Ученые утверждают: путешествия со скоростью света возможны

Новая математика, старая идея: почему это заявление имеет значение

Вопрос, ставший лейтмотивом недавних заголовков — «путешествия на скорости света возможны, заявляют ученые» — отражает смену тональности. Десятилетиями сверхсветовые перемещения существовали либо в алгебре теоретических работ, либо в фантастических сюжетах научной фантастики; на этой неделе этот разрыв сократился, когда серия рецензируемых моделей и экспериментальных аналогов продемонстрировала метрики варп-пузырей, которые физически соответствуют общей теории относительности и при этом гораздо меньше полагаются на умозрительную «отрицательную энергию». Эти события не означают, что звездолет покинет низкую околоземную орбиту в следующем году, но они меняют то, как исследователи расставляют приоритеты в экспериментах, симуляциях и финансировании этой проблемы.

По сути, идею легко сформулировать, но крайне сложно реализовать: вы не движетесь сквозь пространство быстрее света; вы перестраиваете само пространство так, чтобы расстояние между точками А и Б сократилось. Метрика Мигеля Алькубьерре 1994 года формализовала эту интуитивную догадку, предложив геометрию пространства-времени, которая расширяет пространство позади и сжимает его перед кораблем. Недавние исследования привели к созданию альтернативных метрик и физических моделей, которые соблюдают энергетические условия, ранее считавшиеся непреодолимым препятствием для варп-двигателей, и это возобновило дискуссию о том, какие прорывы потребуются для превращения теории в лабораторные испытания и — в конечном итоге — в двигательные установки.

Повышенное внимание обусловлено несколькими факторами: формальными доказательствами того, что определенные варп-решения подчиняются принятым энергетическим ограничениям; лабораторными аналогами, воспроизводящими аспекты искривления пространства-времени на микроскопических масштабах; и более широким поиском плотных, управляемых источников энергии, которые могли бы, в принципе, обеспечить колоссальные бюджеты масс-энергии, требуемые этими метриками. В совокупности эта работа смещает вопрос из плоскости «допускает ли это математика?» в плоскость «какие инструменты и источники энергии сделают это практически реализуемым?».

Почему ученые теперь говорят, что путешествия на скорости света возможны

В недавних работах утверждается, что основные очевидные препятствия — необходимость в экзотической отрицательной энергии и непомерно больших массах — можно обойти или существенно уменьшить. Один класс результатов демонстрирует варп-пузыри солитонного типа, которые сохраняют свою форму и распространяются, не нарушая слабого энергетического условия, используемого в общей теории относительности. Другой подход переформулирует проблему: вместо того чтобы пытаться удержать корабль внутри пузыря искривленного пространства, вы создаете и манипулируете небольшими искажениями пространства-времени (пузырями), которые можно комбинировать или масштабировать.

Эти результаты не являются незначительными доработками; это алгоритмические и математические реорганизации проблемы, которые меняют представление о том, какие части выглядят невозможными, а какие — инженерными вызовами. Что немаловажно, несколько групп опубликовали в рецензируемых изданиях работы, демонстрирующие существование физически непротиворечивых метрик, которые не требуют недоказанной материи с отрицательной массой, как в оригинальной статье Алькубьерре. Короче говоря, утверждение «путешествия на скорости света возможны, заявляют ученые» относится к изменению научной позиции: теперь существуют осуществимые математические решения, барьеры для которых заключаются в ресурсах и технологиях, а не в прямых нарушениях известных законов физики.

Энергия и темная материя: путешествия на скорости света возможны, ученые ищут «священный грааль»

Сквозной темой недавних работ является энергия. Ранние варп-метрики требовали астрономически больших плотностей отрицательной энергии — в объемах, сопоставимых с массой планет или звезд. Более современные решения сокращают эти требования, но лишь до порядков величин, которые все еще затмевают крупнейшие современные электростанции. Это заставило исследователей задать прагматичный вопрос: какие источники энергии, существующие пока в теории или находящиеся в стадии активной разработки, могли бы в будущем масштабироваться и использоваться для инженерии пространства-времени?

