Быстрее света. Как обогнать специальную теорию относительности Эйнштейна

Обычным выходом из ситуации бескрайности и громадности межпланетного пространства по сравнению с возможностями и технологиями человечества традиционно является изобретение некоего «магического» варианта уйти за ограничения уравнений СТО (специальной теории относительности) Альберта Эйнштейна и выдумать хоть какую-то альтернативу к ограниченности скорости движения материальных объектов по сравнению с предельной скоростью света.

Скажу сразу: в нашем привычном пространстве-времени выйти за предел скорости света не получится никак. В таком варианте передвижения в космическом пространстве даже полёт к ближайшим звёздам займёт срок в десятилетия (с учётом позволительных ускорений для разгона и с учётом опционального торможения), а затраты энергии на придание межзвёздному зонду скорости, сравнимой со скоростью света, испугают любого современного экономиста или энергетика.

Для тех, кто по-прежнему хочет поспорить с положениями СТО, адресую вас к старому советскому фильму, в котором весьма спокойно и наглядно рассматриваются парадоксы и ограничения СТО:

В некоей графической форме парадоксы замедления времени и сжатия геометрических размеров движущихся объектов показаны ещё и вот тут, как и в массе других наглядных объяснений, но в сухом остатке мы имеем всё тот же печальный факт: сама структура нашего пространства и времени определяет предельную скорость света, а все материальные объекты, погружённые в метрику данного пространства-времени, беспрекословно следуют этому незримому ограничению, задающему невозможность движения материальных объектов быстрее света.

Однако, как и в любой физической теории, в СТО Эйнштейна есть свой набор начальных аксиом, которые принимаются без доказательства и рассматриваются как существующие вне самой теории.
Для СТО Эйнштейна такими аксиомами являются свойства самого пространства-времни: оно полагается уже существующим и стабильным, то бишь лишённым каких-либо вторичных эффектов расширения, сжатия, создания или уничтожения. Но фактически наше пространство показывает совсем другое поведение: наблюдения за наиболее далёкими галактиками и квазарами показывают для них (тут немного популярнее) сверхсветовые скорости относительно нас в настоящий момент времени, хотя мы и наблюдаем обычный «световой» свет, доходящий от них к нам.

Фактически «сегодняшний день» нашей с вами Вселенной показывает нам, что всё, что расположено дальше так называемого «объёма Хаббла» уходит от нас во все стороны быстрее существующей скорости света, хотя фактически мы наблюдаем немного больший объём Вселенной, нежели сама сфера Хаббла за счёт эффектов описанных по вышеприведенной ссылке.
В настоящий момент времени наш «горизонт частиц» за счёт расширения Вселенной улетел от нас на расстояние больше 40 млрд. световых лет, в то время, как сфера Хаббла расширилась гораздо скромнее, находясь от нас в 13,8-14 млрд. лет.


Наша Вселенная в логарифмической шкале расстояний. Сфера Хаббла находится где-то между красной линией реликтового излучения и серой линией условного «края Вселенной». В логарифмическом масштабе это выглядит скромно, но речь идёт о том, что вовнутрь сферы Хаббла попадает не более 1/3 радиуса нашей Вселенной.

Сверхсветовая скорость далёких квазаров и галактик определяется как раз эффектом расширения Вселенной, которая в рамках своей эволюции выходит за органичения узких рамок СТО Эйнштейна. По сути дела, реальная Вселенная как бы «вставляет» на пути идущего к нам света дополнительные «куски» пространства (хотя более точным будет определение, которое описывает изменение пространства, как «раздувание») в силу чего в рамках чистой математики и наблюдаемой физики часть удалённых объектов Вселенной движется по направлению от нас со сверхсветовой скоростью.

