В поисках физических лазеек: есть ли у человечества шанс найти новый дом в Солнечной системе и за ее пределами

Планетолог Аманда Хендрикс и научный журналист Чарльз Уолфорт уверены: однажды люди будут жить… Нет, не на Марсе, а на самом крупном спутнике Сатурна. Именно на Титане с его плотной атмосферой, щадящим климатом и неисчерпаемыми запасами топлива и воды возможно создание автономной колонии. Vokrugsveta.ru публикует отрывок из книги Хендрикс и Уолфорта «За пределами Земли. В поисках нового дома в Солнечной системе», в котором авторы размышляют о некоторых аспектах предстоящего человечеству путешествия.

Хрупкая углеродная форма жизни

Титан — лучшее место в Солнечной системе из тех, что могут быть колонизированы человеком. Сделать это будет непросто, и не случится этого еще долго, но мы доказали, что новые технологии в области двигательных систем могут сделать колонизацию по крайней мере практически осуществимой, и она в конце концов произойдет.

Что же будет дальше? Следующая остановка за пределами внешних планет Солнечной системы находится очень, очень далеко. Ближайшая к Земле звезда — Проксима Центавра — находится в 4,24 световых года от нас. Для того чтобы ее достичь, понадобится значительно больше 100 000 лет движения с наибольшей скоростью, с которой когда-либо двигался человек («Аполлон-10»). Ближайшая землеподобная планета, вероятно, находится вдвое дальше.

Мысленные эксперименты Эйнштейна показали, что материя не может двигаться быстрее света, и это вполне подтверждается экспериментами. С ростом скорости объекта время замедляется, и при достижении скорости света время останавливается полностью. Спутникам GPS приходится учитывать замедление времени, чтобы вы смогли точно определить свое местоположение.

Даже если мы построим космический корабль, способный двигаться со скоростью, близкой к скорости света (а это грандиозное допущение), то добираться до ближайшей землеподобной планеты он будет слишком долго, и его пассажиры не переживут полет, если мы также не решим проблем космической радиации, психологического стресса, питания и многого другого, описанного выше.

Футуристы предлагают разные решения. Для того чтобы пережить подобное путешествие, Хуан Энрикес предлагает изменить человеческое тело, отказаться от плоти и заменить ее кремнием, увеличив срок жизни до 1000 лет, которые может занять полет до другой звезды.

«Мне кажется, что это единственный возможный сценарий путешествия между планетными системами. Хрупкая углеродная форма жизни, на мой взгляд, не способна его пережить, — говорит он. И добавляет: — Как сконструировать новое тело и сохранить при этом подобие человека — интересный вопрос».

К моменту освоения человеком внешней части Солнечной системы пройдет уже столько времени, что технология и общество изменятся до неузнаваемости. Может случиться все что угодно. Но мы ограничивались предсказаниями, опирающимися на известные данные. Нам не интересно воображать будущее столь отдаленное, что становится бессмысленным обосновывать какой-либо из вариантов развития событий.

Кроме того, бессмертный кремниевый человек, изнывающий от скуки в ходе тысячелетнего путешествия сквозь пустоту космоса, вызывает жалость.

Ходьба по ленте эскалатора

Самые большие надежды на исследование далекого космоса приходится возлагать на невозможное: на движение быстрее света. Подобное уже случалось. После Большого взрыва Вселенная расширялась быстрее света. При этом закон Эйнштейна о невозможности движения сквозь пространство со сверхсветовой скоростью не нарушался, так как расширялось само пространство; в нем ничто не двигалось быстрее света. Если бы мы могли растягивать и сжимать пространство искусственно, мы смогли бы воспользоваться коротким путем, позволяющим космическому аппарату обогнать свет хитростью, а не в честном забеге.

Осуществить подобное могут помочь теория относительности и квантовая механика. Пространство-время может искажаться под действием экзотической формы материи; о возможности ее существования указывает математический аппарат современной физики. Отрицательная материя или энергия сминают пространство, как коврик, сокращая расстояние до цели.

Эта идея пришла в голову мексиканскому физику Мигелю Алькубьерре после просмотра старого эпизода сериала «Звездный путь» в 1994 году, когда он еще студентом изучал теорию относительности; фильм натолкнул его на размышления о варп-двигателе (от англ. warp — искривление), известном также как подпространственный или деформационный.

Алькубьерре вычислил, что материя, обладающая отрицательной массой (если таковая существует), способна свернуть пространство в пузырь вокруг космического аппарата, сминая пространство в одном направлении и растягивая в другом. Двигаясь в сторону сжатия пространства, аппарат сможет превысить скорость света с точки зрения наблюдателя, находящегося вне пузыря. Внутри пузыря аппарат будет двигаться с куда меньшей скоростью в области неискаженного пространства. Это напоминает ходьбу по ленте эскалатора.

