У «Зоряних війнах» є такий епізод. «Тисячолітній сокіл» з героями - Люком Скайуокером і Ханом Соло - на борту злітає з пустельної планети Татуїн і зустрічає на околопланетной орбіті ескадру імперських бойових кораблів. Імперці починають обстрілювати корабель наших героїв з бойових лазерів, залпи яких незмінно пробивають його захисне поле. Сили не рівні, «Сокіл» відверто програє противнику в огаевой мощі. Хан Соло корабель кидає з боку в бік, ухиляючись від вогню, і кричить, що їх єдина надія - стрибок у «гіперпростір». В останній момент гиперпространственные двигуни спрацьовують. Всі зірки навколо раптово «вибухають» сліпучими променями сходяться і спрямовуються до центру оглядового екрана. Відкривається «діра», через яку «Тисячолітній сокіл» спрямовується до гиперпространству і свободу.

Фантастика? Звичайно. Але може бути, що вона заснована на наукових фактах? Бути може. Подорожі швидше світла завжди були однією з ключових тем наукової фантастики, але останнім часом і фізики почали всерйоз замислюватися про можливості таких подорожей.

Згідно Ейнштейну, швидкість світла являє собою абсолютний межа швидкості, швидше якого не може рухатися ніщо у Всесвіті. Навіть найпотужніші наші прискорювачі, здатні надавати часткам неймовірні енергії - частинки з такою енергією можна виявити тільки в центрі вибухаючої зірки або, скажімо, в момент Великого вибуху, - не можуть розігнати елементарні частинки до швидкості, що перевищує швидкість світла. Очевидно, що швидкість світла - абсолютний даішник Всесвіту. Але якщо це так, всі наші надії дістатися коли-небудь до віддалених галактик нічого не варті.

А може бути, все не так сумно...
Ейнштейн-невдаха

У 1902 р. мало хто міг би передбачити, що молодий фізик Альберт Ейнштейн буде визнано найвизначнішим фізиком з часів Ісаака Ньютона. Швидше, навпаки, цей рік став одним з найгірших в його житті. Свіжоспечений кандидат на отримання ступеня доктора філософії не зміг вступити на викладацьку посаду в одному з університетів, в які звертався. (Пізніше він дізнався, що його професор Генріх Вебер написав для нього жахливі рекомендаційні листи, можливо, в помсту за численні заняття, зірвані з вини норовливого студента.) Мало того, мати Ейнштейна була налаштована категорично проти його подружки Мілеви Марич, яка в той момент була вагітна його дитиною. В результаті їхня перша донька Лізерл народилася поза шлюбом. Не щастило молодому Альберту і з тимчасовою роботою - раптово його звільнили навіть з жалюгідною посади підмінного вчителя. В похмурих листах того часу зустрічаються роздуми про те, чи не зайнятися йому торгівлею, щоб заробити на життя. Він навіть пише рідним, що краще б йому ніколи не народитися, - адже він тяжка тягар для сім'ї і не має жодних шансів на успіх у житті. Коли помер його батько, Ейнштейн відчув сором; батько помер, вважаючи сина повним невдахою.

Але трохи пізніше в тому ж 1902 р. удача повернулася до Ейнштейна особою. Друг допоміг йому поступити експертом в Швейцарське патентне бюро. Саме на цьому скромному посту він і почав найбільшу революцію сучасної фізики. Аналіз винаходів не займав багато часу, і Ейнштейн годинами міркував про проблеми фізики, які займали його з дитинства.

У чому секрет його генія? Можливо, однією з ключових рис таланту Ейнштейна була його здатність думати в термінах фізичної картини (уявляти собі рухомі поїзда, прискорювані годинник, розтягнуте полотно тощо), а не чистої математики. Сам Ейнштейн якось сказав, що якщо якусь теорію не можна пояснити дитині, вона, швидше за все, марна; це означає, що суть теорії повинна виражатися тієї самої фізичної картиною. Скільки фізиків заблукали в нетрях математики, яка сама по собі нікуди не веде! Але Ейнштейн, як перш Ньютон, не міг без фізичної картини; математика з'являлася потім. Для Ньютона фізичну картину уособлювали падаюче яблуко і Місяць. Одні і ті ж сили змушують яблуко падати, а Місяць ходити по своїй орбіті чи різні? Коли Ньютон вирішив, що ці сили ідентичні, він вибудував математичне будівлю Всесвіту і несподівано розкрив велику таємницю небес, закони руху самих небесних тел.
Ейнштейн і відносність

Альберт Ейнштейн запропонував знамениту теорію відносності в 1905 р. В центрі його теорії - картинка, зрозуміла навіть дитині. Ця теорія стала найяскравішим виразом мрії, яка володіла Ейнштейном з 16 років; він тоді поставив собі доленосне питання: що станеться, якщо обігнати промінь світла? Вже юнаком він знав, що рух об'єктів на Землі і в небесах підпорядковується механіки Ньютона, а світло описується теорією Максвелла. На той момент вся фізика стояла саме на цих двох стовпах.

Ейнштейн першим зрозумів, що «стовпи» суперечать одне одному; може бути, в цьому і полягає сутність його генія. Один із стовпів мав упасти.

Згідно Ньютону, обігнати світло можна без особливих труднощів - адже ні сам світ, ні його швидкість не являють собою нічого особливого. Це означало, що якщо ви будете нестися поруч з променем світла зі швидкістю, рівної швидкості, то промінь у вашій системі координат зупиниться. Але Ейнштейн ще в юності зрозумів, що ніхто ніколи не бачив нерухомої світлової хвилі - і взагалі незрозуміло, як її можна зупинити. А значить, вирішив він, механіка Ньютона тут не працює.

