двигатель | это… Что такое Варп-двигатель?

Варп-двигатель (англ.  Warp drive, двигатель искривления) — cобирательный, фантастический научно-теоретический образ технологии или явления из вымышленной вселенной Star Trek, позволяющей попасть из одной точки пространства в другую быстрее, чем это делает свет. Это становится возможным благодаря генерации специального поля искривления (варп-поля), которое окутывает судно и искажает пространственно-временной континуум космического пространства, перемещая его. Двигатель искривления не разгоняет физическое тело быстрее скорости света в обычном пространстве, но использует свойства пространства — времени для перемещения быстрее, нежели это происходит с плоской электромагнитной волной (свет) в вакууме.

В сериале Звёздный путь

Технология

В общих чертах принцип работы варп-двигателей заключается в деформации пространства перед и позади звездолета, позволяя тому двигаться быстрее скорости света. Пространство «сжимается» перед судном и «разворачивается» за ним. При этом само судно находится в своеобразном «пузыре», оставаясь защищенным от деформаций. Сам корабль внутри поля искажения фактически остается неподвижным: перемещается само искаженное пространство, в котором он находится.

Использование варп-двигателей требует больших энергетических затрат, поэтому варп-системы Объединенной Федерации Планет приводятся в действие благодаря реакции между материей и антиматерией, разграниченными друг от друга кристаллами дилитиума. В результате реакции создается высоко-энергетичная плазма, называемая электро-плазмой. Электро-плазма направляется специальными электро-магнитными трубопроводами электро-плазменной системы (англ.  electro-plasma system, EPS) в плазменные инжекторы, которые, в свою очередь, создают варп-поле. Разные цивилизации используют разные источники энергии, но в целом процесс происходит аналогично.

Варп-поле, Поле искривления (Warp field)

Поле искривления состоит из множества слоев. Эти слои формируют «субпространственное поле». Это очень походит на «мини-вселенную», которая отделена от нормального пространства. Из-за отличающихся законов в этой мини-вселенной, относительно нормального пространства, мини-вселенная может двигаться со сверх световой скоростью. Чем из большего количества слоев состоит поле искривления, тем более глубоко корабль погружается в субпространство, тем дальше он отделяется от нормального пространства и тем выше скорость. Чтобы достигать более высоких скоростей, необходимо увеличить число субпространственных слоев. Для создания и поддержания последующего слоя требуется все больше энергии. Теоретический предел, наложенный на работу двигателя искривления называется предел Юджина. Согласно которому, фактор деформации 10 никогда не может быть, так как при этом расход энергии, как впрочем и скорость, становились равны бесконечности. Полный оставшийся доступным скоростной диапазон сжат между Warp 9 (9 слоев) и Warp 10 (бесконечная скорость).

На звездолёты класса «Интрепид» устанавливались специальные гондолы с изменяемой геометрией, позволяющее двигаться с еще более высокой скоростью без причинения вреда окружающему пространству и объектам, в нем расположенным. На более новом классе звездолётов «Суверин» устанавливаются более совершенные гондолы искривления, позволяющие двигаться с большими скоростями без изменения геометрии.

Элементы системы

• Контейнер с антивеществом
• Катушка индуктивности антивещества
• Реле антивещества
• Патроны дилитиума
• Электро-плазма
• Механизм экстренной остановки реакции
• Основная магистраль охлаждающего устройства
• Магнитный трубопровод
• Магнитный блок
• Гондолы

Часть двигателя деформации, спереди обычно располагается Вихревой сборщик со своими дополнительными системами, далее идет Плазменный инжектор, фокусирующий поток плазмы точно по центру Катушки искривления и собственно ряд катушек по всей оставшийся длине. Стандартом де-факто среди рас, использующих двигатели искривления, является использование двух гондол искривления слева и справа от корпуса корабля.

• • Коллекторы Буссарда

Устройство, обычно располагаемое (на кораблях Федерации) на переднем конце гондол искривления, и служащее для первичного сбора межзвездного газа (последующей сортировкой и переработкой занимаются уже другие системы). Сборщик обычно включается если запасы материи или антиматерии в баках корабля почти иссякли. Вихревой сборщик состоит из набора катушек, которые создают магнитное поле и подобно воронке затягивающее межзвездный газ.

• • Плазменный инжектор
  • Варп-катушка (катушка деформации)

Тороид, разделенный на несколько частей, который создает поле искривления, будучи активированным проходящим потоком высокоэнергетической плазмы. Ряд катушек деформации располагается в гондоле искривления. Используя плазменный инжектор, корабль может регулировать последовательность активации отдельных катушек искривления во время движения, позволяя кораблю маневрировать на Варп — скоростях.

• Аннулирующее ядро
• Предварительная магистраль охлаждения
• Катушка индуктивности
• Плазменный трубопровод
• Промежуточный охладитель плазмы
  • Смазочно-охлаждающая жидкость
• Регулятор плазмы
• Энергопередающий канал
• Сеть передачи энергии

Сеть распределения энергии, используемая на борту звездолетов Федерации для питания всех источников потребления, за ее работой и распределением энергии от источников к потребителям контролирует офицер ЭПС со своего терминала. Энергия передается в канале питания высокими скоростями движения плазменных частиц. Есть два основных источника питания: это ядро искривления и термоядерные реакторы в импульсных двигателях. Ядро в первую очередь питает гондолы искривления, щиты и фазеры, а импульсные двигатели всех прочих потребителей.

• Космическая матричная катушка восстановления
• Варп-плазменный трубопровод
• Ядро деформации
  • Реактор материи/антиматерии
  • Инжектор антиматерии
  • Плата кристаллов дилитиума
    • Кристалл дилитиума

Пожалуй главный компонент ядра искривления, внутри которого потоки вещества и антивещества при управляемом процессе аннигиляции преобразуются в электроплазменный поток. Дилитий — единственный пока известный элемент, который инертен к антивеществу, когда подвергается воздействию высокочастотного электромагнитного поля в мегаваттном диапазоне. Эффективность реакции в кристалле зависит от его качества.

