Тахионный двигатель для ftl путешествий

Тахионный двигатель. Будущее космических путешествий

Межзвездные путешествия станут для человечества настоящим вызовом, это необходимый шаг для дальнейшего исследования космоса. Большие расстояния сильно усложняют такие путешествия, даже скорость света является недостаточной, т.к. Вселенная постоянно расширяется. Путешествия на такой скорости займут годы.

Эйнштейн в 1905 написал, что скорость света непреодолима, однако современные ученые нашли решения, которые не противоречат теории относительности.

Представьте, что во вселенной существует два класса частиц. Привычные нам тардионы (протоны, электроны, нейтроны) никогда не превышают скорость света. При увеличении энергии и импульса они движутся быстрее, при уменьшении — замедляются.

Другой класс частиц — тахионы действуют ровно наоборот. Они изначально перемещаются со сверхсветовой скоростью, причем при уменьшении энергии и импульса их скорость только увеличивается, а при увеличении —падает. Проблема в том, что когда они замедляются до скорости света, то сразу же исчезают.

О сверхсветовых частицах впервые заговорили в начале XX века, о них писал Арнольд Зоомерфельд. Позже свои работы на эту тему представляли Лев Штурм, Виджай Дешланд и Джеральд Фейнберг, который и ввел сам термин тахион. Фейнберг считал, что тахионы способны перемещаться со скоростью в миллиарды раз быстрее света.

Масса тахиона мнимая, она значима лишь на сверхсветовых скоростях. У нее есть своя античастица — анти-тахион. Одна из моделей физики предполагает, что эта пара частиц существует как виртуальная пара в квантовом вакууме. В реальный мир они попадают после масштабного события, например, Большого Взрыва. Только тогда их можно наблюдать.

Если человечество захочет построить сверхсветовой двигатель, использующий тахионы, необходимо решить одну проблему. Дело в том, что обычный двигатель в теории может стремиться к скоростям близким к скоростям света (99,99%). После того как скорость света будет превышена начнут работать тахионы. Но, что должно происходить в этом небольшом промежутке между досветовой и сверхсветовой скоростями неизвестно, т.к. сверхсветовые объекты должны изначально и всегда двигаться быстрее света.

Впрочем, мир этих загадочных частиц для ученых по-прежнему закрыт. Если удастся установить существование этих частиц и решить проблему преодоления границы скорости света, сверхсветовой двигатель станет
возможен, по крайней мере теоретически.

Источник

Мы приближаемся к созданию варп-двигателя

# варп-двигатель изначально предложила # научная фантастика (имеется в виду сам термин). Серьёзно об этой технологии заговорили, когда в 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре, применив постулаты Теории относительности, предположил, что можно разработать принцип перемещения, использующий возможность пространства-времени к сжатию и расширению. Корабль в этом случае помещён в так называемый # пузырь алькубьере . Пространство перед ним сжимается, а позади — расширяется. Правда, ещё тогда физики Pfenning, M J и Ford, L Hх, посчитали, что для образования «пузыря Алькубьере» потребуется −6,3×10^29 килограмм антиматерии. Но здесь надо понимать, что и физические теории и математические совершенствуются. Так, первоначальные расчёты, когда ещё не было понятия # варп , говорили о необходимости антиматерии практически массы Вселенной, чтобы получилось образовать пузырь, способный вместить # межзвёздный корабль .

С точки зрения экспериментальной проверки всё не так просто. Развития наших технологий просто недостаточно для создания варп-пузыря. При этом, в NASA, к примеру, есть, пусть и небольшое, но целое подразделение — Eagleworks Laboratories , которое занимается исследованием этой возможности. Её специалисты периодически публикуют результаты своей деятельности . Но самым настоящим прорывом, добавившим уверенности в копилку теории варп-перемещения, стало открытие, не связанное с этой лабораторией — фиксация гравитационных волн . Теперь мы точно знаем, что пространство-время деформируется, а значит, варп-двигатель действительно возможен — необходимо развивать теорию механики этой деформации. Помимо этого, будущие достижения в квантовой физике, квантовой механике и метаматериалах будут способствовать решению энергетической головоломки.

