NASA делает первые шаги по созданию "машины времени"

NASA делает первые шаги навстречу реализации фантастического предположения о возможности движения через искривленное пространство-время.

Фактически космический корабль должен находиться в неподвижности, а пространство и время вокруг него – в движении. Однако перспективы создания необходимого для такого способа передвижения сверхсветового двигателя пока еще очень далеки от реализации. Лишь первые шаги по изучению феномена делаются сегодня группой исследователей под руководством Гарольда Уайта, получившей грант NASA в 50 000 долларов. Для агентства, занимающегося космическими исследованиями, это очень небольшая сумма, хотя поддержка NASA – обнадеживающий фактор.

Группу исследователей приютил Космический центр имени Л.Джонсона. Целью работы является фиксация светового отклонения, которое может вызвать электростатическое поле высокого напряжения. Еще в 2011 году руководитель проекта опубликовал предполагаемый план работы группы, чем обратил на себя внимание NASA. В рамках материального обеспечения агентство помогло восстановить лабораторию 1960-х годов и установить в ней лазерный интерферометр. Этот прибор работает на основе интерференции, с его помощью лазерный луч делится на два потока, каждый поток проходит свой путь отражения в системе зеркал, после чего оба потока вновь сливаются воедино. Тогда и возникает интерференция: потоки, обладающие различным потенциалом, усиливают или ослабляют друг друга. Исследуя процесс интерференции, можно проследить изменения, происходящие с потоками в процессе их отражения в зеркалах, и выявить отклонения, аномалии, в том числе искривление пространства-времени, влияющие на потенциал потока. Таким образом, целью работы группы можно также назвать подтверждение существования самой возможности искривления пространственно-временной геометрии, что уже можно сделать с помощью современных технологий.

Что же представляет собой пространственно-временная геометрия и как ее можно искривить? Ответить на эти вопросы легче всего на примерах.

Чтобы представить себе одномерное пространство, вообразите тонкую тянущуюся нитку, на которую густо нанесли множество мелких штрихов-делений. При достаточной густоте нанесения этой "линейки" ширина штриха и расстояние между двумя соседними штрихами будут совпадать, а их суммарная длина будет длиной нити.

А теперь вообразите, что нить сжали или растянули. При этом, естественно, нарушится нанесенная "геометрия" нитки, ширина штриха и расстояние между двумя соседними штрихами уже не будут совпадать. С математической точки зрения мы можем охарактеризовать образовавшиеся изменения через соотношение квадрата ширины растянутого штриха к квадрату нерастянутого. Соотношение будет зависеть от расположения изучаемого штриха на нити, что является одной функцией координаты.

Двухмерное пространство представим в виде разлинованного листа бумаги, как листик в клеточку, только очень мелкую. Нарисуем на нем воображаемую кривую (нить). И сейчас вместо определения соотношения ширины штрихов на нити мы будем соотносить расстояние между углами клеточки, которое также представляет собой своеобразный штрих. Согласно теореме Пифагора, мы будем рассчитывать квадрат расстояния между углами клеточек через сумму квадратов расстояний по двум осям.

Трехмерное пространство мы представим себе, если сожмем, растянем или сложим этот лист. Длина нанесенной воображаемой линии изменится очень причудливо: ведь здесь геометрия листа сможет меняться уже в трех измерениях. Сами разлинованные квадратики тоже изменят свои размеры и формы – превратятся, например, в параллелограммы. По Пифагору, согласно обобщенной теореме, квадрат стороны треугольника определяется суммой квадратов двух других сторон, от которой необходимо отнять удвоенное произведение длин указанных сторон на косинус противолежащего искомой стороне угла. А у сторон после деформации могут быть самые различные длины.

Так мы получили три слагаемые с коэффициентами перед ними. Представим эти коэффициенты в таблице 2х2. Причем на втором месте первого ряда и, соответственно, на первом месте второго ряда будут расположены половины коэффициентов перед произведением сторон согласно теореме Пифагора. Образовавшаяся таблица получила в среде ученых название "метрический тензор" ("тензор Римана", метрика). Это своеобразная матрица, которая используется для измерения изменений длин кривых и площадей, то есть характеризовать геометрию трехмерного пространства мы можем с помощью метрического тензора размером 3х3.

Перейдем к теории относительности Эйнштейна. Согласно этой теории, пространство-время четырехмерное; значит, мы будем иметь дело с тензором 4х4. В данном случае подключаются новые переменные – время и скорость. Дело в том, что для определения квадрата расстояния по времени в четырехмерном пространстве необходимо отнять от квадрата расстояния между уголками разлинованной сетки (умноженного на квадрат скорости света) сумму квадратов длин сторон ячейки этой сетки. Однако эта формула используется только при недеформированном "листке в клеточку". В целом формула имеет и физический смысл: она описывает чистое пространство-время без наличия в нем массы-энергии.

Тензор можно применить для описания Вселенной с любым количеством измерений, которая при этом подверглась значительной деформации и даже имеет внутренние порталы между этими измерениями. Для ее описания понадобятся огромное количество переменных и точные расчеты, а для реального мира тензор гораздо проще: его таблица имеет размер 4х4 (четырехмерное пространство) с десятью переменными, значения которых варьируются в определенных рамках.

В основе теории вероятности лежат уравнения, выведенные Эйнштейном. Согласно этим уравнениям, метрический тензор тесно связан с тензором энергии-импульса. Последний также представляет собой таблицу 4х4, однако она характеризует распределение в пространстве именно энергии-массы. При работе с уравнениями в масштабах космологии необходимо добавить в уравнение еще одну оставляющую – космологическую постоянную, как говорят, связанную с темной материей и характеризующую универсальные пространственные свойства.

