Главная Обратная связь В избранное

Мир непознанного - Onua.org

Onua.org - этот сайт создан с целью ознакомления пользователя с миром непознанного, новостями технологий, космических открытий и загадок нашей планеты Земля, НЛО, Видео , Фото, Очевидцы, Загадки истории и древних цивилизаций.
onua.org » Гипотезы » Физика невозможного - Быстрее света
Узнать больше о 2012 годе
Миссия Curiosity
Discovery Channel
Discovery World
Discovery Science
Animal Planet
Nat Geo WILD
National Geographic Channel
Viasat History
Viasat Explorer
Календарь новостей

Присоединяйтесь

Популярное на Onua.org
ФОТО
?=t('Новости аномалий и неопознанных явлений')?>
Узнать больше о планете Нибиру

Предлагаем восстановить, заказать, купить диплом Вуза в любом городе России. Только настоящий бланк ГОЗНАК с гарантией.

Просмотров: 4786
Физика невозможного - Быстрее светаВ «Звездных войнах» есть такой эпизод. «Тысячелетний сокол» с героями — Люком Скайуокером и Ханом Соло — на борту взлетает с пустынной планеты Татуин и встречает на околопланетной орбите эскадру имперских боевых кораблей. Имперцы начинают обстреливать корабль наших героев из боевых лазеров, залпы которых неизменно пробивают его защитное поле. Силы не равны, «Сокол» откровенно проигрывает противнику в огаевой мощи. Хан Соло бросает корабль из стороны в сторону, уклоняясь от огня, и кричит, что их единственная надежда — прыжок в «гиперпространство». В последний момент гиперпространственные двигатели срабатывают. Все звезды вокруг внезапно «взрываются» слепящими сходящимися лучами и устремляются к центру обзорного экрана. Открывается «дыра», через которую «Тысячелетний сокол» устремляется к гиперпространству и свободе.

Фантастика? Конечно. Но может ли быть, что она основана на научных фактах? Быть может. Путешествия быстрее света всегда были одной из ключевых тем научной фантастики, но в последнее время и физики начали всерьез задумываться о возможности таких путешествий.

Согласно Эйнштейну, скорость света представляет собой абсолютный предел скорости, быстрее которого не может двигаться ничто во Вселенной. Даже самые мощные наши ускорители, способные придавать частицам невероятные энергии — частицы с такой энергией можно обнаружить только в центре взрывающейся звезды или, скажем, в момент Большого взрыва, — не могут разогнать элементарные частицы до скорости, превышающей скорость света. Очевидно, скорость света — абсолютный гаишник Вселенной. Но если это так, все наши надежды добраться когда-нибудь до отдаленных галактик ничего не стоят.

А может быть, все не так грустно...
Эйнштейн-неудачник

В 1902 г. мало кто мог бы предсказать, что молодой физик Альберт Эйнштейн будет признан величайшим физиком со времен Исаака Ньютона. Скорее, наоборот, этот год стал одним из самых неудачных в его жизни. Свежеиспеченный кандидат на получение степени доктора философии не смог поступить на преподавательскую должность ни в одном из университетов, в которые обращался. (Позже он узнал, что его профессор Генрих Вебер написал для него ужасные рекомендательные письма, возможно, в отместку за многочисленные занятия, сорванные по вине строптивого студента.) Мало того, мать Эйнштейна была настроена категорически против его подружки Милевы Марич, которая в тот момент была беременна его ребенком. В результате их первая дочь Лизерль родилась вне брака. Не везло молодому Альберту и с временной работой — внезапно его уволили даже с жалкой должности подменного учителя. В тоскливых письмах того времени встречаются размышления о том, не заняться ли ему торговлей, чтобы заработать на жизнь. Он даже пишет родным, что лучше бы ему никогда не родиться, — ведь он тяжкая обуза для семьи и не имеет никаких шансов на успех в жизни. Когда умер его отец, Эйнштейн испытал стыд; отец умер, считая сына полным неудачником.

