Тестируя варп-двигатель Алькубьерре

Сторонники визитов инопланетян часто ссылаются на двигатель Алькубьерре, утверждая, что он делает возможным передвижение со сверхсветовой скоростью. Давайте разберемся, почему это не так.

Известные нам законы физики говорят о том, что ничто не может двигаться быстрее света. Это досадное ограничение сводит на нет вероятность того, что соседние межзвездные цивилизации когда-либо смогут нанести друг другу визит.

Но многие верят в то, что инопланетяне уже активно посещают Землю. По их мнению, ученые заблуждаются относительно законов физики. Инопланетяне, мол, куда умнее людей и наверняка нашли способ обойти эти непреложные истины. В качестве доказательства многие из них приводят двигатель Алькубьерре – гипотетический варп-двигатель в стиле “Звездного пути”, предложенный физиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году. 

Итак, сегодня мы подвергнем двигатель Алькубьерре суровой проверке реальностью. Возможна ли его работа на практике? Сможет ли он когда-нибудь позволить нам бороздить просторы Вселенной с той же легкостью, с которой мы колесим по городу?

NASA создало множество веб-страниц с описанием двигателя Алькубьерре и других экзотических и/или спекулятивных двигательных установок. Агентство даже разработало подробную визуализацию того, как мог бы выглядеть такой космический корабль. Это привело многих уфологов к выводу, что такие системы находятся в стадии активной разработки, а то и вовсе уже существуют в тайне от общественности. В результате многих популяризаторов науки, говорящих о реалиях космических путешествий, обвиняют в том, что им платит правительство, чтобы они лгали. 

Как и многие конспирологические теории, эта противоречит сама себе: получается, что правительство США с одной стороны публикует на сайте NASA информацию о двигателе Алькубьерре, включая изображения возможного космического корабля, а с другой – платит бесчисленному количеству научных журналистов, чтобы они утверждали, что ничего подобного быть не может. Иными словами, власти тратят огромные средства, чтобы сказать и то, что нечто реально, и то, что это нереально. Где логика?

Фундаментальная проблема, которую пытается решить двигатель Алькубьерре, заключается в том, что сверхсветовые путешествия невозможны согласно фундаментальным законам природы. Это ограничение делает межзвездные путешествия практически неосуществимыми, ведь полет занял бы тысячи лет. 

Поэтому Мигель Алькубьерре придумал способ путешествовать, не двигаясь вовсе. Космический корабль, оснащенный его двигателем, оставался бы неподвижным в пространстве, но сжимал бы пространство перед собой и расширял его позади себя, перемещаясь таким образом к месту назначения, не двигаясь в традиционном смысле, а значит, не нарушая никаких законов физики.

Понять, как работает сжатие и расширение пространства, довольно сложно. Вспомните о том, что Вселенная в настоящее время расширяется. Все постепенно удаляется друг от друга. Размеры таких объектов, как планеты и звезды, не меняются, но расстояние между ними действительно увеличивается. Двигатель Алькубьерре провернул бы этот процесс в обратную сторону: сжал бы пространство между космическим кораблем и его пунктом назначения и расширил бы само пространство позади него.

Однако NASA следовало бы более четко обозначить, что двигатель Алькубьерре не может и никогда не сможет существовать — по крайней мере, с точки зрения здравого смысла. Вот две основные причины:

1. Колоссальные затраты энергии. Чтобы заставить работать даже самый маленький такой двигатель и переместить крошечный корабль на ничтожное расстояние, нам пришлось бы преобразовать в чистую энергию все планеты Солнечной системы. После публикации идеи Алькубьерре другие физики нашли способы снизить эти затраты, но они по-прежнему остаются абсурдно высокими. Впрочем, кто знает, может быть, через 100 000 лет мы найдем способ черпать энергию в таких количествах.

2. Экзотическая материя. Но главное препятствие заключается в том, что эта ошеломляющая энергия должна быть не той, которая существует во Вселенной, а гипотетической, так называемой “отрицательной энергией”. То есть, все планеты нашей системы должны состоять не из обычной материи, а из материи с отрицательной плотностью энергии. Речь идет не об антиматерии – она действительно существует, – а о чем-то чисто гипотетическом, о чем-то, что, судя по всем нашим наблюдениям за Вселенной, не существует. И даже если бы необходимое количество можно было сократить до разумных пределов, один единорог не более вероятен, чем миллион.

Когда мы говорим, что эта экзотическая материя гипотетична, что именно мы имеем в виду? Легко неверно истолковать это и сказать: “Ага, значит, гипотетически мы можем найти способ ее создать”, – и это открывает простор для рассуждений в духе “Инопланетяне умнее нас, поэтому они знают, как ее создать”. Но это неверное толкование.

Давайте возьмем для примера нечто подобное, с чем знакомы большинство из нас еще со школы: мнимая единица “i”, обозначающая квадратный корень из -1. “i” – это не та величина, которая может существовать на самом деле. У вас никогда не будет корзины с “i” яблоками. Инопланетяне могут быть сколь угодно умны, но у них тоже никогда не будет “i” количества чего-либо. 

Тем не менее, “i” вполне реальна – не как физический объект, а как четко определенное математическое понятие с последовательными свойствами и правилами использования. Это неотъемлемая часть комплексных чисел, которые широко используются в различных областях науки и техники. “i”, как часть математики, делает возможным существование определенных уравнений, а эти уравнения действительно позволяют нам делать вещи в реальном мире.