Интересен и другой эффект — в своей системе координат эти далёкие звёзды и даже галактики находятся в покое относительно окружающего их пространства. Если их собственное пространство и «раздувается», то делает это достаточно незаметно и невидимо для них самих (как, кстати, и для нас).
А вот на большом масштабе возникновение «из ниоткуда» новых кусков пространства и порождает наблюдаемые сверхскорости удаляющихся друг от друга галактик и других объектов нашей Вселенной.

Я думаю, что проницательные читатели уже догадались, к чему я клоню. Если создание пространства между двумя точками способно порождать реальное, а не выдуманное сверхсветовое движение объектов друг относительно друга, то может ли некое «уничтожение» пространства между объектами резко взаимно их приблизить? Ведь, повторюсь, СТО Эйнштейна чётко описывает лишь поведение света и материального объекта в «стационарном» пространстве, ничего не говоря о процессах изменения самого пространства.

Именно вокруг такой концепции и крутятся идеи создания так называемого «пузыря Алькубьерре». Многие журналисты считают «пузырь Алькубьерре» чуть ли не «опровержением Эйнштейна», в то время как это не так: идеи Алькуберре (высказанные им, кстати, ещё в 1994 году) никак не опровергают Эйнштейна, а лишь дополняют уравнения СТО в той же степени, как сама теория Эйнштейна дополняет классическую механику Ньютона.


Схематическая визуализация «пузыря Алькубьерре» в модельном двумерном пространсве. Вокруг корабля есть зона нормального пространства (2), впереди присутствует зона сжатого пространства (1), а сзади корабль наоборот — растягивает пространство (3).

Сами по себе уравнения Алькубьерре не вызывают никаких возражений у математиков или физиков: их построение и возможные решения никак не противоречат ни математике, ни физике.
С другой стороны, в момент перехода от «бумаги» к «оврагам» у пузырей Алькубьерре возникает масса побочных препятствий, которые пока что не имеют внятного объяснения и, тем более, решения.
Например, искривление метрики пространства-времени получило своё объяснение в ОТО, но там искривление пространства-времени и различные эффекты для скорости света, замедления времени и уменьшения длины достигаются за счёт действия гравитации объектов значительной гравитирующей массы. Действие эффектов ОТО схоже с эффектами СТО, хотя и имеет совершенно иную природу и часто, как в случае спутников GPS/ГЛОНАСС, имеет противоположный знак.

В случае же варианта искривления пространства «по Алькубьерре» для изменения его метрики используется вообще пока что не найденная, так называемая «экзотическая» материя, в которой нарушается одно из условий существования нашей привычной, обычной материи — положительная плотность энергии (то самое E=mc2 ), и, как следствие, положительная масса.


Многие эффекты экзотической материи настолько головоломны, что даже парадоксальное анимэ «Патема наоборот» (サカサマのパテマ) покажется вам верхом логичности и обыденности.

Допущение о существовании отрицательной массы имеет ещё более древнюю природу, нежели система уравнений Алькубьерре. Впервые об «отрицательной массе» заговорил австрийский учёный Германн Бонди ещё в 1957 году. Всё дело в том, что принцип эквивалентности Эйнштейна, который является одной из аксиом, на принятии которой уже построено здание ОТО, говорит о том, что все три массы (инертная, «активная гравитационная», создающая гравитационное поле и «пассивная гравитационная», попадающая под влияние гравитационного поля) любого материального тела равны. Ну и, кроме того, согласно нашим обыденным наблюдениям — строго положительны.

Однако, Германн Бонди, не опровергая в целом принципа эквивалентности Эйнштейна, показал, что для принципа эквивалентности существует и второе решение, в котором все три массы будут тоже равны между собой, но будут иметь отрицательное значение и, как следствие, демонстрировать весьма странное поведение. Например, объект из полностью отрицательной массы, если его толкнуть с некой внешней силой, будет ускоряться в направлении такого толчка.

Кроме того, если инертная масса всё же несвязана с гравитационным массами, мы будем наблюдать и более сложный эффект: объекты с отрицательной гравитационной массой (и пассивной, и активной), но с положительной инертной массой, будут отталкиваться положительными активными массами и притягиваться отрицательными активными массами.

