Алькубьерре, в ходе чего провел некоторые расчеты и пришел к выводу, что требуемые энергетические затраты вполне достижимы.

В 2012 году Уайт объявил, что он и его коллеги из Лаборатории перспективных исследований в области физики двигательных установок (NASA Eagleworks) начали изучать эту концепцию. В статье под названием «Механика варп-поля 101» Уайт описал, как его команда создала интерферометр для обнаружения пространственных искажений, возникающих при расширении и сжатии пространства-времени в соответствии с метрикой Алькубьерре.

В 2013 году Лаборатория реактивного движения опубликовала результаты испытаний варп-поля в вакуумной среде, которые были признаны «неубедительными». В 2019 году, после ухода Уайта из NASA, агентство фактически прекратило исследования в области варп-двигателей и перспективных двигательных установок. Годом позже Уайт начал сотрудничать с инженерами и учеными из Limitless Space Institute (LSI) — некоммерческой организации, занимающейся образованием, популяризацией науки и разработкой передовых двигательных установок с целью создания первого варп-двигателя.

Исследование Уайта основано на работе его коллеги, астрофизика Ричарда Обуси, который в 2009 году вместе с инженером космических кораблей Кевином Лонгом стал соучредителем проекта «Икар». В том же 2009 году Обуси и его соавтор Арам Сахарян опубликовали исследование под названием «Энергия Казимира и возможность управления пространством-временным континуумом в высших измерениях», в котором рассматривался вопрос о том, как ускорители частиц нового поколения могли бы создавать поля, локально изменяющие плотность тёмной энергии и тем самым влияющие на расширение пространства-времени. Их расчёты также показали, что это можно сделать с помощью отрицательной массы размером с Юпитер (1,898* 10^24 кг; 4,18*10^24 фунт).

Хотя их расчёты показали, что с математической точки зрения создание варп-пузыря возможно, для этого потребуется столько энергии, что человечество пока не в состоянии её получить. Но, как Уайт рассказал в интервью Universe Today, он и его коллеги показали, что если пересмотреть «параметр толщины оболочки» варп-пузыря, то можно ещё больше снизить энергозатраты. Если вкратце, то более толстая варп-оболочка снизит нагрузку на пространство-время, что позволит космическому кораблю развить скорость, в 10 раз превышающую скорость света (10 с), используя всего две метрические тонны (2,2 тонны) экзотической материи.

Увы, несмотря на то, что в последние годы эта концепция стала гораздо более осуществимой, она по-прежнему остается лишь теоретическим предположением. На данный момент ученые не подтвердили существование отрицательной массы, и до практического подтверждения этой гипотезы еще далеко.

Путешествия по червоточинам

Вот еще один пример научной фантастики, который наверняка понравится фанатам. Если коротко, то червоточины - это теоретические туннели, соединяющие две точки в пространстве-времени. Эта теория появилась в начале 20-го века в ответ на общую теорию относительности Эйнштейна, которая установила, что скорость света не может быть достигнута или превышена. Первым, кто постулировал их существование, был немецкий физик и астроном Карл Шварцшильд, чьи решения уравнения поля Эйнштейна (метрика Шварцшильда) послужили первой теоретической основой для черных дыр.

Следствием метрики Шварцшильда является то, что он назвал "вечными черными дырами", которые, по сути, являются связями между различными точками пространства-времени. Альберт Эйнштейн и Натан Розен аналогичным образом постулировали существование червоточин, известных как мосты Эйнштейна-Розена, в статье 1935 года, озаглавленной "Проблема частиц в общей теории относительности". Согласно их статье, этот мост соединил бы обычную черную дыру (из которой ничто не может вырваться) и "белую дыру" (из которой ничто не может войти).

К сожалению, "мост" расположен за горизонтом событий черной дыры, поэтому любой космический корабль, входящий в черную дыру, будет раздавлен сингулярностью. Более того, метрика Шварцшильда показала, что кротовые норы нестабильны, так как они схлопываются слишком быстро, чтобы что-то могло переместиться из одной точки в другую. Для того чтобы кротовая нора была стабильной (то есть проходимой), ей необходима отрицательная масса. Отрицательная масса пока не обнаружена, но отрицательная энергия существует во многих квантовых сценариях (вспомним эффект Казимира).

В серии статей Хуан Малдасена из Института перспективных исследований и Алексей Милехин, аспирант Принстонского университета, исследовали возможность перемещения людей через кротовые норы. В первой статье под названием «Проходимые кротовые норы в четырёх измерениях» они предположили, что заряженные безмассовые фермионы могут создавать энергию, подобную энергии Казимира, поддерживая стабильность кротовой норы. Во второй статье под названием «Проходимые кротовые норы для людей» они утверждали, что такие кротовые норы согласуются со Стандартной моделью физики элементарных частиц.

Однако они пришли к выводу, что этот сценарий применим только к микроскопическим чёрным дырам, поскольку весь процесс происходит на квантовом уровне. Чтобы через кротовые норы могли перемещаться люди, они должны быть значительно больше, а для этого требуется физика, выходящая за рамки Стандартной модели. С этой целью они взяли за основу модель Рэндалла — Сундрума II (также известную как теория пятимерной искривлённой геометрии), на основе которой они вывели модель заряженных чёрных дыр среднего размера. Но они будут создавать мощные приливные силы, поэтому космическому кораблю потребуется значительный коэффициент ускорения, чтобы преодолеть их и попасть в кротовую нору.

