Две научно-фантастические концепции, которые могут оказаться правдой
Многие фантасты предсказывали будущие открытия. Научная фантастика отличается от обычной тем, что в ее основе лежат научные теории и гипотезы. Просто фантасты раздвигают их рамки и расширяют границы их действия.
Герберт Уэллс предсказал появление атомной бомбы и лазеров. Карел Чапек придумал роботов (ему мы и обязаны появлением этого слова). Жюль Верн предсказал множество изобретений.
Попробуем и мы взглянуть в будущее на основе концепций, популярных в научной фантастике. Это гипотезы, построенные на игре математики. Но отталкиваются они от вполне реальных научных постулатов.
Звездолет в пузыре. Как в теории выглядит рабочая модель варп-двигателя, который позволит летать быстрее скорости света
Мечта человечества – летать между звездами и колонизировать новые планеты. Как когда-то Колумб открыл Америку, так и мы, современные люди, хотим совершить открытие новых рубежей. Для начала хотя бы в нашей галактике.
Но наша активность сдерживается огромными сроками таких перелетов.
Например, космический аппарат «Вояджер-1» долетит до ближайшей звезды только через 74 тысячи лет. Срок совершенно неадекватный для любой колонизации.
Даже если мы создадим аппарат, который будет двигаться со скоростью света, проблема кардинально не решится. Свет от ближайшей к нам звездной системы Проксима Центавра летит 4,2 года.
Это уже разумный срок. Но где гарантия, что там есть планеты, пригодные для жизни? А экспансии в другие звездные системы займут десятки и сотни лет. И ведь кораблям где-то надо будет дозаправляться, добывать ресурсы для жизни и т. п. Даже если мы решим все эти вопросы, при достижении новых звезд будут сменяться поколения астронавтов.
Центр галактики вообще становится для нас недостижимым. Солнце находится на периферии нашей галактики, до центра же – 27 тысяч световых лет!
Поэтому ученые уже сейчас пытаются придумать механизмы, которые помогут ускорить межзвездные путешествия.
Одним из таких гипотетических объектов, которые могут быть в природе, являются червоточины. Но о червоточинах – чуть позже. А пока мы поговорим о гипотетическом механизме – варп-двигателе, который является частым гостем в научной фантастике.
Рабочая математическая модель варп-двигателя
Скорость света – максимальная скорость для взаимодействия объектов. А вот пространство способно расширяться быстрее скорости света. Это хорошо наблюдается в рамках инфляционной модели Вселенной. Поэтому, если манипулировать пространством вокруг космического корабля, можно превысить скорость света. Однако есть ограничение общей теории относительности. Объекты ненулевой массы двигаться быстрее скорости света не могут.
Модель варп-двигателя в 1994 году составил мексиканский физик-теоретик Мигель Алькубьерре. Принцип работы двигателя не противоречит общей теории относительности. Это означает, что его можно считать гипотетически возможным. В своей модели Алькубьерре поместил звездолет в пространственный пузырь.
Варп-двигатель должен искривлять пространство, раздувая его после корабля и сжимая перед ним. Сам корабль неподвижен, а вот пузырь с гигантской скоростью прошивает пространство. Само пространство может двигаться со скоростью куда большей, чем скорость света. Значит, и преодолевать гигантские расстояния такой корабль сможет быстрее.
Технически этот принцип можно реализовать так: варп-двигатель распределяет темную энергию. Избыток ее создается позади корабля, а нехватка – впереди. Темная энергия заставляет всю нашу Вселенную расширяться с ускорением, а уж с простым кораблем способна сотворить чудеса, если сделать этот процесс управляемым.
В NASA заинтересовались идеями физика. Команда под руководством инженера Гарольда Уайта заявила, что начнет работу в этом направлении, чтобы воплотить модель Алькубьерре на практике. Пока, по словам ученых, на базе пузыря Алькубьерре могла бы работать модель звездолета массой с Юпитер. Создать подобный корабль невозможно, однако в будущем эти ограничения будут преодолены.
Гипотеза о туннеле для межзвездных путешествий. Что говорит наука о червоточинах в космосе
Червоточины – гипотетический объект в космосе, через который можно путешествовать не только в пространстве, но и во времени.
Идея червоточины на данный момент – это единственная надежда человечества на путешествия на очень большие расстояния за разумный срок.
Кротовые норы могут соединять далекие объекты во вселенной
Мгновенные путешествия между двумя далекими объектами во Вселенной – возможно ли такое? Червоточины – это туннели сквозь пространство. Они фигурируют во множестве научно-фантастических фильмов и книг, ведь гипотетически через них можно совершать межзвездные путешествия. Широкую популярность за пределами научного сообщества червоточины получили после фильма «Звездный путь» (1979).
