Варп-двигатель как физическая гипотеза — онлайн справочник для студентов

• Двигатель Алькубьерре.
• Проблемы создания и эксплуатации Варп-двигателя.

Одним из главных вопросов в строении космических кораблей является его скорость. Наша вселенная очень большая и многие галактики и даже ближайшие планеты находятся очень далеко. Настолько далеко, что человеческой жизни для полёта будет мало. Для того, чтобы это было возможно, космический корабль должен развивать скорость больше скорости света. Но какой двигатель на это способен? Также этот двигатель будет способен переносить корабль во времени, что позволит нам путешествовать в прошлое и будущее.

Определение 1.
Варп-двигатель (WARP — drive) – это двигатель, который может достигнуть скорости больше скорости света, но это лишь гипотетически.
Однажды, в 1994 году известный физик-теоретик М. Алькубьерре написал статью в журнал “Classical and Quantum Gravity”, где теоретически описал идею перемещения в пространстве его кривизны. После этой статьи такой двигатель перестал быть чем-то фантастическим.

Двигатель Алькубьерре.

Эйнштейн в своих работах говорил, что тело, имеющее массу отличную от нуля, в обычном пространственно-временном континууме не может перемещаться, однако его теория имеет ограничение на время и пространство.

Алькубьерре описал работу своего двигателя. Космический корабль сможет двигаться со скоростью больше света, если он будет сжимать пространство впереди себя и расширять сзади себя. Такой корабль сможет двигаться вообще с любой скоростью и позволит достигнуть все уголки нашего космоса за считанные секунды.

Однако стоит отметить, что сам корабль будет находиться в неком пространстве, относительно которого он не будет двигаться. Из этого следует:

Перед кораблём эта область изменяется. Идея учёного говорит о том, что эта область будет создаваться самим кораблём, а управлять ею можно будет внутри корабля.

Вследствие сжатия пространства и времени, пространство вокруг корабля толкает вперёд. Движется только пространство вокруг корабля, за счёт искривления пространства и времени. Сам корабль не движется относительно пространства вокруг себя.

Доказательством, что это возможно являются решения уравнений для гравитационных полей в общей теории относительности Эйнштейна. Решения уравнений говорит о том, что действительно возможна волновая деформация пространства.

Теория Алькубьерре говорит о том, что корабль сможет достигнуть скорости света только при условии, что плотность энергии поля будет меньше, чем плотность энергии вакуума.

Также Алькубьерре предложил метрику пространства, в которой возможно такое перемещение.

Замечание 1.
Однако другие учёные думали иначе. Они считали, что Алькубьерре сделал математический трюк, поэтому гипотеза его не верна.
Однако в 2012 году NASA смогла создать прибор, который может зафиксировать искажения пространства и времени, а также может расширять и сжимать метрику Алькубьерре.

А. Эверетт провёл вычисления, которые показали возможность создания такого пространства вокруг корабля. На этом основание можно заявить, что такой двигатель может разогнаться больше скорости света и позволит нам путешествовать во времени.

Замечание 2.
Однако стоит отметить, что законы физики запрещают любое макроскопическое перемещения во времени. Поэтому идея создания такого пространство вокруг корабля невозможно из-за нарушения защищённости хронологии.

Проблемы создания и эксплуатации Варп-двигателя.

Одной из проблем такого двигателя является то, что нужна такая материя, которая сможет расширять пространство. У этой материи должны быть отрицательная масса и энергия.

Однако, чтоб создать такое пространство вокруг космического корабля нужно энергии больше, чем имеется во Вселенной.

Учёные посчитали, что энергии в массовом эквиваленте, для создания такого пространства, нужно – 1064 кг. Такая масса намного превышает наблюдаемую массу Вселенной.

Но в 1999 году появились расчёты, в которых говорилось, что эту энергию возможно уменьшить до трёх масс Солнца. Однако это тоже большая энергия.

А расчёты С. Красникова (Россия) показали, что вполне будет достаточно нескольких миллиграммов отрицательной массы, но при этом такая плотность энергии достигнуть невозможно.

Впервые эксперименты по созданию вапр-полей начали проводить в 2012 году.

Однако если получится создать такое пространство вокруг корабля, то его разорвут на части из-за гравитационных полей.

