Человечество всегда стремилось преодолеть границы невозможного, и главным вызовом на этом пути остаются колоссальные расстояния Вселенной. Вся современная космонавтика, основанная на обычном реактивном принципе и химическом топливе, заперта в пределах Солнечной системы: полет даже до ближайшей к нам звездной системы Альфа Центавра занял бы десятки тысяч лет. В поисках выхода теоретическая физика раздвигает границы привычного, обращаясь к самым радикальным концепциям — искривлению самого пространства-времени (ВАРП-двигатель) и использованию зеркального отражения нашей материи (антиматерия). Долгое время эти идеи существовали на стыке научной фантастики и чистой математики. Однако сегодня фундаментальная наука подошла к черте, за которой фантастические допущения сталкиваются с жесткой реальностью лабораторных экспериментов и квантовой теории.

• ВАРП-двигатель (Пузырь Алькубьерре) обещает обойти главный запрет Вселенной — скорость света — не за счет ускорения корабля, а путем сжатия пространства перед ним и расширения позади.
• Антиматерия рассматривается как абсолютное топливо, способное выделить энергию со стопроцентной эффективностью при аннигиляции.

Но сталкиваются ли эти концепции с неразрешимыми парадоксами или физика XXI века способна воплотить их в жизнь? Главный вопрос сегодняшнего дня: где проходит граница между теоретически возможным и технологически осуществимым? Физические эксперименты последних лет (например, на Большом адронном коллайдере в CERN) начинают давать первые ответы на вопросы о фундаментальных свойствах антивещества, включая то, как на него влияет гравитация — «падает» ли антиматерия вниз, подобно обычному веществу, или обладает «антигравитацией».

Характерные примеры применения и исследований

Хотя создание полноценного межзвездного корабля остается делом далекого будущего, принципы, лежащие в основе этих концепций, уже сегодня находят применение в науке и технологиях или детально просчитываются в рамках передовых инженерных моделей.

1. Реальные эксперименты с антиматерией: Проект ALPHA в CERN

• Суть: Долгое время физиков мучил вопрос: куда падает антиматерия? Обладает ли она отрицательной гравитационной массой (отталкивается ли от Земли)?
• Применение: В ходе недавних экспериментов коллаборации ALPHA в CERN ученые впервые смогли измерить влияние гравитации на атомы антиводорода в вертикальной магнитной ловушке.
• Результат: Было доказано, что антиматерия падает вниз, подчиняясь общей теории относительности Эйнштейна. Это закрыло гипотезы об «антигравитационном двигателе», но открыло путь к точному пониманию природы квантовой гравитации и возможности создания сверхкомпактных источников энергии на основе аннигиляции.

2. Медицинская диагностика: Позитронно-эмиссионная томография (ПЭТ)

• Суть: Самый близкий к каждому из нас пример реального использования антиматерии.
• Применение: В ПЭТ-сканерах используются радиофармпрепараты, которые при распаде излучают позитроны (античастицы электронов). Позитрон мгновенно сталкивается с электроном в тканях организма, происходит аннигиляция, и выделяющиеся гамма-кванты фиксируются датчиками. Это позволяет строить трехмерные изображения внутренних органов и диагностировать онкологию на самых ранних стадиях.

3. Модификации пузыря Алькубьерре: Модели Ленца и Мартире

• Суть: Классический ВАРП-двигатель Мигеля Алькубьерре требовал для работы «экзотическую материю» с отрицательной плотностью энергии, которой (насколько нам известно) не существует в макромире.
• Применение: В 2021-2024 годах физики Эрик Ленц и Алексей Бобрик предложили новые математические решения уравнений Эйнштейна. Они разработали модели субсветовых ВАРП-пузырей, которые могут быть сформированы с использованием положительной (обычной) энергии.
• Перспектива: Это перевело дискуссию из разряда «абсолютно невозможно» в плоскость «требует колоссальной концентрации массы и энергии», дав инженерам теоретическую базу для моделирования сверхсильных гравитационных полей.

4. Концепции двигателей на аннигиляции (Project Icarus и NIAC NASA)

• Суть: Использование антиматерии в качестве катализатора для термоядерного синтеза.
• Применение: Институт перспективных концепций NASA (NIAC) регулярно рассматривает проекты космических кораблей, где микродозы позитронов или антипротонов используются для поджига мишеней в импульсных ядерных двигателях. Даже доли миллиграмма антивещества могут сократить полет до Марса до нескольких недель, выступая в роли идеального «запала» для межпланетных перелетов.

