Будут ли люди будущего использовать варп-двигатели для исследования космоса? Мы не в состоянии исключить такую возможность. Но если наши далекие потомки когда-нибудь это сделают, то это не будет связано с кристаллами дилития, и к тому времени шотландские акценты уйдут в историю.
Варп-двигатели берут свое начало в одной из самых популярных научно-фантастических франшиз, но у них есть и научная основа. В новой статье исследуется научная основа, стоящая за ними, и задается вопрос, приведет ли сбой в сдерживании варп-двигателя к излучению заметных гравитационных волн.
Статья называется «То, чего никто раньше не видел: гравитационные волны от коллапса варп-двигателя». Авторы — Кэти Клаф, Тим Дитрих и Себастьян Хан, физики из институтов Великобритании и Германии.
В общей теории относительности есть место для варп-двигателей, и мексиканский физик Мигель Алькубьерре описал, как они теоретически могут работать в 1994 году. Он хорошо известен в космических и физических кругах благодаря своему двигателю Алькубьерре.
Всем известно, что ни один объект не может двигаться быстрее скорости света. Но варп-двигатели могут предложить обходной путь. Искажая само пространство-время, космический корабль с варп-двигателем не нарушит правило сверхсветовой скорости.
«Несмотря на то, что варп-двигатели возникли в научной фантастике, они имеют конкретное описание в общей теории относительности, причем Алькубьерре впервые предложил метрику пространства-времени, которая поддерживает путешествия со скоростью, превышающей скорость света», — пишут авторы.
Существуют явные научные барьеры на пути создания варп-двигателя. Но можно смоделировать, как они будут работать и как их можно будет обнаружить с помощью гравитационных волн в случае сбоя. Варп-двигатели искажают само пространство-время, точно так же, как бинарные слияния компактных объектов, таких как черные дыры и нейтронные звезды. Теоретически возможно, что они излучают гравитационный волновой сигнал, аналогичный слияниям. «Чтобы искать такие сигналы и правильно идентифицировать их в измеренных данных, важно понимать их феноменологию и свойства», — объясняют авторы.
Все начинается с понимания того, как могут работать варп-двигатели, а для этого нам придется глубоко углубиться в физику.
«Принципиальная идея варп-двигателя заключается в том, что вместо превышения скорости света непосредственно в локальной системе отсчета, что нарушало бы лоренц-инвариантность, «варп-пузырь» мог бы преодолевать расстояния быстрее, чем скорость света (измеренная какой-то отдаленной системой координат). наблюдатель), сжимая пространство-время перед ним и расширяя пространство-время позади него», — говорится в статье.
Первое препятствие заключается в том, что варп-двигатели требуют состояния нулевой энергии (NEC). Физика утверждает, что область пространства не может иметь отрицательную плотность энергии. Для этого существуют теоретические обходные пути, но на данный момент ни один из них не является практическим.
«Другие проблемы, связанные с метрикой варп-двигателя, включают в себя возможность образования замкнутых времяподобных кривых и, с более практической точки зрения, трудности для тех, кто находится на корабле, с контролем и деактивацией пузыря», — объясняют авторы. Это связано с тем, что у экипажа не будет возможности посылать сигналы в носовую часть корабля. Как объясняется в этой статье, событиям внутри пузыря трудно влиять на события за пределами пузыря варпа.
«С точки зрения динамического моделирования варп-двигателя ключевой проблемой является стабильность», — объясняют авторы. Уравнения показывают, что Двигатель Алькубьерре может инициировать варп-пузырь, используя уравнение Эйнштейна, но никакие известные уравнения не могут его поддержать. «Насколько нам известно, не существует известного уравнения состояния, которое могло бы поддерживать метрику варп-двигателя в стабильной конфигурации с течением времени. Поэтому, хотя можно потребовать, чтобы изначально пузырь варпа был постоянным, он быстро выйдет из этого состояния, и в большинстве случаев варп-жидкость и деформации пространства-времени рассеются или схлопнутся в центральную точку».
Хотя нестабильность является главным препятствием для варп-двигателей, именно она может сделать их обнаруживаемыми. Если привод Алькубьерре достигает постоянной скорости, это невозможно обнаружить. Он не генерирует гравитационных волн и не имеет массы ADM. ADM означает Арновитт-Дезер-Миснер, названный в честь трех физиков. Я оставлю любопытным читателям возможность узнать больше о массе ADM.
Но варп-двигатель невозможно обнаружить только в том случае, если он постоянен и стабилен. Как только он сломается, ускорится или замедлится, его можно будет обнаружить. В своей работе авторы позволяют пузырю варп-двигателей лопнуть. «Физически это может быть связано с разрушением сдерживающего поля, которое постварповая цивилизация (предположительно) использует для поддержки варп-пузыря от коллапса», — пишут они.
В их формулировках не важна природа самого корабля. Важны только варп-пузырь и варп-жидкость внутри.
Исследователи смоделировали разрушение варп-пузыря. Они обнаружили, что коллапс породил гравитационные волны с характеристиками, отличными от тех, которые возникают при слиянии. «Сигнал возникает в виде всплеска, первоначально не имеющего гравитационно-волнового содержания, за которым следует период колебаний с характерной частотой порядка 1/[R],» они пишут. «В целом, сигнал сильно отличается от типичных компактных двойных слияний, наблюдаемых детекторами гравитационных волн, и больше похож на такие события, как коллапс нестабильной нейтронной звезды или лобовое столкновение двух черных дыр».
Авторы отмечают, что, хотя варп-двигатель создает сигнал GW, он находится за пределами частотного диапазона наших нынешних наземных детекторов. «Были сделаны предложения по созданию более высокочастотных детекторов, поэтому в будущем, возможно, удастся ограничить существование таких сигналов», — пишут они.
Сам корабль также мог бы посылать некоторый тип мультимессенджера, но трудно предсказать, как материя корабля будет взаимодействовать с обычной материей. «Поскольку мы не знаем тип материи, использованной для постройки варп-корабля, мы не знаем, будет ли он взаимодействовать (кроме гравитационного) с обычной материей при распространении во Вселенной», — объясняют исследователи.
Это забавный мысленный эксперимент. Вполне возможно, что когда-нибудь в отдаленном будущем появится какой-то обходной путь для сверхсветовых путешествий. Если это так, то это может быть связано с лучшим пониманием темной материи и темной энергии. Если какие-либо внеземные цивилизации существуют, они могут быть в состоянии использовать фундаментальные знания о Вселенной, которыми мы пока не обладаем.
Если бы они придумали, как сконструировать и использовать варп-двигатель, даже при всей его кажущейся невозможности, их деятельность могла бы создать гравитационные волны, которые наши будущие обсерватории могли бы обнаружить даже в других галактиках. Но пока это все теоретически.
«Мы предупреждаем, что полученные формы сигналов, вероятно, будут весьма специфичны для используемой модели, которая имеет несколько известных теоретических проблем, как обсуждалось во введении», — пишут авторы в своем заключении. «Потребуется дальнейшая работа, чтобы понять, насколько универсальны сигнатуры, и правильно охарактеризовать их обнаруживаемость».
Без сомнения, некоторые любопытные физики продолжат над этим работать.