Также одной из проблем является отсутствие связи между базой и кораблём. Поэтому команда корабля столкнётся с кучей проблем, связанных с управлением такого корабля.

При движении такого пространства с кораблём будут возникать большие температуры, которые способны уничтожить это пространство или просто сделать его не стабильным.

При остановке корабля, частицы, которые были захвачены пространством вокруг корабля, освободятся. Во время освобождения этих частиц последует взрыв, который может уничтожить всё, что находится рядом с кораблём.

На данный момент проводятся разработки подобной модели двигателя, ведутся эксперименты по созданию такого пространства, которое сможет расширять пространство. Однако присутствует ещё ряд проблем, которые сильно ограничивают создание такого космического корабля. Также стоит отметить, что теоретически создать такой корабль возможно, поэтому можно сказать, что это вопрос времени. Когда человечество сможем создать такой корабль, мы сможем путешествовать во времени и даже по всей вселенной за считанные секунды.

ученые создали первый пузырь Алькубьерре — getmatch на vc.ru

Еще одна технология из Star Trek оказалась больше наукой, чем фантастикой. Ученые под финансированием DARPA создали так называемую «warp bubble» — область пространства, способную расширяться или уменьшаться быстрее скорости света. Об этом сообщает бывший специалист НАСА по варп-двигателям Гарольд Уайт.

11 868
просмотров

Это первый настоящий «пузырь варп-движения», созданный в лаборатории. Который, как минимум, подтверждает, что такое возможно. И, по словам Уайта, устанавливает новую перспективу для тех, кто захочет создать первый космический корабль, способный к деформации.

Уайт говорит:

Чтобы быть ясным, наше открытие — не аналог варп-пузыря, это настоящий, хотя и скромный и крошечный, варп-пузырь. Поэтому это так важно.

Теоретические двигатели быстрее скорости света

Доктор Гарольд «Сонни» Уайт

В 1994 году мексиканский математик Мигель Алькубьерре предложил первое математически правильное уравнение для варп-двигателя. Вдохновленный перелетами в Star Trek, он в общих чертах обрисовал двигательную установку космического корабля, которая может перемещаться по космосу быстрее скорости света без нарушения законов физики.

Это решение хвалили за элегантную математику, но одновременно высмеивали за использование «науки из сериала» и траты многих лет работы впустую над решением, которое казалось невозможным на практике.

Десять лет спустя теория Алькубьерре претерпела серьезные изменения, когда доктор Уайт, работавший тогда в НАСА, переработал исходную метрику Алькубьерре и привел ее в каноническую форму. Это изменение в дизайне двигателя резко сократило требования к экзотическим материалам и снизило необходимые затраты энергии. Тогда исследователи и поклонники научной фантастики получили проблеск надежды на то, что реальный варп-двигатель может однажды стать реальностью. Работа Уайта также привела к неофициальному переименованию первоначального теоретического проекта: теперь концепцию чаще называют «Варп-двигатель Алькубьерре/Уайта».

С тех пор многие физики и инженеры предпринимали попытки разработать жизнеспособный варп-двигатель, включая целую группу международных исследователей, работающих над двигателем варпа, не требующего никакой странной материи. Однако, как и Алькубьерре и Уайт до них, их концепции до сих пор оставались полностью теоретическими. Но теперь, похоже, ситуация изменилась.

Время — всё. Особенно на скорости света

Часто говорят, что время решает все. Поэтому неудивительно, что когда доктор Уайт начал свое последнее исследование, финансируемое DARPA, он и не думал о создании варп-пузыря. Ученые занимались исследованием геометрии пустот Казимира (наноскопической структуры, возникающей в результате эффекта, заставляющего две металлические пластины притягиваться в вакууме).

Не вдаваясь глубоко в сложную физику, лежащую в основе пустот Казимира и странных квантовых сил, наблюдаемых в этих структурах, достаточно сказать, что они никоим образом не связаны с механикой варп-двигателя. По крайней мере, так думали раньше. Но, по словам Уайта, они с его командой в LSI очень увлечены этой работой, а по мнению DARPA она имеет ряд возможных применений, выходящих далеко за рамки даже текущей находки.