Современная физика полагает, что частицы антивещества представляют собой форму материи, которая состоит из античастиц. Такие частицы являются своего рода партнёрами соответствующих им реальных частиц в нашем мире. Таким образом, антиматерия может рассматриваться как материя с обратным зарядом, чётностью и временем. Антиматерия возникает в таких природных процессах, как столкновения космических лучей и некоторые виды радиоактивного распада. В лабораторных экспериментах также было успешно получено несколько различных антиатомов.  На ускорителях учёные получали мизерное количество античастиц, однако в целом антиматерии за всё время экспериментов было получено всего несколько нанограммов. Макроскопическое количество антивещества никто ещё не получал — из-за высокой стоимости и сложности производства и хранения (так что до придуманного Дэном Брауном сценария ещё далеко).

Столкновение любой частицы с её античастицей приводит к их взаимной аннигиляции, порождая высокоэнергетические фотоны (гамма-лучи), нейтрино, а иногда и менее массивные пары частица-античастица. Большая часть общей энергии аннигиляции выходит в виде ионизирующего излучения. При наличии окружающей материи энергия этого излучения поглощается и преобразуется в другие формы энергии, такие как тепло или свет. Количество выделяемой энергии обычно пропорционально общей массе столкнувшихся материи и антиматерии, в соответствии с известным уравнением эквивалентности массы и энергии, E=mc².

Античастицы связываются друг с другом, образуя антивещество, точно так же как обычные частицы связываются, образуя обычную материю. Например, позитрон (античастица электрона) и антипротон (античастица протона) могут образовать атом антиводорода. Ядра антигелия были получены искусственно, хотя и с трудом, и являются самыми сложными антиядрами из всех наблюдавшихся до сих пор. Физические принципы указывают на возможность существования сложных атомных ядер антиматерии, а также антиатомов, соответствующих известным химическим элементам.

Существуют убедительные доказательства того, что наблюдаемая Вселенная почти полностью состоит из обычной материи, а не из смеси материи и антиматерии. Эта асимметрия материи и антиматерии в видимой Вселенной является одной из величайших нерешённых проблем в физике. Процесс, в результате которого возникло это неравенство между частицами материи и антиматерии, называется бариогенезом.

Несмотря на то, что эксперименты с антиматерией проводятся уже почти 100 лет, до сих пор не было получено чёткого ответа на вопрос о её массе. Дело в том, что некоторые теоретики считали, что антиматерия может быть зеркальным отражением материи во всём, в том числе обладать и отрицательной массой. А вещество с отрицательной массой можно было бы использовать для создания варп-двигателя.

Варп-двигатель

Варп-драйв или привод, обеспечивающий искривление пространства, — вымышленная сверхсветовая (быстрее скорости света) двигательная система космического корабля во многих научно-фантастических произведениях, прежде всего в «Звёздном пути», а также предмет постоянных исследований в области физики. Общая концепция «варп-двигателя» была представлена Джоном У. Кэмпбеллом в его романе 1957 года «Острова космоса» и популяризирована в сериале «Звёздный путь». Его ближайшим эквивалентом в реальной жизни является двигатель Алькубьерре, теоретическое решение полевых уравнений общей теории относительности.

Хотя сама идея варп-двигателя, выдвинутая в 1960-х годах, была крайне несерьёзной и лёгкой с точки зрения математики, физик по имени Мигель Алькубьерре, якобы забавлявшийся и занимавшийся прокрастинацией во время написания докторской диссертации, разработал несколько очень забавных деталей, которые могли бы привести к физически реалистичной версии варп-двигателя.

Алькубьерре понял, что если допустить существование отрицательной массы/энергии, то она сможет особым образом искривить пространство-время. Два типа массы/энергии, как положительную, так и отрицательную, можно свести в такую конфигурацию, что пространство «перед» космическим кораблём будет изгибаться и по сути сжиматься, в то время как пространство «за» космическим кораблём было бы противоположно изогнуто так, что оно бы расширялось, в то время как пространство между ними было бы плоским и пузырчатым, что позволило выжить кораблю внутри.

