Войти
Двумерная визуализация привода Алькубьерре, показывающая противоположные области расширения и сжатия пространство-время, которые смещают центральную область привод Алькубьерре , основополагающий привод Алькубьерре или метрика Алькубьерре (имеется в виду метрический тензор ) является умозрительной идеей, основанной на решении уравнений поля Эйнштейна в общей теории относительности, предложенном физиком-теоретиком Мигелем Алькубьерре, с помощью которого космический корабль может достичь очевидное движение со скоростью, превышающей скорость света, если может быть создано настраиваемое поле плотности энергии, меньшее, чем поле вакуума (то есть отрицательная масса ).
Вместо того, чтобы превышать скорость света в пределах локальной системы отсчета, космический аппарат будет преодолевать расстояния, сужая пространство перед собой и расширяя пространство позади Это приводит к эффективному путешествию со скоростью, превышающей скорость света. Объекты не могут ускоряться до скорости света в нормальном пространстве-времени ; вместо этого двигатель Алькубьерре перемещает пространство вокруг объекта так, чтобы объект прибыл к месту назначения быстрее, чем свет в нормальном пространстве, не нарушая никаких физических законов.
Хотя метрика, предложенная Алькубьерре, согласуется с уравнениями поля Эйнштейна, строительство такого привода не обязательно возможно. Предлагаемый механизм привода Алькубьерре предполагает отрицательную плотность энергии и, следовательно, требует экзотической материи. Итак, если экзотическая материя с правильными свойствами не может существовать, то двигатель не может быть сконструирован. Однако в конце своей оригинальной статьи Алькубьерре утверждал (следуя аргументу, разработанному физиками, анализирующими проходимые червоточины ), что вакуум Казимира между параллельными пластинами может удовлетворять требованиям отрицательной энергии для Драйв Алькубьерре.
Другая возможная проблема заключается в том, что, хотя метрика Алькубьерре согласуется с уравнениями Эйнштейна, общая теория относительности не включает квантовую механику. Некоторые физики представили аргументы, чтобы предположить, что теория квантовой гравитации (которая включала бы обе теории) исключила бы те решения в общей теории относительности, которые допускают путешествия во времени назад (см. гипотезу о защите хронологии ) и тем самым сделать диск Алькубьерре недействительным.
В 1994 году Мигель Алькубьерре предложил способ изменения геометрии пространства путем создания волны, которая заставила бы ткань пространства перед космическим кораблем сжиматься, а пространство позади него расширяться. Затем корабль будет перемещаться на этой волне внутри области плоского пространства, известной как варп-пузырь, и не будет перемещаться внутри этого пузыря, а будет уноситься вместе с самим регионом, движущимся под действием двигателя. Считалось, что используется слишком много отрицательной энергии, пока Гарольд Сонни Уайт не показал, что необходимое количество энергии можно уменьшить, если стенка варп-пузыря будет толще. Другие внесли другие уточнения, которые кратко изложены ниже.
Метрика Алькубьерре определяет искривитель пространство-время. Это лоренцево многообразие, которое, если его интерпретировать в контексте общей теории относительности, позволяет варп-пузырю появляться в ранее плоском пространстве-времени и эффективно удаляться быстрее, чем скорость света. Внутренняя часть пузыря является инерциальной системой отсчета, и жители не испытывают должного ускорения. Этот метод транспортировки не включает объекты, движущиеся со скоростью выше скорости света по отношению к содержимому пузыря деформации; то есть луч света внутри варп-пузыря всегда будет двигаться быстрее, чем корабль. Поскольку объекты внутри пузыря не движутся (локально) быстрее света, математическая формулировка метрики Алькубьерре согласуется с общепринятыми утверждениями о законах относительности (а именно, что объект с массой не может достигать или превышать скорость света) и обычные релятивистские эффекты, такие как замедление времени, не будут применяться, как они были бы с обычным движением со скоростью, близкой к световой.
