Ще литнем ли до Алфа Центавър за две седмици?

Доктор Харолд Уайт продължава своята работа в Космическия център „Джонсън“, където се опитва да създаде първия в историята на човечеството уарп двигател.

Става дума за двигател, който може да ни подсигури космически пътешествия на огромни разстояния със скорост, превишаваща тази на светлината.

Това е възможно, както очакват някои физици, благодарение на генерирането на специално поле на изкривяване – уарп поле, което ще обгръща космическия съд, като изкривява пространство-времето и по този начин премества кораба.

Работата все още се намира в областта на теоретичните изследвания и провеждането на някои експерименти, но това не означава, че ние с вас не можем да си представим как най-вероятно ще изглежда истинският междузвезден кораб, наречен IXS Enterprise.

Концепцията на звездолета, способен да ни пренесе в далечните дълбини на Космоса, е създадена от специалиста в триизмерната графика Марк Рейдмейкър.

„Доста дълго работихме заедно с доктор Уайт над създаването на модела на бъдещия космически кораб. И получихме неголям кораб, поместен в центъра на два пръстена, които се използват за създаване на мехур за деформиране на пространство-времето“, отбелязва Рейдмейкър.

Д-р Уайт, ако някой не знае, е посветил живота си на разработването на двигателни системи на бъдещето за междузвездни пътешествия (йонни и плазмени двигатели). Успоредно с това той провежда редица теоретични и експериментални изследвания, в хода на които се раждат напълно нови идеи.

НАСА помогнала на Уайт да ремонтира стара лаборатория във виброизолирана сграда, построена в края на 60-те, и да монтира там лазерен интерферометър. С последния Уайт прави опити да открие въздействие върху пространство-времето с мощни електрични полета и да докаже, че пространство-времето може да се изкривява в лабораторни условия.

Все още не става дума за никакъв двигател. Целта, която си е поставил Уайт, е да потвърди принципната възможност за изкривяване на пространство-времето с достъпните днес технологични средства.

Мехурът на Алкубиере

Уайт възнамерява да използва за космически полети концепцията „мехур на Алкубиере“ – особена конфигурация на пространство-времето, предложена от мексиканския математик Мигел Алкубиере през 1994 година.

В тази схема пространство-времето около кораба се изкривява неравномерно – опростено „мехурът“ може да се опише като разтегляне пред кораба и свиване зад него. Идеята на математика се състояла в това, че не се преодолява скоростта на светлината, а се свива самото пространство, като по този начин се намалява разстоянието до целта.

Схематично изображение на огънато пространство.
Същността на мехура на Алкубиере: отпред се създава област с положителна, а отзад – с отрицателна плътност на енергия. В резултат корабът се премества със скорост, по-малка от тази на светлината, но самото пространство променя геометрия така, че го пропуска на нужното място.
© Harold White

Вследствие на това ще се създаде ефект на движение, а самият кораб в мехура може да е неподвижен. Това не нарушава постулатите на теорията на относителността, тъй като в движение ще бъде самото пространство, а не физическият обект.

Важно е да подчертаем, че Алкубиере не е крил фантастичния характер на своето предложение, макар математически тази идея да е напълно коректна. Но математическата коректност още не означава физическа възможност, физическата възможност още не гарантира инженерна реализация, а инженерно осъществимите проекти невинаги имат икономически смисъл.

Но така или иначе, метричният тензор, описващ мехура на Алкубиере, е математически коректно решение на уравнението на Айнщайн. Тъй като самото уравнение има физически смисъл, то „мехурът“ преминава физическа проверка. Става дума за това, че компонентите на тензора не могат да се променят както дойде. Тук плътността на веществото или напрегнатостта на електромагнитните полета не може да се увеличават произволно и това е най-очевидното ограничение.

Другото се заключава в това, че плътността на енергията не може да бъде отрицателна. Вещества с отрицателна маса все още са неизвестни, а и за самата възможност за тяхното съществуване физиците имат обосновани съмнения.

А двигателят на Алкубиере изисква тъкмо отрицателна маса, за да разтегне пространството. И това е само половината от успеха – вторият проблем се заключава в това, че според оригиналните изчисления на математика, за създаването на мехур се изисква прекалено много енергия.

„Прекалено много“ е на порядъци повече, отколкото може да се получи при анихилация на цялата материя на Вселената. И то става дума само за изпращане на единствен космически кораб в една посока само до една галактика.

С това разговорът за уарп двигател можел да се смята за приключен, но някои изследователи решили да потърсят заобиколни пътища, като се обърнат към теорията на струните. Да подчертаем – тези нови теории не опровергават, а допълват теорията на относителността. В тях например се разглежда вече не просто четириизмерно пространство-време, а пространство-време с допълнителни, скрити измерения.

Скрити възможности?

Скритите измерения на нашето пространство в теорията на струните се проявяват на много малки разстояния, които са значително по-малки дори от размерите на кварките.

Ако вземем скрита на микроскопично ниво многоизмерна структура, увеличим я до габарити десетки метри, а след това създадем в нея достатъчно плътност на енергията, то можем да получим предложения от Алкубиере мехур с най-малки разходи на енергия. Но описваната идея не била публикувана през 2010 година от предлагащите я физици, които се ограничили само с поместването ѝ в arХiv (1, 2). И за това си имало причини.

Първо, „малките разходи“ както и преди означавали недостижими величини. Да, този път за пътешествие през галактиката трябвало „само“ да се анихилира Юпитер. Второ, авторите честно си казали, че не знаят начин за разтеглянето на примките на скритите измерения. Трето, те не си представят много добре механизъм за създаване в получената структура на достатъчна плътност на енергията.