Первый варп-пузырь

В итоге один из немногих ученых с интересом к варп-пузырям и пониманием уравнений Алькубьерре оказался в нужное время и в нужном месте. И заметил поразительное сходство между его текущим проектом и теоретическим микроскопическим двигателем, способным перемещаться быстрее скорости света.

Проверка учеными и подтверждение пузыря Алькубьерре

Фактические результаты, опубликованные после проверки в European Physical Journal, говорят:

При проведении анализа, связанного с проектом, финансируемым DARPA, по оценке возможной структуры плотности энергии, присутствующей в полости Казимира, как это предсказано динамической моделью вакуума, была обнаружена наноразмерная структура, которая предсказывает распределение плотности отрицательной энергии, которое близко соответствует требованиям метрики Алькубьерре.

Или, проще говоря, как говорит Уайт, «Насколько мне известно, это первая статья в рецензируемой литературе, которая говорит о реальной наноструктуре, которая, по прогнозам, будет являться настоящим, хотя и скромным, пузырем деформации».

Это случайное открытие, по словам Уайта, не только подтверждает предсказанную «тороидальную» структуру варп-пузыря и наличие в нем отрицательной энергии, но также дает потенциальный путь другим исследователям, пытающимся спроектировать, а в один прекрасный день и построить настоящий космический корабль, способный на перемещение путем искажения пространства-времени вокруг себя.

«Эта потенциальная структура будет генерировать отрицательное распределение плотности энергии вакуума, которое очень похоже на то, что требуется для деформации пространства Алькубьерре».

Путь вперед

Чтобы оценить возможные перспективы, Уайт и его команда разработали проект тестируемого наномасштабного «корабля с варп-двигателем». Во время его презентации AIAA (крупнейшему в мире аэрокосмическому техническому сообществу) он объяснил:

Мы проанализировали игрушечную модель двигателя, состоящую из сферы диаметром 1 микрон, расположенной в центре цилиндра диаметром 4 микрона. Она показала трехмерную плотность энергии Казимира, которая хорошо коррелирует с требованиями метрик Алькубьерре.Эта качественная корреляция предполагает, что мы можем проводить эксперименты в масштабе наночипа, чтобы попытаться измерить крошечные сигнатуры. Но пока что мы видим наглядную иллюстрацию реального, хотя и очень скромного по размерам, варп-пузыря деформации.

Уайт развил эту идею в электронном письме в The Debrief:

Мы уже можем предложить сообществу структуру, которая генерирует отрицательное распределение плотности энергии вакуума, очень похожее на то, что требуется для деформации космоса Алькубьерре.

Уайт говорит, что такие мини-двигатели уже можно производить — если использовать 3D-принтер GT, печатающий в нанометровом масштабе. Но в настоящее время ученые продолжают заниматься тем, на что получили финансирование — исследовании свойств полостей Казимира. А постройкой кораблей и масштабированием двигателей для них могут заняться все остальные.

Предложение для следующего эксперимента

Уайт и его команда даже предлагают путь для дальнейших исследований. По их словам, стоит построить эксперимент, включающий несколько созданных пустотами Казимира варп-пузырей, стоящих друг за другом в виде цепочки. По их словам, такая конструкция позволит лучше понять физику структуры варп-пузыря, а также то, сможет ли корабль однажды пересечь реальное пространство внутри такого пузыря.

Уайт на конференции AIAA объяснил:

Мы могли бы провести исследование оптических свойств этих маленьких, наноразмерных пузырей деформации. Если объединить большое количество из них подряд, мы можем намного усилить эффект, чтобы можно было его увидеть и изучить.

Ползти, идти, бежать

Учитывая, что DARPA платит лаборатории LSI Eagleworks за исследование полостей Казимира, а не за случайное открытие пузыря искривления пространства-времени, независимо от его (потенциально) невероятных последствий Уайт и его команда не могут бросить свой текущий проект. Поэтому призывают других ученых попробовать реализовать варп-пузыри и протестировать их свойства. Поскольку DARPA принадлежит Министерству обороны США, публично обнародовать результаты проектов им сложно. Текущий прорыв был достигнут еще в начале лета, а говорить о нем в деталях стало можно только сейчас. И это при том, что исследование полостей Казимира официально не было засекреченным, что и позволило ученым в итоге выйти на публику.