• • • Механизм соединения кристаллов
  • Инжектор материи
  • Наборщик тета-матрицы

Разработка варп-двигателей

Каждая космическая цивилизация разработала варп-технологии самостоятельно и в разное время. Так Вулканцы имели варп-двигатели в третьем столетии по земному летоисчислению. В 2151 они преодолели скорость, равную семи варп-факторам. В том же году Клингоны смогли достичь шестой скорости. Следует заметить что сами клингоны не разработали варп-технологий — они были «позаимствованы» у хур’ков, когда-то захвативших родной мир клингонов КроноС (Хронос).

Объединенная Федерация Планет признала создание варп-двигателя важным этапом и фактором, характеризующим развитие какого-либо общества. Директивы Звёздного флота запрещают вступать в контакт с инопланетными расами до тех пор, пока те не войдут в эру варп-технологий.

Варп-технологии Федерации

Первый полет «Феникса»

На Земле варп-двигатель был создан ученым Зефрамом Кокрейном вскоре после окончания Третьей Мировой Войны. Несмотря на недостаток ресурсов, ему удалось переоборудовать для своих экспериментов космическую ракету «Титан V».

Первый испытательный полет варп-судна «Феникс» состоялся 5 апреля 2063 года и стал причиной «первого контакта» — встречи Землян и Вулканцев.

Однако дальнейшее развитие варп-технологий шло очень медленно (это во многом связанно с позицией Вулканцев, считающих человечество не готовым к освоению космоса) и только 80 лет спустя, в 2140-х, новый двигатель, созданный инженером Генри Арчером смог достичь варп-фактора 2. Вскоре сын Генри, Джонатан Арчер, преодолел 2-варп барьер, достигнув скорости варп 2.5.

К 2151 технология была развита настолько, что человечество стало готовым преодолеть барьер в 5 варп-факторов. Первым судном, оборудованным новым двигателем, стал звездолет «Энтерпрайз», который 9 февраля 2152 поставил новый рекорд скорости.

В 2161 была достигнута скорость 7 и новые двигатели начали устанавливаться на звездолеты.

В 2240-х годах скорость в 6 варп-факторов стала крейсерской (максимальная скорость на тот момент составляла варп 8).

Более высокие скорости были достигнуты только благодаря вмешательству других цивилизаций. Так в 2268 году Келвансы внесли изменения в конструкцию звездолета «Энтерпрайз», в результате чего тот смог добиться скорости варп 10^[1]. В том же году из-за саботажа Лосира звездолет «разогнался» до варп 14.1.

В то же время на звездолеты стали устанавливаться новые гондолы, сделавшие скорость варп 8 обыденной («Звёздный путь: Фильм»). В 2280-х была разработана технология «трансварп», которая должна была позволить двигаться с ещё большей скоростью, однако неудача испытаний новых двигателей вынудила инженеров отказаться от их практического применения.

Ко времени появления класса «Галактика» в 2360-х успехи инженеров позволили звездолетам двигаться со скоростью варп 9.6 в течение двенадцати часов.

Корабль Вояджер мог поддерживать крейсерскую скорость на уровне 9.975 по шкале ВАРП

В 2370 было обнаружено, что использование высоких варп-скоростей наносит существенный вред пространству и командование флота ввело ограничение на максимальную скорость в 5 варп-факторов. Однако уже через восемь месяцев было найдено решение проблемы и звездолёты с модернизированными двигателями вновь смогли использовать высокие скорости.

См. также

• Сверхсветовое движение
• E=mc²
• Импульсный двигатель

Примечания

1. ↑ Следует отметить, что до 24 века использовалась warp шкала Кокрейна, которая имела разметку более 10 warp факторов. Эта шкала в 24 веке была заменена на скорректированную шкалу TNG (не имеет отношения к названию сериала Star trek TNG), которая учитывала неоднородность областей пространства. Максимум этой шкалы равнялся 10 warp факторам.

Ссылки

• Варп-двигатель в вики Memory-Alpha  (англ.)
• статья о Варп-двигателях на сайте НАСА (англ.)
• Статья о теоретической возможности создания Варп-двигателя на сайте membrana.ru  (рус.)

двигатель | это… Что такое Варп-двигатель?

Варп-двигатель (англ.  Warp drive, двигатель искривления) — cобирательный, фантастический научно-теоретический образ технологии или явления из вымышленной вселенной Star Trek, позволяющей попасть из одной точки пространства в другую быстрее, чем это делает свет. Это становится возможным благодаря генерации специального поля искривления (варп-поля), которое окутывает судно и искажает пространственно-временной континуум космического пространства, перемещая его. Двигатель искривления не разгоняет физическое тело быстрее скорости света в обычном пространстве, но использует свойства пространства — времени для перемещения быстрее, нежели это происходит с плоской электромагнитной волной (свет) в вакууме.

В сериале Звёздный путь

Технология

В общих чертах принцип работы варп-двигателей заключается в деформации пространства перед и позади звездолета, позволяя тому двигаться быстрее скорости света. Пространство «сжимается» перед судном и «разворачивается» за ним. При этом само судно находится в своеобразном «пузыре», оставаясь защищенным от деформаций. Сам корабль внутри поля искажения фактически остается неподвижным: перемещается само искаженное пространство, в котором он находится.

Использование варп-двигателей требует больших энергетических затрат, поэтому варп-системы Объединенной Федерации Планет приводятся в действие благодаря реакции между материей и антиматерией, разграниченными друг от друга кристаллами дилитиума. В результате реакции создается высоко-энергетичная плазма, называемая электро-плазмой. Электро-плазма направляется специальными электро-магнитными трубопроводами электро-плазменной системы (англ.  electro-plasma system, EPS) в плазменные инжекторы, которые, в свою очередь, создают варп-поле. Разные цивилизации используют разные источники энергии, но в целом процесс происходит аналогично.

