Алькубьерре драйв

Двумерная визуализация двигателя Алькубьерре, показывающая противоположные области расширения и сжатия пространства-времени, которые смещают центральную область.

Двигатель Алькубьерре ( [alkuˈβjere] ) — это умозрительная идея варп-двигателя, согласно которой космический корабль может достичь явной скорости, превышающей скорость света, сжимая пространство перед ним и расширяя пространство позади него, при условии, что настраиваемая плотность энергии поле меньше, чем у вакуума (то есть отрицательная масса ). Привод Алькубьерре , предложенный физиком-теоретиком Мигелем Алькубьерре в 1994 году, основан на решении уравнений поля Эйнштейна . Поскольку эти решения являются метрическими тензорами , привод Алькубьерре также называется метрикой Алькубьерра .

Объекты не могут ускоряться до скорости света в обычном пространстве-времени ; вместо этого двигатель Алькубьерре сдвигает пространство вокруг объекта так, чтобы объект достиг места назначения быстрее, чем свет в обычном пространстве, не нарушая при этом никаких физических законов .

Хотя метрика, предложенная Алькубьерре, согласуется с уравнениями поля Эйнштейна, построение такого двигателя не обязательно возможно. Предлагаемый механизм привода Алькубьерре предполагает отрицательную плотность энергии и поэтому требует экзотической материи или манипулирования темной энергией . Если экзотическая материя с правильными свойствами не может существовать, то и двигатель построить невозможно. В конце своей оригинальной статьи однако Алькубьерре утверждал (следуя аргументу, выдвинутому физиками, анализирующими проходимые червоточины ), что вакуум Казимира между параллельными пластинами может удовлетворить требование отрицательной энергии для привода Алькубьерре.

Другая возможная проблема заключается в том, что, хотя метрика Алькубьерре согласуется с уравнениями Эйнштейна, общая теория относительности не включает в себя квантовую механику . Некоторые физики представили аргументы, предполагающие, что теория квантовой гравитации (которая будет включать в себя обе теории) исключит те решения в общей теории относительности, которые допускают путешествие во времени (см. Гипотезу о защите хронологии ) и, таким образом, сделает привод Алькубьерре недействительным.

История

В 1994 году Мигель Алькубьерре предложил метод изменения геометрии пространства путем создания волны, которая заставляла бы ткань пространства перед космическим кораблем сжиматься, а пространство позади него расширяться. Затем корабль будет кататься на этой волне внутри области плоского пространства, известной как пузырь деформации , и не будет двигаться внутри этого пузыря, а вместо этого будет унесен по мере движения самой области под действием двигателя. Локальная скорость относительно деформированного пространства-времени была бы субсветовой, но скорость, с которой мог бы двигаться космический корабль, была бы сверхсветовой, что сделало бы возможным межзвездный полет, например посещение Проксимы Центавра в течение нескольких дней.

Метрика Алькубьерре

Алькубьерре Метрика варп-двигателя определяет пространство-время . Это лоренцево многообразие , которое, если его интерпретировать в контексте общей теории относительности , позволяет пузырю деформации появляться в ранее плоском пространстве-времени и удаляться со скоростью, фактически превышающей скорость света. Внутренняя часть пузыря представляет собой инерциальную систему отсчета , и жители не испытывают должного ускорения. Этот метод транспортировки не предполагает движения объектов со скоростью, превышающей скорость света по отношению к содержимому варп-пузыря; то есть луч света внутри варп-пузыря все равно всегда будет двигаться быстрее, чем корабль. Поскольку объекты внутри пузыря не движутся (локально) быстрее света, математическая формулировка метрики Алькубьерре согласуется с традиционными утверждениями законов относительности (а именно, что объект с массой не может достичь скорости света или превысить ее). ) и традиционные релятивистские эффекты, такие как замедление времени, не будут применяться, как к обычному движению на околосветовых скоростях.

Расширение метрики Алькубьерре, которое исключает расширение элементов объема и вместо этого полагается на изменение расстояний вдоль направления движения, принадлежит математику Хосе Натарио. В его метрике пространство-время сжимается по направлению к носу корабля и расширяется в направлении, перпендикулярном движению, а это означает, что пузырь фактически «скользит» в пространстве, грубо говоря, «отталкивая пространство в сторону».

