Предложена новая модель варп-двигателя, не нарушающего законы физики

В научно-фантастической литературе варп-двигатель — это технология, позволяющая путешествовать быстрее скорости света

 В научно-фантастической литературе варп-драйв — это технология, позволяющая путешествовать быстрее скорости света за счет искривления пространства и времени, что позволяет преодолеть барьер скорости света. В реальности подобное не является абсолютно невозможным. Согласно общепринятой теории относительности Эйнштейна, нельзя ускорить объекты от скорости ниже скорости света до скорости выше скорости света, поскольку для этого потребуется бесконечное количество энергии, тем не менее, это ограничение относится только к объектам в пространстве-времени, а не к самому пространству-времени. Пространство-время может расширяться или искривляться с любой скоростью, и даже физики считают, что Вселенная расширяется быстрее скорости света. Поэтому в диапазоне от фантастики до науки варп-двигатели находятся на стороне науки.

Варп-двигатель Алькубьерре звездолета Энтерпрайз

Недавно два исследователя из отдела прикладной физики создали новую модель варп-двигателя. Они описывают ее как модель космического корабля, который может путешествовать быстрее скорости света, не нарушая законов физики. Исследователи Алексей Бобрик и Джанни Мартире утверждают, что это первая общая модель реального варп-двигателя.Вместе они написали и опубликовали работу под названием «Представление физических варп-двигателей, классической и квантовой гравитации (2021)».

Вместе они написали и опубликовали работу под названием » Представление физических варп-двигателей, классической и квантовой гравитации (2021)».

Каждый раз, когда кто-то упоминает о варп-двигателях, первое, что приходит на ум, это, конечно, сериал «Звездный путь», где благодаря варп-двигателю экипаж преодолевал огромные расстояния в пространстве гораздо быстрее скорости света. Однако в реальной жизни многие ученые, с трудом принимают идею такого двигателя, поскольку эта теория нарушает законы физики.

Концепция варп-двигателя заключается в создании » варпового пузыря» перед кораблем для искривления пространства-времени.  Одним из подходов к созданию такой системы является так называемый привод Алькубьерре. Эта идея основана на решении уравнений поля Эйнштейна в общей теории относительности. Она была создана физиком-теоретиком Мигелем Алькубьерре. Согласно его теории, космический корабль может достичь скорости, превышающей скорость света, если создать регулируемое поле с плотностью энергии ниже, чем в вакууме ( с отрицательной массой). Вместо того чтобы преодолевать скорость света, звездолет будет двигаться, сужая пространство перед собой и растягивая позади себя, что должно позволить ему двигаться со скоростью, превосходящей скорость света. Объекты не могут ускориться до скорости света в пределах обычного пространства-времени, поэтому «Пузырь Алькубьерре» сдвигает окружающее объект пространство таким образом, что объект движется быстрее, чем свет в обычном пространстве, не нарушая законов физики.

Пузырь Алькубьерре

 Хотя предлагаемая Алькубьерре измерительная система согласуется с полевыми уравнениями Эйнштейна, создание такого привода не представляется возможным с нашим нынешним пониманием. Система привода Алькубьерре требует отрицательной плотности энергии, поэтому для ее создания необходима некая особая материя или манипуляции с темной энергией. Если такой материи с нужными свойствами не существует, то и привод не может быть создан. В своей оригинальной статье Алькубьерр утверждал, что «вакуум Казимира» между параллельными пластинами может удовлетворить требование отрицательной энергии для привода Алькубьерра.

В новой попытке разработать работающий искривляющий привод исследователи шагнули дальше предыдущих идей, основанных на искривлении пространства-времени. Бобрик и Мартире создали модель, которая, по их мнению, может быть реализована в будущем. Основываясь на идее искривления Алькубьерре, оба ученых предполагают, что вместо этого для искривления пространства-времени можно использовать мощную гравитационную силу. Для этого необходимо найти способ сжать планету до размеров космического корабля, чтобы использовать ее гравитацию. Эти проблемы пока не позволяют создать работающий варп-двигатель сегодня, однако данная модель не является невозможной и позволяет предположить, что когда-нибудь в будущем можно будет создать работающий двигатель.