Варп-поле, Поле искривления (Warp field)

Поле искривления состоит из множества слоев. Эти слои формируют «субпространственное поле». Это очень походит на «мини-вселенную», которая отделена от нормального пространства. Из-за отличающихся законов в этой мини-вселенной, относительно нормального пространства, мини-вселенная может двигаться со сверх световой скоростью. Чем из большего количества слоев состоит поле искривления, тем более глубоко корабль погружается в субпространство, тем дальше он отделяется от нормального пространства и тем выше скорость. Чтобы достигать более высоких скоростей, необходимо увеличить число субпространственных слоев. Для создания и поддержания последующего слоя требуется все больше энергии. Теоретический предел, наложенный на работу двигателя искривления называется предел Юджина. Согласно которому, фактор деформации 10 никогда не может быть, так как при этом расход энергии, как впрочем и скорость, становились равны бесконечности. Полный оставшийся доступным скоростной диапазон сжат между Warp 9 (9 слоев) и Warp 10 (бесконечная скорость).

На звездолёты класса «Интрепид» устанавливались специальные гондолы с изменяемой геометрией, позволяющее двигаться с еще более высокой скоростью без причинения вреда окружающему пространству и объектам, в нем расположенным. На более новом классе звездолётов «Суверин» устанавливаются более совершенные гондолы искривления, позволяющие двигаться с большими скоростями без изменения геометрии.

Элементы системы

• Контейнер с антивеществом
• Катушка индуктивности антивещества
• Реле антивещества
• Патроны дилитиума
• Электро-плазма
• Механизм экстренной остановки реакции
• Основная магистраль охлаждающего устройства
• Магнитный трубопровод
• Магнитный блок
• Гондолы

Часть двигателя деформации, спереди обычно располагается Вихревой сборщик со своими дополнительными системами, далее идет Плазменный инжектор, фокусирующий поток плазмы точно по центру Катушки искривления и собственно ряд катушек по всей оставшийся длине. Стандартом де-факто среди рас, использующих двигатели искривления, является использование двух гондол искривления слева и справа от корпуса корабля.

• • Коллекторы Буссарда

Устройство, обычно располагаемое (на кораблях Федерации) на переднем конце гондол искривления, и служащее для первичного сбора межзвездного газа (последующей сортировкой и переработкой занимаются уже другие системы). Сборщик обычно включается если запасы материи или антиматерии в баках корабля почти иссякли. Вихревой сборщик состоит из набора катушек, которые создают магнитное поле и подобно воронке затягивающее межзвездный газ.

• • Плазменный инжектор
  • Варп-катушка (катушка деформации)

Тороид, разделенный на несколько частей, который создает поле искривления, будучи активированным проходящим потоком высокоэнергетической плазмы. Ряд катушек деформации располагается в гондоле искривления. Используя плазменный инжектор, корабль может регулировать последовательность активации отдельных катушек искривления во время движения, позволяя кораблю маневрировать на Варп — скоростях.

• Аннулирующее ядро
• Предварительная магистраль охлаждения
• Катушка индуктивности
• Плазменный трубопровод
• Промежуточный охладитель плазмы
  • Смазочно-охлаждающая жидкость
• Регулятор плазмы
• Энергопередающий канал
• Сеть передачи энергии

Сеть распределения энергии, используемая на борту звездолетов Федерации для питания всех источников потребления, за ее работой и распределением энергии от источников к потребителям контролирует офицер ЭПС со своего терминала. Энергия передается в канале питания высокими скоростями движения плазменных частиц. Есть два основных источника питания: это ядро искривления и термоядерные реакторы в импульсных двигателях. Ядро в первую очередь питает гондолы искривления, щиты и фазеры, а импульсные двигатели всех прочих потребителей.

• Космическая матричная катушка восстановления
• Варп-плазменный трубопровод
• Ядро деформации
  • Реактор материи/антиматерии
  • Инжектор антиматерии
  • Плата кристаллов дилитиума
    • Кристалл дилитиума

Пожалуй главный компонент ядра искривления, внутри которого потоки вещества и антивещества при управляемом процессе аннигиляции преобразуются в электроплазменный поток. Дилитий — единственный пока известный элемент, который инертен к антивеществу, когда подвергается воздействию высокочастотного электромагнитного поля в мегаваттном диапазоне. Эффективность реакции в кристалле зависит от его качества.

• • • Механизм соединения кристаллов
  • Инжектор материи
  • Наборщик тета-матрицы

Разработка варп-двигателей

Каждая космическая цивилизация разработала варп-технологии самостоятельно и в разное время. Так Вулканцы имели варп-двигатели в третьем столетии по земному летоисчислению. В 2151 они преодолели скорость, равную семи варп-факторам. В том же году Клингоны смогли достичь шестой скорости. Следует заметить что сами клингоны не разработали варп-технологий — они были «позаимствованы» у хур’ков, когда-то захвативших родной мир клингонов КроноС (Хронос).

Объединенная Федерация Планет признала создание варп-двигателя важным этапом и фактором, характеризующим развитие какого-либо общества. Директивы Звёздного флота запрещают вступать в контакт с инопланетными расами до тех пор, пока те не войдут в эру варп-технологий.

Варп-технологии Федерации

Первый полет «Феникса»

На Земле варп-двигатель был создан ученым Зефрамом Кокрейном вскоре после окончания Третьей Мировой Войны. Несмотря на недостаток ресурсов, ему удалось переоборудовать для своих экспериментов космическую ракету «Титан V».

Первый испытательный полет варп-судна «Феникс» состоялся 5 апреля 2063 года и стал причиной «первого контакта» — встречи Землян и Вулканцев.