Привод Алькубьерре остается гипотетической концепцией с, казалось бы, сложными проблемами, хотя количество требуемой энергии больше не считается недостижимо большим. Более того, Алексей Бобрик и Джанни Мартир утверждают, что в принципе класс субсветовых, сферически симметричных варп-пространств-временей может быть построен на основе физических принципов, известных в настоящее время человечеству, таких как положительная энергия.

Математика

Используя формализм ADM общей теории относительности , пространство-время описывается слоением пространственноподобных гиперповерхностей с постоянной координатой времени t , с метрикой, принимающей следующий общий вид:

$ds^{2}=-\left(\alpha ^{2}-\beta _{i}\beta ^{i}\right)\,dt^{2}+2\beta _{i}\,dx^{i}\,dt+\gamma _{ij}\,dx^{i}\,dx^{j},$

где

• α — функция отклонения, которая дает интервал собственного времени между близлежащими гиперповерхностями,
• б ^я – вектор сдвига, связывающий пространственные системы координат на разных гиперповерхностях,
• γ _ij — положительно определенная метрика на каждой из гиперповерхностей.

Особая форма, которую изучал Алькубьерре определяется:

${\begin{aligned}\alpha &=1,\\\beta ^{x}&=-v_{s}(t)f{\big (}r_{s}(t){\big )},\\\beta ^{y}&=\beta ^{z}=0,\\\gamma _{ij}&=\delta _{ij},\end{aligned}}$

где

${\begin{aligned}v_{s}(t)&={\frac {dx_{s}(t)}{dt}},\\r_{s}(t)&={\sqrt {{\big (}x-x_{s}(t){\big )}^{2}+y^{2}+z^{2}}},\\f(r_{s})&={\frac {\tanh {\big (}\sigma (r_{s}+R){\big )}-\tanh {\big (}\sigma (r_{s}-R){\big )}}{2\tanh(\sigma R)}},\end{aligned}}$

с произвольными параметрами R > 0 и σ > 0 . Таким образом, конкретную форму метрики Алькубьерре можно записать:

$ds^{2}=\left(v_{s}(t)^{2}f{\big (}r_{s}(t){\big )}^{2}-1\right)\,dt^{2}-2v_{s}(t)f{\big (}r_{s}(t){\big )}\,dx\,dt+dx^{2}+dy^{2}+dz^{2}.$

С помощью этой конкретной формы метрики можно показать, что плотность энергии, измеренная наблюдателями, чья 4-скорость нормальна к гиперповерхностям, определяется выражением:

$-{\frac {c^{4}}{8\pi G}}{\frac {v_{s}^{2}\left(y^{2}+z^{2}\right)}{4g^{2}r_{s}^{2}}}\left({\frac {df}{dr_{s}}}\right)^{2},$

где g — определитель метрического тензора .

Таким образом, поскольку плотность энергии отрицательна, необходимо, чтобы экзотическая материя перемещалась со скоростью, превышающей скорость света. Существование экзотической материи теоретически не исключается; однако создание и поддержание достаточного количества экзотической материи для совершения таких подвигов, как путешествие со скоростью, превышающей скорость света (и сохранение открытой «глотки» червоточины ) , считается непрактичным. По словам писателя Роберта Лоу, в контексте общей теории относительности невозможно построить варп-двигатель в отсутствие экзотической материи.

с темной энергией и

См. Также: Отрицательная масса

Астрофизик Джейми Фарнс из Оксфордского университета предложил теорию, опубликованную в рецензируемом научном журнале Astronomy & Astrophysicals , которая объединяет темную энергию и темную материю в единую темную жидкость и которую, как ожидается, можно будет проверить с помощью массива квадратных километров. около 2030 года. Фарнс обнаружил, что Альберт Эйнштейн исследовал идею гравитационно-отталкивающих отрицательных масс при разработке уравнений общей теории относительности , идеи, которая приводит к «красивой» гипотезе, согласно которой космос имеет равное количество положительных и отрицательных качеств. Теория Фарнса опирается на отрицательные массы , которые ведут себя идентично физике двигателя Алькубьерре, обеспечивая естественное решение нынешнего «кризиса в космологии» из-за изменяющегося во времени параметра Хаббла .