Привод Алькубьерре, однако, остается гипотетической концепцией с кажущимися трудными проблемами, хотя количество требуемой энергии больше не считается недостижимо большим.
.
Использование Формализм ADM из общей теории относительности, пространство-время описывается слоением пространственно-подобных гиперповерхностей с постоянной координатой времени. t, где метрика принимает следующий общий вид:
где
Конкретная форма, которую изучал Алькубьерре, определяется b y:
где
с произвольными параметрами R>0 и σ>0. Таким образом, конкретная форма метрики Алькубьерре может быть записана как
С помощью этой конкретной формы метрики можно показать, что плотность энергии, измеренная наблюдателями, чья 4-скорость нормальна к гиперповерхностям, определяется как
где g - определитель метрического тензора .
Таким образом, поскольку плотность энергии отрицательна, требуется экзотическая материя путешествовать быстрее скорости света. Теоретически не исключено существование экзотической материи; однако создание и поддержание достаточно экзотической материи для выполнения таких подвигов, как путешествие со скоростью, превышающей скорость света (а также держать открытым «горло» червоточины ), считается непрактичным. По словам писателя Роберта Лоу, в контексте общей теории относительности невозможно сконструировать варп-двигатель в отсутствие экзотической материи.
Астрофизик Джейми Фарнс из Оксфордского университета предложил теорию, опубликованную в рецензируемом научном журнале Astronomy Astrophysics, которая объединяет темная энергия и темная материя в единую темную жидкость, и это можно будет проверить с помощью новых научных инструментов примерно в 2030 году. 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 качества. Теория Фарнеса опирается на отрицательные массы, которые ведут себя идентично физике двигателя Алькубьерре, обеспечивая естественное решение текущего «кризиса в космологии» из-за переменной во времени параметра Хаббла.
Как теория Farnes' позволяет положительной массы (т.е. корабль), чтобы достичь скорости, равной скорости света, оно было названо „спорным“. Если теория верна, которая активно обсуждалась в научной литературе, она могла бы объяснить темную энергию, темную материю, разрешить замкнутые временноподобные кривые (см. путешествие во времени ) и предположить, что двигатель Алькубьерре физически возможен с экзотической материей.
Что касается некоторых специфических эффектов специальной теории относительности, таких как сжатие Лоренца и замедление времени, у метрики Алькубьерре есть несколько явно своеобразных аспектов. В частности, Алькубьерре показал, что корабль, использующий двигатель Алькубьерре, движется по геодезической в свободном падении, даже когда варп-пузырь ускоряется: его команда будет в свободном падении при ускорении, не испытывая ускоряющих перегрузок. Огромные приливные силы, однако, будут присутствовать около краев объема плоского пространства из-за большой кривизны пространства там, но подходящее определение метрики оставит их очень маленькими в объеме, занимаемом кораблем..
Исходная метрика варп-двигателя и ее простые варианты имеют форму ADM, которая часто используется при обсуждении исходной формулировки общей теории относительности. Это могло бы 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 инерционных наблюдателей, но эти наблюдатели физически не отличаются от других подобных семейств. Алькубьерре интерпретировал свой «пузырь деформации» с точки зрения сжатия пространства перед пузырем и расширения позади него, но эта интерпретация может вводить в заблуждение, поскольку сжатие и расширение фактически относятся к относительному движению ближайших членов семьи наблюдателей ADM..