Однако дальнейшее развитие варп-технологий шло очень медленно (это во многом связанно с позицией Вулканцев, считающих человечество не готовым к освоению космоса) и только 80 лет спустя, в 2140-х, новый двигатель, созданный инженером Генри Арчером смог достичь варп-фактора 2. Вскоре сын Генри, Джонатан Арчер, преодолел 2-варп барьер, достигнув скорости варп 2.5.

К 2151 технология была развита настолько, что человечество стало готовым преодолеть барьер в 5 варп-факторов. Первым судном, оборудованным новым двигателем, стал звездолет «Энтерпрайз», который 9 февраля 2152 поставил новый рекорд скорости.

В 2161 была достигнута скорость 7 и новые двигатели начали устанавливаться на звездолеты.

В 2240-х годах скорость в 6 варп-факторов стала крейсерской (максимальная скорость на тот момент составляла варп 8).

Более высокие скорости были достигнуты только благодаря вмешательству других цивилизаций. Так в 2268 году Келвансы внесли изменения в конструкцию звездолета «Энтерпрайз», в результате чего тот смог добиться скорости варп 10^[1]. В том же году из-за саботажа Лосира звездолет «разогнался» до варп 14.1.

В то же время на звездолеты стали устанавливаться новые гондолы, сделавшие скорость варп 8 обыденной («Звёздный путь: Фильм»). В 2280-х была разработана технология «трансварп», которая должна была позволить двигаться с ещё большей скоростью, однако неудача испытаний новых двигателей вынудила инженеров отказаться от их практического применения.

Ко времени появления класса «Галактика» в 2360-х успехи инженеров позволили звездолетам двигаться со скоростью варп 9.6 в течение двенадцати часов.

Корабль Вояджер мог поддерживать крейсерскую скорость на уровне 9.975 по шкале ВАРП

В 2370 было обнаружено, что использование высоких варп-скоростей наносит существенный вред пространству и командование флота ввело ограничение на максимальную скорость в 5 варп-факторов. Однако уже через восемь месяцев было найдено решение проблемы и звездолёты с модернизированными двигателями вновь смогли использовать высокие скорости.

См. также

• Сверхсветовое движение
• E=mc²
• Импульсный двигатель

Примечания

1. ↑ Следует отметить, что до 24 века использовалась warp шкала Кокрейна, которая имела разметку более 10 warp факторов. Эта шкала в 24 веке была заменена на скорректированную шкалу TNG (не имеет отношения к названию сериала Star trek TNG), которая учитывала неоднородность областей пространства. Максимум этой шкалы равнялся 10 warp факторам.

Ссылки

• Варп-двигатель в вики Memory-Alpha  (англ.)
• статья о Варп-двигателях на сайте НАСА (англ.)
• Статья о теоретической возможности создания Варп-двигателя на сайте membrana.ru  (рус.)

Варп-двигатель Star Trek ведет к новой физике

Для Эрика Ленца все началось с Star Trek . Каждые несколько эпизодов «Звездный путь: Следующее поколение» капитан Жан-Люк Пикард поднимал руку и приказывал: «Деформируйте один, вступайте в бой!» Затем звезды превратились в черточки, а световые годы пронеслись с невероятной скоростью. А Ленц, еще учась в начальной школе, задавался вопросом, может ли варп-двигатель работать и в реальной жизни.

«В какой-то момент я понял, что такой технологии не существует, — говорит Ленц. Он изучал физику в Вашингтонском университете, защитил докторскую диссертацию. защитил диссертацию по темной материи и вообще стал слишком занят, чтобы заниматься научной фантастикой. Но затем, в начале пандемии коронавируса, Ленц оказался один в Геттингене, Германия, где работал над докторской диссертацией. Внезапно у него появилось много свободного времени, а в голове детские фантазии.

Ленц прочитал все, что смог найти по варп-двигателям в научной литературе, которой было немного. Потом он начал думать об этом сам. Через несколько недель с ним произошло нечто такое, чего, казалось, не замечали все остальные. Ленц изложил свою идею на бумаге и обсудил ее с более опытными коллегами. Через год она была опубликована в физическом журнале.

Вскоре стало ясно, что Ленц был не единственным, кто мечтал о варп-двигателях. Средства массовой информации по всему миру подхватили эту историю, и дюжина журналистов попросила интервью. Обсуждение на онлайн-форуме Reddit собрало 2700 комментариев и 33000 лайков. Один интернет-пользователь написал: «Кто-нибудь еще чувствует, что родился на 300 лет раньше срока?»

Пузырь в пространстве и времени

Нет сомнений в том, что вселенная все еще слишком велика, чтобы люди могли ее пересечь. Лучу света требуется более четырех лет, чтобы достичь ближайшей к Земле звезды Проксима Центавра. Даже с самыми лучшими двигательными установками человеку потребуются десятки тысяч лет, чтобы добраться туда. Всегда можно мечтать об основании колоний в других звездных системах, но это вряд ли кто-то отправится в такое путешествие.

Но, может быть, когда-нибудь удастся сократить время в пути. Есть много идей о том, как это сделать, от солнечных парусов с лазерным ускорением до ядерных двигателей. Но даже с помощью этих технологий вы не продвинетесь слишком далеко за всю человеческую жизнь. Галактика действительно открыта только для тех, кто путешествует со скоростью света — или еще быстрее.

Изображение художника НАСА 1998 года о путешествии на варп-двигателе. Кольцо вокруг космического корабля создает поле отрицательной энергии. С сегодняшней точки зрения в поле отрицательной энергии больше нет необходимости. Авторы и права: НАСА; Цифровое искусство Les Bossinas (Cortez III Service Corp)

Именно по этой причине физики с богатым воображением долго размышляли над окончательной двигательной установкой: пузырем в пространстве и времени, в котором космический корабль мог бы мчаться от солнца к солнцу, как USS . Энтерпрайз сделал. Это исследование на периферии науки: не обязательно ошибочное, но приправленное большой щепоткой оптимизма.

