Вышеупомянутые технологии основаны на устоявшейся физике. Строительство звездолетов с использованием этих идей, конечно, далеко за пределами наших нынешних возможностей; действительно, инженерные соображения могут сделать невозможным практическое строительство звездолетов. Но, похоже, с этими идеями в теории все в порядке. Они не нарушают никаких физических законов.
Многие годы люди задавались вопросом, возможно ли когда-нибудь путешествовать действительно быстро. Если бы мы могли путешествовать со скоростями, превышающими с, то звезды уже не были бы мучительно далеки. Путешествия быстрее света (Faster-than-light — FTL) приблизили бы концы Галактики. Почти все идеи для путешествий FTL можно сразу же отбросить, поскольку они явно нарушают установленные физические принципы. Однако несколько предложений все еще иногда обсуждаются.
Специальная теория относительности не запрещает абсолютно сверхсветовые путешествия. Скорее, она утверждает, что массивные частицы не могут быть ускорены до скорости света, в то время как безмассовые частицы (такие как фотоны) всегда движутся со скоростью света. Частицы с мнимой массой всегда должны двигаться быстрее скорости света. Такие частицы с мнимой массой называются тахионами.
Нет ничего особенно необычного в мнимых величинах: мы представляем несколько физических величин мнимыми числами. Но трудно понять, что представляет собой мнимая масса. У нас нет проблем с пониманием идеи положительной массы; также нет никаких трудностей с идеей нулевой массы; мы даже можем приписать значение отрицательной массе[116] (и заметить, что, если бы отрицательная масса существовала, мы могли бы использовать ее в двигательной установке). Но мнимая масса? Что бы это ни значило, физики искали ее признаки. До сих пор тахион остается гипотетическим. Нет никаких доказательств существования таких частиц,[117] и наши теории прекрасно работают без них. Даже если бы мы нашли тахионы, как мы могли бы использовать их для путешествий FTL? Мы здесь в полном неведении, и кажется разумным вычеркнуть тахионные двигатели из списка возможных двигательных установок.
Большинство из нас знакомы с ньютоновской картиной гравитации. Нас учат в школе, что массивные объекты притягивают друг друга, оказывая таинственное влияние через пустое пространство. Общая теория относительности Эйнштейна представляет совершенно иную картину гравитации. С этой точки зрения пространство — или, вернее, пространство-время — играет активную роль в гравитационном взаимодействии. По словам Джона Уилера: «масса говорит пространству-времени, как искривляться, а искривленное пространство-время говорит массе, как двигаться».
Рис. 4.3 Если пространство складывается само на себя, то кротовая нора, соединяющая A и B, может позволить путешественникам перемещаться между этими точками без необходимости пересекать «нормальное» пространство-время между точками
Мы можем рассматривать специальную теорию относительности как частный случай общей теории относительности. Она применяется локально к любой области пространства-времени, достаточно малой, чтобы ее кривизной можно было разумно пренебречь. Интересный момент, который следует здесь рассмотреть, заключается в том, что общая теория относительности допускает путешествия FTL — до тех пор, пока соблюдаются локальные ограничения специальной теории относительности. Скорость света является локальным ограничением скорости, но общая теория относительности позволяет обойти это ограничение. Хотя это может показаться странным, существуют хорошо известные примеры явлений FTL в общей теории относительности. Например, стандартные космологические модели предполагают, что из-за расширения Вселенной далекие области пространства удаляются от нас со скоростями FTL. Только если бы расширение замедлилось, эти области появились бы за горизонтом скорости света и стали бы видимы нам. Фактически, похоже, происходит то, что расширение ускоряется, поэтому в будущем все больше частей Вселенной исчезнет из виду за горизонтом скорости света: далекое будущее Вселенной будет одиноким местом для наших потомков.
До сих пор общая теория относительности проходила все экспериментальные проверки. Она правильно предсказывает искривление световых лучей у края Солнца, орбиты двойных пульсаров и время прибытия сигналов в системах GPS. Однако большинство проверок теории происходит в ситуациях, когда кривизна пространства-времени мала. Иногда распределение материи может вызвать большую кривизну пространства-времени. В сингулярности черной дыры, например, плотность материи бесконечна; сама ткань пространства-времени проколота.