Зрештою Ейнштейн знайшов відповідь на це питання; він був тоді студентом в Цюріху і вивчав теорію Максвелла. Він виявив факт, якого не знав навіть Максвелл: що швидкість світла постійна і не залежить від швидкості руху. Не важливо, чи ви будете нестися геть від світлового променя або наздоганяти його, сам він буде рухатися з такою швидкістю, але це, взагалі кажучи, суперечить здоровому глузду. Ейнштейн знайшов відповідь на своє дитяче питання: неможливо летіти поруч зі світловим променем, тому що він завжди віддаляється від вас з однаковою швидкістю, як би швидко рухалися ви самі.

Але ньютонова механіка - складна система з міцними і жорсткими зв'язками: якщо потягнути за вільний кінчик, тобто хоч трохи змінити вихідні дані, вся система розсиплеться. У теорії Ньютона час в будь-якій точці Всесвіту тече однаково. Одна секунда на Землі в точності дорівнює одній секунді на Марсі або на Венері. Точно так само на метр Землі має в точності ту ж довжину, що метр на Плутоні. Але якщо припустити, що швидкість світла постійна і не залежить від швидкості руху спостерігача, то треба повністю змінювати уявлення про простір і час. Щоб швидкість світла залишалася постійною, і простір, і час необхідно було серйозно спотворити.

Згідно Ейнштейну, якщо ви перебуваєте в швидко летить космічному кораблі, хід часу в ньому уповільнюється по відношенню до земного часу. Час в кораблі і на Землі йде з різною швидкістю, залежно від того, наскільки швидко рухається корабель. Мало того, що простір всередині корабля стискається, і в залежності від швидкості його руху метр може змінювати свою довжину, а маса корабля збільшується. Якщо б ми заглянули в такий космічний корабель, скажімо, за допомогою телескопа, ми б побачили, що годинник йдуть повільно, і люди - сплющені по ходу руху корабля - рухаються теж уповільнено.

Взагалі кажучи, якщо б ракета летіла зі швидкістю світла, то час у ній, очевидно, зупинився б, сама вона схлопнув б до нульової довжини, а маса її стала б нескінченною. Оскільки все це видається нездійсненним і суперечить здоровому глузду, Ейнштейн оголосив, що світловий бар'єр подолати неможливо. (Той факт, що об'єкт стає тим важче, чим швидше він рухається, означає, що енергія руху переходить в масу. Точна кількість енергії, яка при цьому перетворюється в масу, порахувати нескладно - всього за кілька рядків перетворень можна отримати знамените рівняння Е = mc2.)

З тих пір як Ейнштейн вивів своє прославлене рівняння, його революційні ідеї знайшли підтвердження буквально в мільйонах експериментів. Наприклад, система GPS, здатна визначити ваше положення на Землі з точністю до кількох метрів, не зможе працювати, якщо не вводити в неї релятивістські поправки. (Оскільки військові тепер теж залежать від системи GPS, фізикам довелося вводити в курс теорії відносності Ейнштейна навіть генералів Пентагону.) Годинник GPS дійсно сповільнюються при русі супутників на орбіті, як і передбачав Ейнштейн.

Саме наочне підтвердження справедливості цієї концепції можна знайти в прискорювачах, де науковці розганяють частинки до близькосвітлових швидкостей, На гігантському прискорювачі CERN, побудованому в Швейцарії неподалік від Женеви, - Великому адронному колайдері - протони прискорюються до декількох трильйонів електрон-вольт і впритул наближаються до швидкості світла.

Для вченого-ракетника світловий бар'єр поки не представляє нагальної проблеми, адже швидкості сучасних ракет становлять лише 10-15 км/с. Але років через сто чи двісті, коли вчені всерйоз задумаються про відправку зондів до найближчої зірки (яку відокремлюють від Землі чотири з невеликим світлових року), світловий бар'єр, швидше за все, поступово перетвориться на проблему.
Лазівки в теорії Ейнштейна

Кілька десятиліть фізики намагаються відшукати в знаменитому постулат Ейнштейна хоч якісь лазівки. Дещо вдалося виявити, але в більшості своїй ці лазівки не надто полізни практично. Приміром, якщо провести по небу променем ліхтарика, то в принципі світловий зайчик від променя може рухатися швидше світла. За кілька секунд образ світлового променя проходить відстань між протилежними точками горизонту, що становить, взагалі кажучи, сотні світлових років. Але це не має значення, так як таким чином неможливо передати будь-яку інформацію. Виходить, що образ світлового променя перевищив швидкість світла, але образ як такий не несе ні енергії, ні інформації.

Точно так само, якщо поглянути на ножиці, то можна помітити, що точка зустрічі лез рухається тим швидше, чим далі ми йдемо від «гвоздика». Якщо уявити собі ножиці довжиною, скажімо, в один світловий рік, то при їх закриванні точка зустрічі лез буде рухатися швидше світла. (Це знову ж таки не має значення, так як точка зустрічі лез не несе ні енергії, ні інформації, а значить, таким чином неможливо нічого передати.)

Ще приклад. Як я вже згадував у главі 4, експеримент Ейнштейна-Подільського-Розена (ЕПР) в принципі дозволяє посилати інформацію зі швидкістю, що перевищує швидкість світла. (Нагадаю: у цьому експерименті два електрони, які коливаються в унісон, потім відвозять в протилежних напрямках. Оскільки ці електрони когерентны, інформація між ними може передаватися зі швидкістю, що перевищує швидкість світла, але ця інформація випадкова і тому марна. Тому ЕПР-машини неможливо використовувати для відправки зондів до далеких зірок.)