Если это показалось вам неприемлемым, предлагаем краткое изложение общей теории относительности Эйнштейна в одном абзаце.

Эйнштейн связывал пространство, время и тяготение, представляя пространство и время как ткань Вселенной, которая искажается в присутствии материи. Масса изгибает пространство-время, образуя в нем ямы, или колодцы, что приводит к возникновению тяготения и замедлению времени. Эти предсказания подтверждаются наблюдениями. Так, гравитационные искажения пространства близ крупных объектов, например звезд, изменяют направление распространения света. Идея Алькубьерре заключалась в том, чтобы сжимать ткань пространства перед космическим аппаратом и расширять его позади него, чтобы значительно сократить время, необходимое для перемещения между двумя точками.

Материю с отрицательной массой не купишь в интернете, но квантовая теория поля говорит, что она может существовать. Субатомные частицы, из которых состоит материя и все остальное, существуют благодаря квантовым полям. Квантовые поля занимают также все пустое пространство.

Квантовое поле можно представить себе как собрание частиц, соединенных так, что они действуют совместно подобно волнам. Квантовая частица никогда не покоится, а ее энергия может изменяться только скачками на дискретные величины, или кванты; иными словами, энергия изменяется не плавно, а ступенчато, существует некоторый минимальный шаг. (Вопрос о том, почему это так, — из области философии.) Одним из следствий этого аспекта действительности является то, что пустое пространство содержит в себе энергию, так как его квантовое состояние не может быть нулевым. По той же причине в пустом пространстве непредсказуемо возникают частицы (именно они, по предположению Сонни Уайта, могут послужить рабочим телом для Q-двигателя).

Многочисленные странные эксперименты демонстрируют причудливые следствия из квантовой механики. Например, две близко расположенные металлические пластины в вакууме будут притягиваться, и единственной причиной этому будет давление, создаваемое квантовой энергией вакуума. Узкая щель ограничивает квантовое поле, сокращая его энергию по сравнению с полем вне пластин. Эта сила, называемая силой Казимира, была продемонстрирована в лаборатории только в 1997 году и до сих пор вызывает споры, но некоторые физики считают ее свидетельством возникновения отрицательной энергии вакуума между пластинами. Отрицательная энергия вакуума удовлетворяет требованиям отрицательной массы в уравнениях Алькубьерре.

Экзотическая материя размером с Юпитер

Может ли космический аппарат использовать эту экзотическую отрицательную массу и искажать пространство, позволяя стремительно пересечь Галактику? Сам Алькубьерре ответил «нет» и прекратил работу. Позже другой исследователь, Ричард Обуси, показал, что это может сработать в случае кольца экзотической материи вокруг аппарата, но потребуется объем экзотической материи размером с Юпитер, что очевидно невозможно.

В таком состоянии находилась эта идея в 2011 году, когда Сонни Уайта пригласили выступить на Симпозиуме столетнего звездолета — ежегодной встрече, посвященной осуществлению межзвездного путешествия длительностью менее века.
«У меня на самом деле не было какой-то цели. Я просто возился с этой темой. „Эй, приезжай, мы хотим, чтобы ты выступил!“ Ладно, но я не хочу еще раз повторять то, что уже говорил раньше, я лучше сделаю что-нибудь новое».

Повозившись с уравнениями поля, Сонни придумал космический корабль, которому не требуется столько экзотической материи, — это он объяснил нам, делая наброски на доске в Космическом центре имени Джонсона, где возглавляет группу по перспективным двигательным установкам и лабораторию под названием Eagleworks.

«Идея такова: нужен бублик вокруг маленькой центральной части космического аппарата. Здесь могут храниться инструменты, и Скотти тоже будет тут. А кольцо — это экзотическая материя. Эта материя необходима, чтобы все заработало. И вот что я узнал: вместо того, чтобы делать кольцо тонким, как обручальное кольцо, то есть очень тонким, можно сделать его похожим на спасательный круг, что значительно снизит количество необходимой энергии».

Помимо утолщения кольца Сонни также изменял бы силу поля, чтобы снизить жесткость пространства-времени (как бы странно это ни звучало). С этими изменениями кольцо вокруг космического аппарата создаст пузырь искажения 10 м в поперечнике, движущийся со скоростью, в 10 раз превышающей скорость света. В начале путешествия корабль должен развить 1/10 от скорости света в необходимом направлении. После включения варп-двигателя пузырь направится к точке назначения вместе с кораблем, но в сущности в 100 раз быстрее. Ближе к концу путешествия деформационный двигатель отключается, и корабль завершает движение с помощью обычной тяги.