Но чуть позже в том же 1902 г. удача повернулась к Эйнштейну лицом. Друг помог ему поступить экспертом в Швейцарское патентное бюро. Именно на этом скромном посту он и начал величайшую революцию современной физики. Анализ изобретений не занимал много времени, и Эйнштейн часами размышлял о проблемах физики, которые занимали его с детства.

В чем секрет его гения? Возможно, одной из ключевых черт таланта Эйнштейна была его способность думать в терминах физической картины (представлять себе движущиеся поезда, ускоряющиеся часы, растянутое полотно и т. п.), а не чистой математики. Сам Эйнштейн однажды сказал, что, если некую теорию нельзя объяснить ребенку, она, скорее всего, бесполезна; это значит, что суть теории должна выражаться той самой физической картиной. Сколько физиков заблудились в дебрях математики, которая сама по себе никуда не ведет! Но Эйнштейн, как прежде Ньютон, не мог без физической картины; математика появлялась потом. Для Ньютона физическую картину олицетворяли падающее яблоко и Луна. Одни и те же силы заставляют яблоко падать, а Луну ходить по своей орбите или разные? Когда Ньютон решил, что эти силы идентичны, он выстроил математическое здание Вселенной и неожиданно раскрыл величайшую тайну небес, законы движения самих небесных тел.
Эйнштейн и относительность

Альберт Эйнштейн предложил знаменитую теорию относительности в 1905 г. В центре его теории — картинка, понятная даже ребенку. Эта теория стала ярчайшим выражением мечты, владевшей Эйнштейном с 16 лет; он тогда задал себе судьбоносный вопрос: что произойдет, если обогнать луч света? Уже юношей он знал, что движение объектов на Земле и в небесах подчиняется механике Ньютона, а свет описывается теорией Максвелла. На тот момент вся физика стояла именно на этих двух столпах.

Эйнштейн первым понял, что «столпы» противоречат друг другу; может быть, в этом и состоит сущность его гения. Один из столпов должен был пасть.

Согласно Ньютону, обогнать свет можно без особого труда — ведь ни сам свет, ни его скорость не представляют собой ничего особенного. Это означало, что если вы будете нестись рядом с лучом света со скоростью, равной его скорости, то луч в вашей системе координат остановится. Но Эйнштейн еще в юности понял, что никто никогда не видел неподвижной световой волны — и вообще непонятно, как ее можно остановить. А значит, решил он, механика Ньютона здесь не работает.

В конце концов Эйнштейн нашел ответ на этот вопрос; он был тогда студентом в Цюрихе и изучал теорию Максвелла. Он обнаружил факт, которого не знал даже Максвелл: что скорость света постоянна и не зависит от скорости вашего движения. Не важно, будете ли вы нестись прочь от светового луча или догонять его, сам он будет двигаться с прежней скоростью, но это, вообще говоря, противоречит здравому смыслу. Эйнштейн нашел ответ на свой детский вопрос: невозможно лететь рядом со световым лучом, потому что он всегда удаляется от вас с одинаковой скоростью, как бы быстро ни двигались вы сами.

Но ньютонова механика — сложная система с прочными и жесткими связями: если потянуть за свободный кончик, т.е. хоть немного изменить исходные данные, вся система рассыплется. В теории Ньютона время в любой точке Вселенной течет одинаково. Одна секунда на Земле в точности равна одной секунде на Марсе или Венере. Точно так же метр на Земле имеет в точности ту же длину, что метр на Плутоне. Но если предположить, что скорость света постоянна и не зависит от скорости движения наблюдателя, то надо полностью менять представления о пространстве и времени. Чтобы скорость света оставалась постоянной, и пространство, и время необходимо было серьезно исказить.