Поскольку теория Фарнса позволяет положительной массе (то есть кораблю) достигать скорости, равной скорости света, ее назвали «спорной». Если теория верна, что широко обсуждается в научной литературе, она могла бы объяснить темную энергию, темную материю, допустить замкнутые времяподобные кривые (см. путешествие во времени ) и предположить, что двигатель Алькубьерре физически возможен с экзотической материей .

Физика

Что касается некоторых специфических эффектов специальной теории относительности, таких как лоренцево сжатие и замедление времени , метрика Алькубьерре имеет некоторые явно странные аспекты. В частности, Алькубьерре показал, что корабль, использующий привод Алькубьерре, движется по геодезической линии свободного падения, даже когда варп-пузырь ускоряется: его экипаж будет находиться в свободном падении, ускоряясь, не испытывая при этом ускоряющих сил перегрузки . Однако огромные приливные силы будут присутствовать вблизи краев плоского объема пространства из-за большой кривизны пространства там, но подходящая спецификация метрики сохранит приливные силы очень небольшими в объеме, занимаемом кораблем.

Исходная метрика варп-двигателя и ее простые варианты имеют форму ADM , которая часто используется при обсуждении формулировки общей теории относительности для начальных значений. Это может объяснить широко распространенное заблуждение о том, что это пространство-время является решением уравнения поля общей теории относительности. Метрики в форме ADM адаптированы к определенному семейству инерциальных наблюдателей, но эти наблюдатели физически не отличаются от других таких семейств. Алькубьерре интерпретировал свой «пузырь варпа» как сжатие пространства перед пузырем и расширение позади, но эта интерпретация могла вводить в заблуждение. поскольку сжатие и расширение на самом деле относятся к относительному движению ближайших членов семейства наблюдателей ADM.

В общей теории относительности часто сначала определяют правдоподобное распределение материи и энергии, а затем находят связанную с ним геометрию пространства-времени; но можно также запустить уравнения поля Эйнштейна в другом направлении, сначала задав метрику, а затем найдя связанный с ней тензор энергии-импульса , и именно это Алькубьерре сделал при построении своей метрики. Такая практика означает, что решение может нарушать различные энергетические условия и требовать экзотической материи . Потребность в экзотической материи поднимает вопросы о том, можно ли распределить материю в начальном пространстве-времени, в котором отсутствует варп-пузырь, таким образом, чтобы пузырь создавался в более позднее время, хотя некоторые физики предлагали модели динамического варп-пространства-времени в в результате чего в ранее плоском пространстве образуется варп-пузырь. Более того, по словам Сергея Красникова , Для создания пузыря в ранее плоском пространстве для одностороннего путешествия со скоростью, превышающей скорость света, необходимо заставить экзотическую материю двигаться с локальными скоростями, превышающими скорость света, а это потребует существования тахионов , хотя Красников также отмечает, что когда пространство-время изначально не плоское, аналогичного результата можно было бы добиться и без тахионов, заранее разместив вдоль пути движения некоторые устройства и запрограммировав их на срабатывание в заданные моменты и на работу заданным образом. Некоторые предложенные методы позволяют избежать проблемы тахионного движения, но, вероятно, приведут к образованию голой сингулярности в передней части пузыря. Аллен Эверетт и Томас Роман комментируют находку Красникова ( трубка Красникова ):

[Это открытие] не означает, что пузыри Алькубьерре, если бы их можно было создать, нельзя было бы использовать в качестве средства сверхсветового путешествия. Это лишь означает, что действия, необходимые для изменения метрики и создания пузыря, должны быть предприняты заранее каким-то наблюдателем, чей передний световой конус содержит всю траекторию пузыря.

Например, если бы кто-то захотел отправиться на Денеб (2600 световых лет от нас) и прибыть менее чем на 2600 лет в будущем по внешним часам, потребовалось бы, чтобы кто-то уже начал работу по искажению пространства от Земли до Денеба в по крайней мере 2600 лет назад:

Космический корабль, правильно расположенный по отношению к траектории пузыря, мог бы затем войти в пузырь, подобно пассажиру, ловящему проезжающий троллейбус, и таким образом совершить сверхсветовое путешествие... как указывает Красников, соображения причинности не мешают экипажу космический корабль от организации своими собственными действиями совершить путешествие туда и обратно от Земли к далекой звезде и обратно за сколь угодно короткое время, измеряемое земными часами, путем изменения метрики на пути их полета.