Согласно математическим выкладкам, внутри пузыря пространство останется неискаженным. Никакого тяготения, искаженного времени, ощущения ускорения. Корабль покоится, будто в оке тайфуна, движется же само пространство. Поскольку корабль не приближается к скорости света относительно окружающего пространства, время в нем движется так же, как и на Земле. Астронавты старятся одновременно со своими близнецами, оставшимися дома.

В разработке Сонни необходимое количество экзотической материи сокращается до одной тонны — более чем на 24 порядка меньше, чем масса Юпитера.

Чикагская поленница

Ведя исследования для нашей книги, мы повстречали много очаровательных людей, но Сонни — один из наших любимцев. Вдобавок к своему уму он обладает нехарактерной для многих успешных ученых скромностью. Ему свойственен чистый восторг, открытый им в детстве во время частых поездок в Национальный музей авиации и космонавтики из его дома в Вашингтоне, округ Колумбия. Он немного похож на поклонника «Звездного пути», отчасти переместившегося из выдуманной вселенной в реальную жизнь.

В своем выступлении в 2011 году он представил новые идеи варп-двигателя и схему потенциального устройства для проведения испытаний варп-поля. В раздаточном материале говорилось: «Хотя масштабы этого поля будут очень скромны, оно станет своего рода Чикагской поленницей для этой области исследований». Под этим названием фигурировал первый ядерный реактор, построенный на площадке для игры в сквош в Чикагском университете в 1942 году.

Подобного рода выступление вызвало бурю экзальтированных публикаций, в которых сообщалось, что НАСА будто бы изобрело варп-двигатель. На самом деле устройство Уайта, собранное в лаборатории Eagleworks в Космическом центре имени Джонсона (в обиходе известное как «ведро». — Прим.), должно создавать слабый варп-эффект в небольшой области, чтобы затем проверить наличие этого эффекта крайне точной оптикой.

Сонни полагал, что отрицательную энергию вакуума можно создать лазером или мощными конденсаторами, но отказался рассказывать подробности того, как это должно работать. Он сказал, что смастерил это устройство из лишних комплектующих и что оно стоило меньше 50 000 долл. Еще он сказал, что занимался этим в перерывах между более важными для НАСА проектами.

Несколько видных физиков-экспертов по отрицательной энергии, в том числе Алькубьерре, говорят, что этот варп-двигатель не будет работать. Никто не опубликовал способа накопления больших объемов отрицательной массы или энергии. Ларри Форд из Университета Тафтса и его коллеги математически продемонстрировали, что отрицательная энергия ограничивается либо крохотной областью, либо очень кратким периодом времени, что она не может существовать долго и в большом масштабе. Случай узкой щели между пластинами, создающей силу Казимира, не противоречит этому условию. Форд заявил, что, не будь этого ограничения, дальнодействующая отрицательная энергия позволила бы создать вечный двигатель, преодолеть энтропию и нарушить второй закон термодинамики.

Хотя Сонни и не рассказывает о том, как бы он создал отрицательную энергию в лаборатории, он все же раскрыл инженерную хитрость, позволяющую сделать варп-двигатель в форме спасательного круга. В очаровательном, как обычно, электронном письме в ответ на наш вопрос о замечаниях Форда он изложил мысленный эксперимент по использованию многочисленных узких щелей, создающих силу Казимира.

«Что если мы сделаем много таких маленьких полостей и расположим их бок о бок на небольшом субстрате, подобно миллиардам транзисторов на полупроводниковой пластине? — писал Сонни. — Что если затем мы уложим такие пластины друг на друга, пока не получим конструкцию размером, скажем, с кубик сахара? Тогда у нас будет кубический объем, содержащий обычную материю, пошедшую на создание полостей и субстрата, а также отрицательную энергию вакуума, распределенную в этом кубе вследствие наличия миллиардов полостей Казимира. Мы можем продолжить этот мысленный процесс и собрать вместо кубика сахара спасательный круг.

Далее кубик (или бублик) не имеет никакого отношения к уменьшению энтропии, а потому он не нарушает второй закон термодинамики. Сила Казимира существует и была измерена, но она никогда не приводила к самопроизвольному разогреванию моей чашки кофе».

Млечный Путь на ладони

Мы забрались достаточно глубоко в дебри теоретической физики. Но стоит упомянуть о том, что исследования, связывающие общую теорию относительности и квантовую механику, — это передний край, и новые идеи, кажется, ведут к эпохальному объединению физической теории природных сил — цели, озадачившей Эйнштейна еще столетие назад. Мысль Сонни находится на самой кромке этого движения, и неизвестно, окажется она удачной или провалится.

_{Отрывок из книги Аманды Хендрикс и Чарлза Уолфорта «За пределами Земли. В поисках нового дома в Солнечной системе». М.: Издательство «Альпина нон-фикшн», 2018}

_{Материал опубликован в феврале 2018, частично обновлен в декабре 2023}