Варп-двигатель

Везти корабль быстрее света, двигая само пространство: что для этого нужно и вид изнутри

Гипотеза: физика допускает это на бумаге, но никто этого не видел. Всё показано по теории в её нынешнем виде.

Шаг за шагом

Двигать пространство, а не корабль

Предел скорости в теории относительности касается вещей, движущихся в пространстве. Против движения самого пространства она ничего не говорит: далёкие галактики удаляются быстрее света, потому что пространство между ними продолжает расти. Идея Алькубьерре — устроить небольшой такой участок нарочно и увезти в нём корабль.

Пузырь — это область плоского пространства со стенкой вокруг, в которой пространство сжато спереди и растянуто сзади. Корабль покоится посередине, как сёрфер, которого несёт волна. Экипаж был бы в свободном падении в плоском пространстве: никакого толчка, никакого замедления времени, часы идут как снаружи.

Это решение уравнений Эйнштейна, а не машина. График в углу принадлежит самому решению: как быстро пространство растягивается (выше линии) или сжимается (ниже неё) вдоль линии пути. Картинка — то, что увидел бы наблюдатель позади пузыря, когда тот уносится со скоростью вдвое больше света: диск искажённого неба впереди, уменьшающийся по мере удаления.

Что держит стенку

Чтобы держать стенку, нужна материя с отрицательной энергией вокруг всего пузыря, больше всего по бокам. В 1997 году Пфеннинг и Форд нашли, что пузырь, который провёз бы корабль через Млечный Путь за десять лет, требует около −10⁶⁴ кг — гораздо больше, чем содержит наблюдаемая вселенная.

В формуле Алькубьерре для энергии везде стоит минус: та же экзотическая материя, что держит открытой кротовую нору. Она равна нулю вдоль линии пути и наибольшая в стенке вокруг середины корабля — фиолетовое кольцо. Кольцо нарисовано.

В 1997 году Майкл Пфеннинг и Ларри Форд применили к пузырю пределы, которые квантовая теория налагает на отрицательную энергию. Они нашли, что его стенка могла быть толщиной лишь в несколько сотен планковских длин, а энергия для пузыря, достаточно большого, чтобы увезти корабль далеко, около −10⁶⁴ кг: примерно в сто миллиардов раз больше массы наблюдаемой вселенной, около 10⁵³ кг.

Более поздние конструкции сократили счёт. Конструкции Ван ден Брука 1999 года нужно меньше трёх Солнц для пузыря, несущего нечто размером с атом. В 2021 году Бобрик и Мартире показали, что пузыри медленнее света можно сделать из обычной материи, а Лентц предложил более быстрый, которому нужна только положительная энергия, что другие оспаривают. Ни один не дёшев, и ни один не признан.

Как её построили бы

На бумаге варп-двигатель строится в три шага: получить очень много отрицательной энергии, придать ей форму тонкой стенки вокруг корабля и включить её впереди корабля. Никто не знает, как сделать ни один из них. Кольцо здесь нарисовано.

1. Получить отрицательную энергию. Единственная, какую мы умеем делать, крошечна: эффект Казимира даёт около −4 × 10⁻⁴ джоуля на кубический метр между пластинами на расстоянии микрометра, а сжатый свет даёт короткие импульсы. Пределы, найденные Фордом и Романом, допускают лишь столько и на столь короткое время. Пузырю нужно около −10⁶⁴ килограммов.

2. Придать ей форму стенки. Формула Алькубьерре помещает материю в оболочку вокруг корабля: нет вдоль линии движения, больше всего по бокам, со сглаженной стенкой. Пфеннинг и Форд нашли, что стенка должна быть толщиной всего в несколько сотен планковских длин, около 10⁻³³ метра, тоньше любой материи, какую мы умеем делать.

3. Включить её впереди корабля. Корабль не может послать сигнал стенке перед собой, поэтому не может запустить пузырь изнутри. Красников предложил в 1995 году, что более медленный корабль мог бы готовить маршрут по ходу, оставляя за собой трубу изменённого пространства, так что последующие рейсы по ней были бы быстрыми.

Ничего из этого не существует как машина. Каждый шаг — то, чего требует математика, а не технология. Кольцо отрицательной энергии на картинке и маршрут впереди нарисованы.

Внутри пузыря

Внутри вы не почувствовали бы ничего. Корабль покоится в плоском пространстве: никакого толчка, никакого замедления времени, часы идут как везде. Меняется небо. Прибавьте ход, и звёзды впереди скучиваются, становятся ярче и синеют.

В центре пространство плоское и покоится. Ничто не толкает вас, когда пузырь разгоняется, потому что вы не разгоняетесь; движется стенка пузыря. Ваши часы показывают то время, что показывают часы всех.

Только входящий свет показывает, что происходит. Он должен пересечь стенку, где пространство течёт, и выходит смещённым: свет спереди повышается по частоте на 1 плюс скорость, свет сзади понижается на 1 минус скорость. Каждый луч здесь прослежен сквозь варп-геометрию.