Да, насколько нам известно, антивещество не образуется в природе, но мы можем попробовать получить античастицы, из которых оно состоит (во всяком случае должно состоять). На сегодняшний день специалистами была придумана и создана магнитная ловушка, которая смогла удержать 38 атомов антиводорода в течение 172 миллисекунд (0,172 секунды), а после 170 000 атомов антиводорода, что по массе около 10^-18 грамм. Это самый настоящий успех. Вообще, на сегодня разработано несколько математических моделей , описывающих работу подобного двигателя, и, исходя из этих расчётов, для перемещения по Солнечной системе понадобится совсем немного античастиц. К примеру, чтобы за месяц долететь до Марса, потребуется всего около 140 нанограммов антипротонов. Но стоит ли паковать чемоданы для полёта к Альфе Центавра? Вот именно с межзвёздными полётами пока всё не так радужно. Теория говорит о том, что для создания волны искривления пространства для перемещения на межзвёздные расстояния необходимо намного больше антиматерии.

Скорее всего, именно поэтому, хоть теоретически межзвёздные перемещения и возможны, вопросами, связанными с ними, практически никто не занимается. На сегодняшний день, пожалуй, самым известным человеком, занимающимся вопросами, связанными с подобным перемещением, является Jeph Francis Xavier Agnew. Он уточнил все имеющиеся данные (на 2019 год) и указал в своей работе , что для запуска варп-двигателя потребуется около 10^28 килограмм антиматерии, что приблизительно равно энергии массы Юпитера. Немало, да, но и не масса Вселенной. С теоретической точки зрения разумно предположить, что с развитием квантовой теории поля и более глубоким пониманием фундаментальных уровней теоретической физики будет продолжен и ускорен прогресс в направлении создания технологии, подобной варп. Открытие гравитационных волн стало прорывом, который не только подтверждает теорию относительности, но и даёт начальное представление о концепции пространственно-временного искажения и деформации. Смогут ли гравитационные волны стать двигательным эквивалентом электричества — естественным явлением, которое человечество точно также освоит?

По крайней мере теперь, когда стало понятно, что этот эффект возникает естественным образом, более разумно обсудить методологии, позволяющие его использовать, чем прямо сейчас и занимаются энтузиасты, мечтающие о межзвёздных путешествиях. Подписывайтесь на S&F , чтобы первыми узнавать самое интересное из мира науки, техники и технологий, и делитесь ссылкой на него с друзьями и в социальных сетях. Ещё у меня есть канал в Telegram и уютный чатик для дискуссий на научные темы. Спасибо, что читаете.

Источник

Варп-двигатель Алькубьерре

Возможность путешествовать быстрее скорости света.

Мы часто видим их в научно-фантастических фильмах — корабли с варп-двигателями ( warp drive ), которые позволяют героям исследовать новые планеты и новые галактики. Эти корабли летали бы даже быстрее скорости света, за исключением того, что если Общая теория относительности чему-то и научила нас, так это тому, что ничто не может превышать скорость света. Верно? Ведь свет не имеет массы и поэтому может двигаться со скоростью 299 792 458 метров в секунду.

Да, это действительно так. Ничто не может превышать этот универсальный предел скорости. За исключением того, что можно построить варп-двигатель, не нарушая никаких законов физики.

В 1994 году мексиканский физик-теоретик Мигель Алькубьерре написал статью, в которой была изложена математическая и научная основа для варп-двигателя, которая не нарушает общей теории относительности. Он заинтересовался этим методом межзвездных путешествий, увидев, что он используется в научно-фантастических романах, чтобы путешествовать на огромные расстояния.

Варп-двигатель работает расширяя пространство-время позади себя и сжимая его перед собой, образуя т.н. пузырь Алькубьерре. Сам корабль при этом никуда не движется, а именно пространство вокруг него движется и толкает его вперед. Представьте себе, такую аналогию: вы стоите на конвейерной ленте, где вам не приходится идти, а вместо этого полотно конвейера перемещает вас вперед. Сжатие пространства перед кораблем будет тянуть его вперёд, а расширение пространства позади корабля будет также толкать его вперед. Эйнштейн показал, что пространство-время может быть деформировано массой или энергией, и если пространство-время может быть изогнуто, то им можно манипулировать другими способами. Причина, по которой этот корабль сможет двигаться быстрее скорости света, заключается в том, что общая теория относительности говорит нам, что ничто в космосе не может нарушить ограничение скорости, однако нет ограничения скорости в том, как быстро само пространство может сжиматься или расширяться. Мы ничего не перемещаем в пространстве — мы перемещаем само пространство.

