Варп-врата: путь к сверхсвету
1. Сверхсветовое движение
Сверхсветовое движение(ССД) — движение со скоростями выше c=3e+8 м/с. ССД невозможно в нашем пространстве-времени, поэтому все изучаемые варианты ССД занимаются изменением пространства-времени.
Одним из вариантов ССД является “варп”(смятие) — метрика искривления пространства-времени, предложенная Мигелем Алькубьерре в 1994[1].
Рис. 1. Искривленное пространство-время — “пузырь” Алькубьерре. Перед центром(на рисунке справа) пространство сжимается, приближая к цели, позади — расширяется, отталкивая от точки старта. Иллюстрация из [1]
Предложенную Алькубьерре идею дополняли и дорабатывали неоднократно.
Представляет интерес концепция “вложенных пузырей”, предложенная Крисом Ван Ден Бруком в 1999[2], проанализированная и дополненная Сергеем Красниковым в 2003[3].
Рис. 2. Вложенные пузыри ван ден Брука. Иллюстрация из [2]
Вложенные пузыри позволяют резко сократить энергозатраты на создание и поддержание искривления, вынося перемещаемый объём плоского пространства внутри внешнего перемещающегося “пузыря” в дополнительный внутренний — пространственный карман (pocket — C.v.d.Broeck).
По оценкам Сергея Красникова, энергозатраты на поддержание горловины кармана, сжатой до планковского размера, составляют ~1e-8 килограмма отрицательной массы, или 1e+9 Дж — 1 ГигаДжоуль — в секунду по формуле Эйнштейна.
Энергозатратной проблемой в этом случае является раскрытие горловины для размещения внутри пузыря груза и извлечения его после прибытия, поскольку затраты возрастают до килограмм и тонн отрицательной массы.
Также представляют интерес работы Гарольда Уайта(например, [4]) и другие работы, посвященные поиску наиболее оптимальной метрики варпа.
Например, энергетическая оценка Уайта говорит о необходимости 700 кг отрицательной массы для его пузыря с околонулевым(порядка 1 м и менее) размером центрального объёма (практически весь объём искривлённого пространства занимает стенка пузыря, тонкая в исходном варианте Алькубьерре) и колеблющейся стенкой.
Также, кроме экзотической материи для расширения пространства позади груза, варп-привод требует и обычной материи для сжатия пространства перед грузом. Впрочем, в отличие от отрицательной энергии, положительная легкодоступна.
2. Генерация отрицательной массы
Отрицательная масса, также называемая экзотическая материя(экзомат) — вакуум, лишенный некоторой доли виртуальных частиц, чьё появление запрещено, т. к. при их временной материализации одна из частиц виртуальной пары поглощается генератором. Ранее был известен только один способ получения отрицательной массы-энергии — эффект Казимира[5]. В случае с эффектом Казимира роль генератора исполняется двумя близко расположенными плоскими проводящими пластинами.
В 2016 году при анализе аномальной тяги устройства EmDrive Майкл МакКаллох предположил, что в полости резонатора электромагнитных волн отражение фотонов можно рассматривать как их ускорение[6]. Ускорение получается очень большим, порядка 1е+17 м/с2, и становится возможным пронаблюдать эффект Унру — тепловое излучение вакуума относительно ускоряющегося наблюдателя.
По МакКаллоху, EmDrive реализует эффект щели Казимира на куда больших размерах зоны запрещения (щель Казимира — от 1 мкм и менее, размеры экспериментальных образцов EmDrive — ~1 дм) и с большими потенциальными возможностями, т.к. количество отрицательной массы зависит не только от геометрии, но и от вложенной в резонатор энергии.
Как показывает МакКаллох, ускорение фотонов, а следовательно, температура Унру и мощность излучения тёплого вакуума, зависит от геометрии резонатора, в частности от его длины L, причём обратно:
Ускорение а = с*с/L
Ширина же камеры резонатора определяет длины волн запрещённых виртуальных частиц.
Стоит отметить, что EmDrive имеет коническую камеру для того, чтобы получать за счёт разности ширин зон запрещения нереактивную тягу.
Рис. 3. Резонаторная полость EmDrive. Иллюстрация из [6]
В генераторе экзоматерии разность ширин не требуется, поэтому генератор будет иметь цилиндрическую форму резонаторной полости.
Расчёт энергетической плотности вакуума и её изменения в зависимости от запрещённых частот виртуальных фотонов проводили, например, Луиджи Максимилиан Калигиури и Муса Такааки в [8].
Общий краткий вывод из публикаций таков — для достижения величины отрицательной массы, хотя бы сравнимых по модулю с массой резонатора, необходимо иметь размеры резонаторных полостей порядка длины волны рентгеновских лучей — 1 нм и менее.
То есть, следовательно, необходимо создать материал, внутри которого можно будет создать резонаторные полости такого размера, при этом электромагнитные волны должны проходить через материал с максимально слабым поглощением и преломлением вне полостей при хотя бы однократном отражении в резонаторных полостях.
Лишь одна из проблем — при длинах волн, меньших, чем размер резонатора, большая проблема добиться их нормального отражения, которое является критичным для резонаторов.
Впрочем, подтвежденная возможность существования материалов типа “рентгеновское зеркало”, природным примером такого материала является алмаз[7] и различных фотонных кристаллов теоретически позволяет создать такой материал.
Это не единственное требование к материалу генератора. Так же при генерации отрицательной энергии из-за давления внешнего более энергетичного вакуума на область с пониженной энергией будет возникать сила Казимира, стремящаяся сблизить стенки резонаторной полости, давление МакКаллоха, стремящееся их раздвинуть, а так же стоит принимать во внимание силу давления световых волн на стенки резонаторных полостей. Материал должен выдерживать давление равнодействующей этих сил на стенки полостей.