Трудности

Потребность в массе и энергии

Метрика этой формы имеет значительные трудности, поскольку все известные теории пространства-времени варп-двигателя нарушают различные энергетические условия . Тем не менее, варп-двигатель типа Алькубьера может быть реализован путем использования некоторых экспериментально подтвержденных квантовых явлений, таких как эффект Казимира , которые приводят к тензорам энергии-напряжения , которые также нарушают энергетические условия, такие как отрицательная масса-энергия , когда они описаны в контексте квантовых теорий поля.

Если выполняются некоторые квантовые неравенства, выдвинутые Фордом и Романом, энергетические потребности некоторых варп-двигателей могут быть как невыполнимо большими, так и отрицательными. Например, энергетический эквивалент −10 ⁶⁴ кг может потребоваться перевезти небольшой космический корабль через Млечный Путь — величина, на несколько порядков превышающая предполагаемую массу наблюдаемой Вселенной . Были также предложены контраргументы против этих очевидных проблем: хотя энергетические потребности все еще обычно требуют цивилизации типа III по шкале Кардашева .

Крис Ван Ден Брук из Католического университета Левена в Бельгии в 1999 году попытался решить потенциальные проблемы. Сжимая 3+1-мерную площадь поверхности пузыря, транспортируемого двигателем, и в то же время расширяя трехмерный объем, содержащийся внутри, Ван Ден Брук смог уменьшить общую энергию, необходимую для транспортировки мелких атомов в менее чем три солнечных массы . Позже в 2003 году, слегка изменив метрику Ван ден Брока, Сергей Красников снизил необходимое общее количество отрицательной массы до нескольких миллиграммов. Ван Ден Брук подробно описал это, заявив, что общую энергию можно значительно уменьшить, сохраняя площадь поверхности самого варп-пузыря микроскопически маленькой и в то же время расширяя пространственный объем внутри пузыря. Однако Ван Ден Брук заключает, что требуемая плотность энергии все еще недостижима, как и небольшой размер (на несколько порядков выше планковского масштаба ) необходимых структур пространства-времени.

В 2012 году физик Гарольд Уайт и его коллеги объявили, что изменение геометрии экзотической материи может снизить требования к массе и энергии для макроскопического космического корабля с эквивалента планеты Юпитер до космического корабля «Вояджер-1» (около 700 кг). или менее, и заявили о своем намерении провести небольшие эксперименты по созданию варп-полей. Уайт предложил утолщать чрезвычайно тонкую стенку варп-пузыря, чтобы энергия концентрировалась в большем объеме, но общая пиковая плотность энергии на самом деле меньше. В плоском двумерном представлении кольцо положительной и отрицательной энергии, изначально очень тонкое, становится более крупным нечетким тором (формой пончика). Однако, поскольку этот менее энергичный варп-пузырь также сгущается по направлению к внутренней области, он оставляет меньше плоского пространства для размещения космического корабля, который должен быть меньше. Более того, если интенсивность пространственной деформации может меняться с течением времени, требуемая энергия снижается еще больше. По словам Уайта, модифицированный интерферометр Майкельсона-Морли мог бы проверить эту идею: одна из опор интерферометра будет иметь немного другую длину, когда испытательные устройства будут под напряжением. Алькубьерре выразил скептицизм по поводу эксперимента, заявив: «Насколько я понимаю, это невозможно сделать, вероятно, в течение столетий, если вообще».

В 2021 году физик Эрик Ленц описал способ существования варп-двигателей, источником которых является известная и знакомая чисто положительная энергия — варп-пузыри, основанные на сверхсветовых самоусиливающихся «солитонных» волнах. Это утверждение является спорным: другие физики утверждают, что все физически разумные варп-двигатели нарушают условие слабой энергии , а также условия сильной и доминирующей энергии.