Задолго до кино это явление в физике было известно под названием «кротовая нора». Кротовые норы согласуются с общей теорией относительности. Путешествие через червоточину (или кротовую нору) возможно при определенных условиях, которые задаст гравитация.
Для наглядного объяснения, что такое червоточина, обычно используют такой пример. Берем лист и ставим на нем две точки на разных его краях. Вопрос: какая траектория будет кратчайшей?
Очевидно – прямая. Да! Но только если мы живем в так называемом евклидовом пространстве. В том самом, где параллельные прямые не пересекаются. Но пространство может меняться вблизи объектов с гигантской гравитацией. Поэтому более простым может быть другой путь – сложить лист пополам и две точки просто проткнуть карандашом. Это и будет та самая червоточина.
Автор названия, астрофизик Джон Уилер, приводил своим студентам пример с яблоком и муравьем. Если яблоко проедено червем насквозь, то путешествие муравья будет намного быстрее, чем обход по поверхности. Именно эта аналогия привела к появлению термина «червоточина». Точки с очень большой гравитацией, такие как массивные черные дыры, могут быть напрямую связаны друг с другом. Они как бы стягивают пространство-время. И перемещение становится мгновенным. Теоретически через них можно путешествовать и во времени. Для этого нужно, чтобы один из входов в червоточину двигался относительно другого с околосветовой скоростью.
Если построить машину, которая сможет разгонять этот вход, можно будет путешествовать во времени. Однако вернуться во времена, допустим, Ивана Грозного не получится. Максимум – в то время, когда была построена силовая установка.
Чтобы червоточины были стабильны, они должны состоять из так называемой экзотической материи. Это вещество, в основе которого лежат другие частицы. Например, вместо электронов могут быть мюоны (частицы с таким же зарядом, но гораздо более крупные). Экзотическая материя может иметь необычные свойства – допустим, при гравитации не притягиваться, а отталкиваться.
Пока что достоверных фактов существования кротовых нор, к сожалению, нет. Иначе уже бы давно в каждой квартире налогоплательщика была бы кротовая нора.
Однако такие объекты вполне могут существовать во Вселенной. Вспомните хотя бы черные дыры, существование которых также было предсказано лишь на бумаге. Однако сейчас найдено достаточно практических подтверждений, которые перевели черные дыры из гипотетических в реальные объекты. Не исключено, что наша Вселенная пронизана такими червоточинами. Определить их можно будет уже в недалеком будущем, с помощью детекторов гравитационных волн нового поколения.
Конечно, рано или поздно мы научимся строить звездолеты для межзвездных путешествий. Но такие полеты будут длиться десятки и сотни лет. К моменту приземления уже сменятся поколения астронавтов. А червоточины помогли бы существенно ускорить изучение космоса.
Библиография
Вайнберг C. Первые три минуты. – М.: АСТ, 2018.
Друян Э. Космос. Возможные миры. – М.: АСТ, 2020.
Каку М. Уравнение Бога. В поисках теории всего. – М.: Альпина нон-фикшн, 2021.
Киппенхан Р. 100 миллиардов солнц. Рождение, жизнь и смерть звёзд. – М.: Мир, 1990.
Мюллер Р. Физика времени. – М.: Манн, Иванов и Фербер, 2017.
Попов С.Б. Суперобъекты: Звезды размером с город. – М.: Альпина нон-фикшн, 2019.
Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. – М.: Прогресс, 1986.
Тайсон Н.Д. 14 миллиардов лет космической эволюции. – СПб.: Питер, 2020.
Хокинг С. Будущее пространства – времени. СПб.: Амфора, 2009.
Хокинг C. Краткая история времени. – М.: АСТ, 2019.
Хокинг C., Пенроуз Р. Природа пространства и времени. – СПб.: Амфора, 2007.
Цвибах Б. Начальный курс теории струн. – М.: Книжный дом «Либроком», 2009.
Вкладка
Звезда с протопланетным диском. Со временем эти круги начнут превращаться в планеты
Столкновение планет
Кратер от метеорита Чиксулуб, который уничтожил динозавров. Вид из космоса
Объемы планет и воды на Европе (спутник Юпитера) и Земле
Вид с Земли на Солнце, которое стало растущим красным гигантом
Так выглядел бы Сатурн в океане
Земля и Венера. Фото из архива Shutterstock
Самая большая планета Солнечной системы – Юпитер. Фото из архива NASA
Стереотипная черная дыра. Иллюстрация из архива Shutterstock
Принцип работы кротовой норы: «Короткий путь с одного конца яблока на другой – прогрызть насквозь!»
Крабовидная туманность, которая осталась после взрыва сверхновой в 1054 году. Фото из архивов NASA
Туманность «Улитка». Фото из архивов