Работа Алькубьерре была обнадеживающей и впечатляющей, но у в неё было много пробелов. В своей оригинальной статье он предположил, что для питания такого космического корабля нам потребуется больше отрицательной энергии, чем имеется энергии во всей Вселенной. Эта отрицательная энергия — именно то, что заставляет пространство расширяться. Проблема в том, что отрицательная энергия неуловима, и многие ученые даже сомневаются в её существовании, не говоря уже о надежде, что мы сможем добыть её огромное количество.

Наши наблюдения за тем, что могло быть отрицательной энергией, очень незначительны. Идея состоит в том, что то, что кажется черным, пустым пространством, на самом деле таковым не является. Существует плотность энергии пустого пространства — то, что мы называем нулевой энергией. Квантовая механика говорит нам, что пустое пространство заполнено частицами энергии, возникающими и исчезающими. Если мы сможем остановить появление этих частиц, мы получим отрицательную энергию.

Ученые пытались создать это в лаборатории, сдвинув две металлические пластины (настолько плоские, что они идеально гладкие почти до атомарного уровня) на расстояние менее, чем толщина человеческого волоса. Полученное пространство было настолько мало, что оно не позволяло частицам существовать, заставляя силу вокруг пластин увеличиваться и, таким образом, проявлять сигнатуру отрицательной энергии. Однако, полученные в этом эксперименте измерения оказались слишком малы, чтобы сделать окончательные выводы о существовании отрицательной энергии.

Если мы выясним, как создать больше отрицательной энергии в будущем, нам может понадобиться не так много её, как сначала теоретизировал Алькубьерре. В более поздних уточнениях к его статье ученые NASA резко сократили количество энергии, необходимое для варп-двигателя, путем вибрирования частей корабля на высоких частотах, что облегчило бы перемещение в пространстве-времени и уменьшило количество необходимой энергии. Современные теории о том, сколько отрицательной энергии нам понадобится, варьируют значениями от 65 эксаджоулей до энергии нескольких отрицательных и положительных солнечных масс. 65 эксаджоулей составляет количество энергии, которое США использует в год. Всё еще много, но определенно лучше и определенно выполнимо в будущем. Если бы мы могли использовать тёмную энергию, нам бы понадобилась только масса Юпитера. Единственная проблема в том, что мы не понимаем, что такое тёмная энергия и как она работает. Она может оказаться экзотическим материалом, который нам нужен.

Для сравнения, попытка межзвездного космического полета с обычными ракетами не только займёт сотни тысяч лет, но и потребует объем топлива больше, чем вся вселенная. Не говоря уже о поиске материала, который мог бы выдерживать такую длительность путешествия.

У некоторых моделей гипотетических космических аппаратов с варп-двигателем скорость будет в 10 раз превышать скорость света. Это позволит совершить полёт к нашей ближайшей экзопланете, Альфа Центавра Bb, за шесть месяцев, хотя расстояние до неё более 4 световых лет. Наши самые быстрые космические корабли могут двигаться со скоростью более 30 000 км в час, а это означает, что нам потребуется 142 000 лет, чтобы достичь Альфа Центавра Bb. 30 000 км в час — это около 0,003% скорости света.

Путешествие на варп-двигателе приведет нас через более высокие измерения, а это означает, что это может дать нам возможность не только исследовать нашу собственную Вселенную, но и мультивселенную.

Существует предел того, насколько теоретически быстро может перемещаться варп-двигатель, но даже эти ограничения скорости позволят нам прибыть в новую галактику за доли секунды. В качестве дополнительного преимущества корабль может ускоряться и замедляться, а пассажиры не будут испытывать замедления времени. Другими словами, вы не прибудете в пункт назначения, чтобы узнать, что вы так далеко впереди во времени, что все, кого вы знаете, уже мертвы на Земле.

Другие проблемы, помимо источников энергии, связаны с частицами, накопленные во время путешествия, которые могут непреднамеренно запускаться во время торможения и разрушать целые миры. На самом деле, может не быть никакого способа замедления, как только судно начнет движение, а экипаж может оказаться мертвым по ряду других причин. Но до сих пор все математические и экспериментальные данные показали возможность существования варп-двигателей.