Если DARPA профинансирует работу LSI над космическим кораблем с наноразмерным варп-двигателем, о таком проекте мы можем не услышать еще много лет.

В конце концов, особенно с учетом масштабов этого открытия и его потенциальных последствий, Уайт считает, что создание и испытание его мини-варп-корабля — это лишь вопрос времени. По его мнению, теперь наука будет медленно, но верно продвигаться к этой цели в виде космического корабля, способного к деформации.

Когда его спросили, как быстро протестированный наноразмерный «корабль» может быть масштабирован до чего-то, на чем действительно можно было бы летать в космос, Уайт предложил более реалистичный подход к этому исследованию:

Еще рано задавать вопросы о каких-то реальных летательных экспериментах. На мой взгляд, первый шаг — просто изучить основную науку в нано / микромасштабе. И постепенно пытаться переходить к чему-то более крупному. Сначала мы должны научиться ползать, потом — идти, и только потом — бежать.

• Перевод статьи научного журнала TheDebrief.
• Первая презентация варп-пузыря Уайтом на Propulsion Energy Forum доступна на ютубе. Тогда его находка еще не была проверена научным сообществом.

Автор оригинала: Christopher Plain

Хотите найти крутую работу? Подключайте телеграм-бот getmatch. Указываете желаемую зарплату, и он выдает вам лучшие вакансии от топовых компаний, и помогает пройти интервью. Для старта не нужно ни резюме, ни портфолио, настройка занимает меньше 30 секунд.

Технология варп-двигателя Star Trek, объяснение

Автор
Элис Роуз Доддс

Опубликовано 10 июня 2022 г.

В этой научно-фантастической вселенной возможно все. Давайте рассмотрим технические аспекты преодоления скорости света.

Вселенная, созданная чудесным умом Джина Родденберри еще в конце 1960-х, содержит множество странных и замечательных вещей, от невероятно разнообразных инопланетных рас до головокружительного множества футуристических технологий. Одна такая невероятная технология находится в самом сердце Звездный путь. Без него вообще не было бы особого шоу, а такие, как Кирк и Пикард, были бы крайне ограничены в исследовании чудесным образом пустого Млечного Пути. Технология, конечно же, является варп-двигателем и является важным краеугольным камнем в обширной истории Star Trek .

Роль варп-двигателя во франшизе «Звездный путь»

Варп-двигатель необходим по двум причинам. Во-первых, он служит важным маркером Первого контакта между Федерацией (или вулканцами до образования Федерации) и развивающейся культурой. Причина этого довольно проста: если вид может легче перемещаться по вселенной, он в конечном итоге столкнется с чужеродными видами, поэтому они также могут представиться. Он также служит важным маркером того, что культура достаточно развита, чтобы справляться с богатством технологий и информации, которыми делится федерация, не искажая при этом естественную эволюцию культуры.

СВЯЗАННО: Как «Звездный путь: Следующее поколение» исследовало слепоту и доступность с Джорди ЛаФоржем

Вторая причина важности варп-двигателя еще проще: космос очень, очень большой. Пересечение его даже с использованием технологии варп-двигателя может занять от недель до месяцев — и это только при путешествии между двумя довольно близкими звездными системами. Экипаж USS Voyager прекрасно это понимает. Путешествие капитана Кэтрин Джейнвей, чтобы вернуть свою команду домой из Дельта-квадранта, заняло примерно 70 лет, не считая пит-стопов и объездов по пути. Сценаристы 9.0011 «Звездный путь » требовалось решение, чтобы каждый эпизод был не просто медленной прогулкой по космосу, сжимая пальцы в голодеке, и чтобы сократить огромные расстояния между звездными системами и, таким образом, варп-двигатель (или гипердвигатель, как его классифицировали в пилотный эпизод) родился. Зрители могут часто слышать этот термин, но как именно он работает?