Согласно Эйнштейну, если вы находитесь в быстро летящем космическом корабле, ход времени в нем замедляется по отношению к земному времени. Время в корабле и на Земле идет с разной скоростью, в зависимости от того, насколько быстро движется корабль. Мало того, пространство внутри корабля сжимается, и в зависимости от скорости его движения метр может изменять свою длину, а масса корабля увеличивается. Если бы мы заглянули в такой космический корабль, скажем, при помощи телескопа, мы бы увидели, что часы идут медленно, и люди — сплющенные по ходу движения корабля — двигаются тоже замедленно.

Вообще говоря, если бы ракета летела со скоростью света, то время в ней, по всей видимости, остановилось бы, сама она схлопнулась бы до нулевой длины, а масса ее стала бы бесконечной. Поскольку все это представляется невыполнимым и противоречит здравому смыслу, Эйнштейн объявил, что световой барьер преодолеть невозможно. (Тот факт, что объект становится тем тяжелее, чем быстрее он движется, означает, что энергия движения переходит в массу. Точное количество энергии, которая при этом превращается в массу, посчитать несложно — всего за несколько строк преобразований можно получить знаменитое уравнение Е = mc2.)

С тех пор как Эйнштейн вывел свое прославленное уравнение, его революционные идеи нашли подтверждение буквально в миллионах экспериментов. К примеру, система GPS, способная определить ваше положение на Земле с точностью до нескольких метров, не сможет работать, если не вводить в нее релятивистские поправки. (Поскольку военные теперь тоже зависят от системы GPS, физикам пришлось вводить в курс теории относительности Эйнштейна даже генералов Пентагона.) Часы GPS действительно замедляются при движении спутников по орбите, как и предсказывал Эйнштейн.

Самое наглядное подтверждение справедливости этой концепции можно найти в ускорителях, где ученые разгоняют частицы до околосветовых скоростей, На гигантском ускорителе CERN, построенном в Швейцарии недалеко от Женевы, — Большом адронном коллайдере — протоны ускоряются до нескольких триллионов электрон-вольт и приближаются вплотную к скорости света.

Для ученого-ракетчика световой барьер пока не представляет насущной проблемы, ведь скорости современных ракет составляют всего лишь 10-15 км/с. Но лет через сто или двести, когда ученые всерьез задумаются об отправке зондов к ближайшей звезде (которую отделяют от Земли четыре с небольшим световых года), световой барьер, скорее всего, постепенно превратится в проблему.
Лазейки в теории Эйнштейна

Несколько десятилетий физики пытаются отыскать в знаменитом постулате Эйнштейна хоть какие-то лазейки. Кое-что удалось обнаружить, но в большинстве своем эти лазейки не слишком полезны практически. К примеру, если провести по небосводу лучом фонарика, то в принципе световой зайчик от луча может двигаться быстрее света. За несколько секунд образ светового луча проходит расстояние между противоположными точками горизонта, составляющее, вообще говоря, сотни световых лет. Но это не имеет значения, так как таким образом невозможно передать какую бы то ни было информацию. Получается, что образ светового луча превысил скорость света, но образ как таковой не несет ни энергии, ни информации.

Точно так же, если взглянуть на ножницы, то можно заметить, что точка встречи лезвий движется тем быстрее, чем дальше мы уходим от «гвоздика». Если представить себе ножницы длиной, скажем, в один световой год, то при их закрывании точка встречи лезвий будет двигаться быстрее света. (Это опять же не имеет значения, так как точка встречи лезвий не несет ни энергии, ни информации, а значит, таким образом невозможно ничего передать.)

Еще пример. Как я уже упоминал в главе 4, эксперимент Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) в принципе позволяет посылать информацию со скоростью, превышающей скорость света. (Напомню: в этом эксперименте два электрона, которые колеблются в унисон, увозят затем в противоположных направлениях. Поскольку эти электроны когерентны, информация между ними может передаваться со скоростью, превышающей скорость света, но эта информация случайна и потому бесполезна. Поэтому ЭПР-машины невозможно использовать для отправки зондов к далеким звездам.)

