Физика невозможного - Мичио Каку

В общей теории относительности пространство-время можно сравнить с полотном, которое может сжиматься и растягиваться. При определенных обстоятельствах это полотно может растягиваться быстрее скорости света. К примеру, представьте себе Большой взрыв — 13,7 млрд лет назад в гигантском космическом взрыве родилась наша Вселенная. Можно подсчитать, что первоначально Вселенная расширялась быстрее скорости света. (Это не противоречит специальной теории относительности, так как расширялось пустое — межзвездное — пространство, а не сами звезды. Расширение пустого пространства не несет никакой информации.)

Самое важное в этой ситуации то, что специальная теория относительности применима только локально, т.е. в ближайшей окрестности наблюдателя. В нашей ближайшей окрестности (к примеру, в Солнечной системе) она работает, в чем мы легко можем убедиться по данным наших космических зондов. Но глобально (т.е. в космологическом масштабе, в масштабе Вселенной) мы должны пользоваться не специальной, а общей теорией относительности. В ней пространство-время превращается в ткань, и ткань эта способна растягиваться быстрее света. Кроме того, она допускает существование «пространственных дыр», которые позволяют мгновенно преодолевать пространство и время.

Значит, один из способов путешествовать быстрее скорости света — воспользоваться общей теорией относительности. Сделать это можно двумя способами.

1. Растянуть пространство. Если бы мы научились растягивать пространство позади себя и сжимать пространство впереди, впечатление бы возникло такое, как будто мы переместились из одного места в другое быстрее света. На самом деле мы не двигались бы вообще. Но деформация пространства впереди и позади корабля позволила бы нам в мгновение ока добраться до отдаленных звезд.

2. Разорвать пространство. В 1935 г. Эйнштейн ввел понятие «кротовая нора». Представьте себе зеркало Алисы — волшебное устройство, соединяющее между собой окрестности Оксфорда и Страну чудес. Кротовая нора — это «устройство», способное служить связующим звеном между двумя вселенными. В школе мы узнали, что кратчайшее расстояние между двумя точками — прямая. Но это не обязательно так; если свернуть лист бумаги так, чтобы точки соединились, то кратчайшим расстоянием между ними как раз и станет кротовая нора.

Как говорит физик Мэтт Виссер из Вашингтонского университета, «сообщество релятивистов задумалось о том, что нужно сделать, чтобы вывести двигатель деформации пространства или кротовые норы из категории научной фантастики».

А сэр Мартин Рис, королевский астроном Великобритании, говорит даже так: «Кротовые норы, дополнительные измерения и квантовые компьютеры открывают путь для множества гипотетических сценариев, которые когда-нибудь, возможно, превратят всю нашу Вселенную в "живой космос"».

Наилучший пример растягивания пространства — двигатель Алькубьерре, предложенный в 1994 г. физиком Мигелем Алькубьерре с использованием теории тяготения Эйнштейна. По сути, это именно тот двигатель, какой фигурирует в сериале «Звездный путь». Пилот подобного звездолета находится в пузыре (защищающем его и сам звездолет от деформации пространства); внутри пузыря все выглядит обычно, даже когда звездолет преодолевает световой барьер. Более того, пилоту кажется, что ничего не происходит. На самом же деле вне пузыря пространство-время претерпевает сильные искажения; пространство перед пузырем сжимается. Внутри пузыря время не растягивается и продолжает идти нормально.

Алькубьерре признает, что при разработке проекта двигателя «Звездный путь» сыграл немалую роль. «Герои сериала постоянно говорят о деформационном двигателе, о концепции искусственного искажения пространства, — говорит он. — Теория того, как можно и как нельзя искажать пространство, у нас уже была, это общая теория относительности. Я подумал, что должен быть какой-то способ посмотреть при помощи этих концепций, как должен в действительности работать деформационный двигатель». Вероятно, это первый случай, когда телешоу вдохновило ученого и помогло найти решение одного из эйнштейновых уравнений.

Алькубьерре считает, что путешествие на предлагаемом им звездолете будет похоже на полет на «Тысячелетнем соколе» в «Звездных войнах». «Мне кажется, что экипаж, вероятно, должен увидеть что-то похожее. Звезды впереди корабля превратятся в длинные линии, штрихи. Позади не будет видно вообще ничего — только чернота, потому что свет звезд не сможет двигаться достаточно быстро, чтобы догнать звездолет», — говорит ученый.