Технология вымышленных космических путешествий

Несмотря на то, что варп-двигатель был чисто вымышленным, было затрачено много усилий на то, чтобы объяснить и изучить науку о том, как он может работать. «Звездный путь » опирался на различные примеры ранее написанной научной фантастики, чтобы создать собственное слияние того, как может работать это межгалактическое космическое путешествие, и с годами он только расширялся. Первый пример такого путешествия с использованием таких скоростей был впервые упомянут в романе 1915–1921 годов « Космический жаворонок », так что идея витала в воздухе некоторое время. Самая большая проблема с таким перемещением в пространстве заключается в том, что скорость, с которой должен двигаться объект, чтобы преодолеть такие расстояния, должна быть выше скорости света. Не обращая внимания на эту невозможность, сшитую теорией относительности Эйнштейна, варп-путешествие работает, искривляя пространство-время, как складки на ткани, немного искривляя реальность, чтобы позволить путешествовать с такими скоростями.

Для этого требуется огромное количество энергии. Конечно, было бы логично, если бы для футуристической цивилизации у них был бы и футуристический источник энергии. В Star Trek, основное топливо создается путем сжигания материи (в данном случае дейтерия, разновидности газообразного водорода) и антиматерии в термоядерном реакторе, который тщательно контролируется с помощью кристаллов дилития. Это создает вокруг корабля варп-пузырь или поле, которое искажает локальный пространственно-временной континуум и позволяет совершать путешествия, которые обычно не допускаются законами физики.

Эти скорости измеряются в варп-факторах и доходят до варп-фактора 9,99. Можно двигаться быстрее, как обнаружил пилот-отступник Том Пэрис в серии Voyager , но эта великая скорость начала слишком сильно искажать реальность, и в результате вы оказываетесь абсолютно везде одновременно. В результате это очень нестабильный и неправдоподобный способ транспортировки. Коэффициенты деформации в оригинальной серии были определены как число, возведенное в куб, а затем умноженное на скорость света; например, Warp 4 определяется как скорость, в 64 раза превышающая скорость света. Однако все изменилось по мере того, как сценаристы вводили во вселенную все больше и больше. В течение The Next Generation, Специфика варпа была немного смягчена, и сценаристы заставили эти расстояния работать на то, что лучше всего подходит для повествования.

Технология варп-двигателя лежит в основе Star Trek и, возможно, является одним из самых важных столпов его повествования. Мало того, что это имеет основополагающее значение почти для каждого отдельного эпизода, поскольку необходимое означает, что их команда полагается больше, чем на что-либо еще, чтобы просто передвигаться, но было несколько целых эпизодов, исследующих возможности и проблемы, связанные с этим, в том числе, в Discovery , что бывает, когда сильно ограничен. Это неотъемлемая часть сериала и, вероятно, останется таковой на протяжении всей франшизы.

БОЛЬШЕ: Самый душераздирающий момент в «Звездном пути: Глубокий космос 9»

Варп-двигатель больше не научная фантастика

Общая теория относительности Эйнштейна устанавливает ограничение скорости для всей материи во Вселенной, создавая барьер, препятствующий ускорению от ниже до скорости выше скорости света.

Однако независимая группа ученых, изобретателей и инженеров под названием «Прикладная физика» недавно предложила первую модель физического варп-двигателя, согласно недавнему исследованию, опубликованному в рецензируемом журнале 9.0011 Классическая и квантовая гравитация .

Хотя это может сделать варп-двигатель чем-то большим, чем научная фантастика, к новому исследованию лучше отнестись с долей скептицизма — потому что, даже если варп-двигатель теперь математически возможен, неизвестно, сколько времени пройдет, пока люди не смогут использовать его для существенно сократить время путешествия между звездами — до ближайшей из которых потребуется примерно четыре года, чтобы добраться до нее со скоростью света.

Варп-двигатель больше не является научной фантастикой

Прикладная физика объявила о первой модели физического варп-двигателя после работы в тесном контакте с уважаемыми исследователями в области механики варп-поля — при поддержке известного физика-теоретика Мигеля Алькубьерре, чей двигатель варп-двигателя Модель легла в основу настоящего исследования.

«Многие специалисты в области науки знают о двигателе Алькубьерре и считают, что варп-двигатели нефизичны из-за потребности в отрицательной энергии», — сказал Алексей Бобрик, ученый и астрофизик из Лундского университета, согласно пресс-релизу. «Однако это уже не так».

«[Мы] пошли в другом направлении, чем НАСА и другие, и наше исследование показало, что в общей теории относительности на самом деле существует несколько других классов варп-двигателей», — сказал Бобрик. «В частности, мы сформулировали новые классы решений для варп-двигателей, которые не требуют отрицательной энергии и, таким образом, становятся физическими».