Фізики вважають, що на саму важливу лазівку в своїй теорії вказав сам Ейнштейн. У 1915 р. він створив загальну теорію відносності, ще більш потужну, ніж спеціальна теорія відносності. Перші паростки нової теорії виникли у Ейнштейна, коли він спостерігав за рухом дитячої каруселі. Як ми вже говорили, при наближенні до швидкості світла об'єкти стискаються. Чим швидше ми рухаємося, тим сильніше стискається. Але в обертовому диску зовнішні шари рухаються швидше, ніж внутрішні. (А центр практично залишається на місці.) Це означає, що лінійка, вміщена на край диска, повинна стиснутися, а така ж лінійка ближче до центру залишиться майже незмінною, - а значить, поверхня каруселі буде вже не плоскою, а ввігнутою. Зробимо висновок; прискорення каруселі викривляє на ній простір і час.

У загальній теорії відносності простір-час можна порівняти з полотном, яке може стискуватися і розтягуватися. При певних обставинах це полотно може розтягуватися швидше швидкості світла. Наприклад, уявіть собі Великий вибух - 13,7 млрд років тому в гігантському космічному вибуху народилася наша Всесвіт. Можна підрахувати, що спочатку Всесвіт розширювалася швидше швидкості світла. (Це не суперечить спеціальної теорії відносності, так як розширювалася пусте - міжзоряний простір, а не самі зірки. Розширення порожнього простору не несе ніякої інформації.

Найважливіше в цій ситуації те, що спеціальна теорія відносності застосовна тільки локально, тобто в найближчій околиці спостерігача. В нашій найближчій околиці (наприклад, у Сонячній системі) вона працює, в чому ми легко можемо переконатися за даними наших космічних зондів. Але глобально (тобто в космологическом масштабі, в масштабі Всесвіту) ми повинні користуватися не спеціальної, а загальною теорією відносності. В ній простір-час перетворюється в тканину, і ця тканина здатна розтягуватися швидше світла. Крім того, вона допускає існування «просторових дірок», які дозволяють миттєво долати простір і час.

Значить, один із способів подорожувати швидше швидкості світла - скористатися загальною теорією відносності. Зробити це можна двома способами.

1. Розтягнути простір. Якби ми навчилися розтягувати простір позаду себе і стискувати простір попереду, враження б виникло таке, ніби ми перемістилися з одного місця в інше швидше світла. Насправді ми не рухалися б взагалі. Але деформація простору попереду і позаду корабля дозволила б нам в мить ока дістатися до віддалених зірок.

2. Розірвати простір. У 1935 р. Ейнштейн ввів поняття «кротова нора». Уявіть собі дзеркало Аліси - чарівне пристрій, що з'єднує між собою околиці Оксфорда і Країну чудес. Кротова нора - це «пристрій», здатне служити сполучною ланкою між двома всесвітами. У школі ми дізналися, що найкоротша відстань між двома крапками - пряма. Але це не обов'язково так; якщо згорнути аркуш паперу так, щоб точки з'єдналися, то найкоротшим відстанню між ними якраз і стане кротова нора.

Як каже фізик Метт Віссер з Вашингтонського університету, «спільнота релятивістів задумалося про те, що потрібно зробити, щоб вивести двигун деформації простору або кротові нори з категорії наукової фантастики».

А сер Мартін Рис, королівський астроном Великобританії, говорить навіть так: «Кротові нори, додаткові вимірювання і квантові комп'ютери відкривають шлях для безлічі гіпотетичних сценаріїв, які коли-небудь, можливо, перетворять всю нашу Всесвіт у "живий космос"».
Двигун Алькубьерре і негативна енергія

Найкращий приклад розтягування простору - двигун Алькубьерре, запропонований у 1994 р. фізиком Мігелем Алькубьерре з використанням теорії тяжіння Ейнштейна. По суті, це саме той двигун, який фігурує в серіалі «Зоряний шлях». Пілот подібного зорельота перебуває в міхурі (захищає його і сам зореліт від деформації простору); всередині міхура все виглядає зазвичай, навіть коли зореліт долає світловий бар'єр. Більше того, йому здається, що нічого не відбувається. Насправді ж поза міхура простір-час зазнає сильні спотворення; простір перед міхуром стискається. Всередині міхура час не розтягується і продовжує йти нормально.

Алькубьерре визнає, що при розробці проекту двигуна «Зоряний шлях» зіграв чималу роль. «Герої серіалу постійно говорять про деформаційному двигуні, про концепції штучного викривлення простору, - говорить він. - Теорія того, як можна і як не можна спотворювати простір, у нас вже була, це загальна теорія відносності. Я подумав, що повинен бути якийсь спосіб подивитися за допомогою цих концепцій, як має насправді працювати деформаційний двигун». Ймовірно, це перший випадок, коли телешоу надихнуло вченого і допомогло знайти рішення одного з эйнштейновых рівнянь.

Алькубьерре вважає, що подорож на пропонованому ним зорельоті буде схоже на політ на «Тисячолітнього сокола» в «Зоряних війнах». «Мені здається, що екіпаж, ймовірно, повинен побачити щось схоже. Зірки попереду корабля перетворяться на довгі лінії, штрихи. Позаду не буде видно взагалі нічого - тільки чорнота, тому що світло зірок не зможе рухатися достатньо швидко, щоб наздогнати зореліт», - говорить учений.