Трудно интерпретировать результаты общей теории относительности в экстремальных ситуациях, возникающих вблизи сингулярности черной дыры. Возможно, теория не может быть применена в таких ситуациях; нам, вероятно, потребуется квантовая теория гравитации, чтобы описать, что там происходит. Но в попытке понять эти экстремальные области пространства-времени физики расширили теорию. Одно из предположений заключается в том, что образование черной дыры может привести к образованию кротовой норы — «моста», который соединяет две отдельные черные дыры. Две дыры могут соединять две совершенно отдельные точки пространства-времени или две разные области Вселенной. Войдя в одну черную дыру, вы можете выйти из другой дыры мгновения спустя, в тысячах световых лет от точки старта. Путешествуя через мост, вы соблюдали бы локальное ограничение скорости и двигались медленнее с; однако ваша эффективная скорость могла бы быть в миллионы раз больше с. Саган использовал эту идею в своем научно-фантастическом романе «Контакт».[118]
Рис. 4.4 На рисунке показана кривизна пространства в области варп-двигателя Алькубьерре. Пространство расширяется в задней части варпа и сжимается в передней; плоская область выталкивается вперед.
Хотя кротовая нора основана на солидной работе, она остается гипотетическим существом в бестиарии теоретического физика. Кротовые норы могут не существовать. Даже если они существуют, мы можем быть не в состоянии путешествовать через них: расчеты показывают, что они, вероятно, будут маленькими и дико нестабильными. Тем не менее, остается заманчивая возможность, что ВЦ, обладающая «экзотической» материей (материей с отрицательной массой-энергией), могла бы взять микроскопическую кротовую нору, стабилизировать ее, раздуть до большого размера, а затем использовать ее для преодоления огромных расстояний. В качестве альтернативы, инженеры продвинутой технологической цивилизации могли бы использовать решение общей теории относительности, впервые предложенное русским физиком Сергеем Красниковым. Красников показал, что определенный класс кротовых нор[119] обладает свойством, что независимо от того, как далеко вы путешествуете, вы можете вернуться домой вскоре после того, как улетели. Возможно, цивилизация KIII могла бы использовать трубу Красникова для межзвездных путешествий?
Есть еще один способ, которым общая теория относительности может позволить сверхсветовое путешествие (и в стиле, к которому нас приучил «Звездный путь»). Представьте себе космический корабль, такой же большой и роскошный, как круизный лайнер, внутри плоской области пространства-времени. Все на борту корабля вело бы себя так же, как в плоской области пространства-времени, в которой мы живем здесь, на Земле. Теперь представьте, что в задней части объема пространство расширяется так же, как расширяется сама Вселенная. И в передней части объема пространство сжимается, как это произошло бы, если бы Вселенная коллапсировала в Большой Хлопок (чего не произойдет). Результатом этого конкретного искривления пространства является то, что объем плоского пространства, содержащий корабль, двигался бы вперед — движимый расширением пространства сзади и сжатием пространства спереди. Корабль фактически скользит по волне пространства-времени.[120]
Варп может двигаться с произвольно большими скоростями, возможно, во много раз превышающими с, и он несет корабль с собой. Однако по отношению к локальному объему плоского пространства корабль находится в покое. Нет релятивистского увеличения массы и нет замедления времени. Для экипажа все как обычно. Когда они мчатся к звездам со скоростью 100с, пассажиры могут свободно наслаждаться гостеприимством космического корабля QE2.
Свойства этого своеобразного решения уравнений Эйнштейна впервые были проанализированы Мигелем Алькубьерре, когда он работал в Кардиффском университете. У меня есть слабость к варп-двигателю Алькубьерре, так как я тратил время в офисе напротив Мигеля, пока он работал над своей идеей. Тем не менее, двигатель Алькубьерре, по крайней мере, в первоначальном виде, вряд ли заработает. Во-первых, у нас нет практического представления, как создать требуемую кривизну пространства. Во-вторых, плотность энергии внутри искривленной области очень велика и отрицательна. Некоторые теоретики утверждают, что эта вторая проблема убивает всю идею работающего двигателя Алькубьерре. Квантовая теория предоставляет обстоятельства, при которых может возникнуть отрицательная плотность энергии, поэтому, если мы когда-нибудь достигнем стадии, когда сможем производить большие количества экзотической материи, то, возможно, мы сможем создать некоторую форму двигателя Алькубьерре, но варп, достаточно большой, чтобы нести космический корабль QE2, потребовал бы общую отрицательную энергию, в десять раз превышающую положительную энергию всей видимой Вселенной. Это кажется маловероятным.