Пока что отрицательная масса (и необходимая для пузыря Алькубьерре порождаемая ею отрицательная энергия) остаётся скорее математической и ненаблюдаемой физической абстракцией. Однако, что интересно, часть наблюдений пока что не может в точности дать нам заключение по свойствам массы уже известного вида экзотической материи — антиматерии. Всё дело в том, что наличие положительной инертной массы у античастиц уже определено в наземных экспериментах в старых пузырьковых камерах, а вот с гравитационной массой всё гораздо сложнее. Всё дело в том, что для точного определения гравитационной массы античастиц надо проводить измерения над ними в макромасштабах, в то время, как срок их жизни в земных условиях очень мал, что не позволяет засечь очень слабые гравитационные эфффекты — в любом детекторе античастицы слишком подвержены воздействию сильных электромагнитных полей при весьма слабом влиянии гравитации на них.

Основная надежда в части прояснения вопроса с экзотическими свойствами антиматерии пока что возлагается на эксперименты ЦЕРН в рамках программы ATHENA — ALPHA и ATRAP, которые ставят своей целью, соотвественно, получение значимых количеств антипротонов и позитронов. В случае, если эти эксперименты увенчаются успехом, человечество, возможно, получит мизерные, но всё-таки значимые количества антивещества (около 50 000 холодных атомов анти-водорода), что и позволит в том числе, осуществить точные измерения гравитирующей массы антивещества.


Сердце программы ATHENA — ловушки ALPHA (вверху) и ATRAP (внизу). Поверьте мне, варп-двигатель вряд ли будет сильно проще…

Кроме того, есть надежда, что под условия экзотической материи, необходимой для воплощения идеи Алькубьерре, может подойти и обычный «пустой» вакуум. В этом случае для создания экзотической материи можно использовать интересный и тоже достаточно «древний» эффект Казимира, предсказанный Хендриком Казамиром ещё в 1948 году и впервые подтверждённый в Маркусом Спаанреем в 1958-м.

Согласно квантовой теории поля, физический вакуум представляет собой не абсолютную пустоту. В нём постоянно рождаются и исчезают связанные пары виртуальных частиц и античастиц и происходят постоянные околонулевые колебания (флуктуации) связанных с этими частицами полей. В частности, происходят колебания связанного с виртуальными фотонами электромагнитного поля. В стандартном, условно-бесконечном вакууме рождаются и исчезают виртуальные фотоны, соответствующие всем возможным длинам волн электромагнитного спектра — от радиоволн и вплоть до гамма-лучей. В силу этого идеальный вакуум порождает совершенно невообразимый «белый шум», из которого невозможно извлечь какой-либо направленный эффект.

Однако в пространстве между близко расположенными зеркальными поверхностями, помещёнными в вакуум, ситуация резко меняется. На определённых резонансных длинах волн (целое или полуцелое число раз укладывающихся между поверхностями), электромагнитное поле виртуальных частиц резко усиливаются. На всех остальных же длинах волн, поле, напротив, подавляется, то есть, подавляется рождение соответствующих виртуальных фотонов. Происходит это вследствие того, что в пространстве между пластинами могут существовать только стоячие волны, амплитуда которых на пластинах равна нулю. В результате, давление виртуальных фотонов изнутри на две поверхности оказывается меньше, чем давление на них извне, где рождение фотонов ничем не ограничено. Чем ближе друг к другу поверхности, тем меньше длин волн между ними оказывается в резонансе и больше — оказывается подавленными. Такое состояние вакуума в литературе иногда называется вакуумом Казимира. Как следствие, растёт сила притяжения между поверхностями.


Установка, экспериментально подтвердившая в 2011 году классический эффект Казамира между двумя золотыми пластинками.

