Будут ли наши потомки бороздить просторы космоса на кораблях с варп-двигателями? Пока что мы не можем исключить такую возможность. Конечно, если это когда-нибудь и произойдет, то без дилитиевых кристаллов и шотландского акцента у капитана – к тому времени и то, и другое канет в лету (это была отсылка к “Звездному пути”).
Варп-двигатели, плотно обосновавшиеся в научной фантастике, на самом деле имеют под собой научную основу. В новой работе ученые исследуют эту самую основу и задаются вопросом: а может ли отказ такого двигателя породить гравитационные волны, доступные для обнаружения?
Исследование под названием «То, чего никто раньше не видел: формы гравитационных волн при коллапсе варп-двигателя» принадлежит Кэти Клаф, Тиму Дитриху и Себастьяну Хану – физикам из Великобритании и Германии.
Содержание
Варп-двигатели и общая теория относительности: место встречи
Общая теория относительности допускает существование варп-двигателей. Мексиканский физик Мигель Алькубьерре еще в 1994 году описал, как они могли бы теоретически работать. В научном мире его имя широко известно благодаря концепции двигателя Алькубьерре, или как его ещё называют – варп-двигателя Алькубьерре.
Все знают, что ничто не может двигаться быстрее скорости света. Но варп-двигатели предлагают обходной путь. Искажая само пространство-время, космический корабль с таким двигателем формально не нарушал бы это правило.
«Несмотря на свое фантастическое происхождение, варп-двигатели имеют вполне конкретное описание в рамках общей теории относительности. Алькубьерре первым предложил метрику пространства-времени, допускающую сверхсветовые путешествия», – пишут авторы работы.
Конечно, на пути создания варп-двигателя стоят серьезные научные преграды. Но ничто не мешает смоделировать его работу и попытаться понять, можно ли будет обнаружить такой двигатель по гравитационным волнам в случае его отказа.
Гравитационные волны: ключ к разгадке?
Варп-двигатели, подобно сливающимся черным дырам или нейтронным звездам, искажают само пространство-время. Теоретически, это искажение может порождать гравитационные волны, аналогичные тем, что возникают при слиянии массивных объектов.
«Чтобы искать такие сигналы и правильно идентифицировать их, важно понимать их феноменологию и свойства», – поясняют авторы.
Как же мог бы работать варп-двигатель?
«Основная идея варп-двигателя заключается в том, что вместо превышения скорости света в локальной системе отсчета, что нарушило бы лоренц-инвариантность, «варп-пузырь» мог бы преодолевать расстояния быстрее скорости света (с точки зрения удаленного наблюдателя), сжимая пространство-время перед собой и расширяя его позади», – говорится в статье.
Препятствия на пути к варп-двигателю
Первое серьезное препятствие – условие слабой энергетической доминантности. Физика гласит, что плотность энергии в любой области пространства не может быть отрицательной. Теоретически, эту проблему можно обойти, но пока что ни одно из решений не является практически осуществимым.
«Есть и другие сложности, связанные с метрикой варп-двигателя. Например, потенциальное возникновение замкнутых временеподобных кривых и, с практической точки зрения, сложности с контролем и отключением пузыря изнутри корабля», – объясняют авторы.
Проблема в том, что экипаж не смог бы посылать сигналы в переднюю часть корабля. Как объясняется в статье, события внутри варп-пузыря с трудом могут влиять на события снаружи.
«С точки зрения динамического моделирования варп-двигателя, ключевая проблема – это стабильность, – уточняют авторы.
Нестабильность: проклятие или благо?
Уравнения показывают, что двигатель Алькубьерре может создавать варп-пузырь, используя уравнения Эйнштейна. Однако ни одно из известных уравнений не может поддерживать его стабильность.
«Насколько нам известно, не существует уравнения состояния, которое поддерживало бы метрику варп-двигателя в стабильной конфигурации с течением времени. Поэтому, хоть мы и можем изначально потребовать, чтобы варп-пузырь был постоянным, он быстро отклонится от этого состояния, и, в большинстве случаев, варп-жидкость и деформации пространства-времени рассеются или схлопнутся в центральную точку».
Несмотря на то, что нестабильность – главное препятствие на пути создания варп-двигателя, именно она может сделать его обнаруживаемым. Стабильный варп-двигатель, движущийся с постоянной скоростью, не генерирует гравитационных волн и не имеет массы ADM. ADM означает Арновитт-Дезер-Миснер, названный в честь трех физиков.
Но как только стабильность нарушается, варп-двигатель, ускоряясь или замедляясь, может стать заметным.
В своей работе авторы моделируют коллапс варп-пузыря. Они обнаружили, что этот процесс генерирует гравитационные волны, характеристики которых отличаются от характеристик волн, порождаемых слиянием массивных объектов.
«Сигнал приходит в виде всплеска, изначально не имеющего гравитационно-волнового содержания, за которым следует колебательный период с характерной частотой порядка 1/[R]», – пишут они.
«В целом, сигнал сильно отличается от типичных слияний компактных объектов, наблюдаемых детекторами гравитационных волн, и больше похож на события, такие как коллапс нестабильной нейтронной звезды или лобовое столкновение двух черных дыр».
Авторы отмечают, что, хотя варп-двигатель и создает гравитационно-волновой сигнал, он находится за пределами частотного диапазона наших современных детекторов.
«Уже существуют предложения по созданию детекторов более высоких частот, поэтому в будущем можно будет установить ограничения на существование таких сигналов», – пишут они.
Сам корабль тоже мог бы посылать какой-то вид сигнала, но трудно сказать, как его материя взаимодействовала бы с обычной материей.
«Поскольку мы не знаем, из чего построен варп-корабль, мы не знаем, будет ли он взаимодействовать (помимо гравитации) с обычной материей при движении по Вселенной», – объясняют исследователи.
Фантазии или реальность?
Конечно, все это пока что – не более чем увлекательный мысленный эксперимент. Возможно, в далеком будущем мы найдем способ обойти ограничение скорости света. Не исключено, что для этого нам потребуется лучше понять темную материю и темную энергию.
Если где-то во Вселенной и существуют другие разумные цивилизации, возможно, они уже обладают знаниями, которые нам пока недоступны. И если им удалось создать и использовать варп-двигатель, то их деятельность может порождать гравитационные волны, которые наши обсерватории будущего смогут обнаружить даже в других галактиках.
«Мы предупреждаем, что полученные формы волн, вероятно, очень специфичны для использованной модели, которая, как обсуждалось во введении, имеет ряд известных теоретических проблем», – пишут авторы в заключении.
«Потребуется дальнейшая работа, чтобы понять, насколько общими являются эти сигналы и правильно охарактеризовать их обнаруживаемость».
Без сомнения, некоторые любознательные физики продолжат работать над этим.
Читайте также: Новое исследование утверждает, что варп-двигатели возможны