Если мы найдем способ создать такую технологию, пройдут столетия, прежде чем мы увидим её использование. Как и червоточины, возможности варп-двигателей огромны, но они не дадутся легко.

Однако нам не придется ждать сотни лет, чтобы начать исследовать далекие просторы космоса: у NASA есть цель создать межзвездный корабль до 2100 года.

Источник

Варп-двигатель для межзвездных путешествий – фантастика или реальность?

Используя волну для создания искривленного пузыря в «метрике Алькубьерра», который искажает пространство-время, сжимая пространство перед ним, пока его задняя часть растягивается. Теоретически, перемещение варп-пузыря может намного превышать скорость света.

Проблема космических путешествий заключается в огромном количестве времени, которое потребуется, чтобы путешествовать между ними. Используя лучшие средства движения, которые у нас есть сейчас, нам потребовались бы десятки тысяч лет, чтобы достичь ближайшей звезды. Главной проблемой является ограничение космической скорости, открытое Эйнштейном.

Обойти теорию относительности Эйнштейна, преодолев скорость света

Это говорит о том, что ничто не может двигаться быстрее скорости света — 299 792 458 метров в секунду.

В 1994 году физик Мигель Алькубьерре предложил способ двигаться быстрее, если совершить поездку на пузыре в пространстве-времени с помощью диска Алькубьерра. Математические выкладки и научная база для создания настоящего варп-двигателя не противоречат Общей теории относительности. Он заинтересовался этим способом межзвездных путешествий после того, как увидел его в действии — при преодолении гигантских расстояний в научно-фантастических произведениях.

В «метрике Алькубьерра» можно использовать волну для создания искривленного пузыря, который искажает пространство-время, сжимая пространство перед ним, пока его задняя часть растягивается. Теоретически, перемещение варп-пузыря может намного превышать скорость света.

Если бы транспортное средство находилось внутри такого пузыря, оно быстро переместилось бы вместе с ним. Его собственная скорость будет иметь гораздо меньшее значение, чем скорость пузыря. Поскольку сам корабль будет нормально путешествовать через свою текущую область пространства-времени внутри пузыря, никакие релятивистские эффекты не будут задействованы. Подумайте о мухе внутри движущегося автомобиля, обеспечивающего свое собственное движение вперед, назад и из стороны в сторону.

Сущность процесса

Варп-двигатель расширяет и сжимает пространство-время вокруг корабля и его пузыря. Аппарат в принципе не ускоряется и не движется. Движется материя вокруг него и таким образом толкает его вперед. Сжатие пространства-времени перед космическим аппаратом будет тянуть его, а расширение позади него будет продолжать это движение вперед. Эйнштейн показал, что пространство-время может искривляться массой или энергией, следовательно, им можно манипулировать и другими способами. Причина, по которой этот корабль мог бы двигаться быстрее света, — в том, что Общая теория относительности гласит, что ничто в пространстве не может преодолеть предел скорости, однако нет никакого предела скорости для расширения или сжатия самого пространства. Мы ничего не движем в пространстве — мы движем само пространство.

Работа Алькубьерре была обнадеживающей и впечатляющей, но в ней было и немало дыр. В оригинальной работе он теоретизировал, что для обеспечения такого корабля достаточной мощностью понадобилось бы очень много отрицательной энергии. Проблема заключается в том, что отрицательная энергия неуловима, даже многие физики сомневаются в ее существовании, не говоря уже о том, что нам удастся произвести огромные ее объемы.

Фантастические мечты

В некоторых моделях — например, в концепции Гарольда Уайта — космический аппарат на варп-двигателе может двигаться в 10 раз быстрее света. На такой скорости мы смогли бы добраться до ближайшей экзопланеты — альфы Центавра B b — всего за шесть месяцев, несмотря на то, что она находится более чем в четырех световых годах от Земли. Самые быстрые современные аппараты могут достигать скорости чуть выше 32 тысяч километров в час: путешествие до альфы Центавра B b на такой скорости займет 142 тысячи лет. Тридцать две тысячи километров в час — это около 0,003% скорости света.