Ключовим моментом у двигуні Алькубьерре є енергія, за допомогою якої зореліт розганяється до сверхсветових швидкостей. Зазвичай фізики говорять про кораблі, що володіє для початку деяким позитивним кількістю енергії; ця енергія витрачається на розгін корабля, який завжди рухається повільніше світла. Щоб вийти за межі цих умов і рухатися швидше світла, доведеться поміняти паливо. Звичайний розрахунок показує, що нам потрібно «негативна маса» або «негативна енергія» - самі екзотичні, ймовірно, об'єкти у Всесвіті, якщо вони взагалі існують. Раніше фізики відкидали будь-які розмови про негативної енергії і негативною масі як відверто фантастичні. Але тепер стало ясно, що, по-перше, в подорожах з сверхсветовыми швидкостями без них ніяк не обійтися, а по-друге, вони цілком можуть існувати в дійсності.

Вчені шукають негативне речовина в природі, але поки безуспішно. (Антиречовина і негативне речовина - зовсім різні речі. Перше, безумовно, існує і володіє позитивною енергією, але протилежним зарядом. Існування негативного речовини досі не доведено.) Негативне речовина повинна мати дуже незвичайними властивостями; наприклад, воно повинно бути легше порожнечі. Більш того, воно повинно літати. Якщо від'ємне речовина існувало на початку часів, то при народженні Всесвіту воно повинно було піти в глибини простору. На відміну від метеоритів, які при нагоді обрушуються на планети під дією сил тяжіння, негативне речовина повинна тікати від планет. Його повинні відштовхувати, а не притягати будь-які великі тіла, такі як зірки або планети. Тому, хоча негативне речовина цілком може існувати в дійсності, виявити його можна, швидше за все, тільки в глибокому космосі - і вже точно не на Землі.

В одному з проектів пошуку негативного речовини у відкритому космосі пропонується скористатися явищем, відомим як лінза Ейнштейна. Коли світло проходить повз зорі або галактики, його траєкторія спотворюється під дією гравітаційних сил у відповідності із загальною теорією відносності. У 1912 р. Ейнштейн (навіть не закінчивши ще роботу над загальною теорією відносності) передбачив, що галактика може працювати як лінза телескопа. Світло віддаленого об'єкта, огинаючи прилеглу галактику, як якщо б це була лінза, збирається за нею в пучок і утворює характерну інтерференційну картину з концентричних кіл. У такому вигляді він доходить і до Землі. В даний час подібні явища називають кільцями Ейнштейна.

Перша лінза Ейнштейна була виявлена астрономами в космосі в 1979 р. З тих пір подібні об'єкти встигли стати для астрономів незамінним інструментом. Ось лише один приклад. Колись вважалося, що неможливо виявити в космосі приховану масу. (Прихована маса, відома також як темна матерія, - загадкова невидима, але цілком массивна субстанція. Вона оточує галактики і, можливо, у Всесвіті її раз в десять більше, ніж звичайної видимої матерії.) Але вчені NASA зуміли скласти карти розподілу в просторі прихованої маси, так як вона відхиляє світло при проходженні через неї точно так само, як скло викривляє світло.

Отже, теоретично лінзи Ейнштейна повинні допомогти вченим у пошуках негативного речовини і кротячих нір. Вони повинні певним чином спотворювати траєкторію світла - і космічний телескоп імені Габбла повинен бути в змозі зареєструвати такі спотворення. Досі не вдалося виявити ні негативного речовини, ні кротячих нір, але пошуки тривають. І якщо в один прекрасний день детектори космічного телескопа зафіксують в одній з эйнштейновых лінз присутність негативного речовини або кротової нори, весь світ фізики відчує на собі вражаючі наслідки цього відкриття.

Негативна енергія відрізняється від негативного речовини тим, що достовірно існує, хоча і в малюсіньких кількостях. У 1933 р. Хендрік Казимир, спираючись на закони квантової теорії, зробив дуже незвичайне передбачення. Він стверджував, що дві незаряджені паралельні металеві пластини будуть притягатися один до одного як за помахом чарівної палички. Зазвичай паралельні пластини ніяк не впливають один на одного, оскільки не володіють сумарним зарядом. Але вакуум між двома такими пластинами насправді не порожній; він повний «віртуальних частинок», виникають і тут же зникають знову.

На мить з порожнечі виникають пари електрон-позитрон - і тут же анігілюють, знову розчиняючись у вакуумі. Як не дивно, порожнеча, яку колись вважали позбавленої чого б те ні було, насправді наповнена квантовими подіями. Здоровий глузд підказує, що крихітні сплески з одночасним утворенням речовини і антиречовини порушують закон збереження енергії. Але, згідно з принципом невизначеності, ці сплески неймовірно короткий час, і в середньому енергія зберігається.

Казимир виявив, що безліч віртуальних частинок створює у вакуумі ненульове сумарний тиск. Простір між двома паралельними пластинами обмежено, тому і тиск віртуальних частинок там невелика. А от зовні пластин місця багато і їм ніщо не заважає «розвернутися» як слід, тому і тиск там вище; у сумі ж виникає сила, яка штовхає пластини один до одного.

У звичайних обставинах - коли пластини перебувають у спокої і розділені значним відстанню спостерігається стан з нульовою енергією. Але якщо зблизити пластини, вони почнуть притягатися і з них можна витягти певну кількість енергії. Після цього, оскільки в пластин відняли кінетичну енергію, їх власна енергія стає менше, ніж нуль, тобто негативною.

