Не надувайте варп-пузырей, работая на оборонку

7 декабря 2021 года на Хабре был опубликован перевод статьи Кристофера Плейна о случайно обнаруженном наноразмерном искривлении пространства, напоминающем пузырь Алькубьерре.  Открытие было совершено в американском оборонном ведомстве DARPA еще летом прошлого года – в рамках исследования, посвященного изучению пустот Казимира. Подробная статья об этом достижении вышла на сайте «Naked Science», и ее автор оговорился не только о физической сути процесса, но и о личности Гарольда Уайта, под руководством которого было случайно сделано это открытие. К настоящему времени уже появилась обоснованная критика, согласно которой Уайт вполне может выдавать желаемое за действительное. Ниже рассмотрим подробнее как критику, так и само открытие, совершенное группой Уайта, и попробуем поговорить о том, что оно собой представляет.  Для начала вкратце напомню, что такое пузырь (метрика) Алькубьерре, и как этот феномен связан с варп-двигателем из сериала «Стар Трек».   

О пузыре Алькубьерре

Ранее в этом блоге я уже обращался к теме сверхсветовых путешествий и идее варп-двигателя. В соответствии с теорией относительности Эйнштейна, ни одно известное физическое тело не может перемещаться в пространстве со сверхсветовой скоростью, а со скоростью света могут распространяться только электромагнитные волны в вакууме и свет как частный случай таких волн. Теоретически ничто не мешает разогнать космический корабль до субсветовой скорости, которая лишь пренебрежимо уступает скорости света, например, составляет 99,9999….%  от нее. Но в таком случае время, отсчитанное часами на корабле, окажется несоизмеримо меньше, чем время, которое при этом пройдет на Земле или в других местах, где события идут на скорости гораздо ниже световой. Именно этот эффект продемонстрирован в эпизоде фильма «Интерстеллар», где герои оказываются на планете, обращающейся вокруг черной дыры. Поскольку черная дыра оказывает мощное релятивистское (гравитационное) воздействие, время поблизости от нее также сильно замедляется.

В 1994 году мексиканский математик Мигель Алькубьерре предложил модель искривления пространства-времени, позволяющую обойти самое сложное ограничение релятивистских субсветовых перемещений: замедление времени, наступающее по мере приближения скорости космического корабля к скорости света.  

Искривление пространства, описанное Алькубьерре, позволяет поместить объект в своеобразный «пузырь», находящийся в котором объект сам никуда не движется. Соответственно, он не нарушает законов теории относительности, тем более — не развивает субсветовую скорость. Изменения происходят с самим пространством: позади пузыря оно расширяется, а перед пузырем сжимается. Такое явление теоретически позволяет перемещаться в пространстве с любой скоростью, в зависимости от темпа деформации пространства.

Но на этом с пузырем Алькубьерре возникают непреодолимые физические сложности. Для того, чтобы такой объект образовался, необходима антигравитация. Антигравитация – это явление до сих пор полностью фантастическое, так как генерировать ее может только вещество с отрицательной массой. Именно из такого «экзотического вещества» состоит то кольцо, в котором на рисунке выше находится космический корабль, и которое провоцирует нужное искривление пространства, придавая пространству параметры метрики Алькубьерре. По состоянию на начало декабря прошлого года не было известно никаких кандидатов (молекул и даже частиц), которые проявляли бы антигравитационные свойства. Кроме того, для образования пузыря и для запуска его движения в пространстве такое экзотическое вещество потребовалось бы в огромном количестве: после разнообразных оптимизаций можно предположить, что для создания пилотируемого корабля с варп-двигателем нужно найти такого вещества в эквиваленте 33 масс Земли (согласно более ранним оценкам – в эквиваленте массы Сатурна). Таким образом, о практической реализации варп-двигателя в 2021 году было, как минимум, преждевременно говорить.

Эффект Казимира

Это явление было теоретически предсказано голландским ученым Хендриком Казимиром (1909-2000) в 1948 году, а экспериментально подтверждено в 1957 году.