Постоянно возникают два ответа. Первый — это термоядерный синтез: несколько групп отмечают, что если варп-метрику удастся вписать в энергетический диапазон реактора термоядерного синтеза, миссии, которые сейчас кажутся делом столетий, можно будет сократить до десятилетий или лет. Термоядерный синтез — это мейнстримный инженерный вызов с огромными глобальными инвестициями; его окончательная реализация устранит один из главных барьеров. Второй, более спекулятивный кандидат — темная материя. В популярных изданиях темную материю называют «неисчерпаемым источником энергии», и некоторые физики указывают на то, что если обнаружится, что темная материя аннигилирует сама с собой или обладает доступными взаимодействиями, она может стать хранилищем чрезвычайно плотной энергии. Это еще далеко от реальности — состав темной материи все еще неизвестен — но такая перспектива стала частью дискуссии о варп-двигателях, поскольку она решает главную проблему: потребность в чистой, управляемой энергии.

Стоит уточнить: путь через темную материю гипотетичен. Экспериментальные программы, такие как глубокие подземные ксеноновые и германиевые детекторы, пытаются определить природу частиц темной материи. В случае успеха это станет сейсмическим открытием для фундаментальной физики и может, в принципе, изменить подход к двигательным установкам. До тех пор термоядерный синтез остается ближайшим реалистичным этапом для масштабирования энергии, необходимого для некоторых рассматриваемых физически непротиворечивых варп-метрик.

Лабораторные аналоги, инструменты моделирования и экспериментальный прогресс

Прогресс не ограничивается теорией. Несколько лабораторий создали настольные или гидродинамические аналоги, имитирующие отдельные черты искривления пространства-времени, а группы исследователей использовали лазеры, звуковые волны и установки физики конденсированного состояния, чтобы изучить способы перераспределения плотности энергии. Эти эксперименты не создают варп-пузыри в релятивистском смысле, но они проверяют математические механизмы, с помощью которых метрика может быть реализована, и служат проверкой на адекватность инструментов моделирования.

В то же время программные инструментарии и общедоступные приложения позволяют исследователям вводить варп-метрики и мгновенно видеть, нарушают ли они энергетические условия или содержат внутренние противоречия. Это сокращает длительный цикл обратной связи между математическими выкладками и их подтверждением научным сообществом, а также ускоряет темпы тестирования новых метрик. Несколько работ, попавших в заголовки в этом году, также выиграли от использования этих систем моделирования, доказав, что определенные проекты по крайней мере внутренне непротиворечивы и, следовательно, заслуживают дальнейшей лабораторной проработки.

Все это важно, потому что экспериментальное подтверждение — даже на небольших нерелятивистских аналогах — это путь перехода физики от идеи к инженерной задаче. Сообщество теперь относится к исследованиям варп-двигателей так же, как к другим многолетним начинаниям: как к инкрементальной международной совместной работе, допускающей тупиковые пути развития.

Препятствия, которые делают сверхсветовые путешествия недосягаемыми

Даже при оптимистичном подходе препятствия остаются огромными и конкретными. Во-первых, масштаб энергии: физически непротиворечивые метрики по-прежнему требуют такого количества масс-энергии, которое на порядки превышает современные промышленные мощности, если не будут открыты новые физические принципы или виды топлива. Во-вторых, управление и маневрирование: варп-пузырь — это область искривленного пространства, из которой нельзя просто так передать сигнал наружу, что ставит вопросы о том, как направлять корабль, тормозить или прерывать путешествие. В-третьих, безопасность: модели предсказывают резкие градиенты на стенках пузыря, а это означает, что столкновения с пылью или межзвездными частицами могут привести к катастрофическим последствиям для судна, которое в остальном надежно защищено.

