Как «обмануть» скорость света

Полет к звездам — давняя мечта человечества. Однако расстояния до них столь велики, а скорость любых известных нам технических средств столь мала, что кажется, будто мечта навсегда останется вычурной фантазией. И, тем не менее, у физиков есть идея, как обмануть законы природы и вырваться на межзвездные просторы.

Предельная скорость

До начала XVII века считалось, что свет распространяется мгновенно. Вопреки этому мнению великий Галилео Галилей полагал, что тот имеет определенную скорость, и даже придумал эксперимент с фонарем по ее измерению, однако у него ничего не получилось. В результате первым ее измерил датский астроном Олаф Ремер, который в 1676 году наблюдал затмения Ио, спутника Юпитера, и обнаружил, что время между затмениями становится меньше, когда расстояние от этой планеты-гиганта до Земли уменьшается, и больше — когда увеличивается. Он понял, что разница обусловлена скоростью света, который «проходит» большее расстояние при удалении Юпитера, и смог легко вычислить ее. Ремер, конечно, ошибся в определении точной величины, но зато верно установил порядок — 214 000 км/с.

В дальнейшем физики провели множество других измерений и к началу ХХ века установили: скорость света в вакууме составляет 299 910 км/с — это уже было близко к современному значению. Но никто не мог и предположить, что она является предельной для нашей Вселенной.

В 1905 году Альберт Эйнштейн принял в качестве постулата для своей специальной теории относительности (СТО) не только утверждение, что скорость света максимальная из возможных, но и то, что она инвариантна, то есть не зависит ни от движения источника света, ни от системы отсчета наблюдателя. Отсюда вытекали необычные следствия. Например, получалось, что чем ближе скорость объекта к скорости света, тем медленнее течет его время и тем значительнее становится масса. То есть ни одно материальное тело не может разогнаться до световой скорости, ведь в противном случае его масса станет бесконечной.

Парадокс телепортации

Итак, скорость света предельна, а до ближайшей к нам звезды Проксимы Центавра даже свет долетает только за 4,2 года. Если же использовать современные ракетные технологии, рекордом которых остается скорость 20 км/с, то туда придется добираться больше 70 тысяч лет! Понятно, что при таких сроках говорить всерьез об экспедициях к ближайшим звездам не приходится.

Все же ищущие умы почти сразу попытались найти путь к преодолению скоростных ограничений. Одним из таких путей могла стать телепортация.

Интересно, что идею разложения объектов на атомы с их последующим воссозданием придумали еще до того, как в принципе возникла дискуссия о технической реальности телепортации. Мы находим ее в рассказе американца Эдварда Митчелла «Человек без тела», опубликованном еще в 1877 году. Тогда считалось, что наука познала устройство молекул и атомов, поэтому писатель полагал, что воссоздать разобранный по элементарным «кирпичикам» объект будет просто. В ХХ веке идея оказалась востребованной фантастами, и сегодня трудно представить себе произведение о межзвездных полетах, в котором не было бы телепортации.

Что касается науки, то раньше физиков о вероятных последствиях телепортации задумались философы. Допустим, говорили они, телепорт разбирает человека на атомы, затем информация о них передается на Марс, а там другой телепорт собирает человека из местных материалов. Можно ли будет считать человека на Марсе тем же самым, который вошел в телепорт на Земле? Оказалось, что не существует критериев, достаточных для отожествления личности, то есть до тех пор, пока мы не установим, какую материальную основу имеет «душа», говорить о применимости телепорта преждевременно.

Но если с его помощью пересылать предметы? И здесь не все просто! Принцип неопределенности, открытый Вернером Гейзенбергом, запрещает точное измерение всех характеристик частицы: ради численной фиксации одной характеристики приходится «жертвовать» другой, поэтому мы никогда не сможем полноценно описать объект на элементарном уровне.

Тогда ученые задумались о возможности использовать для телепортации особенности квантовой механики. Как известно, существует квантовая запутанность — явление, при котором квантовые состояния объектов оказываются взаимозависимыми, даже если сами объекты разнесены в пространстве на огромное расстояние. Конечно, с помощью квантовой запутанности нельзя передавать вещество или энергию, но зато можно транслировать информацию, причем со скоростью... намного выше световой! Практически это выглядит так. У вас есть объект, находящийся в состоянии запутанности с объектом, который отправлен на Марс. Вы меняете квантовое состояние вашего объекта, после чего мгновенно меняется соответствующим образом и состояние объекта на Марсе.

Опыты по квантовой телепортации проводятся с 1997 года, причем на сегодня установлен даже своеобразный рекорд трансляции состояний фотонов на 143 км. Успехи физиков производят впечатление, но все же природа пока не уступила их напору: для расшифровки смысла сообщения, получаемого таким способом, нужна дополнительная информация, которую передают по обычному радиоканалу.

Пузырь Алькубиерре

Еще одну идею о том, как обмануть законы природы, придумал советский физик Сергей Снегов в фантастической трилогии «Люди как боги», опубликованной во второй половине 1960-х годов. Описанные им «двигатели Танева» умели активно воздействовать на пространство, преобразуя вакуум в вещество, за счет чего персонажам удавалось развить сколь угодно высокую скорость.

Нечто подобное через много лет предложил физик-теоретик Мигель Алькубьерре. В докладе «Варп-двигатель: сверхбыстрые перемещения в рамках общей теории относительности», прочитанном в 1994 году, он описал метод деформации пространства, который теоретически позволяет разогнаться быстрее света. Гипотетический двигатель формирует своего рода «пузырь» («варп-сферу»), позади которого обычное пространство будет расширяться, а впереди сжиматься. Фактически в локальном объеме воссоздается модель ранней юности Вселенной, когда расширялась сама ткань пространства. Однако, чтобы поместить звездолет в «пузырь», требуется экзотическая отрицательная энергия. Ее в свою очередь можно сгенерировать за счет эффекта Казимира, порождающего виртуальные частицы.

Разумеется, есть и проблемы. Физики подсчитали, что для создания «пузыря» достаточного размера требуется обычная энергия, мощность которой сопоставима с той, что была бы получена при превращении в энергию всей массы Юпитера. Несмотря на это, в космическом агентстве НАСА была сформирована группа во главе с физиком Гарольдом Уайтом, который с 2011 года упорно работает над совершенствованием идеи варп-двигателя и сумел сконфигурировать «пузырь» в «диск», за счет чего требуемые расходы энергии снизились до приемлемых величин. Больше того, объявлено, что в обозримом будущем его группа собирается запустить прототип варп-двигателя, использующего для формирования «диска» мощные лазеры.

Примечательно, что параллельно с физиками над концепцией сверхсветового звездолета, получившего название «IXS Enterprise», работает художник-дизайнер Марк Рэдмейкер — его чертежи и картины помогают лучше осознать глубину технических проблем, которые предстоит решить инженерам, если варп-двигатель будет построен. Согласно расчетам, звездолет сумеет покрыть расстояние до Проксимы Центавра всего за две недели.

Пока нет твердой уверенности, что у группы Гарольда Уайта все получится, однако можно сказать наверняка: ученые не оставят попытки обмануть существующие законы физики и найти способ добраться до звезд.

Антон Первушин