Физики считают, что на самую важную лазейку в своей теории указал сам Эйнштейн. В 1915 г. он создал общую теорию относительности, еще более мощную, чем специальная теория относительности. Первые ростки новой теории возникли у Эйнштейна, когда он наблюдал за движением детской карусели. Как мы уже говорили, при приближении к скорости света объекты сжимаются. Чем быстрее мы движемся, тем сильнее сжимаемся. Но во вращающемся диске внешние слои движутся быстрее, чем внутренние. (А центр практически остается на месте.) Это означает, что линейка, помещенная на край диска, должна будет сжаться, а такая же линейка ближе к центру останется почти неизменной, — а значит, поверхность карусели будет уже не плоской, а вогнутой. Сделаем вывод; ускорение карусели искривляет на ней пространство и время.

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"».
Двигатель Алькубьерре и отрицательная энергия

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.

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.
Кротовые норы и черные дыры

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.

Ситуация кардинально изменилась с выходом в том же году статьи Роберта Оппенгеимера и его ученика Хартланда Снаидера; в этой работе ученые показали, что черные дыры все же могут формироваться естественным путем. Они предположили, что умирающая звезда, которая практически полностью истратила свое ядерное топливо, коллапсирует под действием гравитационных сил, т. е. схлопывается под собственной тяжестью. Если гравитация сможет сжать звезду до размеров, меньших, чем радиус горизонта событий, то дальше уже ничто на свете не сможет помешать ей сжать звезду в точку и превратить в черную дыру. (Вполне возможно, что рассмотренный здесь механизм коллапса подсказал Оппенгеймеру идеи, которые он через несколько лет использовал при создании бомбы для Нагасаки, при детонации которой используется взрывное обжатие плутониевого шара.)

Следующий прорыв имел место в 1963 г., когда новозеландский математик Рой Керр исследовал, возможно, самый реалистичный образчик черной дыры. Сжимаясь, объекты ускоряют свое вращение — примерно так же, как фигуристы начинают вращаться быстрее, когда прижимают руки к телу. Можно сделать вывод, что черные дыры должны вращаться с фантастическими скоростями.

Керр обнаружил, что вращающаяся черная дыра не схлопнется в точечную звезду, как предполагал Шварцшильд, а сожмется и образует вращающееся кольцо. Любой, кому не повезет и кто наткнется на это кольцо, погибнет; но тот, кто угодит в отверстие кольца, не умрет, а пройдет его насквозь. И окажется при этом не по другую сторону все того же кольца, а в другой вселенной, потому что, попав в кольцо, он пройдет по мосту Эйнштейна-Розена. Другими словами, вращающаяся черная дыра — это обод зеркала, сквозь которое проходила сказочная Алиса.

Если этот человек затем обогнет кольцо и пройдет через него еще раз, он окажется в следующей вселенной. Вообще, каждое последовательное прохождение через вращающееся кольцо приведет путешественника в очередную параллельную вселенную — примерно как нажатие кнопки «вверх» в лифте. В принципе может существовать бесконечное число вселенных, одна над другой. «Пройди сквозь это волшебное кольцо и — опа! — ты уже совершенно в другой вселенной, где радиус и масса отрицательны!» — писал Керр.

Но здесь есть очень важная ловушка. Черная дыра — хороший образец «необратимой кротовой норы»; а значит, через горизонт событий можно пройти только в одном направлении. Стоит миновать горизонт событий и кольцо Керра — и вы уже не сможете вернуться назад тем же путем.

Но в 1988 г. Кип Торн и его коллеги по Калифорнийскому технологическому рассчитали обратимую кротовую нору, т. е. такую, через которую можно свободно проходить в обоих направлениях, туда и обратно. Для одного из их решений путешествие через кротовую нору не опаснее полета на самолете!

В обычных условиях сила тяжести стремится раздавить и раздавит «трубку» кротовой норы, погубив при этом астронавтов, которые попытаются в этот момент достичь другого ее конца. Этого достаточно, чтобы сделать мгновенное перемещение через кротовые норы невозможным. Но можно предположить, что сила отталкивания, присущая отрицательной энергии или отрицательному веществу, сможет удержать трубку открытой на достаточный промежуток времени, чтобы астронавты успели миновать опасную зону. Другими словами, отрицательное вещество или отрицательная энергия совершенно необходимы и для двигателя Алькубьерре, и для схемы с использованием кротовых нор.