Тот факт, что сегодня ученые вообще занимаются этой идеей, появился благодаря статье 1994 года мексиканского физика-теоретика Мигеля Алькубьерре. В то время Алькубьер был не просто страстным поклонником Star Trek . В своей докторской диссертации в Уэльском колледже Кардиффа (ныне Кардиффский университет) Алькубьер также работал над теорией относительности. Строго говоря, теория утверждает, что ничто не может двигаться быстрее света. Но, проявив немного изобретательности, Алькубьер обнаружил очевидную лазейку.

Для физиков теория относительности Альберта Эйнштейна состоит из двух частей: «Специальная» теория относительности, которая датируется 1905 годом, имеет дело с равномерным движением быстрых, как свет, объектов. Десять лет спустя Эйнштейн обобщил эти идеи для ускоряющихся тел. Согласно «общей» теории относительности, три знакомых нам пространственных измерения (верхнее-нижнее, левое-правое, переднее-заднее) неотделимы от времени. Каждая масса деформирует это пространство-время.

Согласно легендарному открытию Альберта Эйнштейна, мы живем в четырехмерном «пространстве-времени». Пространство-время не статично. Подобно скатерти, он деформируется массивными предметами. Все, что движется по скатерти (или 9от 0003 до пространства-времени) могут ускоряться только до предела скорости, установленного светом. Сама же скатерть может деформироваться с любой скоростью, как показывает сама вселенная в некоторых ситуациях.

Например, в момент Большого взрыва исходная пространственно-временная структура предположительно расширилась на долю секунды, и это произошло намного быстрее, чем мог бы двигаться любой луч света. Даже сегодня расширение продолжает отталкивать чрезвычайно далекие галактики со скоростью, превышающей скорость света, а это означает, что их свет больше не может достичь нас.

Основываясь на своем открытии, Алькубьер предположил, что это всего лишь небольшой шаг к варп-двигателю. Если бы пространство-время сжималось перед космическим кораблем и расширялось позади него, чтобы компенсировать это, можно было бы путешествовать к месту назначения со скоростью, превышающей скорость света. Корабль останется заключенным в пузыре, и экипаж не ощутит масштабы межзвездного путешествия. В лекции 2017 года Алькубьер сравнил это с нахождением на пассажирском конвейере в аэропорту: «Вы можете представить, что пол позади вас создается из ничего, а перед вами он разрушается, поэтому вы двигаетесь вперед».

Но формулировка этой идеи на языке общей теории относительности сразу же порождает большие практические проблемы. Во-первых, чтобы так радикально деформировать пространство-время, вам нужно было бы втиснуть огромную массу в пузырь, ограниченный стенкой тоньше атомного ядра. Тогда вам понадобятся две формы материи, чтобы поддерживать пузырь. Гравитация обычной массы заставила бы пространство перед пузырем сжиматься, перемещая всю структуру вперед. Но в то же время пространство позади пузыря должно расширяться, как поднимающееся тесто для хлеба. По словам Алькубьерре, чтобы это расширение произошло, вам понадобится какая-то форма отрицательной энергии, излучающая своего рода антигравитацию.

Проклятие отрицательной энергии

Для большинства физиков на этом мысленный эксперимент закончился. Энергия, которая, согласно формуле Эйнштейна, E = mc2 эквивалентна неограниченной массе, по определению должна быть положительной. Но согласно квантовой теории оно действительно может иметь отрицательное значение. Однако это, по-видимому, происходит только в редких особых случаях — в крошечном масштабе. В так называемом эффекте Казимира, например, вовлеченные количества настолько ничтожны, что любое технологическое применение кажется абсурдным.

Алькубьер, ныне профессор физики Национального автономного университета Мексики, согласен с этим. С точки зрения потенциальной технологии, варп-двигателей «сильно не хватает», — написал он и один из его коллег в недавнем препринте. Теперь он обратил свое внимание на известные явления, такие как черные дыры. Тем не менее концепция варп-двигателя сохраняет свою привлекательность, особенно для Trekkies — и для нескольких гравитационных физиков, которые время от времени публикуют вариации этой идеи.

В некоторых из этих статей показано, как уменьшить требования к массе пузыря, чтобы общая масса, необходимая для деформации пространства-времени, была меньше массы нашего Солнца. Но никто не мог обойти проблему негативной энергии, пока Ленц не занялся ею во время изоляции в Геттингене. В своей вынужденной изоляции Ленц нашел способ построить варп-пузырь, используя только положительную энергию. Поступая таким образом, он, возможно, преодолел величайшее возражение против варп-двигателей.

Это стало возможным благодаря особой особенности геометрии пространства-времени, обнаруженной Ленцем и скрытой в общей теории относительности, точнее, в уравнениях поля Эйнштейна. Эти уравнения могут рассчитать, как конкретное распределение материи и энергии деформирует пространство-время. Исследователи также могут использовать их, как это сделал Алькубьер, для определения массы и энергии, необходимых для создания определенного искривления пространства.

Однако иметь дело с такой динамической четырехмерной структурой, как пространство-время, чрезвычайно сложно. Полное выписывание формул Эйнштейна приводит к беспорядку вложенных друг в друга дифференциальных уравнений с тысячами членов. В зависимости от предположений, которые вы делаете о конкретной физической ситуации, вы принимаете во внимание только некоторые из этих терминов. Для теоретиков это почти безграничная игровая площадка.