Между тем исследование мостов Эйнштейна — Розена, проведенное Дэниелом Джафферисом из Гарвардского университета, показало, что, хотя стабильные кротовые норы и возможны, путешествие через них займет больше времени, чем в обычном пространстве. С точки зрения путешественника, время практически не сдвинется, но для стороннего наблюдателя время в пути покажется гораздо более долгим. Это согласуется с общей теорией относительности и замедлением времени, вызванным релятивистским движением.

Однако, как и прежде, проблема упирается в отрицательную массу, которая необходима во всех случаях для поддержания стабильности кротовых нор. Поскольку ученые не имеют ни малейшего представления о том, как создать отрицательную массу или обнаружить ее в качестве естественного побочного продукта космических процессов, путешествия через кротовые норы остаются уделом теории и научной фантастики.

Гало-двигатель

Подводя итог, можно сказать, что путешествие даже к ближайшим звездам за пределами Солнечной системы всегда сопряжено с ограничениями общей теории относительности. Чтобы развить значительную скорость и добраться до цели за время жизни человека, требуется невероятное количество энергии. Это означает, что нам понадобится огромное количество топлива, крошечные космические корабли, массивные лазерные установки, экзотические физические явления или их комбинация. Но что, если бы можно было разогнать космический корабль до релятивистских скоростей без использования топлива?

Такова логика концепции Halo Drive, предложенной Дэвидом Киппингом из Колумбийского университета и руководителем лаборатории Cool Worlds. Киппинг описал эту концепцию в статье 2019 года, в которой он рассмотрел эти проблемы и разработал довольно экзотическое решение. В связи с этим Киппинг предлагает модифицированную версию так называемой "рогатки Дайсона", идею, предложенную известным физиком-теоретиком Фрименом Дайсоном (изобретателем сферы Дайсона).

В антологии "Межзвездные коммуникации" 1963 года (глава 12: "Гравитационные машины") Дайсон описал, как космические аппараты могут вращаться вокруг компактных двойных звезд, чтобы значительно увеличить скорость. Как описал Дайсон, корабль должен был быть отправлен в компактную двойную систему, где он должен был выполнить гравитационный маневр с двумя звездами. Космический аппарат наберет скорость из-за сильной гравитации звезд, увеличив свою скорость вращения в два раза, прежде чем будет выброшен за пределы системы.

Развивая эту мысль, Киппинг предположил, что такой же маневр с учетом силы тяжести можно было бы осуществить, используя быстро вращающуюся черную дыру. Эта идея напоминает процесс Пенроуза, предложенный английским физиком–математиком и лауреатом Нобелевской премии Роджером Пенроузом. В 1971 году Пенроуз предположил, что энергию можно извлекать из эргосферы чёрной дыры — области, расположенной сразу за горизонтом событий. В этой области падающая в чёрную дыру материя ускоряется до скоростей, близких к скорости света, выделяя при этом огромное количество энергии.

Используя многоволновое излучение, испускаемое падающей материей, разумная цивилизация могла бы получить практически неисчерпаемый источник энергии. Однако в случае с гало-двигателем космический корабль должен войти в эргосферу, чтобы за счёт быстрого вращения чёрной дыры разогнаться до околосветовой (ОС) скорости. И, как и в случае с гравитационными машинами Дайсона, космический корабль выйдет из эргосферы и направится к месту назначения с невероятной скоростью.

Эта идея о гравитационных пращах подтверждается относительно недавним открытием гиперскоростных звёзд. Согласно исследованию Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики (CfA), эти звёзды появляются в результате слияния галактик и взаимодействия с массивными чёрными дырами, из-за чего они выбрасываются из своих галактик со скоростью от 30 000 до 100 000 км/с (от 18 600 до 62 000 миль/с), что составляет от одной десятой до одной трети скорости света.

Но, конечно, Halo Drive сопряжен с многочисленными трудностями и имеет ряд существенных недостатков. Помимо того, что для его использования нужен космический корабль, способный выдерживать интенсивное излучение, он также должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать нагрузки, возникающие при интенсивном ускорении. Этот процесс требует высочайшей точности, иначе корабль и его экипаж могут быть разорваны на части в гравитационном поле черной дыры. Кроме того, нужно еще добраться до черной дыры, а для этого потребуется большое количество топлива и длительное время в пути.

В конечном счете, самые экзотические концепции межзвездных путешествий сталкиваются с теми же проблемами, что и менее экзотические. Короче говоря, они требуют огромного количества энергии, значительных научных прорывов и/или открытия новых физических явлений и видов материи. В то же время эти концепции прочно укоренились в массовом сознании и продолжают оставаться предметом исследований, потому что вселяют надежду. При должном научном прорыве и целеустремленности можно было бы реализовать концепцию сверхсветовых или околосветовых двигателей, которые позволили бы нам добраться до далеких миров.

Надежда на то, что «когда-нибудь это станет возможным», всегда приносит облегчение, когда мы сталкиваемся с суровыми реалиями космических полетов и величием Вселенной.

Источник