Поскольку на квантовом уровне вакуум буквально «кипит» из-за непрерывного рождения и аннигиляции пар «частица-античастица», в нем наблюдаются колебания – вакуумные флуктуации. В нанометровом диапазоне сила вакуумных флуктуаций превышает силу электромагнитных взаимодействий, в частности, отталкивания — так как длина многих электромагнитных волн превышает ширину этой щели или полости.

Именно исследованием полостей Казимира занималась в середине прошлого года группа Гарольда Уайта. В статье, опубликованной 31 июля 2021 года, была изложена суть исследования, а также рассказано об открытии первой физической структуры, в которой наблюдается отрицательное распределение энергии, аналогичное отрицательной массе. Соответственно, в этой полости создаются условия, напоминающие наномасштабный пузырь Алькубьерре, вернее, его плоский срез. Вот как охарактеризована суть работы в самой статье:

«В рамках финансируемого DARPA проекта проводился анализ, призванный оценить возможную структуру плотности энергии в искусственно созданной полости Казимира на предмет ее соответствия динамической вакуумной модели. При этом была обнаружена микро/наномасштабная структура, демонстрирующая отрицательное распределение энергии, близко соответствующее требованиям метрики Алькубьерре. Простейшая условная геометрия, анализируемая в данном случае, состоит из стандартной горизонтальной полости Казимира между двумя пластинами, оснащенная столбиками, упорядоченными вдоль срединной плоскости с целью зарегистрировать нестационарное электрическое поле, возникающее в результате поляризации вакуума, которая, как предполагается, возникает вдоль срединной плоскости в полости Казимира. Результат численной оценки отклика вакуума в таких условиях весьма напоминает двумерное представление такой энергетической плотности, которая соответствует метрике Алькубьерре, описывающей искривление пространства».

При этом Гарольд Уайт отдельно оговаривается, что его группа получила не подобие и не аналогию варп-пузыря, а «настоящий, пусть и неказистый, варп-пузырь» (a real, albeit humble, warp bubble). Тот самый Гарольд Уайт, который уже хвастался своей моделью EM-двигателя (EM-drive), предназначенного для межзвездных путешествий. Он утверждал, что EM-двигатель работает в обход закона сохранения энергии, пока не оказалось, что этот двигатель не создает тяги. Теперь же группа Уайта продемонстрировала в статье следующую иллюстрацию (Fig. 3b):  

Сверху продемонстрировано полученное исследователями распределение энергии, а снизу – смоделированная сфера, которая должна напоминать по свойствам пузырь Алькубьерре.

Что это было

В данном случае уместно вспомнить слова Ричарда Фейнмана, однажды отметившего: «Главный принцип – не дурачить самого себя. А себя как раз легче всего одурачить».

Опыт группы Уайта напоминает, что после 1994 года представления об энергии вакуума значительно изменились. Алькубьерре предполагал, что энергия вакуума равна нулю, и, соответственно, для получения предложенного им пузыря нужно вещество с отрицательной массой. Но уже в 1998 году группы ученых под руководством Райса и Перлмуттера доказали, что в вакууме содержится собственная энергия, которую они назвали «темной» (dark energy). Именно темная энергия является основной энергетической составляющей мироздания, и как раз темная энергия – причина расширения Вселенной:

Таким образом, в любом фрагменте пространства заключено конечное положительное количество энергии. Поэтому для создания пузыря (метрики) Алькубьерре требуется не отрицательная энергия, а локальное достижение такой кривизны пространства, которая является обратной кривизне окружающего пространства. Соответственно, если исключить некоторые моды из суммы квантовых колебаний в небольшой области пространства, то энергия в этой области действительно может стать меньше, чем вокруг. Эффект от такого локального искривления будет напоминать «срез» пузыря Алькубьерре. Причем, речь идет только о количественном подобии и еще об одном факте, иллюстрирующем принципиальное несходство микромира и макромира. Сегодня эффект Казимира не только подтвержден экспериментально, но и измерен для многих сред. Но этот эффект проявляется не только в сверхмалых масштабах, но и при очень низкой плотности энергии. Поэтому практически невозможно создать пустоту Казимира, в которой помещался бы макроскопический объект, действовали законы ньютоновской физики, а также, чтобы эта полость поддавалась управлению, и пространство обтекало ее как пузырь Алькубьерре.