Существуют также концептуальные и институциональные препятствия. Большая часть финансирования исследований варп-двигателей поступала от небольших групп, частных лабораторий и благотворительных грантов, а не в рамках крупных долгосрочных государственных программ. Это означает, что прогресс может быть фрагментарным и зависеть от случайных открытий, как это исторически случалось во многих областях. Наконец, до тех пор, пока не появится четкая экспериментальная демонстрация управляемого искривления пространства-времени, широкие инвестиции на высоком уровне вряд ли будут осуществлены.

Насколько достоверны эти заявления — и что сделает их решающими?

Достоверность нынешней волны интереса держится на двух столпах: на том, что математические расчеты в рецензируемых статьях верны, и на том, что лабораторные аналоги воспроизводят необходимые механизмы. Оба этих столпа в определенной степени возведены. Несколько исследовательских групп из авторитетных учреждений опубликовали физически непротиворечивые метрики в журналах и препринтах; независимые команды предложили альтернативные метрики, исключающие необходимость в экзотической отрицательной массе. Лабораторные аналоги, хотя и не являются доказательством возможности создания варп-пузыря в масштабе космического корабля, предоставляют независимые экспериментальные свидетельства того, что компоненты этой идеи имеют физический смысл.

Однако решающим поворотным моментом стала бы экспериментальная демонстрация управляемой макроскопической деформации пространства-времени или открытие новой плотной и управляемой формы энергии, которая снизила бы требования к мощности до практически реализуемого уровня. Обнаружение частицы темной материи со свойствами, позволяющими извлекать энергию, также изменило бы правила игры. До тех пор, пока не произойдет одно из этих событий, утверждение «путешествия на скорости света возможны, заявляют ученые» означает лишь то, что вопрос перешел из области чистой теории в область теории, дополненной осязаемыми инженерными целями — но не в область скорого инженерного воплощения.

Куда эти исследования приведут дальше

Стоит ожидать прагматичного развития: больше инструментов моделирования, больше мелкомасштабных аналоговых экспериментов и продолжение изучения таких источников энергии, как термоядерный синтез и кандидаты на роль темной материи. Исследователи также будут искать в обсерваториях гравитационных волн и высокочастотных детекторах признаки, соответствующие динамике варп-пузырей — не потому, что эти детекторы построены для поиска варп-двигателей, а потому, что некоторые предполагаемые сигналы могут пересекаться с другими научными целями (например, поиском малых первичных черных дыр). Короче говоря, прогресс будет достигнут благодаря междисциплинарной работе, где одни и те же инструменты помогают реализовывать сразу несколько научных программ.

Если судить по прошлому, путь будет долгим. Многие ученые, работающие над варп-метриками, открыто говорят о перспективах в несколько десятилетий или столетий для создания любой практической межзвездной двигательной установки. Тем не менее, они также подчеркивают, что создание фундамента в математике, экспериментах и энергетических технологиях — это именно та терпеливая работа нескольких поколений, которая необходима для получения любых прорывных возможностей.

Источники

• Classical and Quantum Gravity (рецензируемая статья о физически реализованных варп-метриках)
• Исследования Applied Physics / Applied Physics (Applied Physics Laboratory) в области варп-метрик и симуляций
• Limitless Space Institute (исследования Гарольда «Сонни» Уайта и отчеты по механике варп-полей)
• Лаборатории NASA Eagleworks (механика варп-полей и соответствующие технические документы)
• Instituto Superior Técnico (математические работы Жозе Натариу по варп-метрикам)
• Pacific Northwest National Laboratory (исследование Эрика Ленца о солитонных варп-решениях)
• Monash University (исследование Алексея Бобрика о досветовых/физических варп-метриках)
• China Jinping Underground Laboratory (программы обнаружения темной материи PandaX и CDEX)
• Fermilab и University of Chicago (экспертиза в космологии и физике частиц, связанных с темной материей)
• Программы обсерваторий гравитационных волн LIGO и LISA (методы обнаружения, применимые к экзотическим событиям в пространстве-времени)