Физика невозможного - Мичио Каку

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.

На мгновение из пустоты возникают пары электрон-позитрон — и тут же аннигилируют, снова растворяясь в вакууме. Как ни странно, пустота, которую когда-то считали лишенной чего бы то ни было, на самом деле наполнена квантовыми событиями. Здравый смысл подсказывает, что крохотные всплески с одновременным образованием вещества и антивещества нарушают закон сохранения энергии. Но, согласно принципу неопределенности, эти всплески невероятно кратковременны, и в среднем энергия по-прежнему сохраняется.

Казимир обнаружил, что множество виртуальных частиц создает в вакууме ненулевое суммарное давление. Пространство между двумя параллельными пластинами ограниченно, поэтому и давление виртуальных частиц там невелико. А вот снаружи пластин места много и им ничто не мешает «развернуться» как следует, поэтому и давление там выше; в сумме же возникает сила, которая толкает пластины друг к другу.

В обычных обстоятельствах — когда пластины находятся в покое и разделены значительным расстоянием — наблюдается состояние с нулевой энергией. Но если сблизить пластины, они начнут притягиваться и из них можно извлечь некоторое количество энергии. После этого, поскольку у пластин отняли кинетическую энергию, их собственная энергия становится меньше, чем ноль, т. е. отрицательной.

Отрицательную энергию впервые удалось измерить в лаборатории в 1948 г., и результат полностью подтвердил предсказание Казимира. Теперь отрицательная энергия и эффект Казимира рассматривались уже не как научная фантастика, а как установленный факт. Проблема, однако, состоит в том, что эффект Казимира очень слаб; чтобы обнаружить эту энергию в лаборатории, необходимо пользоваться точнейшим и новейшим измерительным оборудованием. (В целом энергия Казимира обратно пропорциональна четвертой степени расстояния между пластинами. Это означает, что чем меньше это расстояние, тем больше энергия.) Точно эффект Казимира измерил в 1996 г, Стивен Ламоро из Лос-Аламосской национальной лаборатории; сила притяжения у него получилась в 30 000 раз меньше веса муравья.

С момента публикации теории Алькубьерре физики успели обнаружить у предложенного им звездолета немало странных свойств. К примеру, люди внутри корабля причинно изолированы от внешнего мира. Это означает, что невозможно просто нажать кнопку и полететь быстрее света. Вы не сможете поддерживать связь с внешним миром за пределами защитного пузыря. Должен существовать заранее проложенный «маршрут» через пространство и время, и тогда по нему корабли могут следовать один за другим, как поезда по расписанию. В этом смысле звездолет по Алькубьерре не будет обычным звездолетом и не сможет произвольно менять направление движения и скорость. Этот звездолет будет подобен вагону, который движется на заранее созданной «волне» сжатого пространства по заранее созданному коридору искаженного пространства-времени. Алькубьерре рассуждает так: «Нам потребуется серия генераторов экзотического вещества, расставленных вдоль трассы движения, как вдоль шоссе; эти генераторы будут синхронно управлять пространством так, как нужно».

Нельзя исключить, что в будущем будут обнаружены еще более странные и причудливые решения уравнений Эйнштейна. Сами уравнения говорят о том, что если дано определенное количество массы или энергии, то можно рассчитать искажение пространства-времени, которое вызовет эта масса или энергия (точно так же, бросив камень в воду, вы можете рассчитать круги, которые пойдут от него). Но эти уравнения можно применить и в обратном направлении. Можно начать с заданного состояния пространства-времени, каким бы странным оно ни казалось. В качестве примера можно привести причудливые миры сериала «Сумеречная зона». (В тех вселенных можно, к примеру, открыть дверь и оказаться на луне. Можно обежать вокруг дерева и оказаться в прошлом, а затем обнаружить к тому же, что сердце бьется с правой стороны.) Затем следует рассчитать распределение вещества и энергии, связанное с этим конкретным состоянием. (Точно так же, если задано странное распределение волн на поверхности воды, то можно произвести обратный расчет и определить, сколько, где и каких камней было брошено в пруд.)

Примерно таким образом, кстати говоря, Алькубьерре вывел свои уравнения. Он начал с пространства-времени, в котором допустимо движение со сверхсветовой скоростью, а затем провел обратный расчет и вычислил энергию, необходимую для получения такого пространства-времени.