«Многие люди в области науки знают о приводе Алькубьерре и считают, что варп-приводы нефункциональны из-за необходимости использования отрицательной энергии», — говорит Алексей Бобрик. «Однако это утверждение неверно; мы пошли в другом направлении, в отличие от НАСА и других специалистов, и наши исследования показали, что на самом деле существует несколько других классов приводов искривления в общей теории относительности. В частности, мы сформулировали новые классы решений варп-двигателей, которые не требуют отрицательной энергии и, таким образом, становятся физическими.»

рекомендации

«Хотя мы по-прежнему не можем превзойти скорость света, но нам не обязательно это делать, чтобы стать межзвездным видом», — говорит Джанни Мартире, — «Наше исследование варп-двигателя имеет потенциал, чтобы сплотить нас всех».

Этот материал написан посетителем сайта, и за него начислено вознаграждение.

Субсветовым варп-двигателям разрешили состоять из обычной материи

Физики теоретически проанализировали возможность создания варп-двигателя — гипотетического объекта, который позволяет путешествовать с около- и сверхсветовыми видимыми скоростями (с точки зрения внешнего наблюдателя) за счет искажения пространства-времени вокруг путешественника. Оказалось, что, в отличие от сверхсветовых полетов, для путешествий с субсветовой скоростью оболочку такого аппарата можно изготовить из обычной материи. В то же время механизмы разгона корабля и большая масса, которая требуется оболочке, по-прежнему остаются проблемными вопросами. Статья опубликована в журнале Classical and Quantum Gravity.

В конце прошлого века физик Мигель Алькубьерре из Уэльского университета, вдохновившись сюжетом сериала «Звездный путь», описал теоретическую модель путешествий с видимой сверхсветовой скоростью, которая не требует использования кротовых нор. Идея ученого состояла в том, чтобы создать своего рода пузырь, который окружает космический аппарат, сжимая пространство-время перед кораблем и растягивая позади. С точки зрения внешнего наблюдателя такие манипуляции могут показаться сверхсветовым полетом — подобно тому, как в инфляционной модели Вселенной первые моменты ее жизни сопровождались быстрым расширением пространства, и расстояние между точками увеличивалось так, будто они разлетаются со сверхсветовыми скоростями, хотя физические скорости тел были меньше световой.

В общей теории относительности источником искажений пространства-времени является материя — то есть ее распределение в пространстве определяет то, как именно искривится геометрия. Эту связь можно использовать и в обратную сторону — определить по виду искажения пространства-времени, каким распределением материи оно может быть вызвано и какими свойствами обладает вещество-источник.

Для варп-двигателя Алькубьерре такие рассуждения приводят к тому, что устройство обязательно должно содержать в себе области с отрицательной плотностью энергии — тогда как для известных разновидностей вещества эта величина положительна. Таким образом, до недавнего времени считалось, что для путешествий, помимо прочего, пришлось бы сначала отыскать способ создания отрицательной плотности энергии.

Алексей Бобрик (Alexey Bobrick) и Джанни Мартир (Gianni Martire) из Нью-Йоркской Лаборатории прикладной физики перспективных двигателей обобщили идею варп-двигателя Алькубьерре на более широкий класс искажений пространства-времени, чем изначально предлагал ученый. В расширенной модели авторы разделили пространство на три области — асимптотически плоскую внешнюю (то есть практически неискаженную на большом удалении от корабля), искривленную — оболочку аппарата, и, снова плоскую, внутреннюю — пространство для самого корабля и пассажиров. При этом физики ограничились рассмотрением оболочек, которые симметричны относительно оси движения аппарата и неподвижны с точки зрения наблюдателя во внутренней области, — то есть требовали существования глобальной системы отсчета покоя оболочки.

Исследователи сосредоточили внимание на подклассе варп-двигателей, в котором оболочка движется с субсветовой видимой скоростью (до которой принципиально возможно разгонять обычную материю) и который допускает существование неподвижных физических наблюдателей (то есть материальных тел, а не просто формально покоящихся точек) во внутренней области. Для сферически-симметричных искажений пространства-времени ученые рассчитали необходимую плотность энергии, исходя из параметров искривления.

Оказалось, что субсветовые варп-двигатели допускают не только отрицательную, но и положительную плотность энергии — а значит, принципиально их можно изготовить из привычной нам материи. В этом случае для наблюдателя время внутри корабля будет течь медленнее, чем в системе отсчета, которая движется снаружи оболочки с той же скоростью, однако для оболочки с массой порядка массы Земли и радиусом в 10 метров замедление составит лишь сотые доли процента — то есть за год внутреннее и внешнее время разойдется всего на несколько часов.