Если эксперимент, проводимый исследовательской группой, удастся и будут документально зафиксированы свидетельства искривления пространства-времени, то можно будет говорить о разработке в далекой перспективе полетов в космос со сверхсветовой скоростью. По крайней мере, так покажется обычному человеку, а ученый скажет, что именно пространство-время двигаются, а космический корабль остается неподвижным, но выяснить какое суждение верно, можно будет только установив глонасс мониторинг транспорта. Такое возможно благодаря феномену так называемого "пузыря Алькуберре", названного так в честь первооткрывателя Мигеля Алькуберре, мексиканца по происхождению, совершившего свое открытие в 1994 году. Согласно его теории, сам корабль будет находиться в пространственно-временном пузыре, пространство перед которым будет растянуто, а за ним – сжато. Тем самым мы не преодолеваем пространство, а сжимаем его до миниатюрных размеров, до цели путешествия. Необходимо отметить, что подобная схема полностью вписывается в известные нам законы физики, а невероятной она кажется только нашему воображению. Кстати, фантастической она казалась и самому Алькуберре всего примерно 20 лет назад.

С другой стороны, если явление теоретически возможно, то еще не факт, что человечество способно его воспроизвести. Тем не менее создать "пузырь" физически возможно, однако нельзя забывать, что менять составляющие таблицы тензора в свободном порядке нельзя: например, нельзя значительно увеличить напряжение электромагнитного поля или плотность веществ. Науке неизвестны примеры отрицательной плотности энергии, как и веществ с отрицательной массой. Их либо пока еще не открыли, либо они не существуют в природе.

А для растяжения пространства перед носом "пузыря" необходима именно отрицательная масса. Еще, согласно расчетам ученого, понадобится не просто большое, а исключительно огромное количество энергии. Это количество невозможно получить, даже если аннигилировать всю материю нашей Вселенной.

Однако ученые все же не отказались от попыток решить головоломку с энергией. Появилась так называемая "теория струн": она не выходит за рамки теории относительности, наоборот – расширяет и дополняет ее. Согласно данной теории, в четырехмерном пространстве-времени присутствуют скрытые измерения.

Возьмем пример с той же нитью. Но теперь нам важна не столько длина, сколько структура и форма. Увеличив ее в своем воображении до огромных размеров, мы представим себе цилиндр. Это будет уже трехмерный объект. Все в рамках теории относительности: для букашки у нити только два измерения, а для бактерии, ввиду ее размера, – уже три. Как раз здесь и проявляются скрытые измерения пространства на мельчайших расстояниях.

Ученые пришли к выводу, что можно попытаться создать пространственно-временной пузырь на уровне этих скрытых пространств. Для его создания в названных масштабах понадобится меньше энергии. Сама идея (правда, без плана реализации) уже была представлена на суд научной общественности в 2010 году. Ученые пока не имеют представления о том, как можно проникнуть в глубины этих мельчайших скрытых измерений и как увеличить в них плотность энергии. Кроме того, эксперимент не имеет смысла, если теория струн ошибочна.

Ученые пошли дальше в теоретическом плане и нашли способ уменьшить необходимое количество вещества с отрицательной массой до нескольких миллиграмм. Для его создания понадобится аннигиляция всего 0,5 тонны вещества, что кажется вполне реальным. Такое количество выработают электростанции всей планеты за полгода работы, или его можно получить с помощью 1000 квадратных километров зеркал, расположенных на орбите Земли, настроенных на улавливание солнечной энергии. Во втором случае для получения необходимого количества энергии понадобится лишь одна секунда.

Однако строить огромное инженерное сооружение в целях чистой науки человеческое общество пока не спешит. Почему?

Прежде всего потому, что намеченный эксперимент пригоден к реализации лишь при условии подтверждения жизнеспособности теории струн. Руководитель исследовательской группы Уайт проводит свои расчеты, основываясь только на ней. Кроме того, вопрос создания материи с отрицательной плотностью так и не решен.

Впрочем, существует также точка зрения о том, что ученые уже встречались с отрицательной плотностью энергии. Речь идет о темной энергии и эффекте Казимира.

О том, что представляет собой темная энергия, ученые пока не могут сказать однозначно. Они характеризуют ее как проявление ускоренного расширения пространства. Согласно расчетам, плотность данной энергии составляет примерно -10 в -29 степени грамм на сантиметр кубический, что значительно ниже массы электрона. Нет доказательств того, что она способна вбирать в себя объемные вещества, поэтому и достать хотя бы несколько миллиграмм материи представляется практически невозможным.

Эффект Казимира представляется ученым как появление пространства с отрицательным давлением, хотя само определение пока спорно. Благодаря этому эффекту расположенные рядом пластины в вакууме притягиваются за счет флуктуаций электромагнитного поля. Так происходит благодаря непроизвольному возникновению и исчезновению квантов электромагнитного поля, в то время как между пластинами такого процесса не происходит. При эффекте Казимира мы также не наблюдаем стабильных частиц, обладающих отрицательной массой.

С другой стороны, надежду терять рано: наука постоянно движется вперед. Кто знает, что будут говорить и создавать ученые через следующие 20 лет...

Даже если Уайт достигнет своей цели и документально подтвердит искривление пространства-времени, до космических полетов в "пузырях" нам пока еще очень далеко. Однако шаг вперед в развитии физики в случае успешного эксперимента будет однозначно сделан.

Еще одной сферой работы исследовательской группы является разработка вакуумного плазма-двигателя, в котором ускоряемые частицы будут извлекаться непосредственно из вакуума, а не из специального источника, как в случае с ионным двигателем. Первые сведения о его тяге в 0,1 ньютона на киловатт поданной электрической мощности, обнародованные в 2005 году, до сих пор не подтвердились.

Пожелаем ученым удачи и будем ждать результатов их одновременно спорных и сенсационных экспериментов.