Принцип двигателя Алькубьерре: пространство-время сжимается в передней части пузыря (справа), что соответствует искривлению пространства-времени. За пузырем (слева) новое пространство создается из ничего, что эквивалентно растяжению пространства-времени. Кредит: AllenMcC Wikimedia  (CC BY-SA 3.0)

Ленц специально изучил допущения, приводящие к отрицательной потребности в энергии в работе Алькубьерре. Как и его коллега, Ленц начал с анализа пространства-времени, смоделировав многомерное вещество как набор очень тонких слоев. Он обнаружил, что Алькубьер рассматривал только сравнительно простые «линейные» отношения между уравнениями перехода с одного слоя на другой. На этом этапе выбор более сложных «гиперболических» соотношений, которые обычно выражают быстро меняющиеся величины, приводит к другому пузырю деформации, чем тот, который получил Алькубьер. Для этого по-прежнему требуется огромное количество массы и энергии, но, согласно расчетам Ленца, только положительное количество. «Я был очень удивлен, что никто не пробовал это до меня, — говорит Ленц.

Пузырь Ленца отличается от того, который разработал Алькубьер в 1994 году. Он состоит из ромбовидных областей измененного пространства-времени, которые напоминают стаю птиц. По словам Ленца, создание такой геометрии пространства-времени в действительности потребовало бы сложного наслоения колец и дисков, состоящих не из твердого материала, а из чрезвычайно плотной жидкости заряженных частиц, похожей на вещество, находящееся внутри нейтронных звезд.

Это означает, что путешествия со скоростью, близкой к скорости света, все еще очень и очень далеки от прикладных технологий. Но теперь, когда нет необходимости в каких-то экзотических отрицательных плотностях энергии — по крайней мере, согласно последней работе Ленца, — теоретические игры находятся в сфере устоявшейся физики. Алькубьер описывает статью Ленца как «очень важное событие». Франсиско Лобо, исследователь из Лиссабонского университета и коллега Алькубьерре, опубликовавший учебник по варп-двигателям, тоже не может найти явных ошибок. «Если это правильно, это может открыть новый интерес и новые направления исследований в области физики варп-двигателя», — говорит он.

Идея Ленца даже вызвала интерес у исследователей, не входящих в небольшое сообщество энтузиастов варп-двигателя, включая Лавинию Гейзенберг, профессора космологии Швейцарского федерального технологического института в Цюрихе. Гейзенберг и ее ученик Шон Фелл сочли статью Ленца настолько захватывающей, что они развили ее, сконструировав собственные варп-пузыри с положительной энергией, для которых потребовалось бы всего лишь тысячная часть массы нашего Солнца.

«Все это гораздо менее загадочно, чем кажется большинству людей», — говорит Алексей Бобрик, астрофизик из Лундского университета в Швеции. Сотрудничая с предпринимателем из Нью-Йорка Джанни Мартире, Бобрик в 2020 году нашел несколько многообещающих решений уравнений поля Эйнштейна. По словам Бобрика, все, что нужно для варп-пузыря, — это оболочка соответствующей формы из плотного материала, которая искривляет пространство-время в его непосредственной близости, в то время как вселенная, через которую движется пузырек, и пространство внутри оболочки остаются относительно нетронутыми.

Время идет так медленно

Ключевое слово — «сравнительно». Алькубьерре и более поздние архитекторы варпа предполагали резкий переход между искривленным пространством-временем в стенке пузыря и гладким внутренним и внешним пространством. Но Бобрик и Мартир обнаружили, что это «усечение» гравитационного поля является причиной того, что для стабилизации искривления пространства и времени требуется большое количество отрицательной энергии.

Однако отказ от мультяшного изображения мыльного пузыря позволяет создавать варп-двигатели на основе обычной материи, утверждают они. Гравитационное поле не могло бы просто исчезнуть при удалении от стенки оболочки. Вместо этого он будет постепенно распадаться. Следовательно, пространство-время также будет искривлено внутри пузыря. Для путешественников на космическом корабле, находящемся прямо в центре пузыря, это явление было бы наиболее очевидным во времени: их часы шли бы медленнее, чем в остальном космосе, потому что, согласно теории относительности, на время влияет гравитация. .

Более медленное течение времени на космическом корабле может понравиться межзвездным путешественникам. Тем не менее, Бобрик и Мартире описывают другие препятствия. Они утверждают, что до сих пор не существует известного способа действительно ускорить варп-пузырь. Все предыдущие представления об этом предмете просто предполагают, что кривизна пространства-времени уже движется с большой скоростью.

Луч света движется со скоростью 299 000 километров в секунду. Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, это физическая константа. Скорость света — это максимальная скорость, которой может достичь любая частица, а частица может двигаться только в том случае, если у нее нет массы. Следовательно, современная физика не предлагает возможности ускорения объектов выше скорости света. Однако при ближайшем рассмотрении это ограничение применимо только к четырехмерному пространству-времени, составляющему вселенную. Кроме того, возможны еще более высокие скорости.

«Ни один из физически мыслимых варп-двигателей не может разогнаться до скоростей, превышающих скорость света», — говорит Бобрик. Это потому, что вам потребуется материя, способная выбрасываться со скоростью выше скорости света, но ни одна известная частица не может двигаться с такой скоростью. Кроме того, пассажиры самого космического корабля не могли контролировать пузырь, потому что они потеряли бы контакт с внешним миром из-за чрезвычайно сильной кривизны пространства вокруг них.

Ленц тоже считает эти возражения проблемой, но считает, что решение можно найти. Тем временем Бобрик отмечает, что также возможно путешествовать к далеким звездам со скоростью, равной трети или половине скорости света, особенно если время для людей в варп-пузыре течет медленнее. Только не думайте о том, что все ваши родственники, оставшиеся на Земле, наверняка умрут от старости до того, как вы вернетесь. «Но, по крайней мере, эта идея уже не совсем сумасшедшая», — говорит Бобрик.