В общей теории относительности часто сначала задают вероятное распределение материи и энергии, а затем находят связанную с ним геометрию пространства-времени; но также можно запустить уравнения поля Эйнштейна в другом направлении, сначала указав метрику, а затем найдя связанный с ней тензор энергии-импульса, и именно это сделал Алькубьерре в построении его 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 возник позже, хотя некоторые физики предложили модели динамических пространственно-временных пространств-времени варп-двигателя в пузырек основы образуется в ранее плоском пространстве. Более того, согласно Сергею Красникову, создание пузыря в ранее плоском пространстве для одностороннего сверхсветового полета требует, чтобы экзотическая материя двигалась с локальными скоростями, превышающими скорость света, а для этого требовалось бы существование из тахионов, хотя Красников также отмечает, что, когда пространство-время не является плоским с самого начала, аналогичный результат может быть достигнут без тахионов, если заранее разместить некоторые устройства на пути движения и запрограммировать их для работы в заранее заданные моменты и действовать в заранее заданном порядке. Некоторые предлагаемые методы позволяют избежать проблемы тахионного движения, но, вероятно, генерируют голую сингулярность в передней части пузыря. Аллен Эверетт и Томас Роман комментируют находку Красникова (трубка Красникова ):
[Находка] не означает, что пузыри Алькубьерре, если бы их можно было создать, не могли бы использоваться как средство сверхсветовые путешествия. Это всего лишь означает, что действия, необходимые для изменения метрики и создания пузыря, должны быть предприняты заранее некоторым наблюдателем, чей передний световой конус содержит всю траекторию пузыря.
Например, если кто-то хочет путешествовать в Денеб (2600 световых лет) и прибыть менее чем через 2600 лет в будущее, согласно внешним часам, потребуется, чтобы кто-то уже начал работу по искривлению пространства от Земли до Денеба по крайней мере 2600 лет назад:
Космический корабль, надлежащим образом расположенный относительно 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 космического корабля своими действиями организовать путешествие туда и обратно от Земли к далекой звезде и обратно за сколь угодно короткое время, измеряемое часами на Земле, путем изменения метрики по пути их исходящее путешествие.
В рамках конформной гравитации, расширения общей теории относительности, в которой локально сохраняются углы пространства-времени, Метрика Алькубьерре не нарушает условия слабой энергии для определенных пространственно-временных форм, и, следовательно, для путешествий со скоростью, превышающей скорость света, не потребуется экзотическая материя.
Метрика этой формы имеет значительные трудности, потому что все Известные теории пространства-времени варп-двигателя нарушают различные энергетические условия. Тем не менее, варп-двигатель типа Алькубьерре может быть реализован путем использования определенных экспериментально подтвержденных квантовых явлений, таких как эффект Казимира, которые приводят к тензорам энергии-напряжения, которые также нарушают энергетические условия, например, отрицательная масса – энергия, когда описывается в контексте квантовых теорий поля.
Если определенные квантовые неравенства Согласно предположениям Форда и Романа, потребность в энергии для некоторых варп-двигателей может быть как невероятно высокой, так и отрицательной. Например, для перевозки небольшого космического корабля через Млечный Путь может потребоваться энергетический эквивалент -10 кг - величина на несколько порядков больше, чем предполагаемая масса наблюдаемой Вселенной. Были предложены контраргументы против этих очевидных проблем.
Крис Ван ден Брок из Католикского университета Левена в Бельгии в 1999 году попытался рассмотреть потенциальные проблемы. Сжимая 3 + 1-мерную площадь поверхности пузыря, транспортируемого приводом, и в то же время расширяя трехмерный объем, содержащийся внутри, Ван ден Брок смог снизить общую энергию, необходимую для переноса малых атомов, до меньшего количества. чем три массы Солнца. Позже, слегка изменив метрику Ван ден Брука, Сергей Красников уменьшил необходимое общее количество отрицательной массы до нескольких миллиграммов. Ван ден Брок подробно рассказал об этом, сказав, что общую энергию можно значительно уменьшить, если оставить площадь поверхности самого пузыря основы микроскопически малой, и в то же время расширить пространственный объем внутри пузыря. Однако Ван ден Брок заключает, что требуемые плотности энергии по-прежнему недостижимы, как и малый размер (на несколько порядков выше планковского масштаба ) необходимых пространственно-временных структур.