Путешествие на такой скорости позволило бы человечеству преодолеть космологический горизонт и исследовать не только свою Вселенную, но и Мультивселенную. Теоретически у скорости варп-двигателя есть предел, но даже эти теоретические пределы дали бы нам возможность перемещаться в новые галактики за долю доли секунды. В качестве преимущества корабль смог бы ускоряться и замедляться, а пассажиры бы не испытывали замедления времени.

Космические деформации реальны

Негативная материя, вероятно, является лучшим сценарием, если быстрее космического полета оказывается невозможным. К сожалению, все еще есть некоторые недостатки. Неясно, существует ли вообще отрицательная материя в нашей вселенной (есть предположение, что она может быть доминирующей формой материи в отдаленных областях космоса, которые, по-видимому, почти полностью лишены галактик; положительная материя будет постепенно «отталкиваться» в отдельные регионы, где образуются нормальные галактики и звезды).

Даже если объекты не могут двигаться быстрее скорости света, кажется, что само пространство (в соответствии с тем, что в настоящее время известно об общей теории относительности) может. Пространство может расширяться быстрее скорости света, унося очень далекие галактики от Солнечной системы быстрее, чем свет, даже если они находятся в состоянии покоя относительно своих локальных соседей в космосе. Кажется, что пространство-время можно расширить или сжать с любой скоростью. В этом случае космическое путешествие быстрее света стало бы возможным, просто расширив пространство позади и сузив пространство перед ним.

Это может быть достигнуто путем применения огромного количества отрицательной энергии (отрицательной массы, отрицательной гравитации) за пределами «искривленного пузыря» нормали, окружающей объект. Мексиканский физик Мигель Алькубьерре продемонстрировал, что концепция возможна, по крайней мере, в принципе, но на практике она требует невероятно большого количества отрицательной энергии.

Проблемы

Самая большая проблема, которую необходимо преодолеть, — это ошеломляющее количество энергии, которое может потребоваться при создании пузыря: энергетический эквивалент массы Юпитера. (Это на самом деле представляет собой улучшение по сравнению с более ранними оценками, которые требовали эквивалента массе всей вселенной.) Ученые надеются, что однажды экзотическая материя может обеспечить средства для получения необходимой энергии благодаря достижениям в квантовой физике, квантовой механике и метаматериалах. НАСА, с другой стороны, уже изучает создание пузырьков деформации , рассматривая использование объекта, не большего, чем космический корабль Voyager. «То, что это делает, — это переводит идею из категории абсолютно невозможного в, возможно, правдоподобное», — сказал Гарольд Уайт из Eagleworks Laboratories NASA: Advanced Propulsion.

Помимо источников энергии, проблемой также считаются частицы, ускоренные во время путешествия, которые ненароком могут быть запущены при торможении и уничтожать целые миры. Более того, есть вероятность, что замедлиться, как только начнется движение, будет уже невозможно, а экипаж может погибнуть по целому ряду причин.

Кроме того, есть проблема — излучение Хокинга. В теории, оно должно убить каждого, кто окажется внутри пузыря.

Исследования продолжаются

Бесконтактный варп-привод, приводимый в действие источником отрицательной энергии, несомненно, находится на расстоянии многих поколений от своего изобретения. Основные функциональные компоненты этого привода еще не обнаружены, и даже в настоящее время их невозможно эффективно использовать. Подобно червоточинам, возможности, которые могут предоставить варп-двигатели, невероятны, но добиться их реализации будет нелегко. Больше открытий о темной энергии может привести к созданию поля пространства-времени, в котором все три энергетические условия могут быть нарушены. До тех пор люди должны будут использовать ракеты.

Путешествие на такой скорости позволило бы человечеству преодолеть космологический горизонт и исследовать не только свою Вселенную, но и Мультивселенную. Теоретически у скорости варп-двигателя есть предел, но даже эти теоретические пределы дали бы нам возможность перемещаться в новые галактики за долю доли секунды.

Пространственно-временная матрица

Линии пространства / времени изогнуты в направлении передней части космического корабля в форме воронки, а линии пространства / времени набухают (расширяются), как воздушный шар, надутый сзади. Таким образом, транспортное средство отталкивается сзади с отрицательной кривизной, а спереди с положительной кривизной спереди. Пространство само по себе является космическим кораблем.

Источник