Второй после растягивания пространства способ преодолеть световой барьер — это разорвать, или проколоть, пространство, т. е. пройти через кротовые норы, туннели, которые соединяют две вселенные. В литературе первое упоминание о кротовых норах принадлежит перу оксфордского математика Чарльза Доджсона, написавшего под псевдонимом Льюис Кэрролл сказку «Алиса в Зазеркалье». Зеркало Алисы и есть кротовая нора, которая соединила окрестности Оксфорда с волшебным миром Страны чудес. Протянув руку сквозь зеркало, Алиса может мгновенно перенестись из одной вселенной в другую. У математиков они называются «многократно связанными пространствами».

В физике концепция кротовых нор возникла в 1916 г. — всего через год после того, как Эйнштейн опубликовал свой великий труд — общую теорию относительности. Физик Карл Шварцшильд, служивший тогда в кайзеровской армии, нашел точное решение уравнений Эйнштейна для случая изолированной точечной звезды. Вдалеке от звезды ее гравитационное поле очень похоже на поле обычной звезды; Эйнштейн даже воспользовался решением Шварцшильда при вычислении отклонения траектории света около звезды. Результат Шварцшильда произвел немедленное и очень сильное действие на все разделы астрономии, и сегодня он по-прежнему остается одним из самых известных решений уравнений Эйнштейна. Несколько поколений физиков использовали гравитационное поле этой гипотетической точечной звезды в качестве приближенного выражения для поля вокруг реальной звезды с конечным диаметром.

Но если рассмотреть это точечное решение серьезно, то в центре его неожиданно обнаружится чудовищный точечный объект, который почти столетие изумлял и шокировал физиков, — черная дыра. Решение Шварцшильда для поля тяготения точечной звезды чем-то напоминает троянского коня. Снаружи оно выглядит как дар небес, а внутри скрывает всевозможных демонов и духов. Но если вы принимаете одно, то вынуждены принять и другое. Из решения Шварцшильда явствовало, что при приближении к пресловутой точечной звезде происходят странные вещи. Сама звезда окружена невидимой сферой (известной как «горизонт событий»), которая является своеобразной чертой невозврата. Все может проникнуть внутрь ее, но ничто не может выйти обратно. Однажды пройдя горизонт событий, вы уже не сможете вернуться назад. (Если вы находитесь внутри горизонта событий, вам, чтобы вновь оказаться снаружи, потребуется двигаться быстрее света, а это невозможно.)

При приближении к горизонту событий на атомы вашего тела начнут действовать приливные силы, растягивая их. Ваши ноги будут ощущать гораздо большую силу тяжести, чем ваша голова, поэтому вас сначала растянет до состояния спагетти, а затем просто разорвет. Точно так же произойдет с атомами вашего тела — они будут растянуты гравитацией, а затем разорваны.

Для внешнего наблюдателя ваше приближение к горизонту событий будет выглядеть так, как будто вы замедляетесь во времени. Более того, когда вы прикоснетесь к горизонту событий, наблюдателю покажется, что время остановилось!

Этого мало. Провалившись под горизонт событий, вы увидите свет, запертый внутри этой сферы и блуждающий внутри черной дыры миллиарды лет. Вы как будто увидите фильм, запечатлевший всю историю черной дыры, с самого момента ее рождения.

Наконец, если бы вам удалось пролететь черную дыру насквозь, там, с другой стороны, обнаружится иная вселенная. Это явление, впервые описанное Эйнштейном в 1935 г., носит название моста Эйнштейна-Розена; сейчас его называют еще кротовой норой.

Эйнштейн и другие физики были уверены, что ни одна звезда не сможет естественным образом превратиться в столь чудовищный объект. В1939 г. Эйнштейн даже опубликовал статью, в которой показал, что вращающаяся газопылевая масса никогда не сконденсируется в подобную черную дыру. Поэтому, несмотря на притаившуюся в центре черной дыры кротовую нору, он был уверен, что ничто подобное в природе возникнуть не может. Астрофизик Артур Эддингтон как-то сказал, что «должен существовать закон природы, не позволяющий звездам вести себя столь нелепым образом». Другими словами, черная дыра, конечно, законное решение уравнений Эйнштейна, но механизм, посредством которого такая штука могла бы сформироваться естественным путем, неизвестен.