Кроме того, авторы нашли способ снизить полную энергию корабля для модели с осевой симметрией при фиксированной скорости — для этого они предложили делать оболочку сплющенной в направлении движения. Согласно расчетам, сокращение продольного размера корабля приведет к прямо пропорциональному (во столько же раз) изменению его полной энергии. Это может облегчить создание варп-двигателей на основе материи с отрицательной плотностью энергии — сплющенному кораблю потребуется меньше экзотического материала.

Ученые отмечают, что несмотря на возможность сверхсветового движения корабля, на практике оно почти не отличается от сверхсветового движения любого другого физического тела, поскольку на сегодняшний день не известны способы ускорять физические объекты до сверхсветовых скоростей. Можно предположить, что некая гипотетическая частица уже движется быстрее света — и исследовать такую задачу, но нельзя ускорить эту частицу от обычной субсветовой скорости до требуемой сверхсветовой. Оболочка варп-двигателя — тоже материальный объект, и для нее, как и для всякого другого тела, справедливы те же рассуждения — и разгонять сверхсветовые варп-двигатели известными физике способами не удастся.

За последнее время теоретики не впервые проверяют экзотические путешествия на практическую пригодность — так, прошлым летом мы рассказывали о том, как крупные устья кротовых нор оказались безопасными для жизни человека с точки зрения приливных сил. В реальности же до таких путешествий далеко — например, в мае 2015 в NASA опровергли слухи о разработке варп-двигателя.

Николай Мартыненко

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новая модель варп-двигателя не требует «экзотической материи», ученые говорят, что мы можем ее построить со штаб-квартирой в Швеции разработали дизайн совершенно новой версии привода Warp.

Проекты группы, известные как Applied Physics (APL), были недавно опубликованы в рецензируемом журнале Classical and Quantum Gravity и представляют собой последнее из все более переполненной области предложений по деформации.

Предыстория: почему классические теории варп-двигателя не работают

С того момента, как мексиканский математик Мигель Алькубьер впервые обнародовал свою концепцию варп-двигателя в 1994 году, она получила как высокую похвалу, так и скептицизм.

Для сторонников проекты Алькубьерре представляли собой первую реальную попытку современного ученого взять концепцию, которая ранее существовала только в научной фантастике, и перенести ее в реальный мир. Критики считают, что огромное количество экзотической материи, необходимой для питания привода, не говоря уже об огромном количестве радиационного облучения, которому могут подвергнуться пассажиры, сделали его невозможным.

В 2011 году бывший инженер НАСА Гарольд Г. «Сонни» Уайт в обновленной конструкции смягчил эти проблемы в некоторой степени, но по-прежнему требовал использования того же экзотического материала, что и предыдущая концепция, только значительно меньше.

В отличие от проектов Alcubierre и White, предложение команды APL не требует экзотических материалов для питания транспортного средства, но есть одна загвоздка. По словам исследователей, физическая природа новой конструкции означает, что она ограничена ньютоновской физикой. Короче говоря, хотя их концепция привода действительно предназначена для перевозки людей через галактику и не нуждается в экзотических веществах для своего путешествия, она не способна превысить скорость света.

«Если вы читаете какие-либо публикации, в которых утверждается, что мы выяснили, как превзойти скорость света, они ошибаются», — сказал один из исследователей, Джанни Мартире, в электронном письме на The Debrief . «Вместо этого мы показываем, что класс субсветовых сферически симметричных варп-пространств-временей может быть построен на основе физических принципов, известных сегодня человечеству».

Художественный концепт космического корабля, использующего варп-двигатель Алькубьерре. (Изображение: НАСА)

Анализ: почему эта новая модель варп-двигателя действительно может работать

В последующем электронном письме на номер The Debrief Мартайр впервые рассказал об уникальном опыте группы исследователей, участвовавших в проекте APL, а также о северном местоположении, выбранном для ее штаб-квартиры. «Если бы не американец, русский и иранец, физических варп-двигателей никогда бы не было. Таким образом, единственным способом не иметь границ было сделать Швецию нашей принимающей страной».

«Стать межзвездным, — добавил он позже, — это глобальная задача, и мы не можем допустить, чтобы политика стояла на пути науки».