За последние несколько лет было обнаружено поразительное число точных решений уравнений Эйнштейна, допускающих существование кротовых нор. Но существуют ли они на самом деле? Или, может быть, это просто математическая фантазия? Кроме того, с кротовыми норами связано несколько серьезных проблем.

Во-первых, для создания сильных искажений пространства-времени, необходимых для путешествия через кротовые норы, потребуется неслыханное количество положительного и отрицательного вещества — порядка громадной звезды или черной дыры. По оценке Мэтью Виссера, физика из Вашингтонского университета, для создания кротовой норы диаметром 1 м необходимо столько отрицательной энергии, что ее количество можно сравнить с массой Юпитера — и при этом она должна быть отрицательной! Виссер говорит: «Для этой работы потребуется примерно минус одна масса Юпитера. А управлять даже положительной энергией, сравнимой с массой Юпитера, мягко говоря, непросто и выходит далеко за рамки наших возможностей в пред ставимом будущем».

Кип Торн из Калифорнийского технологического института рассуждает так: «Похоже, что законы физики действительно разрешают существование экзотического вещества в количестве, достаточном для удержания в стабильном состоянии кротовой норы размером с человека. Но тут же выясняется, что технология строительства кротовых нор и удержания их в открытом состоянии для нас непредставима и находится далеко за пределами возможностей человеческой цивилизации».

Во-вторых, мы не знаем, насколько стабильными окажутся эти кротовые норы. Кроме того, излучение, которое будет в них генерироваться, может оказаться убийственным для любого, кто проникнет внутрь. А может быть, кротовые норы вообще будут нестабильны и станут схлопываться, стоит кому-нибудь или чему-нибудь попасть внутрь.

В-третьих, лучи света при проникновении в черную дыру будут испытывать синее смещение; это означает, что, подходя к горизонту событий, они будут приобретать все большую и большую энергию. Более того, на самом горизонте событий свет теоретически должен испытывать бесконечное голубое смещение и обладать бесконечной энергией, поэтому входящее излучение в черной дыре может оказаться смертельным для экипажа корабля.

Давайте обсудим эти проблемы немного подробнее. Первая проблема — накопить и собрать в одной точке достаточно энергии, чтобы разорвать ткань пространства-времени. Простейший способ добиться этого — сжать объект так, чтобы он стал меньше собственного горизонта событий. К примеру, для Солнца это означало бы сжать его до диаметра примерно в 3 км, после чего Солнце уже само коллапсирует и превратится в черную дыру. (Собственное тяготение Солнца слишком слабо, чтобы естественным путем сжать его до такого диаметра, поэтому наше светило никогда не станет черной дырой. В принципе это означает, что любое тело, даже ваше, способно превратиться в черную дыру, если его как следует сжать. Для человеческого тела это означало бы сжать все его атомы до размера, меньшего, чем субатомные расстояния, — эта операция лежит далеко за пределами возможностей современной науки.)

Чуть более практичный подход — взять батарею лазеров, собрать лучи и направить полученный мощный луч в определенную точку. Или построить гигантский ускоритель, разогнать в нем два пучка, которые затем столкнутся с выделением фантастического количества энергии, достаточного для создания крошечного разрыва пространства-времени.
Планковская энергия и ускорители частиц

Можно заранее рассчитать энергию, необходимую для создания нестабильности пространства-времени: по порядку величины она соответствует планковской энергии, составляющей 1019 МэВ. Это поистине невообразимо большая величина; она в квадриллион раз превосходит величины энергий, достижимых на самом мощном современном ускорителе — Большом адронном коллайдере (БАК, LHC), построенном в Швейцарии возле Женевы. Этот коллайдер способен разгонять в большом «бублике» протоны до энергий в триллионы электронвольт, которых не бывало с момента Большого взрыва. Но даже этой чудовищной машине далеко до создания частиц с энергиями, которые хотя бы отдаленно приближались к планковской энергии.