Если бы во Вселенной существовал какой-то тип отрицательной энергии, которой можно было управлять, то такой тип пространственного времени с искривлением, известный сейчас как метрика Алькубьерре, можно было создать в реальной жизни. Единственная проблема, конечно, заключается в том, что все известные частицы и поля, даже в теории, обладают только одним типом массы/энергии: положительным, и, следовательно, все они искривляют пространство-время одинаково. Для того чтобы варп-драйв был реализован физически, необходима некая «экзотическая материя» с отрицательной массой/энергией.

В отличие от некоторых других вымышленных технологий ускорения света, таких как прыжковый привод, варп-двигатель не позволяет мгновенно перемещаться между двумя точками, а скорее предполагает измеряемый промежуток времени, который относится к данной концепции. В отличие от гиперпространства, космические корабли на варп-скорости продолжают взаимодействовать с объектами в «обычном пространстве». Для постройки такого двигателя требовалось всего ничего – получить «отрицательную энергию» или вещество с отрицательной массой.

О чём-то вроде варп-двигателя люди мечтали ещё до появления общей теории относительности Эйнштейна: в XIX веке, когда математики начали играть с новыми типами геометрии, выходящими далеко за рамки воображения Евклида и его преемников. На протяжении большей части истории математики пространство могло содержать до трёх измерений, и каждое измерение могло быть правильно представлено набором декартовых «линий сетки», где параллельные линии всегда продолжались вечно и никогда не пересекались.

Ситуация начала меняться, когда математики примерно в одно и то же время стали рассматривать две новые возможности: что могут существовать «дополнительные» пространственные измерения, выходящие за рамки трёх известных нам, и что пространство может быть не плоским, а искривлённым.

Эти осознания привели к ряду немедленных глубоких последствий. Сумма углов треугольника могла оказаться меньше или больше 180°, в зависимости от того, было ли пространство отрицательно или положительно искривлено. Параллельные прямые могли не только вечно оставаться равноудалёнными, но и расходиться или сходиться в зависимости от того, было ли ваше пространство положительно или отрицательно искривлено.

Можно было даже представить себе крайние варианты искривления пространства-времени, в которых две точки, которые в обычном декартовом/евклидовом пространстве были бы расположены далеко друг от друга, слиплись бы друг с другом. Если бы это было так, это позволило почти мгновенно перемещаться между этими двумя, казалось бы, не связанными друг с другом точками одновременно, просто воспользовавшись «коротким путём», который стал возможен благодаря складке пространства. Этот короткий путь, «дыру» в пространстве, назвали «червоточиной».

Первым типом обнаруженного решения уравнений Эйнштейна была червоточина Шварцшильда, которая должна была присутствовать в метрике Шварцшильда, описывающей вечную чёрную дыру, но было установлено, что она слишком быстро разрушается, чтобы через неё можно было пройти с одного конца на другой. Считалось, что червоточины, которые можно пересекать в обоих направлениях, известные как проходимые червоточины, возможны только в том случае, если для их стабилизации можно использовать экзотическую материю с отрицательной плотностью энергии.

В 1916 году, через несколько месяцев после того, как Шварцшильд опубликовал своё решение, Людвиг Фламм обнаружил теоретическую возможность появления «моста» между двумя точками пространства – «червоточины», или туннеля, соединяющего две удалённые точки коротким путём. Это же заново обнаружили Альберт Эйнштейн и его коллега Натан Розен, которые опубликовали свой результат в 1935 году.

Правда, в 1962 году Джон Арчибальд Уилер и Роберт У. Фуллер опубликовали работу, в которой показали, что этот тип червоточин нестабилен, если он соединяет две части одной Вселенной, и что он будет сужаться слишком быстро, чтобы свет (или любая частица, движущаяся медленнее света), попадающий в него из одной внешней области, успел попасть в другую внешнюю область.

Согласно общей теории относительности, гравитационный коллапс достаточно компактной массы образует сингулярную чёрную дыру Шварцшильда. В теории гравитации Эйнштейна-Картана-Шиамы-Киббла, однако, она образует регулярный мост Эйнштейна-Розена – червоточину, соединяющую чёрную дыру на одном конце с белой дырой на другом. Белая дыра — гипотетический физический объект во Вселенной, в область которого ничто не может войти. Белая дыра является временной противоположностью чёрной дыры и предсказывается теми же уравнениями общей теории относительности, что и чёрные дыры. Физики в большинстве своём считают, что существование белых дыр в природе невозможно.