Итак, когда команда собралась, Мартайр рассказал, как они сначала рассмотрели классические конструкции деформации, прежде чем попытаться решить проблему самостоятельно. «В статье [Гарольда] Уайта широко используются дополнительные нефизические измерения, — сказал он, — что, как вы знаете, несовместимо с нынешним пониманием общей теории относительности. Таким образом, произведение неприменимо в нашей реальности. Нет метрики деформации .

Вот почему все они были нефизическими.

Помня об этом ограничении, Мартир и его соавтор, астрофизик Лундского университета Алексей Бобрик, решили разработать совершенно новый тип варп-двигателя, который они назвали физический варп-накопитель.  «Наша статья охватывает все существующие варп-двигатели и все их возможные модификации (например, Alcubierre)», — сказал Мартир в электронном письме, — «но метрика APL стоит сама по себе, поэтому это первый физический класс варпа».

Конечно, как физическое, материальное устройство, их привод подчиняется законам и ограничениям классической физики, и, как уже упоминалось, это означает отсутствие сверхсветовой скорости. Тем не менее, исследователи быстро отмечают, что их концепция привода может достигать скорости света, а это означает, что путешествие по космосу по-прежнему является жизнеспособным вариантом.

«Существует распространенное заблуждение, что межзвездные путешествия должны быть сверхсветовыми, — сказал Мартир The Debrief , — это не так. Если мы сможем отправить зонд для достижения другой звезды в течение десяти лет, это все равно невероятно полезно».

К счастью, для любого будущего пассажира, который сможет летать на корабле, оснащенном этим типом двигателя, Мартир также объяснил, как их конструкция устраняет смертельное излучение, испускаемое предыдущими концепциями варпа.

«Такие опасности возникают для всех варп-двигателей в сверхсветовом режиме, потому что они обладают горизонтом, похожим на черную дыру [sic], перед собой и горизонтом, подобным белой дыре, [sic] позади них». Эти два противоположных горизонта, объясняет Мартир, «приводят к испарению Хокинга и связанным с ними нестабильностям».

Однако в предложении APL Мартайр говорит, что «наше решение для сверхсветового варп-двигателя с положительной энергией не страдает от этой проблемы, поэтому мы хороши [в] излучении».

Когда его спросили, каковы основные ограничения при создании физического варп-двигателя для испытаний, исследователь признал, что современное оборудование может не соответствовать этой задаче. «Уровень точности, необходимый для инструментов для измерения гравитационных эффектов корабля [в настоящее время], недостаточен. Мы должны начать с малого».

Однако он отмечает, что наряду с грядущими улучшениями в оборудовании, возможно, появятся и исследователи будущего. «По запросу заведующего кафедрой, — писал Мартир, — Stevens.edu стал первым университетом, где «Механика варп-поля» впервые преподавалась доктору философии. ученики.

Перспектива: Мы не можем построить это… пока.

Не сразу понятно, куда идет проект. Тем не менее, международная команда не останавливается на своем текущем документе, а вместо этого ищет способы улучшить свой дизайн, даже сократив время, которое пассажиры проведут в многолетнем путешествии.

«В далеком будущем, — говорится в электронном письме Мартире, — у экипажа будет возможность замедлять время внутри пузыря. Так что теперь десять лет могут превратиться всего в один месяц для всего, что находится внутри области варп-щита.

Он открыто признает, что эта попытка уплотнить время требует значительного количества энергии помимо энергии, необходимой для приведения их в движение, но также быстро указывает, что их проект твердо основан на надежной, проверенной физике.

«До нашей газеты, — заключает письмо Мартире, — говорить такие вещи было научной фантастикой. Теперь это настоящая наука.   Мы сделали маленький шаг в будущее, чувствуете?»

Следуйте и свяжитесь с автором Кристофером Плейн в Твиттере: @plain_fiction

Ученые говорят, что физическая варень теперь возможна

• . привод.
• Это основано на существующей модели, которая требует отрицательной энергии, что невозможно.
• Новая модель захватывающая, но до скорости варпа, вероятно, еще десятилетия или столетия.

В удивительной новой статье ученые говорят, что они разработали физическую модель варп-двигателя, которая противоречит тому, что мы давно думали о сумасшедшей концепции путешествия на варп-скорости: это требует экзотики. , негативные силы.