Негативну енергію вперше вдалося виміряти в лабораторії в 1948 р., і результат повністю підтвердив прогноз Казимира. Тепер негативна енергія і ефект Казимира розглядалися вже не наукова фантастика, а як встановлений факт. Проблема, однак, полягає в тому, що ефект Казимира дуже слабкий; щоб виявити цю енергію в лабораторії, необхідно користуватися точним і сучасним вимірювальним обладнанням. (В цілому енергія Казимира назад пропорційна четвертому ступеню відстані між пластинами. Це означає, що чим менше ця відстань, тим більше енергія.) Точно ефект Казимира виміряв в 1996 р, Стівен Ламоро з Лос-Аламоської національної лабораторії; сила тяжіння у нього вийшла в 30 000 разів менше ваги мурашки.

З моменту публікації теорії Алькубьерре фізики встигли виявити в запропонованого їм зорельота чимало дивних властивостей. Приміром, люди всередині корабля причинно ізольовані від зовнішнього світу. Це означає, що неможливо просто натиснути кнопку і полетіти швидше світла. Ви не зможете підтримувати зв'язок із зовнішнім світом за межами захисного міхура. Повинен існувати заздалегідь прокладений «маршрут» через простір і час, і тоді за нього кораблі можуть слідувати один за іншим, як поїзда за розкладом. У цьому сенсі зореліт з Алькубьерре не буде звичайним зорельотом і не зможе довільно змінювати напрямок руху і швидкість. Цей зореліт буде подібний до вагону, який рухається на заздалегідь створеної «хвилі» стиснутого простору за заздалегідь створеного коридору викривленого простору-часу. Алькубьерре міркує так: «Нам потрібно серія генераторів екзотичного речовини, розставлених уздовж траси руху, як уздовж шосе; ці генератори будуть синхронно управляти простором так, як потрібно».

Не можна виключити, що в майбутньому будуть виявлені ще більш дивні й химерні рішення рівнянь Ейнштейна. Самі рівняння говорять про те, що якщо дано певну кількість маси або енергії, то можна розрахувати викривлення простору-часу, яке викличе ця маса або енергія (точно так само, кинувши камінь у воду, ви можете розрахувати кола, які підуть від нього). Але ці рівняння можна застосувати і в зворотному напрямку. Можна почати з заданого стану простору-часу, яким би воно не здавалося дивним. В якості прикладу можна навести химерні світи серіалу «Сутінкова зона». (В тих всесвітів можна, наприклад, відкрити двері і опинитися на місяці. Можна оббігти навколо дерева і опинитись в минулому, а потім виявити до того ж, що серце б'ється з правого боку.) Потім слід розрахувати розподіл речовини і енергії, пов'язане з цим конкретним станом. (Точно так само, якщо задано дивне розподіл хвиль на поверхні води, то можна зробити зворотний розрахунок і визначити, скільки, де і будь каменів було кинуто в ставок.)

Приблизно таким чином, до речі кажучи, Алькубьерре вивів свої рівняння. Він почав з простору-часу, в якому допустимо рух зі сверхсветовой швидкістю, а потім провів зворотний розрахунок і обчислив енергію, необхідну для отримання такого простору-часу.
Кротові нори і чорні діри

Другий після розтягування простору спосіб подолати світловий бар'єр - це розірвати, або проколоти, простір, тобто пройти через кротові нори, тунелі, що з'єднують два всесвіти. В літературі перша згадка про кротячих норах належить перу оксфордського математика Чарльза Доджсона, який написав під псевдонімом Льюїс Керролл казку «Аліса в Задзеркаллі». Дзеркало Аліси і є кротова нора, яка з'єднала околиці Оксфорда з чарівним світом Країни чудес. Простягнувши руку крізь дзеркало, Аліса може миттєво перенестися з однієї всесвіту в іншу. У математиків вони називаються «багаторазово пов'язаними просторами».

У фізиці концепція кротячих нір виникла в 1916 р. - всього через рік після того, як Ейнштейн опублікував свій великий труд - загальну теорію відносності. Фізик Карл Шварцшильд, який служив тоді в кайзерівської армії, знайшов точне рішення рівнянь Ейнштейна для випадку ізольованої точкової зірки. Далеко від зірки її гравітаційне поле дуже схоже на полі звичайної зірки; Ейнштейн навіть скористався рішенням Шварцшильда при обчисленні відхилення траєкторії світла близько зірки. Результат Шварцшильда справив негайне і дуже сильну дію на всі розділи астрономії, і сьогодні він залишається одним з найбільш відомих розв'язків рівнянь Ейнштейна. Кілька поколінь фізиків використовували гравітаційне поле цієї гіпотетичної точкової зірки в якості наближеного вирази для поля навколо реальної зірки з кінцевим діаметром.

Але якщо розглянути це точкове рішення серйозно, то в центрі його несподівано виявиться жахливий точковий об'єкт, який майже століття дивував і шокував фізиків, - чорна діра. Рішення Шварцшильда для поля тяжіння точкової зірки чимось нагадує троянського коня. Зовні воно виглядає як дар небес, а всередині приховує всіляких демонів і духів. Але якщо ви приймаєте одне, то змушені прийняти й інше. З рішення Шварцшильда випливало, що при наближенні до горезвісної точкової зірці відбуваються дивні речі. Сама зірка оточена невидимою сферою (відомої як «горизонт подій»), яка є своєрідною рисою неповернення. Все може проникнути всередину її, але ніщо не може вийти назад. Одного разу пройшовши горизонт подій, ви вже не зможете повернутися назад. (Якщо ви знаходитесь всередині горизонту подій, вам, щоб знову опинитися зовні, потрібно рухатися швидше світла, а це неможливо.)