Именно так следует думать и об экзотической материи. Идея отрицательной плотности энергии сопоставима с идеей квадратного корня из -1: они не могут существовать в реальном мире, но обе делают возможными определенные уравнения, позволяя нам работать с более широкими идеями, которые имеют аналоги в реальном мире. В случае с экзотической материей она дает нам определенные решения уравнений общей теории относительности, а общая теория относительности, безусловно, существует, мы все используем ее каждый божий день.

Так что утверждение о том, что мы собираемся построить двигатель Алькубьерре, немного похоже на утверждение о том, что мы собираемся поставить “i” долларов на рулетку и получить выигрыш, равный квадрату каждого числа на колесе, которое не выпало. В теории это может сработать, и вы можете написать научную работу, объясняющую, как это будет работать, но на практике это невозможно – независимо от того, человек вы или инопланетянин.

(Краткая просьба ко всем физикам: пожалуйста, не пишите том, что сравнение “i” с экзотической материей некорректно. Понятно, что их нельзя сравнивать напрямую; они очень разные во многих отношениях. Но часто требуется брать сверхсложные темы и представлять их в доступной для широкой аудитории форме, и, несмотря на свои недостатки, это лучшая аналогия, которую получилось придумать. Недостатки этого сравнения понятны только вам, физикам, и если включить их в этот рассказ, то большинство слушателей отправились бы прямиком в психушку.)

Но попытки донести подобные научные идеи до широкой публики часто оказываются тщетными. Многие люди цепляются за мысль: “Инопланетяне умнее нас, поэтому они разбираются в этом лучше нас, а значит, им это под силу”. Многие просто отказываются признавать существование фундаментальных законов природы. 

Они обвиняют ученых и популяризаторов науки в высокомерии и косности за то, что те не допускают мысли об отсутствии ограничений для инопланетян. И очень часто в качестве аргумента они приводят другой пример, который, по их мнению, подтверждает их позицию: “призрачное действие на расстоянии”, он же квантовая запутанность.

Это способность двух частиц быть связанными таким образом, что изменение одной мгновенно вызывает изменение в другой, независимо от того, как далеко они находятся друг от друга. Распространено мнение, что такая система может сделать возможной сверхсветовую связь: я беру свои запутанные частицы на свою планету, вы берете свои – на свою, а затем мы можем мгновенно общаться на любом расстоянии с помощью какого-нибудь заранее оговоренного кода, основанного на различных изменениях квантовых состояний наших запутанных частиц. 

На первый взгляд это кажется здравой идеей, и практически любому обывателю кажется, что это должно сработать. Но это невозможно: те самые “ограничители скорости”, которые определяют работу Вселенной, категорически запрещают сверхсветовую связь.

Вот простое объяснение, почему это не так. Частицы остаются запутанными только до тех пор, пока они находятся в состоянии суперпозиции, то есть находятся во всех состояниях одновременно, пока кто-то не измерит одно из их свойств – или пока не произойдет какое-либо взаимодействие, требующее от частицы наличия какого-либо определенного свойства. 

Это взаимодействие заставляет частицу “схлопнуться” в какое-то одно состояние (например, спин вверх, состояние с высокой энергией или вертикальная поляризация), а ее запутанный партнер одновременно “схлопывается” в противоположное состояние (например, спин вниз, состояние с низкой энергией или горизонтальная поляризация). Какие именно состояния примут частицы, принципиально случайно и непредсказуемо.

Тогда можно предложить: “Эй, но ведь конкретный характер изменения не имеет значения, давайте построим наш код связи на временных интервалах между изменениями!” Проблема в том, что получатель не может знать, вносил ли отправитель какие-либо изменения: ему пришлось бы проверить свою частицу, чтобы узнать, не “схлопнулось” ли ее состояние, а сама эта проверка вызвала бы “схлопывание” обеих частиц, если они еще не сделали этого раньше. 

Нет никакого способа узнать, вызвано ли текущее состояние вашей частицы ее запутанным партнером или же вашей собственной проверкой. И что еще больше все усложняет – как только запутанные частицы “схлопываются” в какое-либо состояние, запутанность нарушается.

Идея найти способ обойти это ограничение сродни попытке положить в корзину “i” яблок. В этой Вселенной это невозможно, даже если вы инопланетянин в тысячу раз умнее человека. Частицы в суперпозиции “схлопываются” непредсказуемым образом при любом взаимодействии, а “i” – это не то количество яблок, которое можно иметь. И точно так же мы не можем заправить наш космический корабль материей с отрицательной плотностью энергии, как не можем заправить его “i” количеством яблок.

Возможной реакцией на этот рассказ будут обвинения в высокомерии и заявления о том, что здесь утверждается, будто ученые уже все знают. Но это нелепый и несправедливый выпад. Наша теория гравитации все еще неполна, но мы знаем все основные принципы ее работы, что она делает и чего не делает, как мы можем использовать ее в своих интересах, как преодолеть ее, когда это необходимо. 

Необязательно знать все, чтобы понимать основы, а фундаментальные законы природы – это самые что ни на есть основы. В грядущие века и тысячелетия мы научимся делать бесчисленное множество вещей лучше, чем сейчас, совершим удивительные открытия, о которых сегодня даже не можем помыслить – но отмена законов физики точно не будет в их числе.

Читайте также: Новое исследование утверждает, что варп-двигатели возможны