Человечество, задумываясь о космических путешествиях, неизбежно сталкивается с проблемой гравитации. Сможем ли мы создать искусственную гравитацию или даже антигравитацию, покинув нашу родную планету?
Эта проблема волнует нас с тех самых пор, как мы начали мечтать о путешествиях к другим звездным системам. Короткие полеты в условиях невесомости, возможно, и не представляют серьезной угрозы для здоровья человека. Однако длительное пребывание в космосе приводит к целому ряду проблем: космической слепоте, потере костной массы, атрофии мышц и многим другим. Мгновенная телепортация или путешествия со сверхсветовой скоростью через червоточины или с помощью варп-двигателя – прекрасные решения для научной фантастики. Но в реальности нам нужен более надежный план.
Какие же существуют варианты создания искусственной или антигравитации, которые не противоречили бы законам физики? Именно этот вопрос задает Стивен Фредман:
“Антигравитация и неротационная искусственная гравитация – давняя тема научной фантастики. Но если общая теория относительности верна (а все указывает на это), возможны ли антигравитация/искусственная гравитация хотя бы теоретически? Насколько я понимаю, гравитация – это проявление искривления пространства-времени. Может ли локальное изменение формы пространства-времени привести к антигравитации?”
Это два разных вопроса – об искусственной гравитации и антигравитации, – но их ответы тесно связаны. Что же говорят нам фундаментальные законы физики?
Гравитация работает довольно просто, хотя и не совсем очевидно: присутствие материи и энергии искривляет ткань пространства-времени, а это искривление, в свою очередь, определяет траектории движения материи и энергии. Огромная масса Земли (6 × 10²⁴ кг), сконцентрированная в относительно небольшом объеме (сфера радиусом 6371 км), создает ускорение, направленное вниз, к центру Земли, равное 9,8 м/с², или 1g. К этому ускорению, вызванному гравитацией, приспособились люди и многие поколения наших предков. Именно такое ускорение необходимо поддерживать во время длительных межзвездных путешествий, чтобы предотвратить деградацию организма.
Конечно, такие технологии, как:
- мгновенная телепортация,
- безопасное путешествие через червоточину,
- варп-двигатель,
полностью изменили бы наше представление о космических путешествиях. Однако для их реализации требуется нечто, чего, по нашему нынешнему пониманию, не существует во Вселенной: некая форма отрицательной энергии. С такой технологией многие проблемы космических путешествий были бы решены мгновенно.
Давно известно, что для работы варп-двигателя необходима отрицательная энергия. С гравитационной точки зрения, отрицательная энергия – это то, что может “искривить” пространство в обратном направлении, в отличие от положительной массы/энергии, которая искривляет пространство. К сожалению, все известные нам объекты во Вселенной, от фундаментальных частиц Стандартной модели до энергии нулевых колебаний вакуума, обладают только положительной энергией. Решения с отрицательной энергией физически недопустимы и не встречаются в реальности.
Была надежда, что антиматерия, несмотря на то, что для ее создания требуется положительная энергия (E = mc²), каким-то образом будет антигравитировать, а не гравитировать, как обычная материя. Это означало бы, что инерционная масса (m в формуле Ньютона F = ma) антиматерии должна быть равна отрицательной величине ее гравитационной массы. Обычная материя имеет равные инерционную и гравитационную массы (с точностью до 15-ти значных цифр). Но такое поведение антиматерии не предсказывается традиционными теориями, а эксперимент ALPHA-g, проведенный в ЦЕРНе в прошлом году, показал, что нейтральные антиатомы гравитируют так же, как и обычная материя, а не антигравитируют.
Идея антигравитации очень популярна, потому что она открывает невероятные возможности. Например, одним из простейших, но мощных электромагнитных устройств является конденсатор. В своей простейшей форме конденсатор состоит из двух проводящих поверхностей большой площади, расположенных близко друг к другу. Чтобы использовать электромагнитные свойства конденсатора, необходимо зарядить эти поверхности: одной придать положительный заряд, а другой – равный по величине отрицательный заряд.
Если бы гравитация работала так же, как электромагнетизм, создать “гравитационный конденсатор” было бы очень просто. Вы бы просто разместили гравитирующий материал на полу вашего космического корабля и равное количество антигравитирующего материала на потолке. Любая масса, включая человека, притягивалась бы к полу и отталкивалась от потолка. Если бы существовала отрицательная масса, которую мы могли бы использовать, создание антигравитационного космического корабля было бы детской игрой.
Но наша Вселенная устроена иначе. В отличие от электромагнетизма, гравитация имеет только один тип заряда: положительную массу и/или положительную энергию. Без отрицательной массы/энергии мы не можем создать направленное гравитационное поле, как мы управляем электрическим полем. Единственный способ создать положительную гравитацию – это собрать достаточное количество массы в одном месте, чтобы ее гравитационное притяжение обеспечивало нужное ускорение. К сожалению, это означало бы, что для межзвездных путешествий нам нужен космический корабль размером и массой с Землю, что не очень практично.
Существует важная теоретическая причина, по которой антигравитация не должна быть физически возможна в нашей Вселенной. Физики называют ее “энергетическим условием”. Хотя ее математическое определение сложно, физический смысл довольно прост.
Представьте себе Вселенную, очень похожую на нашу: с квантовыми частицами, обладающими положительной массой или нулевой массой и положительной энергией, и квантовыми полями, пронизывающими пространство. Теперь представьте одно небольшое отличие: полное количество энергии, присущей пространству, везде и всегда, больше не обязательно должно быть положительным.
Если бы это было так, то антигравитация, или отрицательная гравитация, стала бы возможной. В любой области пространства вы могли бы извлекать частицы (и античастицы), например, с помощью эффекта Швингера, и вас не ограничивало бы количество энергии, уже присутствующей в пространстве. Вы могли бы продолжать извлекать частицы (и античастицы), создавая сколь угодно большую плотность отрицательной энергии, “крадя” энергию из самого пространства.