При наближенні до горизонту подій на атоми вашого тіла почнуть діяти приливні сили, розтягуючи їх. Ваші ноги будуть відчувати набагато більшу силу тяжіння, ніж ваша голова, тому вас спочатку розтягне до стану спагетті, а потім просто розірве. Точно так само станеться з атомами вашого тіла - вони будуть розтягнуті гравітацією, а потім розірвані.

Для зовнішнього спостерігача ваше наближення до горизонту подій буде виглядати так, як ніби ви замедляетесь у часі. Більше того, коли ви доторкнетеся до горизонту подій, спостерігачеві здається, що час зупинився!

Цього мало. Провалившись під горизонт подій, ви побачите світ, замкнений всередині цієї сфери і блукаючий всередині чорної діри мільярди років. Ви ніби побачите фільм, відобразив всю історію чорної діри, з самого моменту її народження.

Нарешті, якщо б вам вдалося пролетіти чорну діру наскрізь, там, з іншого боку, знайдеться інша всесвіт. Це явище, вперше описане Ейнштейном у 1935 р., носить назву моста Ейнштейна-Розена; зараз його називають ще кротової норою.

Ейнштейн та інші фізики були переконані, що жодна зірка не зможе природним чином перетворитися в настільки жахливий об'єкт. У 1939 р. навіть Ейнштейн опублікував статтю, в якій показав, що обертається газопылевая маса ніколи не сконденсируется в таку чорну діру. Тому, незважаючи на приховану в центрі чорної діри кротовую нору, він був впевнений, що ніщо подібне в природі виникнути не може. Астрофізик Артур Еддінгтон якось сказав, що «має існувати закон природи, що не дозволяє зіркам вести себе таким безглуздим чином». Іншими словами, чорна діра, звичайно, законне рішення рівнянь Ейнштейна, але механізм, за допомогою якого така штука могла б сформуватися природним шляхом, невідомий.

Ситуація кардинально змінилася з виходом в тому ж році статті Роберта Оппенгеимера і його учня Хартланда Снаидера; у цій роботі вчені показали, що чорні діри можуть формуватися природним шляхом. Вони припустили, що вмираюча зірка, яка практично повністю витратила своє ядерне пальне, колапсує під дією гравітаційних сил, тобто схлопывается під власною вагою. Якщо гравітація зможе стиснути зірку до розмірів, менших, ніж радіус горизонту подій, то далі вже ніщо на світі не зможе перешкодити їй стиснути зірку в точку і перетворити в чорну діру. (Цілком можливо, що розглянутий тут механізм колапсу підказав Оппенгеймеру ідеї, які він через кілька років використовував при створенні бомби для Нагасакі, при детонації якої використовується вибуховий обтиснення плутонієвого кулі.)

Наступний прорив мав місце у 1963 р., коли новозеландський математик Рой Керр досліджував, можливо, самий реалістичний зразок чорної діри. Стискаючись, об'єкти прискорює своє обертання - приблизно так само, як фігуристи починають обертатися швидше, коли руки притискають до тіла. Можна зробити висновок, що чорні діри повинні обертатися з фантастичними швидкостями.

Керр виявив, що обертається чорна діра не схлопнется в точкову зірку, як припускав Шварцшильд, а стиснеться і утворює обертове кільце. Будь-хто, кому не пощастить і хтось наткнеться на це кільце, загине; але той, хто потрапить в отвір кільця, не помре, а пройде його наскрізь. І виявиться при цьому не по іншу сторону все того ж кільця, а в іншій всесвіту, тому що, потрапивши в кільце, він пройде по мосту Ейнштейна-Розена. Іншими словами, обертається чорна діра - це обід дзеркала, крізь який проходила казкова Аліса.

Якщо ця людина потім обігне кільце і пройде через нього ще раз, він виявиться в наступному всесвіті. Взагалі, кожне послідовне проходження через обертове кільце призведе мандрівника в чергову паралельну всесвіт - приблизно як натискання кнопки «вгору» в ліфті. В принципі може існувати нескінченна кількість всесвітів, одна над іншою. «Пройди крізь чарівне кільце і - опа! - ти вже зовсім в іншій всесвіту, де радіус і маса негативні!» - писав Керр.

Але тут є дуже важлива пастка. Чорна діра - гарний зразок «незворотною кротової нори»; а значить, через горизонт подій можна пройти тільки в одному напрямку. Варто оминути горизонт подій і кільце Керра - і ви вже не зможете повернутися назад тим же шляхом.

Але в 1988 р. Кіп Торн і його колеги з Каліфорнійського технологічного розрахували оборотну кротовую нору, тобто таку, через яку можна вільно проходити в обох напрямках, туди і назад. Для одного з їхніх рішень подорож через кротовую нору не небезпечніше польоту на літаку!

У звичайних умовах сила тяжіння прагне розчавити і розчавить «трубку» кротової нори, зруйнувавши при цьому астронавтів, які спробують в цей момент досягти іншого її кінця. Цього достатньо, щоб зробити миттєве переміщення через кротові нори неможливим. Але можна припустити, що сила відштовхування, притаманна негативної енергії або негативного речовини, зможе утримати трубку відкритої на достатній проміжок часу, щоб астронавти встигли минути небезпечну зону. Іншими словами, негативне речовина або негативна енергія абсолютно необхідні і для двигуна Алькубьерре, і для схеми з використанням кротячих нір.

За останні кілька років було виявлено вражаюче число точних розв'язків рівнянь Ейнштейна, що допускають існування кротячих нір. Але чи існують вони насправді? Або, може бути, це просто математична фантазія? Крім того, з кротовыми норами пов'язано кілька серйозних проблем.