Следующим после Большого адронного коллайдера ускорителем станет Международный линейный коллайдер (МЛК, ILC). Вместо того чтобы гонять элементарные частицы по кругу, линейный коллайдер будет выстреливать и разгонять их на прямой, пока они не достигнут невообразимо высоких энергий. После этого поток электронов предполагается столкнуть с позитронами, создавая таким образом громадный выброс энергии. Длина МЛК составит 30-40 км и в десять раз превзойдет длину Стэнфордского линейного ускорителя, который на данный момент является крупнейшим в мире. Если все пойдет хорошо, МЯК будет сооружен где-нибудь в следующем десятилетии.

Предполагается, что МЛК будет выдавать энергии от 0,5 до 1,0 ТэВ. Это меньше, чем 14 ТэВ, которые можно получить на БАК, но такое впечатление обманчиво. В БАК сталкиваются протоны, а значит, реально в столкновении участвуют кварки, из которых состоит протон. В каждом индивидуальном столкновении кварков задействовано значительно меньше 14 ТэВ. Поэтому на МЛК можно будет получить большие энергии столкновения, нежели на БАК. Кроме того, поскольку у электрона нет известных составных частей, динамика столкновения между электроном и позитроном значительно проще и «чище».

Честно говоря, и МЛК будет очень далеко до энергий того уровня, который необходим, чтобы проделать дыру в пространстве-времени. Для этого потребовался бы в квадриллион раз более мощный ускоритель. Для нашей цивилизации — цивилизации нулевого типа, использующей в качестве топлива остатки растений (т. е. нефть и уголь), — эта технология совершенно недостижима. Но цивилизация III типа, возможно, сумеет овладеть ею.

Вспомним, что цивилизация III типа является галактической по использованию энергии и потребляет ее в 10 млрд раз больше, чем цивилизация II типа, источником энергии которой служит одна-единственная звезда. А цивилизация II типа, в свою очередь, потребляет в 10 млрд раз больше энергии, чем цивилизация I типа, использующая лишь энергию собственной планеты. А ведь уже через 100-200 лет наша слабенькая цивилизация должна достигнуть статуса цивилизации I типа.

Имея в виду наши перспективы, следует сделать вывод, что в настоящий момент мы находимся в самом начале длинного-длинного пути к получению планковской энергии. Многие физики считают, что на чрезвычайно малых расстояниях — порядка планковской длины, которая составляет 10-33 см, — пространство не пусто и не однородно, но «пенится»; оно наполнено крошечными пузырьками, которые постоянно возникают и сталкиваются с другими такими же пузырьками, а затем снова пропадают в вакууме. Пузырьки, которые возникают и пропадают в вакууме, — это «виртуальные вселенные»; они очень напоминают пары виртуальных частиц — электронов и позитронов, которые возникают и тут же аннигилируют.

В обычных обстоятельствах эта квантовая пространственно-временная «пена» совершенно незаметна нам. Пузырьки формируются на таких крошечных расстояниях, что мы не в состоянии их увидеть. Но квантовая физика считает, что если сконцентрировать в одной точке достаточно энергии, вплоть до планковской энергии, то эти пузырьки могут увеличиться. Тогда мы увидим, как пространство-время пенится крошечными пузырьками, и каждый такой пузырек — кротовая нора, соединяющая наш мир с готовой родиться дочерней вселенной.

В прошлом дочерние вселенные считались интеллектуальной забавой, причудливым следствием чистой математики. Но теперь физики всерьез считают, что когда-то наша Вселенная, вполне возможно, тоже начинала как одна из них.