Бельгийский физик Крис Ван Ден Брук, возможно, нашел способ обойти некоторые проблемы двигателя Алькубьерре. Создание микроскопически маленького варп-пузыря потребовало бы лишь небольшого количества экзотической материи; объедините это с некоторой топологической гимнастикой, допустимой в общей теории относительности, и вы можете получить внутренний объем варп-пузыря, который достаточно велик, чтобы вместить космический корабль. Это было бы похоже на ТАРДИС в «Докторе Кто»: микроскопически маленький снаружи, но достаточно вместительный для пассажиров внутри. Когда у нас наконец появится полная квантовая теория гравитации, мы можем обнаружить, что двигатель Ван Ден Брука исключен. В любом случае, стоит подчеркнуть, что его двигатель обладает нереалистичными особенностями[121] — требуются необоснованно большие плотности энергии, например. Возможно, тогда транспортировка через кротовые норы и варп-двигатели никогда не будет практичной. Но пока не доказано, что они невозможны. Может быть, однажды…
Принцип неопределенности квантовой механики говорит нам, что мы не можем одновременно знать и положение, и импульс частицы. Поэтому даже при абсолютном нуле частица должна дрожать, так как если бы она была в идеальном покое, мы знали бы и ее положение, и импульс. Энергия и время также подчиняются принципу неопределенности; аналогично, объем пустого пространства должен содержать энергию (поскольку, чтобы установить, что энергия равна нулю, нам пришлось бы проводить измерения вечно). Эффект Казимира[122] — небольшая сила притяжения, действующая между двумя незаряженными параллельными проводящими пластинами, сближенными на близкое расстояние, — является самым ярким примером существования энергии нулевой точки (ЭНТ). Эффект может быть объяснен только в терминах квантовых флуктуаций электромагнитного поля.
Некоторые авторы предполагают, что в вакууме есть бесконечный запас энергии и что однажды мы сможем использовать эту ЭНТ: возможно, мы сможем использовать ЭНТ для двигательной системы. Действительно, НАСА даже спонсировало встречу по инновационным двигательным системам, на которой ЭНТ была определена как потенциальная прорывная технология. Если это сработает, то у нас будет безграничная дешевая энергия. Лично я остаюсь весьма скептичен к этой идее; мы никогда не получаем что-то из ничего. Но это еще одно предположение о том, как технологически продвинутая ВЦ могла бы использовать возможности, заложенные в законах физики, для разработки технологий, которые кажутся почти волшебными существам нашего уровня развития.
Я лишь коснулся различных предложений по межзвездным двигательным системам. В настоящее время мы не могли бы построить ни одно из упомянутых выше устройств и использовать его для достижения звезд. С нашим нынешним уровнем технологий нам было бы почти невозможно безопасно отправить людей на Сатурн и обратно,[123] не говоря уже о Сириусе. Существует множество проблем — экономических, политических, научных и технических, — которые мы (и, предположительно, ВЦ) должны были бы преодолеть, чтобы путешествовать к звездам. Однако примечательно количество методов, которые авторитетные ученые предложили для полетов к звездам. Методы варьируются от медленных до почти мгновенных; от проверенных до экзотических. Хотя человечество не может построить звездолет в 2014 году, что насчет 2114 года? А что насчет 3014 года? Другие цивилизации могут быть на миллионы, даже миллиарды лет старше нашей. Вероятно ли, что ни одна из них не обладает необходимыми технологическими навыками (или, если релятивистские путешествия невозможны, просто терпением) для космических путешествий?
Звезды действительно далеки. Один этот факт может объяснить, почему нас не посещали (хотя это не обязательно объясняет «Великое Молчание» — отсутствие сигналов от ВЦ — и то, почему мы не видим других свидетельств развитых цивилизаций). Однако для тех, кто оптимистично смотрит на возможности науки и техники, барьер расстояния можно преодолеть. Для этих людей размер Галактики сам по себе не объясняет парадокс Ферми.