Ключевым моментом в двигателе Алькубьерре является энергия, при помощи которой звездолет разгоняется до сверхсветовых скоростей. Обычно физики говорят о корабле, обладающем для начала некоторым положительным количеством энергии; эта энергия тратится на разгон корабля, который всегда движется медленнее света. Чтобы выйти за рамки этих условий и двигаться быстрее света, придется поменять топливо. Обычный расчет показывает, что нам потребуется «отрицательная масса» или «отрицательная энергия» — самые экзотические, вероятно, объекты во Вселенной, если они вообще существуют. Раньше физики отбрасывали любые разговоры об отрицательной энергии и отрицательной массе как откровенно фантастические. Но теперь стало ясно, что, во-первых, в путешествиях со сверхсветовыми скоростями без них никак не обойтись, а во-вторых, они вполне могут существовать в действительности.

Ученые ищут отрицательное вещество в природе, но пока безуспешно. (Антивещество и отрицательное вещество — совершенно разные вещи. Первое определенно существует и обладает положительной энергией, но противоположным зарядом. Существование отрицательного вещества до сих пор не доказано.) Отрицательное вещество должно обладать очень необычными свойствами; к примеру, оно должно быть легче пустоты. Более того, оно должно летать. Если отрицательное вещество существовало в начале времен, то при рождении Вселенной оно должно было уйти в глубины пространства. В отличие от метеоритов, которые при случае обрушиваются на планеты под действием сил притяжения, отрицательное вещество должно убегать от планет. Его должны отталкивать, а не притягивать любые крупные тела, такие как звезды или планеты. Поэтому, хотя отрицательное вещество вполне может существовать в действительности, обнаружить его можно, скорее всего, только в глубоком космосе — и уж точно не на Земле.

В одном из проектов поиска отрицательного вещества в открытом космосе предлагается воспользоваться явлением, известным как линза Эйнштейна. Когда свет проходит мимо звезды или галактики, его траектория искажается под действием гравитационных сил в соответствии с общей теорией относительности. В 1912 г. Эйнштейн (даже не закончив еще работу над общей теорией относительности) предсказал, что галактика может работать как линза телескопа. Свет отдаленного объекта, огибая близлежащую галактику, как если бы это была линза, собирается за ней в пучок и образует характерную интерференционную картину из концентрических окружностей. В таком виде он доходит и до Земли. В настоящее время подобные явления называют кольцами Эйнштейна.

Первая линза Эйнштейна была обнаружена астрономами в космосе в 1979 г. С тех пор подобные объекты успели стать для астрономов незаменимым инструментом. Вот лишь один пример. Когда-то считалось, что невозможно обнаружить в космосе скрытую массу. (Скрытая масса, известная также как темная материя, — загадочная невидимая, но вполне массивная субстанция. Она окружает галактики и, возможно, во Вселенной ее раз в десять больше, чем обычной видимой материи.) Но ученые NASA сумели составить карты распределения в пространстве скрытой массы, так как она отклоняет свет при прохождении через нее точно так же, как стекло искривляет свет.

Итак, теоретически линзы Эйнштейна должны помочь ученым в поисках отрицательного вещества и кротовых нор. Они должны определенным образом искажать траекторию света — и космический телескоп имени Хаббла должен быть в состоянии зарегистрировать такие искажения. До сих пор не удалось обнаружить ни отрицательного вещества, ни кротовых нор, но поиски продолжаются. И если в один прекрасный день детекторы космического телескопа зафиксируют в одной из эйнштейновых линз присутствие отрицательного вещества или кротовой норы, весь мир физики почувствует на себе поразительные последствия этого открытия.

Отрицательная энергия отличается от отрицательного вещества тем, что достоверно существует, хотя и в крошечных количествах. В 1933 г. Хендрик Казимир, опираясь на законы квантовой теории, сделал очень необычное предсказание. Он утверждал, что две незаряженные параллельные металлические пластины будут притягиваться друг к другу как по волшебству. Обычно параллельные пластины никак не влияют друг на друга, поскольку не обладают суммарным зарядом. Но вакуум между двумя такими пластинами на самом деле не пуст; он полон «виртуальных частиц», возникающих и тут же исчезающих снова.