Такой вывод основан на чистых и пока довольно произвольных рассуждениях, но законы физики позволяют открыть дыру в пространстве путем концентрации в одной точке достаточного количества энергии; энергия позволяет нам добраться до пространственно-временной пены, из которой возникают кротовые норы, соединяющие нашу вселенную с другой, дочерней вселенной.

Создание дыры в пространстве потребует, разумеется, технологии совершенно иного уровня, чем наша, но в то же время цивилизации III типа этот уровень вполне может оказаться доступен. К примеру, имеется такая штука под названием «настольный струйный плазменный ускоритель»; в последнее время в этом направлении получены многообещающие результаты. Несмотря на крошечные размеры — а этот ускоритель действительно может поместиться на столе, — прибор способен генерировать энергии в миллиарды электронвольт. Принцип работы струйного ускорителя состоит в том, что лазерный луч направляют на заряженные частицы, которые затем разгоняются за счет энергии лазера. Эксперименты, проведенные в научном центре Стэнфордского линейного ускорителя, в Лаборатории Резерфорда-Эпплтона в Англии и в парижской Политехнической школе показывают, что использование лазерного луча и плазмы в качестве источника энергии позволяет разгонять частицы на достаточно небольшом расстоянии до чрезвычайно высоких энергий.

Еще одно чрезвычайно важное открытие было сделано в 2007 г. Физики и инженеры научного центра Стэнфордского линейного ускорителя, Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе и Университета Южной Калифорнии продемонстрировали, что энергию громадного ускорителя частиц можно удвоить на протяжении всего 1 м. Они начали с пучка электронов, который разгоняется в двухмильной трубе Стэнфордского ускорителя до энергии в 42 МэВ. Затем эти электроны, и без того обладающие высокой энергией, пропускают через плазменную «форсажную камеру» длиной всего лишь 88 см; в ней электроны набирают еще по 42 ГэВ, удваивая таким образом свою энергию. (Эта плазменная камера заполнена газообразным литием. Электроны, проходя через газ, порождают плазменную волну и, как следствие этого, попутную струю. Этот поток, в свою очередь, как бы подхватывает следующие электроны пучка и толкает их вперед, придавая дополнительное ускорение.) Это поразительное достижение — ведь физикам удалось в 3000 раз превзойти предыдущий рекорд по количеству энергии, которое можно передать электронному пучку за 1 м. Если добавить такие плазменные «дожигатели» к уже существующим ускорителям, можно в принципе почти даром удваивать энергию получаемых частиц.

На сегодняшний день мировой рекорд для настольного струйного ускорителя составляет 200 ГэВ/м. Увеличение длины такого ускорителя пока представляется проблематичным — слишком много возникает проблем (таких, как поддержание стабильности пучка при разгоне его лазерным лучом). Но если предположить, что мы научимся все же произвольно увеличивать длину такого ускорителя с сохранением уровня энергии 200 ГэВ/м, то в этом случае длина ускорителя, способного разогнать частицы до планковской энергии, должна будет составить десять световых лет. Это вполне по силам цивилизации III типа.

По всей видимости, кротовые норы и растянутое пространство — самые реальные способы преодолеть световой барьер. Пока неясно, стабильны ли эти технологии; но даже если они стабильны, нам потребовалось бы сказочное количество энергии — положительной или отрицательной, — чтобы заставить их реально работать.

Может быть, уже сейчас какая-нибудь цивилизация III типа обладает подобными технологиями. Но пройдут, возможно, тысячи лет, прежде чем человечество сможет хотя бы всерьез задуматься о том, чтобы обуздать подобную мощь. Кроме того, еще разрешены не все противоречия в отношении законов, которыми управляется пространство-время на квантовом уровне. Учитывая все вышесказанное, я отнес бы преодоление светового барьера ко II классу невозможности.
Ком-ев: 0 Автор: admin
Вы читаете новость Физика невозможного - Быстрее света если Вам понравилась статья Физика невозможного - Быстрее света, прокоментируйте ее.
html-cсылка на публикацию
BB-cсылка на публикацию
Прямая ссылка на публикацию

Добавьте комментарий