Оттенки — простая замена смещённых цветов, а яркость следует доплеровскому множителю. Сам корабль в центре не нарисован.

Что видит корабль

Кларк, Хисскок и Ларсон проследили свет сквозь пузырь в 1999 году, а Томас Мюллер и коллеги из Штутгарта позже сняли фильмы о виде. За скоростью света звёзды передней половины выглядят ближе к направлению движения, чем они есть на самом деле, и становятся ярче и синее к нему.

Позади корабля доплеровский множитель, 1 минус скорость, падает до нуля на скорости света, а за ней вокруг направления точно назад раскрывается конус, откуда свет не приходит вообще. Его половина угла — дуга, косинус которой равен 1 на скорость: 60° при вдвое большей скорости света, больше при более быстром корабле.

Конус — это горизонт, как конус Маха за сверхзвуковым самолётом: то, что внутри, обгоняет собственный свет. Глядя точно назад, экипаж увидел бы только тьму и несколько тусклых красных звёзд у её края.

Что видит наблюдатель

Снаружи варп-пузырь почти невидим: ни свечения, ни стенки, которую можно увидеть. Сзади он виден как диск искажённого неба впереди, уменьшающийся по мере удаления пузыря; сбоку вы ничего не заметили бы, пока он не пройдёт.

Свет далёких звёзд впереди пересекает стенку пузыря, прежде чем достигнуть вас, и стенка отклоняет его на десятки градусов и смещает его цвет. Вы видите диск неба, который на деле взят из широкой полосы небосвода и упакован в маленький круг вокруг направления движения: чем дальше пузырь, тем меньше диск. Камера здесь покоится в пространстве, позади пузыря.

Пузырь движется быстрее, чем любой свет мог бы его показать: его изображение дошло бы до вас только после его прохода. Кто оказался бы у него на пути, был бы пройден раньше, чем увидел бы его приближение, как звуковой удар следует за сверхзвуковым самолётом.

Корабль посередине не нарисован, как и собственное свечение стенки, если бы оно было: показано только то, что уравнения делают со светом звёзд.

Ни рулить, ни остановиться

В 1995 году Сергей Красников заметил, что ничто, посланное кораблём, не может достичь передней части пузыря быстрее света, поэтому экипаж не может ни создать стенку, ни управлять ею, ни остановить её. Всё о стенке пришлось бы устроить впереди корабля, до его прибытия.

Кларк, Хисскок и Ларсон нашли два конуса, нарисованных здесь: впереди — тот, куда корабль не может послать сигнал, и позади — тот, откуда к нему не может дойти свет. У каждого половина угла, косинус которой равен 1 на скорость.

Так что корабль в варп-пузыре не мог бы остановиться у цели, если бы это не сделала техника, уже находящаяся там. Ответом самого Красникова была труба из искривлённого пространства, проложенная вдоль маршрута заранее. Это идеи, а не проекты.

Ещё две проблемы

Если пузырь включить из плоского пространства, расчёты говорят, что квантовые эффекты накапливаются на его передней стенке без предела и разрушают его. А способ двигаться быстрее света может быть и способом вернуться назад во времени.

Финацци, Либерати и Барсело показали в 2009 году, что сверхсветовой пузырь, созданный из плоского пространства, получает горизонт на передней стенке, а энергия квантовых полей там растёт экспоненциально со временем. Их результат рассматривает гравитацию классически, а материю квантово, так что полная теория квантовой гравитации могла бы отличаться.

Аллен Эверетт показал в 1996 году, что простое изменение модели позволяет кораблю пройти петлю, которая приводит его домой до того, как он отправился. Как и кротовая нора, сверхсветовой пузырь — машина времени, так же как и двигатель.

Гипотеза Хокинга о защите хронологии гласит, что природа всегда не даёт таким петлям образоваться. Верна ли она для варп-пузырей, неизвестно. Пульсирующее свечение, нарисованное на передней стенке, изображает накапливающуюся энергию; оно нарисовано.

Построил ли кто-нибудь такой?

Нет. Группа НАСА под руководством Гарольда Уайта искала крошечное варп-поле лазерным интерферометром в 2011 и 2012 годах и не нашла убедительных признаков. Варп-двигатель остаётся в уравнениях, ожидая отрицательной энергии, которая ему нужна.

В Космическом центре Джонсона НАСА Уайт и Ричард Джудей построили интерферометр, чтобы искать искажение пространства от крошечного кольца керамических конденсаторов. Результаты были неубедительными, а анализ 2014 года утверждал, что искажения, которые может создать такая установка, слишком малы, чтобы он их увидел.

Общая теория относительности допускает форму пузыря; не хватает материи. Ни один известный материал не имеет отрицательной энергии в нужных количествах, а квантовая теория допускает лишь крошечные количества, как в эффекте Казимира, на короткое время.

Идея по-прежнему приносит пользу. Она показывает, что теория относительности допускает и запрещает, и заставила физиков спросить, каким из правил об энергии природа действительно следует. Пузыри медленнее света из обычной материи сейчас изучают ради того, что они говорят о гравитации, а не как двигатели.