По-перше, для створення сильних викривлень простору-часу, необхідних для подорожі через кротові нори, потрібно нечуване кількість позитивного і негативного речовини - близько величезної зорі чи чорної діри. За оцінкою Метью Віссера, фізика з Вашингтонського університету, для створення кротової нори діаметром 1 м необхідно стільки негативної енергії, що її кількість можна порівняти з масою Юпітера - і при цьому вона повинна бути негативною! Віссер говорить: «Для цієї роботи потрібно приблизно мінус одна маса Юпітера. А керувати навіть позитивною енергією, порівнянної з масою Юпітера, м'яко кажучи, непросто і виходить далеко за межі наших можливостей в перед ставимом майбутньому».

Кіп Торн з Каліфорнійського технологічного інституту міркує так: «Схоже, що закони фізики дійсно дозволяють існування екзотичного речовини в кількості, достатній для утримання в стабільному стані кротової нори розміром з людину. Але тут же з'ясовується, що технологія будівництва кротячих нір і утримання їх у відкритому стані для нас годі уявити і знаходиться далеко за межами можливостей людської цивілізації».

По-друге, ми не знаємо, наскільки стабільними виявляться ці кротові нори. Крім того, випромінювання, яке буде в них генеруватися, може виявитися убивчим для будь-якого, хто проникне всередину. А може бути, кротові нори взагалі будуть нестабільні і стануть схлопуватися, варто кому-небудь або чому-небудь потрапити всередину.

По-третє, промені світла при проникненні в чорну діру будуть відчувати синє зміщення; це означає, що, підходячи до горизонту подій, вони будуть набувати все більшу і більшу енергію. Більш того, на самому горизонті подій світло теоретично повинен відчувати нескінченну блакитне зміщення і володіти нескінченною енергією, тому що входить випромінювання чорної діри може виявитися смертельним для екіпажу корабля.

Давайте обговоримо ці проблеми трохи докладніше. Перша проблема - накопичити і зібрати в одній точці достатньо енергії, щоб розірвати тканину простору-часу. Найпростіший спосіб добитися цього - стиснути об'єкт так, щоб він став менше власного горизонту подій. Наприклад, для Сонця це означало б стиснути його до діаметра приблизно в 3 км, після чого Сонце вже саме колапсує і перетвориться на чорну діру. (Власне тяжіння Сонця занадто слабко, щоб природним шляхом стиснути його до такого діаметру, тому наше світило ніколи не стане чорною дірою. В принципі це означає, що будь-яке тіло, навіть ваше, здатне перетворитися на чорну діру, якщо його як слід стиснути. Для людського тіла це означало б стиснути всі його атоми до розміру, меншого, ніж субатомні відстані, - ця операція лежить далеко за межами можливостей сучасної науки.)

Трохи більш практичний підхід - взяти батарею лазерів, зібрати промені і направити отриманий потужний промінь у задану точку. Або побудувати гігантський прискорювач, розігнати в ньому два пучки, які потім зіткнуться з виділенням фантастичного кількості енергії, достатньої для створення крихітного розриву простору-часу.
Планковская енергія і прискорювачі частинок

Можна заздалегідь розрахувати енергію, необхідну для створення нестабільності простору-часу: за порядком величини вона відповідає планковскої енергії, складовою 1019 Мев. Це справді неймовірно велика величина; вона у квадрильйон разів перевершує величини енергій, досяжних на найпотужнішому сучасному прискорювачі - Великому адронному колайдері (ВАК, LHC), побудованому в Швейцарії біля Женеви. Цей колайдер здатний розганяти у великому «бублику» протони до енергій в трильйони електронвольт, яких не бувало з моменту Великого вибуху. Але навіть цієї жахливої машині далеко до створення частинок з енергіями, які хоча б віддалено наближалися до планковскої енергії.

Наступним після Великого адронного коллайдера прискорювачем стане Міжнародний лінійний коллайдер (МЛК, ILC). Замість того, щоб ганяти елементарні частинки по колу, лінійний коллайдер буде вистрілювати і розганяти їх на прямій, поки вони не досягнуть неймовірно високих енергій. Після цього потік електронів передбачається зіштовхнути з позитронами, створюючи таким чином величезний викид енергії. Довжина МЛК складе 30-40 км і в десять разів перевершить довжину Стенфордського лінійного прискорювача, який на даний момент є найбільшим в світі. Якщо все піде добре, МЯК буде споруджено де-небудь в наступному десятилітті.

Передбачається, що МЛК буде видавати енергії від 0,5 до 1,0 Тев. Це менше, ніж 14 Тев, які можна отримати на БАК, але таке враження оманливе. У БАК стикаються протони, а значить, реально беруть участь у зіткненні кварки, з яких складається протон. У кожному індивідуальному зіткненні кварків задіяно значно менше 14 Тев. Тому на МЛК можна буде отримати великі енергії зіткнення, ніж на БАК. Крім того, оскільки у електрона немає відомих складових частин, динаміка зіткнення між електроном і позитронів значно простіше і «чистіше».

Чесно кажучи, і МЛК буде дуже далеко до енергій того рівня, який необхідний, щоб зробити дірку в просторі-часу. Для цього знадобився б у квадрильйон разів більш потужний прискорювач. Для нашої цивілізації - цивілізації нульового типу, що використовує в якості палива залишки рослин (тобто нафта і вугілля), - ця технологія абсолютно недосяжна. Але цивілізація III типу, можливо, зуміє оволодіти нею.