Последнее по счёту, но не по важности замечание по экзотической материи заключается в том, что её хранение и применение в открытом виде не представляется возможным. Давление вакуумного поля нулевой точки на область отрицательной энергии, наблюдаемое в эффекте Казимира, будет приводить к нуллификации свободной отрицательной энергии. Из-за этого её свободное применение будет возможно лишь только при постоянной работе генератора отрицательной энергии.
Примем, что проблемы создания такого материала технически решаемы, и следовательно генерация произвольного количества экзомата при вложении в резонаторы необходимой энергии электромагнитных волн может считаться возможной.
Стоит отметить, что фотоны эффекта Унру возникают по МакКаллоху при каждом отражении. Т.е. количество отражений инициирующего фотона в полостях резонаторов является множителем к количеству генерируемой экзоматерии. Также количество генерируемой отрицательной энергии прямо пропорционально мощности генератора, т. е. количеству инициирующих фотонов.
В первом приближении далее будем рассматривать общий коэффициент пропорциональности между вложенной в генератор энергией и полученной отрицательной энергией как -1 из-за того факта, что добиться многократного переотражения рентгеновского излучения в резонаторных полостях является ещё более сложной задачей, чем их однократное отражение.
3. Варп-врата.
Концепция системы варп-путешествий ограничивается энергетически и требуемой конфигурацией полей отрицательной и положительной массы при смятии пространства.
Энергетическое ограничение на генерацию экзотической материи жёстко связано с геометрией пузыря.
Расчёты стандартных пузырей предполагают постоянную поддержку искривленного пространства во время перелёта. Вместе с тем единственной теоретически доступной на практике возможностью получать такое количество энергии, какое необходимо для генерации (от тераватт и выше), является концентрация звёздной энергии при помощи сферы/роя Дайсона. Такая концентрация обладает критическим недостатком — невозможностью размещения внутри пузыря из-за привязанности к звезде. Это очевидно приводит к мысли о внешнем стационарном генераторе соответственно стационарного пузыря Алькубьерре. Назовём его «варп-врата».
Один из примеров такого искривления, названный «варп-червоточина», разобран Сергеем Красниковым в [3]. К сожалению, вариант с макроскопическим размером перехода требует энергии порядка одной сотой массы Солнца — по словам автора, примерно то количество энергии, что выделяется при взрыве сверхновой.
Для сокращения потребления энергии есть смысл использовать пространственный карман ван ден Брука, который со сжатой до планковской длины горловиной сокращает потребность энергии на переход через варп-червоточину до 1e-3 грамма экзотической материи — около 0,1 ТВт на генераторе.
К сожалению, в этом случае возникает техническая проблема совмещения горловины пространственного кармана и перехода при их размерах около планковской длины. Но, конечно, это не единственный вариант искривления пространства со стационарными входом и выходом.
В любом же варианте с использованием пространственного кармана ван ден Брука сохраняется проблема создания и входа в пространственный карман. Используя оптимизации пузыря, рассчитанные Уайтом и другими, можем получить затраты на создание варп-пузыря типа пространственный карман с макроскопическими размерами горловины порядка сотен килограмм экзоматерии, соответственно, 1e+19 Дж энергии на генераторе. После же размещения груза внутри на поддержание стабильности пространственного кармана изнутри требуется околонулевое количество экзоматерии, на поддержание закрытой горловины снаружи необходимо примерно 1e-8 кг экзоматерии.
После применения этой техники пространственный карман помещается во внешнее несущее искривление и раскрывается приёмными варп-вратами.
Расчёт геометрии и топологии генератора, определяемой выбранной метрикой искривления, а так же распределения положительной массы с учётом внешнего искривления пространства выходит за рамки этой статьи.
4. Заключение
Так или иначе, сверхсветовые путешествия возможны, и если современные опыты верны, то вполне реализуемы, пусть не на современном техническом уровне, а в будущем. А рассмотрение возможных вариантов прямой реализации таких путешествий уже сейчас является очень важным начинанием.
Список источников
1. Alcubierre, Miguel (1994). «The warp drive: hyper-fast travel within general relativity». Classical and Quantum Gravity 11 (5): L73—L77
2. Chris Van Den Broeck. A ‘warp drive’ with more reasonable total energy requirements. //Class. Quantum Grav. 16 — 1999. — pp. 3973-3979
3. S. Krasnikov. The quantum inequalities do not forbid spacetime shortcuts. //Phys. Rev. D 67 — 2003.
4. White, Harold (January 2013). "Warp Field Mechanics 102: Energy Optimization". NASA Johnson Space Center
5. Мостепаненко В М, Трунов Н Н "Эффект Казимира и его приложения" УФН 156 385—426 (1988)
6. M.E. McCulloch. Testing quantised inertia on the emdrive — 2016
7. Luigi Maxmilian Caligiuri, Takaaki Musha. Quantum Vacuum Energy, Gravity Manipulation and the Force Generated by the Interactionbetween High-Potential Electric Fields and Zero-Point-Field. International Journal of Astrophysics and Space Science. Special Issue: QuantumVacuum, Fundamental Arena of the Universe: Models, Applications and Perspectives. Vol. 2, No. 6-1, 2014, pp. 1-9.
8. Yuri V. Shvyd’ko, Stanislav Stoupin, Alessandro Cunsolo, Ayman H. Said, Xianrong Huang. High-reflectivity high-resolution X-ray crystal optics with diamonds // Nature Physics. Published online: 17 January 2010
Захаров Г.В. май-июль 2016