Размещение материи

Красников предположил, что если тахионную материю невозможно найти или использовать, то решением может быть приведение в движение масс на пути судна таким образом, чтобы создавалось необходимое поле. Но в этом случае судно-водитель Алькубьерре может путешествовать только по маршрутам, которые, как и железная дорога, предварительно оборудованы необходимой инфраструктурой. Пилот внутри пузыря причинно оторван от его стенок и не может осуществлять никаких действий за пределами пузыря: пузырь нельзя использовать для первого полета к далекой звезде, поскольку пилот не может разместить инфраструктуру впереди пузыря, находясь «в пути». Например, путешествие на Вегу (которая находится в 25 световых годах от Земли) требует устроить все так, чтобы появился пузырь, движущийся к Веге со сверхсветовой скоростью; такие меры всегда будут занимать более 25 лет.

Коул утверждал, что схемы, подобные той, что предложена Алькубьерре, неосуществимы, поскольку материя, помещенная на пути предполагаемого пути корабля, должна перемещаться со сверхсветовой скоростью - что для создания двигателя Алькубьерре требуется двигатель Алькубьерре, даже если метрика, которая позволяет это имеет физический смысл. Коул далее утверждает, что аналогичное возражение применимо к любому предлагаемому методу построения привода Алькубьерре.

Выживаемость внутри пузыря

В статье Хосе Натарио (2002) утверждается, что члены экипажа не могли контролировать, направлять или останавливать корабль в его варп-пузыре, потому что корабль не мог посылать сигналы в переднюю часть пузыря.

В статье Карлоса Барсело, Стефано Финацци и Стефано Либерати 2009 года используется квантовая теория, чтобы доказать, что двигатель Алькубьерре со скоростями, превышающими световые, невозможен главным образом потому, что чрезвычайно высокие температуры, вызванные излучением Хокинга, разрушили бы все внутри пузыря на сверхсветовых скоростях и дестабилизировать сам пузырь; в статье также утверждается, что эти проблемы отсутствуют, если скорость пузыря субсветовая, хотя для привода все равно требуется экзотическая материя.

Разрушающее воздействие на пункт назначения

Брендан МакМонигал, Герайнт Ф. Льюис и Филип О'Бирн утверждали, что если корабль, управляемый Алькубьером, замедлится со сверхсветовой скорости, частицы, которые его пузырь собрал во время транспортировки, будут высвобождаться в виде энергетических вспышек, сродни бесконечно сдвинутому в синее излучение. предположительно происходит на внутреннем горизонте событий черной дыры Керра ; Таким образом, частицы, обращенные вперед, будут достаточно энергичными, чтобы уничтожить что-либо в пункте назначения прямо перед кораблем.

Толщина стенки

Количество отрицательной энергии, необходимой для такого движения, пока неизвестно. Пфеннинг и Аллен Эверетт из Тафтса считают, что варп-пузырь, движущийся со скоростью, в 10 раз превышающей скорость света, должен иметь толщину стенок не более 10 ⁻³² метров — близко к предельной планковской длине , 1,6 × 10 ⁻³⁵ метры. В первоначальных расчетах Алькубьерре для макроскопического пузыря, достаточно большого, чтобы вместить корабль длиной 200 метров, потребовалось бы общее количество экзотической материи, превышающее массу наблюдаемой Вселенной, и напряжение экзотической материи до чрезвычайно тонкой полосы в 10 ⁻³² метров считается нецелесообразным. Аналогичные ограничения применимы и к сверхсветовому метро Красникова . Крис Ван ден Брук сконструировал модификацию модели Алькубьерре, которая требует гораздо меньше экзотической материи, но помещает корабль в искривленную пространственно-временную «бутылку», горлышко которой составляет около 10 ⁻³² метры.

причинности и

Расчеты физика Аллена Эверетта показывают, что пузыри деформации можно использовать для создания замкнутых времяподобных кривых в общей теории относительности, а это означает, что теория предсказывает, что их можно использовать для путешествий во времени назад . Хотя вполне возможно, что фундаментальные законы физики допускают замкнутые времяподобные кривые, гипотеза о защите хронологии предполагает, что во всех случаях, когда классическая теория относительности допускает их, квантовые эффекты будут вмешиваться, чтобы исключить такую ​​​​возможность, делая невозможной реализацию этих пространств-временей. . Возможный тип эффекта, который может привести к этому, — это накопление флуктуаций вакуума на границе области пространства-времени, где путешествия во времени впервые станут возможными, в результате чего плотность энергии станет достаточно высокой, чтобы разрушить систему, которая в противном случае стала бы машиной времени. . Некоторые результаты в области квазиклассической гравитации , похоже, подтверждают эту гипотезу, в том числе расчет, посвященный конкретно квантовым эффектам в пространстве-времени с варп-двигателем, который предполагает, что варп-пузыри будут квазиклассически нестабильными. но в конечном итоге эта гипотеза может быть решена только с помощью полной теории квантовой гравитации .