Хотя шварцшильдовские червоточины не проходимы в обоих направлениях, их существование вдохновило Кипа Торна на мысль о проходимых червоточинах, созданных путём затягивания «горла» шварцшильдовской червоточины экзотической материей (материей, обладающей отрицательной массой/энергией).

До недавнего времени многие физики и фантасты возлагали надежду на то, что антиматерия будет той самой экзотической материей, которая поможет нам построить искривляющий пространство космический корабль или удерживать червоточину для того, чтобы через неё можно было проскочить из одной точки пространства в другую.

Куда падает антиматерия

Сообщение, недавно опубликованное в журнале Nature учёными, работающими в европейской лаборатории CERN, развеивает надежды фантастов: без сомнения, антиматерия падает вниз.

Для проведения эксперимента учёные поместили около 100 атомов антиводорода, созданных на фабрике антиматерии в ЦЕРН, в магнитный контейнер. Затем в течение 20 секунд они медленно отключали магниты и подсчитывали, сколько атомов ушло вверх, а сколько — вниз. Под действием силы гравитации больше атомов ушло вниз.

В ходе этого измерения коллаборация ALPHA обнаружила, что атомы антиводорода испытывают направленную вниз гравитационную силу, сравнимую с той, которую испытывают атомы водорода, — около 75% обычной гравитации. Погрешность измерения составила около 20%, что означает вероятность того, что материя и антиматерия испытывают одинаковую гравитационную силу. Исследователи использовали свои данные для количественной оценки возможности того, что их измерения всё ещё соответствуют тому, что антиматерия испытывает силу, направленную вверх, равную силе, противоположной гравитации, и они исключили эту возможность на уровне одной части на квадриллион. Антиматерия не падает вверх.

Этот результат согласуется с предсказаниями, сделанными с помощью общей теории относительности Эйнштейна, которая является ведущей научной теорией гравитации. В ОТО принцип слабой эквивалентности (ПСС) требует, чтобы все массы реагировали на гравитацию одинаково, независимо от их внутренней структуры.

Однако неопределённость в 20% недостаточна для точной проверки общей теории относительности. Учёные ALPHA уже занимаются усовершенствованием своего оборудования, рассчитывая, что в будущем измерения позволят сделать более точные заявления об эквивалентности материи и антиматерии. Хотя наиболее вероятно, что гравитация воздействует на материю и антиматерию одинаково, нынешние измерения не исключают, что между ними могут быть небольшие различия.

Этот результат — впечатляющее измерение, подтверждающее наше понимание законов природы, но он, несомненно, разочарует многих. Результат, опровергающий ожидания, потребовал бы серьёзной перестройки нашего понимания физики. По словам доктора Джеффри Хангста, представителя коллаборации ALPHA, «было бы гораздо круче, если бы антиматерия упала вверх». Увы, этого не произошло.

Кстати, из-за этого умерла и ещё одна мечта фантастов: искусственная гравитация, работающая без вращения и ускорения. Если бы антиматерия действительно оказывала отрицательное гравитационное воздействие, то, просто сделав пол космического корабля из обычной материи, а его потолок — из антиматерии, мы могли бы создать космический корабль с собственной встроенной автоматической системой искусственной гравитации. Но поскольку антиматерия ведёт себя с гравитацией также, как обычная, единственными вариантами создания искусственной гравитации на космическом корабле остаются либо постоянное линейное ускорение, либо вращение цилиндра вокруг своей оси: как в фильме «2001 год: Космическая одиссея» или как в цилиндре О’Нила.

Общие выводы

Исследование концепций ВАРП-двигателя и антиматерии наглядно показывает, как современная наука постепенно превращает теоретические абстракции в осязаемые физические законы. Долгое время эти идеи балансировали на грани научной фантастики, однако сегодня мы имеем строгие экспериментальные и математические подтверждения их природы:

• Антиматерия реальна и подчиняется общим законам гравитации. Эксперименты в CERN окончательно доказали, что антивещество «падает вниз», закрыв спекуляции об антигравитации, но подтвердив общую теорию относительности Эйнштейна. Это делает антиматерию предсказуемым, хотя и чрезвычайно сложным в обращении источником колоссальной энергии.
• ВАРП-двигатель переместился из области «невозможного» в область «сверхсложного». Новые математические модели (солитоны Ленца и Бобрика) доказали, что искривление пространства-времени теоретически возможно без привлечения фантастической «экзотической материи» с отрицательной энергией. Главным барьером теперь остаются не фундаментальные запреты физики, а колоссальные инженерные требования к плотности энергии.