Hic sunt dracones

Впрочем, хайп вокруг статьи, всколыхнувший теоретическую физику не хуже настоящего пузырька Алькубьерре, вновь заставляет задуматься и о побочных эффектах подобной технологии, если она, все-таки, будет изобретена.  

Варп-пузырь призван именно не нарушить, а обойти физический закон «ничто не может перемещаться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме», он может порождать всевозможные эффекты, опасные как для пространства вокруг варп-пузыря, так и для «полезной нагрузки», которая в этом пузыре заключена.

Во-первых, варп-пузырь должен быть не только «надут» с применением огромного количества энергии (не менее 33 масс Земли), но и постоянно подпитываться сопоставимой энергией, чтобы этот пузырь не схлопнулся. Схлопывание варп-пузыря не только погубило бы все живое внутри него, но и могло бы приводить к спонтанному образованию черных дыр. Выше было указано, что в любой области пространства заключен фиксированный объем энергии вакуума. Поэтому, при резком сжатии варп-пузыря и «переполнении» этого объема могли бы образовываться не только горизонт событий и черная дыра, но и всплеск губительного гамма-излучения. При этом стабильность варп-пузыря требовалось бы поддерживать, подпитывая его энергией на межзвездных «перегонах» (это вам не солнечный парус лазером разгонять). То есть, обеспечивать феноменальную точность подачи этой энергии в «движущуюся мишень».   

Во-вторых, вакуумный пузырь Алькубьерре, по всей видимости, должен быть проницаемым. Это означает, что его стабильности будут угрожать и космические лучи, и потоки звездных частиц, например, нейтрино, и даже межзвездная пыль и метеориты. Тем сложнее в таком случае будет поддерживать его целостность.

В-третьих, пузырь Алькубьерре возвращает нас к еще одному пока чисто теоретическому феномену: тахионным волнам. Для образующих их частиц-тахионов скорость света также была бы предельной: они не могли бы двигаться медленнее скорости света. Варп-пузырь мог бы привести к смертоносному тахионному выбросу, если бы резко затормозил. Тахионов мы бы не увидели, но зато увидели бы настоящее гало из очень нестабильных и высокоэнергетических частиц. Тогда как тахионы быстро набирали бы все запредельную (и при этом растущую) сверхсветовую скорость, субсветовые частицы столь же быстро тормозили бы, восстанавливая энергетическое равновесие в области пространства, где тормознул варп-пузырь. Энергии этих высокорадиоактивных частиц хватило бы на жесткое облучение целых планетных систем, притом, что об исходной энергии разлетающихся тахионов мы могли бы только догадываться, так как наблюдать их напрямую из нашего субсветового мира невозможно.

Наконец, лично мне бы очень не хотелось, чтобы сомнительная интерпретация открытия, описанного группой Гарольда Уайта, навредила этому открытию. Многим из нас настолько не терпится почувствовать себя героями Стар-Трека или слетать в систему TRAPPIST-1 на фотосессию, уложившись за отпуск, что мы готовы увидеть варп-двигатель там, где его нет. Зато есть что-то другое. Может быть, это разгадка природы темной энергии, может быть – понимание причин анизотропности реликтового излучения и уточнение инфляционной картины мира, может быть – открытия о природе виртуальных частиц и возможность подступиться к безопасному моделированию черных дыр. Поэтому мне гораздо больше нравится искать не опровержения, а альтернативные объяснения подобных околофантастических открытий.

Пойду дальше читать «Задачу трех тел». Именно она вдохновила меня подготовить и опубликовать этот пост.