Этот сценарий, каким бы привлекательным он ни казался, был бы катастрофическим для физики. В нашей Вселенной все стремится к основному состоянию, то есть к состоянию с наименьшей энергией. Это верно для электронов в атомах, для шаров, скатывающихся с холмов, и для квантовых полей.
Если квантовое поле обладает большим количеством энергии, оно спонтанно переходит в состояние с более низкой энергией, возможно, создавая новые пары частица-античастица в этом процессе. Если бы были разрешены состояния с отрицательной энергией – если бы не было ограничений на то, насколько “низкой” может быть энергия пустого пространства, – то любое состояние Вселенной, где существует пустое пространство (то есть вакуумное состояние), было бы нестабильным.
Оно распадалось бы, испуская частицы (и античастицы), и продолжало бы это делать, в конечном итоге производя бесконечное количество частиц с бесконечной энергией, в то время как вакуумное состояние продолжало бы падать все ниже и ниже без каких-либо ограничений.
Это имеет далеко идущие последствия для космологии, включая физический запрет многих примеров темной энергии, где ее сила увеличивается со временем. Проще говоря, не может быть пространства-времени с отрицательной полной энергией, а это значит, что в нашей Вселенной не может быть антигравитации в физически реальном смысле.
Конечно, можно провести своего рода “фокус”, который сделает энергию пространства эффективно отрицательной в некоторой малой области. Например, можно:
- заполнить все пространство массивной жидкостью, содержащей энергию,
- затем поместить в нее массу с еще большей плотностью массы/энергии, чем у жидкости,
- и затем создать “пузырьки” вакуума внутри этой жидкости.
- Эти пузырьки будут вести себя так, как будто они являются областями пространства с отрицательной массой/энергией.
Но это всего лишь трюк, поскольку эти области имеют “отрицательную” массу/энергию только по сравнению с искусственно завышенной средней плотностью энергии, которую вы создали, поместив эту массивную жидкость в пространство.
Поскольку плотность энергии даже в самых глубоких, разреженных межгалактических областях пространства эквивалентна примерно одному протону на кубический метр, или примерно в 10³⁰ раз меньше плотности жидкой воды, вам нужно было бы очистить тысячи кубических световых лет пространства от всех квантовых частиц, чтобы создать “анти-Землю” с отрицательной эффективной массой. Это не только непрактично, но и совершенно недостаточно для создания величины антигравитации, необходимой для безопасности человека. Поэтому, если мы хотим, чтобы люди путешествовали в космосе с ощущением гравитации, нам нужно искать другие методы: искусственную гравитацию.
У Эйнштейна было много мыслей и идей за свою жизнь, но его “самая счастливая мысль” пришла к нему, когда он размышлял о проблеме гравитации в 1907 году. Он хотел знать, в чем разница между:
- человеком, ускоряющимся под действием внешней силы, например, тяги двигателя,
- и человеком, ускоряющимся под действием силы тяжести, например, на поверхности Земли.
Большое открытие Эйнштейна заключалось в том, что разницы не будет: две ситуации будут физически эквивалентны друг другу. Это стало известно как принцип эквивалентности Эйнштейна, и разработка его математического обоснования привела непосредственно к общей теории относительности.
Это означает, что если вы будете поддерживать постоянное ускорение для своего космического корабля – либо за счет линейного ускорения от постоянной тяги, либо за счет вращательного ускорения в форме вращения с постоянной скоростью, – человек на борту сможет испытывать это желанное ускорение “1g” на протяжении всего путешествия. К сожалению, количество (и масса) топлива, необходимого для постоянного линейного ускорения, совершенно непомерно даже для межзвездного путешествия к ближайшей звездной системе за пределами нашей собственной, даже если бы мы использовали 100% эффективное топливо из антиматерии.
Очень важно признать крайне важный нюанс, который применим практически ко всему, что мы говорим: все это предполагает, что законы физики, как мы их понимаем сегодня, действительно отражают законы, управляющие нашей физической Вселенной. Может оказаться, что:
- возможна какая-то отрицательная масса/энергия,
- что нерушимые энергетические условия, управляющие нашей Вселенной, на самом деле могут быть нарушены,
- что общая теория относительности и/или квантовая теория поля будут заменены теорией, в которой допускается антигравитация,
- или что мы действительно можем иметь состояния с отрицательной энергией в пространстве таким образом, который сейчас кажется нам запрещенным.
Если вы можете изменить правила, вы можете изменить набор возможных результатов, и мы не знаем, где и как наши нынешние законы физики, когда мы достигнем их пределов, в конечном итоге нарушатся.
Но если мы предположим, что законы физики, как мы их знаем, действительно верны везде, то нет, антигравитация невозможна. Искусственная гравитация, однако, просто благодаря силе обычного ускорения, возможна, и это был бы предпочтительный сценарий для поддержания ускорения “1g” для всех – людей и не-людей – на борту космического корабля, совершающего межзвездное путешествие.
Пока мы не реализуем такое решение, пилотируемые человеком космические полеты не только будут ограничены путешествиями внутри нашей собственной звездной системы, но и космонавты будут продолжать страдать от заболеваний, вызванных пониженной гравитацией, микрогравитацией или невесомостью. Эти проблемы, а не нарушения различных энергетических условий, вероятно, должны быть нашим первоочередным делом для долгосрочного здоровья космических путешественников.
Итан Сигал, американский астрофизик -теоретик и научный писатель , изучающий теорию Большого взрыва.
Читайте также: Люди, которые хотели покончить с гравитацией
Комментировать можно ниже в разделе “Добавить комментарий”.