От теории к практике

До сих пор ведутся споры о том, действительно ли варп-пузыри могут обходиться без отрицательной энергии. Недавно три теоретика предположили, что это утверждение верно только для наблюдателей, движущихся рядом с пузырем. Кроме того, не все, что кажется возможным согласно теории относительности, на самом деле существует или технологически осуществимо. Например, уравнения поля Эйнштейна также можно использовать для обоснования «белых» дыр (антитеза их черных двойников), мостов Эйнштейна-Розена (часто называемых червоточинами) и других экзотических изменений в пространстве-времени, которые никто никогда не наблюдал. Это может быть потому, что законы природы, пока еще неизвестные, исключают такие явления.

Поэтому некоторые исследователи предостерегают от перебора с фантазиями. Эксперт по космическим двигателям Мартин Таймар из Технического университета Дрездена, например, не видит практической значимости в текущей работе над варп-двигателями. По его словам, вовлеченные огромные массы просто превышают все, что можно испытать на Земле.

Большинство ветеранов-исследователей варп-двигателей, несомненно, согласятся. Они рассматривают свою работу не столько как подготовку к экспериментам в реальном мире, сколько как способ исследовать пределы относительности. По словам Лобо, в этом начинании полезны даже спекулятивные «мысленные эксперименты».

Ленц, с другой стороны, активно работает над практическим применением своей идеи. После исследований в Геттингене он устроился на работу в ИТ-компанию. Но в свободное время он все еще думает о том, как ускорить искривление пространства-времени до скоростей, превышающих скорость света, и как уменьшить необходимую для этого энергию.

Ленц также выступает за внимательное изучение окружения нейтронных звезд. Возможно, эти сверхкомпактные звездные остатки выбрасывают пузыри, подобные тем, которые он описывает в своей статье. «До тех пор, пока человек не позволяет личным предубеждениям мешать и принимает то, что говорят вам факты, это область исследований, достойная того, чтобы ею занимались, как и любая другая», — говорит он.

Жан-Люк Пикард, вероятно, воспринял бы это так же. «Вещи невозможны только до тех пор, пока их нет», — отметил персонаж в эпизоде ​​ «Звездный путь: Следующее поколение ». Но это также легче сказать, когда вы живете на 300 лет вперед.

Эта статья первоначально была опубликована в журнале Spektrum der Wissenschaft и воспроизведена с разрешения

ОБ АВТОРАХ

Роберт Гаст — физик и редактор журнала Zeit Online . Ранее он был редактором в Spektrum der Wissenschaft .

Как работает технология «Звездного пути» (инфографика)

(Изображение предоставлено Карлом Тейтом/Space. com)

 

В оригинальном телесериале «Звездный путь» использовались технологии, впервые появившиеся несколько десятилетий назад в научно-фантастических рассказах. Герои мякоти вооружены лучевыми пушками, летают быстрее света и телепортируются с места на место с 1930-х годов. Но, возможно, истинное вдохновение сверхнауки «Звездного пути» — это революционные физические открытия начала 20-го века. Теория относительности, открытая Альбертом Эйнштейном, и квантовая физика, впервые разработанная Максом Планком, открыли Вселенную, которая сильно отличается от того, что может предложить обычный человеческий опыт.

Хотя теория Эйнштейна запрещает материи ускоряться выше скорости света, требования научно-фантастического повествования требуют, чтобы люди могли путешествовать между звездами за разумное время, обычно часы или, самое большее, дни. Войдите в космический варп-двигатель, или, как его называли в пилотном эпизоде ​​«Звездного пути», «гипердвигатель».

Варп-двигатель в «Звездном пути» работает путем уничтожения материи (в форме дейтерия, разновидности газообразного водорода) и антиматерии в реакции синтеза, опосредованной кристаллами дилития. Это производит огромную энергию, необходимую для искривления пространства-времени и движения корабля со скоростью, превышающей скорость света.

Эволюция «Звездного пути» (инфографика)

Экипаж «Энтерпрайза» измеряет скорость в варп-факторах. Коэффициент деформации 8 равен кубу числа 8 (8 умножить на 8 умножить на 8), или в 512 раз больше скорости света.

Даже эта скорость слишком мала, чтобы космические корабли могли летать так быстро, как это показывают по телевизору. На самом деле сценаристы произвольно позволили «Энтерпрайзу» добраться туда, куда он направлялся, настолько быстро, насколько это было удобно для повествования. К эпохе «Звездного пути: Следующее поколение» шкала скорости деформации была перекалибрована. В соответствии с новым масштабом звездолет может добраться с Земли до Альфы Центавра примерно за 37 часов при коэффициенте деформации 8.

USS Enterprise Evolution в фотографиях (галерея)

Писатель-фантаст Э. Э. «Док» Смит описывает космический корабль, летящий со скоростью, «в тысячи раз превышающую скорость света», в своем романе «Космический жаворонок», написанном между 1915 и 1921 и опубликованы в журнале «Удивительные истории» в 1928 году.

На технологию и стиль «Звездного пути» повлиял фильм 1955 года «Запретная планета». United Planets Cruiser C-57D (вверху) использовал свой квантово-гравитационный гипердвигатель, чтобы значительно превзойти скорость света. Крейсер путешествует к звезде Альтаир, находящейся в 16,7 световых годах от Земли, за 378 дней.

В 1994 году Мигель Алькубьерре предложил перемещать не космический корабль, а само пространство со скоростью, превышающей скорость света. Все, что потребуется, — это исказить ткань пространства-времени в пузырь, окружающий космический корабль. Потребуется огромная энергия, но однажды созданный пузырь будет двигаться независимо от остальной Вселенной, даже быстрее света.

Пузырь движется, сжимая пространство-время перед собой и расширяя пространство-время позади него.

10 лучших технологий Star Trek

Ученый НАСА Гарольд «Санни» Уайт считает, что пока еще не обнаруженная «отрицательная энергия» может быть использована для создания пузыря пространственного искривления, используя меньшее количество общей энергии, чем Алькубьер считал возможным.

