На uCrazy 9 лет 8 месяцев
Как теория относительности родила идею путешествий быстрее скорости света
Историю затянувшегося переписывания законов гравитации Альбертом Эйнштейном пересказывали много раз, но за последние 100 лет она подарила нам удивительные звезды и черные дыры, расширяющуюся вселенную и гравитационные миражи. Эйнштейн также помог состояться технологии, благодаря которой вы никогда не потеряетесь: она отслеживает местонахождение вашего телефона с высокой точностью.
Несмотря на эту научную щедрость, относительно строго ограничивает наши возможности исследования вселенной Эйнштейна, поскольку ни одна ракета не сможет двигаться быстрее скорости света. Поскольку расстояния между звездами измеряются в световых годах, а расстояния между галактиками - сотнями тысяч световых лет, не говоря уж о сложностях замедления времени, непонятно, как в таких условиях создавать и управлять галактической империей.
В 1994 году физик Мигель Алькубьерре обнаружил, что не все потеряно: искривляя пространство и время, можно проложить нужный путь к искомой точке, а значит путешествовать с любой скоростью, с которой пожелаете. Если отринуть пару недостатков вроде необходимости варп-двигателя и экзотической материи, скорость света можно обойти.
И все же на ум приходит пара вопросов, например, как этот сверхсветовой пузырь согласуется с правилами общей теории относительности. И если согласуется, почему только в 90-х годах до этого додумались, ведь ОТО уже тогда было больше семидесяти лет.
Благодаря E = mc², тот факт, что ничто не может двигаться быстрее света, стал относительно распространенным в рамках специальной теории относительности Эйнштейна. Откуда же берется это сверхсветовой движение?
Давайте начнем с того, что на самом деле Эйнштейн говорил о беге наперегонки с лучом света. Для Эйнштейна эта гонка происходит "локально", в лаборатории, например, где у вас частица с массой и луч света начинают одновременно. В таком случае световой луч всегда будет вырываться вперед. Но в его специальной теории детали пространства и времени везде одинаковы. Технически объединение этих двух - известное как пространство-время - плоское, и мы можем сравнить скорость частицы в лаборатории с лучом света где-нибудь еще во Вселенной.
В общей теории относительности все становится еще запутанней, поскольку присутствие гравитации гарантирует, что кривизна пространства-времени здесь отличается от кривизны пространства-времени там, и не получится однозначно сравнить скорость частицы в вашей лаборатории с лучом света в далекой вселенной. Единственное разумное сравнение можно провести в вашей лаборатории, и здесь-то луч света всегда побеждает. То же самое справедливо в искривленном пространстве-времени варп-двигателя. Если вам путешественник в варп-пузыре попытается пустить наперегонки частицу и луч света, свет будет побеждать всегда.
Наблюдатель, который смотрит на пузырь, мог бы рассчитать, что этот луч света движется быстрее, чем любой из лучей света, которые он создает в своей лаборатории. Но это не проблема, поскольку не имеет смысла сравнивать скорости "там" и скорости "здесь". Именно по этой причине космологи с радостью говорят о галактиках, которые удаляются от нас быстрее скорости света в связи с расширением Вселенной.
Как мы уже сказали, теория относительности существовала уже больше семидесяти лет, когда Алькубьерре нашел свое решение. Почему люди раньше не считали сверхскоростные путешествия частью теории? Проблема, конечно же, заключалась в математически дьявольской природе эйнштейновых уравнений. Чрезвычайно трудно рассчитать кривизну пространства-времени и, как следствие, действие гравитации из любого старого распределения массы и энергии.
Может быть, математически проще определить свойства пространства-времени, а затем рассчитать необходимое распределение массы и энергии. И великое прозрение Алькубьерре было в том, что пузырь может двигаться с любой скоростью, как волна в пространстве-времени.
Но такая "метрическая механика" имеет и свой недостаток: у нас может получиться найти пространство-время, позволяющее сверхсветовое движение, но требуемое распределение массы и энергии может быть физически невозможным. Знакомые с классической механикой знают, что проще вывести гравитационный потенциал для определения сил, но они могут потребовать отрицательной материи, чтобы существовать физически. То же справедливо и для решения варп-двигателя, требующего материала с отрицательной энергетической плотностью, чтобы должным образом сгибать пространство-время. И хотя у нас есть намеки на то, что такие свойства существуют во Вселенной, мы понятия не имеем, как их можно было бы добывать и использовать на благо наших космических аппаратов. Так что, может быть, мы никогда не построим варп-двигатель Алькубьерре.
