из следствий которой является утверждение, что скорость света – фундаментальная константа природы, а значит, должна оставаться неизменной в любой системе отсчета. Представьте, что вы едете на машине, движущейся со скоростью 50 км/ч, позади машины, скорость которой 30 км/ч, то есть, по сути, вы приближаетесь к этой машине со скоростью 20 км/ч. Теория Максвелла предполагала, что подобное не относится к свету: как бы быстро вы ни передвигались, свет всегда будет двигаться с одинаковой скоростью.
Эта мысль стала одним из краеугольных камней специальной теории относительности. Из нее вытекают и некоторые важные следствия: например, идеи о том, что в движущейся системе отсчета длина тел сокращается, а время течет медленнее и что энергию и массу можно считать эквивалентными, связанными знаменитой формулой Е = тс2. Все это позднее подтвердили эксперименты. Но было и другое предсказание: когда тело ускоряется, его масса увеличивается сначала медленно, а затем быстрее, пока, при достижении телом скорости света, не становится бесконечной. Чтобы заставить бесконечную массу двигаться быстрее, требуется бесконечное количество энергии, из чего Эйнштейн предположил, что ничто не может двигаться быстрее, чем свет. Специальная теория относительности устанавливает скорость света как предел максимальной скорости во Вселенной.
Но в 1915 году Эйнштейн опубликовал общую теорию относительности, в рамках которой определил гравитацию как внешнее проявление искривления пространства-времени. И это открыло двери очень странным возможностям.
Гиперпространство
В 1916 году, через год после публикации общей теории относительности, австрийский ученый Людвиг Фламм использовал ее для построения первой математической модели того, что сегодня ученые называют червоточиной – туннелем во времени и пространстве. Фламм обнаружил, что если взять из общей теории относительности математическое уравнение, описывающее пространство вокруг центрального гравитирующего тела – например, звезды или черной дыры, – то пространство можно расширить внутрь тела и за его пределы вплоть до других областей космоса.
Термин «червоточина» для описания этих теоретических моделей придумал в 1950-х годах американский физик Джон Уилер, который сравнил их с туннелями, образованными червяком в яблоке, – прямой путь с одной стороны до другой всегда короче, чем по поверхности яблока. И именно поэтому червоточины могут быть полезны для космических путешествий. Поскольку, пусть им и не под силу физически ускорить космический аппарат до скоростей, превышающих скорость света, они помогают срезать космические углы, связывая удаленные точки сетью гиперпространственных переулков более высокого измерения, таким образом значительно сокращая время в пути между удаленными звездными системами.
Проблема состоит в том, чтобы удерживать червоточину открытой. Математика предсказывает, что воронка червоточины ведет себя как резиновая трубка, и под воздействием гравитации она сжимается. Общая теория относительности предлагает решение. Она определяет гравитационную силу – или, что то же самое, искривление пространства, – создаваемую любым веществом, которое можно вообразить.
Физики придумали теоретическое вещество, которое назвали «экзотической материей». Оно обладает отрицательным давлением: если вы накачаете им воздушный шар или шины вашего автомобиля, то они взлетят. Однако ключевая особенность экзотической материи состоит в том, что она генерирует «антигравитацию», так что, если в червоточину доставить достаточное количество такой материи, горловина червоточины будет оставаться открытой, пока космический аппарат проходит через нее.
К сожалению, экзотическую материю не так просто найти. Небольшое количество этого вещества удалось получить в лаборатории благодаря эффекту Казимира. Это явление было открыто в 1948 году голландским ученым Хендриком Казимиром. Он обнаружил, что две металлические пластины, разведенные друг от друга на несколько миллионных долей метра в вакууме, слегка притягиваются из-за отрицательного давления экзотической материи между ними.
Экзотическая материя же создается тем, что физики называют «вакуумными флуктуациями» – множеством крошечных субатомных частиц, которые появляются и исчезают в течение очень короткого времени. Квантовая теория говорит, что эти частицы могут рассматриваться и как волны. Так же, как тон частично определяется длиной гитарной струны, между пластинами могут проходить волны только определенной длины. С точки зрения частиц это означает, что между пластинами частицы соударяются реже, чем снаружи. И это делает давление между пластинами ниже – опять же, по сравнению с тем, что снаружи. Но если пространство вокруг пластин является вакуумом, где давление нулевое, то пространство внутри пластин должно иметь давление меньше нуля, то есть отрицательное.
Вперед!
Другая популярная составляющая космических путешествий в научной фантастике, которую можно рассмотреть с точки зрения науки, – это варп-двигатель и идея о том, что космический аппарат может двигаться быстрее света, деформируя пространство и время.
Если бы специальная теория относительности властвовала безраздельно, то космический аппарат был бы вынужден двигаться со скоростью меньше скорости света, 300 000 км/с. В 1994 году физик-теоретик Мигель Алькубьерре из Уэльского университета в Кардиффе вычислил, как на самом деле может происходить искривление в контексте общей теории относительности. Вместо того чтобы пытаться перемещать космический аппарат в космосе, его подход состоял в том, что можно согнуть и растянуть пространство вокруг аппарата и сформировать волну, которая понесет его к месту назначения.
Подобно случаю с червоточиной, такой двигатель тоже требует антигравитирующей экзотической материи. Алькубьерре обнаружил, что если бы она была расположена вокруг аппарата правильным образом, то заставила бы пространство перед ним быстро сворачиваться, тогда как пространство позади него расширялось бы с той же скоростью, перенося кусок пространства, содержащий аппарат, к месту назначения со скоростью, превышающей скорость света.
Вы не можете двигаться быстрее скорости света, но можете представить, как эффективно изогнуть пространство-время таким образом, чтобы создалось впечатление, что вы движетесь быстрее.
Шон Кэрролл (2018)
Однако камнем преткновения всегда является воплощение научных идей – которые в целом понятны – в жизнь. Как червоточины, так и варп-двигатели Алькубьерре требуют значительного количества экзотической материи – обычно порядка массы планеты, что существенно больше, чем мы способны создать.
Эксперимент Казимира показывает, что экзотическая материя может быть искусственно создана в рамках законов физики. Не хватает только технологии для ее массового производства. Однако она пока оказывается далеко за пределами нашего понимания.
В 2008 году Министерство обороны США изучило варп-двигатели, червоточины и другие научные идеи. После публикации отчета по результатам этого изучения в 2018 году космолог из Калифорнийского технологического института, Шон Кэрролл, прокомментировал его так: «Есть то, что называется варп-двигателем, есть дополнительные измерения, есть эффект Казимира и темная энергия – все это правда. Но нет никаких шансов, что кто-либо в течение нашей жизни или в течение следующей тысячи лет сумеет построить нечто, позволяющее использовать любую из этих идей».
Курс на антиматерию!
Будучи одним из основных