Наука доказала: космос не запрещает нам мечтать о межзвездных путешествиях, но требует для их реализации принципиально нового уровня развития технологий.

Перспективы развития технологий

Путь от фундаментального открытия до его практического внедрения может занять десятилетия, но контуры будущего очевидны уже сегодня. Развитие этих технологий будет проходить через несколько ключевых этапов:

• Ближайшая перспектива (10–20 лет): Модернизация медицинских технологий (новое поколение ПЭТ-сканеров) и создание эффективных магнитных ловушек для удержания антиматерии. В космической сфере — разработка импульсных термоядерных двигателей с позитронным поджигом. Использование микрограммных долей антиматерии позволит сократить время полета к Марсу до нескольких недель.
• Среднесрочная перспектива (50–100 лет): Создание орбитальных или лунных фабрик по производству антивещества. На Земле этот процесс энергетически невыгоден, но в космосе, с использованием гигантских массивов солнечных панелей, производство антипротонов может стать рентабельным для заправки межпланетных кораблей. В области ВАРП-технологий — первые лабораторные эксперименты по генерации микроскопических гравитационных искажений (солитонов) с помощью сверхмощных лазеров или метаматериалов.
• Далекая перспектива (100+ лет): Создание полноценного субсветового или сверхсветового ВАРП-транспорта. Переход от теоретических уравнений к управлению метрикой пространства-времени позволит человечеству выйти за пределы Солнечной системы и начать полноценную колонизацию ближайших звездных систем.

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Вопрос: Если антиматерия падает вниз, можно ли использовать её для создания антигравитации?
Ответ: Нет. Эксперименты доказали, что антиматерия обладает положительной гравитационной массой и притягивается к Земле так же, как обычное вещество. Использовать её в качестве «левитирующего» топлива или щита от гравитации не получится. Однако её можно использовать как идеальное топливо: при аннигиляции 1 грамма антиматерии с 1 граммом материи выделяется столько же энергии, сколько при взрыве крупной атомной бомбы.

Вопрос: Нарушает ли ВАРП-двигатель теорию относительности Эйнштейна, если он движется быстрее света?
Ответ: Нет, не нарушает. Теория Эйнштейна гласит, что ни один объект не может двигаться сквозь пространство быстрее скорости света. Но сам ВАРП-двигатель не перемещается в пространстве в привычном смысле — он сжимает пространство перед собой и расширяет позади. Само пространство-время может расширяться и сжиматься с любой скоростью (это происходило, например, во время Большого взрыва), поэтому ограничение скорости света здесь обходится абсолютно законно с точки зрения физики.

Вопрос: Почему мы до сих пор не заправили ракету антиматерией, если она дает так много энергии?
Ответ: Главная проблема — в производстве и удержании. На сегодняшний день человечество способно получать лишь единичные нанограммы антивещества в год на крупнейших ускорителях частиц. Стоимость одного грамма антиматерии оценивается в триллионы долларов. Кроме того, её невозможно хранить в обычном баке: при соприкосновении со стенками произойдет мгновенный взрыв. Для её удержания нужны сложнейшие и массивные магнитные ловушки (ловушки Пеннинга-Мальмберга), которые пока слишком тяжелы для космических полетов.

Вопрос: Нужна ли всё-таки экзотическая (отрицательная) энергия для создания пузыря Алькубьерре?
Ответ: Последние исследования показывают, что нет, для некоторых типов ВАРП-пузырей (субсветовых) она не требуется. Физикам удалось найти решения уравнений, которые работают на обычной, положительной энергии. Однако для сверхсветового движения классические модели всё ещё требуют отрицательной плотности энергии (которую в микромасштабах фиксируют в квантовых эффектах, например, эффекте Казимира). Поиск путей обхода этого ограничения — главная задача современных физиков-теоретиков.

Автор: Валерий Исаковский @valisak
Источник: https://habr.com/