Згадаймо, що цивілізація III типу є галактичної по використанню енергії і споживає її в 10 млрд раз більше, ніж цивілізація II типу, джерелом енергії якої служить одна-єдина зірка. А цивілізація II типу, у свою чергу, споживає в 10 млрд раз більше енергії, ніж цивілізація I типу, що використовує лише енергію власної планети. А адже вже через 100-200 років наша слабенька цивілізація повинна досягти статусу цивілізації I типу.

Маючи на увазі наші перспективи, слід зробити висновок, що в даний момент ми знаходимося в самому початку довгого-довгого шляху до отримання планковскої енергії. Багато фізиків вважають, що на надзвичайно малих відстанях порядку планковскої довжини, яка становить 10-33 см, - простір не порожньо і не однорідне, але «піниться»; воно наповнене маленькими бульбашками, які постійно виникають і стикаються з іншими такими ж бульбашками, а потім знову зникають у вакуумі. Бульбашки, які виникають і зникають у вакуумі, - це «віртуальні всесвіти»; вони дуже нагадують пари віртуальних частинок - електронів та позитронів, які виникають і тут же анігілюють.

У звичайних обставинах ця квантова просторово-тимчасова «піна» абсолютно непомітна нам. Бульбашки формуються на таких крихітних відстанях, що ми не в змозі їх побачити. Але квантова фізика вважає, що якщо сконцентрувати в одній точці достатньо енергії, аж до планковскої енергії, то ці бульбашки можуть збільшитися. Тоді ми побачимо, як простір-час піниться крихітними бульбашками, і кожен такий пухирець - кротова нора, що з'єднує наш світ з готової народитися дочірньої всесвіту.

У минулому дочірні всесвіти вважалися інтелектуальної забавою, химерним наслідком чистої математики. Але тепер фізики всерйоз вважають, що коли-то наша Всесвіт, цілком можливо, теж починала як одна з них.

Такий висновок ґрунтується на чистих і поки досить довільних міркуваннях, але закони фізики дозволяють відкрити дірку в просторі шляхом концентрації в одній точці достатньої кількості енергії; енергія дозволяє нам дістатися до просторово-часової піни, з якої виникають кротові нори, що з'єднують нашу всесвіт з іншого, дочірньої всесвіту.

Створення дірки в просторі вимагає, зрозуміло, технології зовсім іншого рівня, ніж наша, але в той же час цивілізації III типу цей рівень цілком може виявитися доступний. Наприклад, є така штука під назвою «настільний струменевий плазмовий прискорювач»; останнім часом в цьому напрямку отримані багатообіцяючі результати. Незважаючи на крихітні розміри - а цей прискорювач дійсно може поміститися на столі, - прилад здатний генерувати енергії в мільярди електронвольт. Принцип роботи струминного прискорювача полягає в тому, що лазерний промінь спрямовують на заряджені частинки, які потім розганяються за рахунок енергії лазера. Експерименти, проведені в науковому центрі Стенфордського лінійного прискорювача, в Лабораторії Резерфорда-Епплтона в Англії і в паризькій Політехнічній школі показують, що використання лазерного променя і плазми в якості джерела енергії дозволяє розганяти частинки на досить невеликій відстані до надзвичайно високих енергій.

Ще одне надзвичайно важливе відкриття було зроблено в 2007 р. Фізики та інженери наукового центру Стенфордського лінійного прискорювача, Університету Каліфорнії в Лос-Анджелесі і Університету Південної Каліфорнії продемонстрували, що енергію величезної прискорювача частинок можна подвоїти протягом усього 1 м. Вони почали з пучка електронів, який розганяється в двухмильной трубі Стенфордського прискорювача до енергії в 42 Мев. Потім ці електрони, і без того що володіють високою енергією, пропускають через плазмову «форсажну камеру» довжиною всього лише 88 см; в ній електрони набирають ще по 42 Гев, подвоюючи таким чином свою енергію. (Ця плазмова камера заповнена газоподібним літієм. Електрони, проходячи через газ, породжують плазмову хвилю і, як наслідок цього, попутну струмінь. Цей потік, в свою чергу, як би підхоплює такі електрони пучка і штовхає їх вперед, надаючи додаткове прискорення.) Це вражаюче досягнення фізикам вдалося в 3000 разів перевершити попередній рекорд за кількістю енергії, яку можна передати електронного пучка за 1 м. Якщо додати такі плазмові «допалювачі» до вже існуючих прискорювачам, можна в принципі майже задарма подвоювати енергію одержуваних часток.

На сьогоднішній день світовий рекорд для настільного струминного прискорювача становить 200 Гев/м. Збільшення довжини такого прискорювача поки представляється проблематичним - дуже багато виникає проблем (таких, як підтримка стабільності пучка при розгоні його лазерним променем). Але якщо припустити, що ми навчимося все ж довільно збільшувати довжину такого прискорювача із збереженням рівня енергії 200 Гев/м, то в цьому випадку довжина прискорювача, здатного розігнати частинки до планковскої енергії, повинна буде скласти десять світлових років. Це цілком по силам цивілізації III типу.

По всій видимості, кротові нори і розтягнуте простір - самі реальні способи подолати світловий бар'єр. Поки неясно, стабільні ці технології; але навіть якщо вони стабільні, нам знадобилося б казкове кількість енергії - позитивної або негативної, - щоб змусити їх реально працювати.

Може бути, вже зараз якась цивілізація III типу володіє подібними технологіями. Але пройдуть, можливо, тисячі років, перш ніж людство зможе хоча б серйозно задуматися про те, щоб приборкати подібну потужність. Крім того, ще можна не всі суперечності щодо законів, якими керується простір-час на квантовому рівні. Враховуючи все вищесказане, я відніс би подолання світлового бар'єру до II класу неможливості.