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