Но разве это должно нас останавливать? Идеи Алькубьерре должны вдохновлять нас и дальше сгибать и растягивать пространство-время, исследуя возможности, которые скрываются в математике. Возможно, однажды мы найдем свой короткий путь к звездам.
Искривляя время, изгибая пространство
В 1994 году физик Мигель Алькубьерре обнаружил, что не все потеряно: искривляя пространство и время, можно проложить нужный путь к искомой точке, а значит путешествовать с любой скоростью, с которой пожелаете. Если отринуть пару недостатков вроде необходимости варп-двигателя и экзотической материи, скорость света можно обойти.
И все же на ум приходит пара вопросов, например, как этот сверхсветовой пузырь согласуется с правилами общей теории относительности. И если согласуется, почему только в 90-х годах до этого додумались, ведь ОТО уже тогда было больше семидесяти лет.
Благодаря E = mc², тот факт, что ничто не может двигаться быстрее света, стал относительно распространенным в рамках специальной теории относительности Эйнштейна. Откуда же берется это сверхсветовой движение?
Давайте начнем с того, что на самом деле Эйнштейн говорил о беге наперегонки с лучом света. Для Эйнштейна эта гонка происходит "локально", в лаборатории, например, где у вас частица с массой и луч света начинают одновременно. В таком случае световой луч всегда будет вырываться вперед. Но в его специальной теории детали пространства и времени везде одинаковы. Технически объединение этих двух - известное как пространство-время - плоское, и мы можем сравнить скорость частицы в лаборатории с лучом света где-нибудь еще во Вселенной.
В общей теории относительности все становится еще запутанней, поскольку присутствие гравитации гарантирует, что кривизна пространства-времени здесь отличается от кривизны пространства-времени там, и не получится однозначно сравнить скорость частицы в вашей лаборатории с лучом света в далекой вселенной. Единственное разумное сравнение можно провести в вашей лаборатории, и здесь-то луч света всегда побеждает. То же самое справедливо в искривленном пространстве-времени варп-двигателя. Если вам путешественник в варп-пузыре попытается пустить наперегонки частицу и луч света, свет будет побеждать всегда.
Наблюдатель, который смотрит на пузырь, мог бы рассчитать, что этот луч света движется быстрее, чем любой из лучей света, которые он создает в своей лаборатории. Но это не проблема, поскольку не имеет смысла сравнивать скорости "там" и скорости "здесь". Именно по этой причине космологи с радостью говорят о галактиках, которые удаляются от нас быстрее скорости света в связи с расширением Вселенной.
Метрическая механика
Как мы уже сказали, теория относительности существовала уже больше семидесяти лет, когда Алькубьерре нашел свое решение. Почему люди раньше не считали сверхскоростные путешествия частью теории? Проблема, конечно же, заключалась в математически дьявольской природе эйнштейновых уравнений. Чрезвычайно трудно рассчитать кривизну пространства-времени и, как следствие, действие гравитации из любого старого распределения массы и энергии.
Может быть, математически проще определить свойства пространства-времени, а затем рассчитать необходимое распределение массы и энергии. И великое прозрение Алькубьерре было в том, что пузырь может двигаться с любой скоростью, как волна в пространстве-времени.
Но такая "метрическая механика" имеет и свой недостаток: у нас может получиться найти пространство-время, позволяющее сверхсветовое движение, но требуемое распределение массы и энергии может быть физически невозможным. Знакомые с классической механикой знают, что проще вывести гравитационный потенциал для определения сил, но они могут потребовать отрицательной материи, чтобы существовать физически. То же справедливо и для решения варп-двигателя, требующего материала с отрицательной энергетической плотностью, чтобы должным образом сгибать пространство-время. И хотя у нас есть намеки на то, что такие свойства существуют во Вселенной, мы понятия не имеем, как их можно было бы добывать и использовать на благо наших космических аппаратов. Так что, может быть, мы никогда не построим варп-двигатель Алькубьерре.
Но разве это должно нас останавливать? Идеи Алькубьерре должны вдохновлять нас и дальше сгибать и растягивать пространство-время, исследуя возможности, которые скрываются в математике. Возможно, однажды мы найдем свой короткий путь к звездам.
Комментарии1