Вероятная альтернатива космическим путешествиям — червоточина, кратчайший путь между двумя удаленными друг от друга точками пространства-времени. Ученые Альберт Эйнштейн и Натан Розен впервые предложили червоточину, или «мост Эйнштейна-Розена», в 1935 году. В природе червоточины еще не наблюдались, но они не запрещены нашим нынешним пониманием физики.

Если бы червоточины существовали, они позволяли бы путешествовать быстрее света и назад во времени (по крайней мере, до того времени, когда червоточина была создана).

В устройстве Transporter из «Звездного пути» обычная материя временно преобразуется в энергию, а затем направляется в целевую точку для восстановления ее первоначального состояния и структуры. Транспортер имеет запас хода около 16 000 миль (25 750 километров).

«Вибра-передатчик», описанный в рассказе Фрэнка К. Келли 1933 года «На орбиту метеорита», действует аналогично транспортеру из «Звездного пути». Человеческое тело «превращается в вибрацию, распространяющуюся по волновому каналу», а затем реинтегрируется в материю в приемной камере. 927 (за единицей следует 27 нулей). Запись квантовых состояний всех этих атомов потребовала бы нереального объема памяти для хранения данных. Хуже того, квантовая физика препятствует точному измерению отдельных атомов.

Дефлекторные щиты (или «экраны») представляют собой невидимый барьер силового поля, автоматически активируемый корабельным компьютером при необходимости. Экраны можно поддерживать непрерывно в течение 20 часов, прежде чем мощность корабля будет исчерпана. Транспортеры нельзя использовать, когда экраны окружают корабль.

Лучи навигационных дефлекторов охватывают пространство перед кораблем, отбрасывая в сторону препятствия, такие как небольшие астероиды. Все, что слишком велико, чтобы его можно было отклонить, заставляет бортовой компьютер изменить курс, чтобы избежать столкновения.

В более ранних научно-фантастических произведениях дефлекторы для отклонения метеорных тел с пути космического корабля появляются в «Этических уравнениях» Мюррея Лейнстера, опубликованных в «Поразительной научной фантастике» в 1945 году. 

Лоуренс Краусс в своей книге «Физика из «Звездного пути», предполагает, что для искривления света (или фазерных лучей) дефлекторные щиты должны искажать пространство-время вокруг звездолета. Но если варп-двигатель возможен, дефлекторные щиты, которые работают таким образом, возможно, также возможны.0007

Притягивающие балки представляют собой форму обратных дефлекторных балок, тянущих, а не толкающих. Притягивающий луч имеет дальность действия около 100 000 миль (160 930 км).

EE «Док» Смит использует точный термин «притягивающий луч» для описания силовых лучей для захвата объектов в космосе в своем рассказе 1931 года «Космические гончие IPC», опубликованном в «Удивительных историях».

В реальной науке микроскопическими частицами материи манипулируют в лаборатории с помощью лазерных лучей. Звездолеты намного массивнее. Тяговые лучи, работающие на электромагнитном принципе, теоретически могут быть правдоподобны. Однако законы Ньютона требуют, чтобы, если «Энтерпрайз» притягивал другой объект своим притягивающим лучом, сам «Энтерпрайз» двигался к этому объекту. «Энтерпрайз» должен запустить двигатели, чтобы оставаться на месте во время операции.

Фазер — это энергетический луч, который можно «фазировать» для интерференции с волновой структурой любого материального объекта. Настройки включают дематериализацию (преобразует материю в энергию), разрушение (нарушение молекулярной сплоченности), нагревание (увеличивает молекулярную скорость) и оглушение (воздействие на нервную систему живой цели). Фазеры также можно настроить для использования в качестве резака или сварочного аппарата. Фазер, настроенный на перегрузку, создает мощный взрыв. Главные фазерные батареи корабля могут уничтожать материю на огромных расстояниях и питаются непосредственно от варп-двигателей.

Марсианский тепловой луч в романе Герберта Уэллса 1898 года «Война миров» очень похож на лучевую пушку или луч смерти. В 1920-х и 1930-х годах некоторые ученые, в том числе Никола Тесла, считали, что луч смерти, способный убивать на расстоянии, возможен. В 1930-х годах начали появляться игрушечные пистолеты Бака Роджерса, один из которых назывался «пистолет-дезинтегратор».

Сегодня существует оружие, способное ошеломить нервную систему человека (например, электрошокер). Тем не менее, тазеры требуют физического контакта для доставки заряда. Из-за закона обратных квадратов, по которому энергия уменьшается с увеличением расстояния, для разрушения материи на расстоянии фазерное оружие должно генерировать невероятное количество энергии. Продолжаются военные исследования по разработке оружия направленной энергии, способного сбивать ракеты.

Фотонная торпеда представляет собой энергетическую капсулу из материи и антиматерии, разделенных магнитофотонным силовым полем. Их можно запускать прямо как торпеды, устанавливать на минном поле или разбрасывать на пути противника, как современные глубинные бомбы. Доступны электрохимические, бесконтактные и другие предохранители.

Фотонные торпеды требуют некоторого количества антиматерии. Генерация даже нескольких атомов антиматерии требует огромного количества энергии. У варп-двигателя звездолета, работающего на антиматерии, тоже есть эта проблема.

Теоретически взрывная мощность одного грамма (0,04 унции) антиматерии и такого же количества материи составляет около 43 килотонн (на практике возможно меньше). В справочном материале для серии «Следующее поколение» говорится, что фотонные торпеды несут 1,5 кг (3,3 фунта) антиматерии.

• «Звездный путь во тьму»: фотогалерея
• Опрос: «Звездный путь» против «Звездных войн» — кто победит?
• Маскировочные устройства: фантастика или научный факт?

Подпишитесь на нас   @Spacedotcom ,   Facebook  и   Google+ .

Присоединяйтесь к нашим космическим форумам, чтобы продолжать обсуждать последние миссии, ночное небо и многое другое! А если у вас есть новость, исправление или комментарий, сообщите нам об этом по адресу: community@space.