Алькубьерре кратко обсуждает некоторые из этих вопросов в серии слайдов лекций, размещенных в Интернете. где он пишет: «Будьте осторожны: в теории относительности любой способ путешествовать быстрее света в принципе может быть использован для путешествия во времени (машина времени)». На следующем слайде он поднимает гипотезу о защите хронологии и пишет: «Эта гипотеза не доказана (это не была бы гипотеза, если бы она была доказана), но есть веские аргументы в ее пользу, основанные на квантовой теории поля. Гипотеза не запрещает путешествия со скоростью, превышающей скорость света. Она просто утверждает, что если существует способ путешествовать быстрее скорости света и попытаться использовать его для создания машины времени, что-то пойдет не так: накопленная энергия взорвется или она взорвется. создаст черную дыру».

Связь с пути варп-двигателем

В телесериалах и фильмах «Звездный путь» используется термин «варп-двигатель» для описания метода путешествия со скоростью, превышающей скорость света. Ни теории Алькубьерре, ни чего-либо подобного на момент задумки сериала не существовало — термин «варп-двигатель» и общая концепция возникли из Джона Кэмпбелла « научно-фантастического романа Острова космоса» 1931 года . Алькубьерре заявил в электронном письме Уильяму Шетнеру, что его теория была напрямую вдохновлена ​​термином, использованным в сериале. и цитирует «варп-двигатель научной фантастики» в своей статье 1994 года. Военный корабль США « Алькубьерре » появляется в Star Trek « настольной ролевой игре Star Trek Adventures» . С момента выхода «Звездного пути: Оригинальная серия» в более поздних «Звездного пути» спин-оффах теория, лежащая в основе привода Алькубьерре, стала более тесно использоваться, включая пузыри/поля деформации в науку во вселенной.

См. также

• ЭмДрайв
• Точные решения в общей теории относительности (подробнее о том, в каком смысле пространство-время Алькубьерре является решением)
• IXS Предприятие
• Квантовый вакуумный двигатель
• Безреактивный привод
• Движение космического корабля
• Эффект Унру

Ссылки

• Хискок, Уильям А. (1997). «Квантовые эффекты в пространстве-времени варп-двигателя Алькубьерре». Классическая и квантовая гравитация . 14 (11): Л183–Л188. arXiv : gr-qc/9707024 . Бибкод : 1997CQGra..14L.183H . дои : 10.1088/0264-9381/14/11/002 . S2CID   1884428 .
• Лобо, Франциско С.Н.; Виссер, Мэтт (2004). «Фундаментальные ограничения пространства-времени« варп-двигателя »». Классическая и квантовая гравитация . 21 (24): 5871–5892. arXiv : gr-qc/0406083 . Бибкод : 2004CQGra..21.5871L . дои : 10.1088/0264-9381/21/24/011 . S2CID   119010055 .

Внешние ссылки

• «Идеи, основанные на том, чего мы хотели бы достичь» . НАСА. Архивировано из оригинала 9 апреля 2013 года . Проверено 2 июля 2008 г. Он описывает концепцию с точки зрения непрофессионала.
• «Можем ли мы путешествовать быстрее света? с доктором Мигелем Алькубьерре» . YouTube . Горизонт событий. 6 июня 2019 г. (ведущий Джон Майкл Годье )
• Короткий видеоролик о гипотетических эффектах варп-двигателя.
• Страница Марсело Б. Рибейро о теории варп-двигателя
• Гонсалес-Диас, Педро (14 июля 2000 г.). «Дарп-двигатель пространства-времени». Физический обзор D . 62 (4). Американское физическое общество : 044005. arXiv : gr-qc/9907026 . Бибкод : 2000PhRvD..62d4005G . дои : 10.1103/PhysRevD.62.044005 . S2CID   59940462 .
• Даннинг, Брайан (6 февраля 2024 г.). «Скептоид № 922: Испытание варп-двигателя Алькубьерре» . Скептоид .