Явление можно образно описать как «отрицательное давление», когда вакуум лишён не только обычных, но и части виртуальных частиц, то есть «откачали всё-всё и ещё чуть-чуть». Ну а состояние вакуума с недостатком виртуальных частиц и есть так ожидаемая нами экзотическая материя.

Такой достаточно долго подготавливаемый «подкоп» под идеи и выкладки Эйнштейна через свойства материи, понятное дело, породил и желание найти варианты нетривиального искривления пространства-времени, связанные с мизерными, но всё же оказывающими влияние на пространство вокруг себя количествами экзотической материи — будь то антиматерия, виртуальные частицы глубокого вакуума или же иные варианты отрицательной энергии.

Основная надежда в этом плане сейчас возлагается на интерферометр Уайта-Джудея, который призван на более высоком техническом уровне повторить классические эксперименты Майкельсона и Морли, которые и привели физику в нынешнее состояние главенства ОТО и СТО. Идея Уайта и Джудея состоит в том, чтобы «эмулировать» из обычной, барионной материи свойства экзотической материи и отрицательной энергии. В своей работе 2003 года авторы описывают, как из тороидальной положительной плотности энергии можно получить сферическую область отрицательного давления, возможно избавляя от экспериментаторов от создания или же поиска нужной для пузыря Алькубьерре экзотической материи с необычными свойствами.
Понятное дело, такая «эмуляция» лишь призвана показать эффекты, похожие на те, которые может демонстрировать возможная экзотическая материя, но не создаёт саму экзотическую материю.


Как и предыдущий интерферометр Майкельсона-Морли, прибор Уайта-Джудея поражает своей простотой.

Искривление пространства, создаваемое вокруг интерферометра, должно вызвать относительный сдвиг фаз между двумя лучами, который можно будет зарегистрировать детектором интерферометра, если чувствительность прибора будет достаточной для регистрации этого сдвига. В качестве кольца «возмутителя пространства» в эксперименте использовали электропроводящее кольцо радиусом в 0,5 см, к которому было приложено высоковольтное напряжение (до 20 кВ) от керамических конденсаторов.

После первых опытов эксперимент был перенесён в сейсмически изолированную лабораторию, так как шаги людей вносили очень большие помехи в его работу. Первые результаты в сейсмически изолированной лаборатории после обработки данных экспериментов показали ничтожно малую, но всё же ненулевую разность фаз в экспериментах с заряженным и незаряженным состоянием кольца, но этот зарегистрированный сдвиг фаз не является убедительным доказательством искривления пространства, вследствие того, что внешние помехи всё ещё оказывали в эксперименте существенное влияние на прибор, а примененные исследователями компьютерные методы обработки данных имели определённые ограничения.

Для получения значимых результатов сейчас необходимо увеличить чувствительность интерферометра до одной тысячной длины волны (менее 1 нм) и применить переменное электрическое поле. Интересно, что в апреле 2015 года учёные пропускали луч лазера интерферометра через резонансную камеру гипотетической двигательной установки для космических аппаратов EmDrive и получили сходные результаты: в процессе многократного повторения эксперимента был зафиксирован большой разброс во времени прохождения камеры фотонами. Результаты показали, что некоторые лазерные импульсы достигали детектора с временноой задержкой, что, возможно, указывает на незначительное искривление пространства в резонансной камере.

В общем, современные учёные во всю копают под столь приевшиеся нам, спешашим вперёд человекам, эйнштейновские ограничения опостылевшей, но действующей СТО. И, конечно же, если австралопитеки всё-таки найдут обходной путь к Альфа Центавра через кротовую нору пузыря Алькубьерре, я сразу же вас обрадую.

Ну а дальше — вы и так всё знаете.
Варп, железные легионы, Император, комиссары…
Burn the heretic, kill the mutant, purge the unclean! Вселенная, мы идём к тебе.
В общем — всё как у людей. Если мы, конечно, не поумнеем в пути и будем помнить о парадоксе Ферми.

Источник

Комментарии