В 2012 г. физик Гарольд Уайт и его сотрудники объявили, что изменение геометрии экзотической материи может снизить потребность в массе-энергии для макроскопического космического корабля с эквивалента планеты Юпитер до эквивалента планеты "Вояджер-1" (около 700 кг) или меньше, и заявили о своем намерении провести мелкомасштабные эксперименты по созданию варп-полей. Уайт предложил утолщать чрезвычайно тонкую стенку пузыря основы, чтобы энергия фокусировалась в большем объеме, но на самом деле общая пиковая плотность энергии была меньше. В плоском 2D-представлении кольцо положительной и отрицательной энергии, изначально очень тонкое, становится более крупной нечеткой формой пончика. Однако, поскольку этот менее энергичный пузырь искривления также утолщается по направлению к внутренней области, он оставляет меньше плоского пространства для размещения космического корабля, который должен быть меньше. Кроме того, если интенсивность деформации пространства может колебаться во времени, требуемая энергия снижается еще больше. По словам Уайта, модифицированный интерферометр Майкельсона-Морли может проверить эту идею: одна из ножек интерферометра будет иметь немного другую длину, когда испытательные устройства находятся под напряжением.
Красников предположил, что если тахионная материя не может быть найдена или использована, то решение могло бы состоять в том, чтобы расположить массы вдоль пути судна, чтобы они приводились в движение таким образом что необходимое поле было создано. Но в этом случае водное судно Alcubierre может путешествовать только по маршрутам, которые, как и железная дорога, предварительно оснащены необходимой инфраструктурой. Пилот внутри пузыря причинно отсоединен от его стенок и не может выполнять никаких действий за пределами пузыря: пузырек нельзя использовать для первого полета к далекой звезде, потому что пилот не может разместить инфраструктуру впереди пузыря, находясь «в пути». Например, для путешествия к Веге (которая находится в 25 световых годах от Земли) необходимо все организовать так, чтобы появился пузырь, движущийся к Веге со сверхсветовой скоростью; такие меры всегда занимают более 25 лет.
Кул утверждал, что схемы, подобные предложенной Алькубьерре, неосуществимы, потому что материя, перемещаемая по предполагаемому пути корабля, должна перемещаться со сверхсветовой скоростью - что для создания привода Алькубьерре требуется привод Алькубьерре, даже если метрика, позволяющая это сделать, имеет физический смысл. Кул далее утверждает, что аналогичное возражение применимо к любому предложенному методу построения двигателя Алькубьерре.
В статье Хосе Натарио (2002) утверждается, что члены экипажа не могли контролировать, направить или остановить корабль в его варп-пузыре, потому что он не может посылать сигналы в переднюю часть пузыря (проблема горизонта). Фернандо Луп в 2013 году утверждал, что проблема Horizon может быть преодолена в варп-двигателе Натарио, и, таким образом, причинно-связанный и, следовательно, управляемый пузырь варпа может быть создан членами экипажа, отправляющими информацию через пузырьки микроворпа той природы, которую аргументировал Готье., Гравел и Мелансон, опираясь на предыдущую работу Пфеннинга и Форда.
В статье 2009 года Карлос Барсело, Стефано Финацци и Стефано Либерати использует квантовую теорию, чтобы доказать, что Алькубьерре движутся со скоростью, превышающей скорость света невозможно в основном потому, что чрезвычайно высокие температуры, вызванные излучением Хокинга, могут разрушить что-либо внутри пузыря со сверхсветовой скоростью и дестабилизировать сам пузырь; в статье также утверждается, что эти проблемы отсутствуют, если скорость пузыря субсветовая, хотя для привода все еще требуется экзотическая материя.
Брендан МакМонигал, Герайнт Ф. Льюис, и Филип О'Бирн утверждал, что если бы корабль, управляемый Алькубьерре, замедлился со сверхсветовой скорости, частицы, которые его пузырь собрал в пути, высвободились бы в виде энергетических вспышек, подобных бесконечно-голубовато-смещенному излучению, которое предположительно произойдет при внутренний горизонт событий черной дыры Керра ; обращенные вперед частицы, таким образом, будут достаточно энергичными, чтобы разрушить что-либо в пункте назначения прямо перед кораблем.