Чтобы лучше понять, что означает прорыв, вам понадобится краткий ускоренный курс по далекой идее путешествия через свернутое пространство.

Разговорный термин «варп-двигатель» пришел из научной фантастики, наиболее известной из которых является Звездный путь. Сверхсветовой варп-двигатель Федерации работает за счет столкновения материи и антиматерии и преобразования энергии взрыва в движение. «Звездный путь » предполагает, что только эта необыкновенная сила толкает корабль на скорости, превышающей скорость света.

Ученые десятилетиями изучали и теоретизировали космические путешествия со скоростью, превышающей скорость света. Одна из основных причин нашего интереса — чистый прагматизм: без варп-двигателя мы, вероятно, никогда не доберемся до соседней звездной системы. Ближайшее такое путешествие будет продолжаться четыре года со скоростью света.

Наше нынешнее понимание скорости деформации восходит к 1994 году, когда ныне культовый физик-теоретик по имени Мигель Алькубьер впервые предложил то, что мы с тех пор называем двигателем Алькубьерре.

Двигатель Алькубьерре соответствует общей теории относительности Эйнштейна для достижения сверхсветовых путешествий. «Благодаря чисто локальному расширению пространства-времени позади космического корабля и противоположному сжатию перед ним, — писал Алькубьерре в аннотации к своей статье, — возможно движение со скоростью, превышающей скорость света, которую видят наблюдатели за пределами возмущенной области».

По сути, двигатель Алькубьерре затрачивает огромное количество энергии — вероятно, больше, чем доступно во Вселенной, — чтобы сжимать и искривлять пространство-время перед собой и создавать пузырь. Внутри этого пузыря будет инерциальная система отсчета, в которой исследователи не почувствуют должного ускорения. Правила физики по-прежнему будут действовать внутри пузыря, но корабль будет локализован за пределами космоса.

Можно представить себе привод Алькубьерре как классический трюк для вечеринки со скатертью и посудой: космический корабль сидит на скатерти пространства-времени, двигатель натягивает на себя ткань, и корабль находится в новом месте относительно фабрика.

Посмотреть полный пост на Youtube

Алькубьер описывает пространство-время, расширяющееся с одной стороны корабля и сжимающееся с другой, благодаря этому огромному количеству энергии и необходимому количеству экзотической материи — в данном случае отрицательной энергии.

История по теме

• НАСА работает над варп-двигателем?

Однако некоторые ученые критикуют двигатель Алькубьерре за то, что он требует слишком много массы и отрицательной энергии, чтобы люди когда-либо серьезно построили двигательную установку на основе варпа. НАСА пыталось создать физический варп-двигатель с помощью лабораторий Eagleworks на протяжении большей части последнего десятилетия, но пока не добилось каких-либо значительных успехов.

Прикладная физика

Это подводит нас к новому исследованию, которое ученые из Лаборатории перспективных двигателей (APL) в Прикладная физика только что опубликовали в рецензируемом журнале Classical and Quantum Gravity. В отчете команда APL представляет первую в мире модель физического варп-двигателя, которая не требует отрицательной энергии.

Исследование, по понятным причинам, довольно объемное (прочитайте все здесь), но вот суть модели: Где существующая парадигма использует отрицательную энергию — экзотическую материю, которая не существует и не может быть произведена в рамках нашего нынешнего понимания Вселенная — эта новая концепция использует плавающие пузыри пространства-времени, а не плавающие отправляет в пространство-время.

Вам это тоже понравится

• Этот термоядерный двигатель может ускорить межзвездные путешествия
• EmDrive просто не умрет

Физическая модель почти не использует отрицательную энергию и основывается на идее о том, что пузыри пространства-времени могут вести себя почти так, как им нравится. И, как говорят ученые APL, это даже не единственный другой способ, которым может работать варп-скорость. Создание хотя бы физически понятной модели — большой шаг.

Кроме того, сам Алькубьер одобрил новую модель, что похоже на появление Альберта Эйнштейна на вводном уроке физики.

Вот полезное видео, в котором Сабина Хоссенфельдер, профессор и научный сотрудник Франкфуртского института перспективных исследований, излагает полученные данные:

Посмотреть полный пост на Youtube

эта работа все еще находится в зоне возможного «далекого будущего», она состоит из идей, которые ученые до сих пор не знают, как сконструировать в каком-либо смысле.