Многие физики, инженеры и ученые были вдохновлены перспективами технологий, описанными в научно-фантастической литературе и фильмах. Не только скорость деформации, но и телепортация между точками, червоточины, путешествия во времени и другие вымышленные идеи о том, что естественные науки однажды могут сделать возможными, являются свидетельством способности человека представить себе более продвинутое будущее.

Теория варп-двигателя Алькубьерре

Самое печальное для большинства профессиональных ученых и инженеров то, что эти технологии нереальны. Тем не менее, варп-двигатели являются одними из самых реалистичных идей, представленных в научно-фантастических сериалах, таких как «Звездный путь».

Самое популярное

В научно-фантастической литературе, шоу и фильмах варп-двигатель — это тип двигателя, альтернативный обычным современным ракетам, который позволяет космическим кораблям двигаться со скоростью, превышающей скорость света, или со сверхсветовой скоростью — за счет искривления и деформации ткани. пространства-времени вокруг корабля.

Эта идея не так неправдоподобна, как кажется; в конце концов, масса делает то же самое, и когда в одном месте собирается достаточно массы, мы называем это гравитационным колодцем. Итак, если бы мы могли «согнуть» или деформировать ткань пространства-времени правильным образом — сжав ее перед кораблем и расширив пространство-время позади него, — мы могли бы двигаться быстрее скорости света.

Это основа теории варп-двигателя Алькубьерре. Но, к сожалению, это требует большого количества отрицательной энергии, которой не существует. И даже если бы это было так, это не объяснило бы, как тело может преодолеть барьер скорости света.

Варп-двигатель должен избегать замедления времени

Общая теория относительности Эйнштейна утверждает, что объект не может двигаться снизу вверх со скоростью света, потому что ускорение потребует бесконечного количества энергии. Но есть лазейка, поскольку ограничение скорости Эйнштейна применяется только к объектам в пространстве-времени, а не к самой ткани пространства-времени, которая может изгибаться, расширяться или сжиматься с любой скоростью.

Термин «двигатель варпа» подразумевает искривление ткани пространства-времени и не требует, чтобы сосуд внутри каплевидного пространственно-временного пузыря превышал скорость света для работы. Для корабля с варп-двигателем, движущегося быстрее света, крайне важно убедиться, что сами пассажиры не двигаются быстрее скорости света, поскольку это создаст разницу в течении времени, называемую замедлением времени, когда пассажиры испытывают «нормальный поток времени», в то время как остальная часть Вселенной, кажется, устремляется в будущее.

Плоские варп-пузыри потребляют меньше энергии, чем длинные

Чтобы избежать этого парадокса, вместо сверхсветового движения судна и пассажиров в исследовании предлагается перемещать только сам варп-пузырь со скоростью, превышающей скорость света, поскольку само пространство-время может расширяться или сжиматься с любой скоростью. Хотя это захватывающая теоретическая находка, авторы статьи признают, что мы до сих пор не знаем, как это сделать на самом деле.

Однако это дает нам гораздо более сильную математическую базу для изучения варп-двигателей. Следующим шагом является определение того, сколько энергии необходимо для достижения желаемого ускорения. Важно отметить, что авторы исследования показывают, что привод Алькубьерре будет потреблять значительно меньше энергии, если путешественники будут сидеть рядом друг с другом, а не по прямой линии — как копейка, летящая лицом вперед, а не скользящая фрисби.

Чем более плоская форма пузыря в направлении движения, тем меньше энергии вам нужно, согласно разбивке статьи, опубликованной на YouTube профессором и научным сотрудником Франкфуртского института перспективных исследований Сабиной Хоссенфельдер. Хотя мы, возможно, не готовы построить космический корабль с варп-скоростью и полететь на Марс за считанные минуты, при дополнительных исследованиях этот новый взгляд на ведущую идею о путешествиях со скоростью, превышающей скорость света, может приблизить нас к научно-фантастическому будущему, в котором многие из нас выросли.

Для вас

Инновация

Исследователи из Токийского университета установили роботизированные глаза на тележку для гольфа, чтобы снизить количество аварий с участием беспилотных транспортных средств.