Количество отрицательной энергии, требуемой для такого движения, пока не известно. Пфеннинг и Аллен Эверетт из Tufts считают, что варп-пузырь, движущийся со скоростью, в 10 раз превышающей скорость света, должен иметь толщину стенки не более 10 метров, что близко к предельной планковской длине, 1,6 × 10 метров. По первоначальным расчетам Алькубьерре, пузырь, макроскопически достаточно большой, чтобы окружить корабль длиной 200 метров, потребует общего количества экзотической материи, превышающей массу наблюдаемой Вселенной, а растягивание экзотической материи до чрезвычайно тонкой полосы в 10 метров считается непрактичным.. Аналогичные ограничения действуют и для сверхсветового метро Красникова. Крис Ван ден Брок недавно сконструировал модификацию модели Алькубьерре, которая требует гораздо меньше экзотической материи, но помещает корабль в изогнутую пространственно-временную «бутылку» с горлышком около 10 метров.
Расчеты физика Аллена Эверетта показывают, что пузыри деформации могут быть использованы для создания замкнутых временных кривых в общей теории относительности, а это означает, что теория предсказывает, что их можно использовать для обратного путешествия во времени. Хотя вполне возможно, что фундаментальные законы физики могут допускать замкнутые времениподобные кривые, гипотеза о защите хронологии предполагает, что во всех случаях, когда классическая общая теория относительности допускает это, квантовые эффекты вмешиваются, чтобы исключить возможность, делая эти пространства-времени невозможными. Возможный тип эффекта, который может достичь этого, - это накопление флуктуаций вакуума на границе области пространства-времени, где путешествие во времени впервые станет возможным, в результате чего плотность энергии станет достаточно высокой, чтобы разрушить систему, которая в противном случае стала бы машиной времени.. Некоторые результаты в квазиклассической гравитации, по-видимому, подтверждают эту гипотезу, в том числе расчеты, касающиеся конкретно квантовых эффектов в пространстве-времени варп-двигателя, которые предполагают, что варп-пузыри будут полуклассически нестабильными, но в конечном итоге это предположение может быть решено только полная теория квантовой гравитации.
Алькубьерре кратко обсуждает некоторые из этих вопросов в серии слайдов лекций, размещенных в Интернете, где он пишет: «Остерегайтесь: в теории относительности любой метод передвижения со скоростью быстрее света в принципе может быть использован для путешествие во времени (машина времени) ». На следующем слайде он поднимает гипотезу о защите хронологии и пишет: «Эта гипотеза не была доказана (если бы она имела место, это не было бы гипотезой), но есть веские аргументы в ее пользу, основанные на квантовой теории поля. Гипотеза не запрещает путешествия со скоростью, превышающей скорость света. Он просто заявляет, что если существует способ путешествовать со скоростью, превышающей скорость света, и кто-то пытается использовать его для создания машины времени, что-то пойдет не так: накопленная энергия взорвется или она создать черную дыру ».
В 2012 году лаборатория NASA объявила, что они построили интерферометр, который, по их утверждениям, обнаружит пространственные искажения, вызванные расширением и сжимающееся пространство-время метрики Алькубьерре. Работа была описана в «Механике поля искривления 101», статье НАСА Гарольдом Сонни Уайтом. Алькубьерре выразил скептицизм по поводу эксперимента, сказав: «Насколько я понимаю, это невозможно сделать, вероятно, столетиями, если вообще».
В телесериалах и фильмах «Звездный путь» использовался термин «варп-двигатель», чтобы описать свой метод путешествия со скоростью, превышающей скорость света. Ни теории Алькубьерре, ни чего-либо подобного не существовало, когда задумывался сериал - термин «варп-двигатель» и общая концепция возникли из научно-фантастического романа Джона У. Кэмпбелла 1931 года Острова космоса 31>. Алькубьерре заявил в электронном письме Уильяму Шатнеру, что его теория была напрямую вдохновлена термином, использованным в сериале, и цитирует «варп-драйв» научной фантастики в своей статье 1994 года.