Четвърто, никъде не се е дянало изискването да се раздроби отрицателната маса в такива астрономически количества и с последващо свиване до астрономически величини. Пето, ако ние все пак живеем във Вселена, която не се описва от теорията на струните, то цялата идея принципно се оказва невъзможна.

Пет фантастични предположения в една статия са много дори за теоретиците.

Някои теоретици впрочем успели да открият решения, които намаляват количеството на веществото с отрицателна маса до няколко милиграма. А самият Уайт през 2011 година заявил, че с изменение на конфигурацията на „мехура“ разходите на енергия може да се снижат до стойности, съответстващи на анихилацията на около половин тон материя.

Това все още е много, но е напълно реално – толкова изработват всички електроцентрали на планетата за половин година и толкова може да се получи само за секунда, ако се събере слънчева светлина от площадка от хиляда квадратни километра на орбита на Земята. Строителството на огледала с подобни размери е възможно дори от инженерна гледна точка, но да се говори за преход от ниво физика на ниво инженерство, все още е рано едновременно по три причини.

Първата – твърдението на Уайт за толкова радикално снижаване на плътността на енергията е основано на изчисления, които имат смисъл само в рамките на теорията на струните. Втората причина: нито изчисленията на Уайт, нито други оптимистични оценки все още не са преминали процедурата по рецензиране и странични експертизи.

Ако в тях не се открият грешки и ако нашият свят наистина съдържа струни, то тогава може да се замислим над решението на третото затруднение. Тоест как да открием материя с отрицателна плътност дори в количество от няколко милиграма.

За мен минус два грама, моля

Привържениците на идеята за уарп придвижване подчертават, че отрицателната плътност на енергията отдавна е известна на учените. Става дума едновременно за две същности – ефекта на Казимир и тъмната енергия.

Тъмната енергия е феномен, който се проявява в ускореното разширение на Вселената, макар че гравитацията трябва да забавя разбягването на галактиките. Какво представлява тъмната енергия, явява ли се тя неотменно свойство на пространството, или някакво неизвестно поле, квинтесенция, все още не е ясно.

Изчисленията впрочем сочат за плътност на тъмната енергия около -10^-29 грама на кубически сантиметър, което е много под масата на един електрон. Така че ако дори тъмната енергия позволи да се събира в някакви компактни структури, изстъргването дори на милиграм ще бъде трудно. А по-скоро изобщо няма да успеем да я съберем. Моделите, които днес предлагат съществуването на квинтесенция като някакво поле, предполагат, че тя принципно не формира малки компактни структури.

Друг ефект, който се свързва с отрицателната енергия, е ефектът на Казимир. Той се заключава в това, че разположени близо една до друга във вакуум пластини се привличат поради флуктуациите на магнитното поле. То може да се интерпретира като поява на област с отрицателно налягане, но правомерността на такава интерпретация също повдига въпроси.

Ефектът на Казимир възниква поради това, че във вакуум спонтанно се раждат и изчезват кванти на електромагнитното поле, а между пластините раждането на някои частици е потиснато (много грубо може да се каже, че за тях просто не достига място) – това все пак не е съвсем същото, както стабилни частици с отрицателна маса.

Да се говори окончателно, че отрицателна маса не може да има, е още рано. Но вероятността за откриване на обекти с такива необичайни свойства, че и във вид, който допуска манипулации с тях, явно не е голяма.

Една грешна работа и една спорна

Дори ако Уайт успее да покаже, че мощно електростатично поле може да изкриви пространство-времето по-силно, отколкото е предсказано от уравненията на Айнщайн, до междузвездните прелети така или иначе ще бъде още далече.

Макар такова откритие да придвижи физиката, ефекти, които директно се разминават със съществуващите теории, днес практически са неизвестни (аномалното ускорение на двата апарата „Пионер“ не се възпроизвежда в лаборатории).

Ако Уайт покаже, че уравненията на Айнщайн работят коректно и пространство-времето се изкривява там, където е формирано много силно поле, това ще бъде доста тривиален резултат. И този вариант е много по-вероятен – други експерименти не са дали поводи да се търсят нарушения на теорията на относителността именно в силно електрично поле.

Освен това екипът на Уайт се занимава не само с уарп придвижване, но и с още една спорна разработка – квантов вакуумен плазма двигател, QVPD. Това устройство, както твърдят неговите автори, трябва да работи като обикновен йонен двигател, но ускоряваните частици ще се вземат не от съединен с горивен резервоар източник на йони, а непосредствено от вакуума.

През 2011 година изследователите представиха съобщение, в което се опираха на измерена още през 2005 година тяга на експериментален двигател. Според тези данни устройството отдавало тяга от 0,1 нютона на киловат подадена електрическа мощност, но потвърждение на тази информация от независими източници още не е постъпвало.

Освен това сам по себе си изводът за възможността за създаване на плазмена тяга отникъде се отнася към категорията ексцентрични заключения, а за такива англичаните и американците казват, че те трябва да се потвърдят от ексцентрични доказателства.

Липсата на сериозни публикации от 2005 година навява на мисълта или за грешка, или за заблуда – изхождайки от презумпцията за научна честност, резонно е да се спрем на грешката.

И така, една грешна работа и една спорна – не е ли много за група, получаваща държавно финансиране? От една страна, практическият ефект от лабораторията на Уайт е съмнителен. От друга – за сума, приблизително равна на разходите на такава организация като НАСА за тоалетна хартия или кламери, агенцията получава прекрасна възможност за пореден път да привлече към работата си младежи.

Проверката на работоспособността на уарп придвижването е много по-интересна, отколкото повишаването на тягата на ракетните двигатели с два процента, разработката на клапан за санитарния модул на МКС или дори анализ на лунния грунт, чиито основни характеристики са отдавна известни.

А и в края на краищата отрицателният резултат, както е известно, също е резултат.