Тестуючи варп-двигун Алькуб’єрре
Прихильники візитів інопланетян часто посилаються на двигун Алькуб’єрре, стверджуючи, що він уможливлює пересування з надсвітловою швидкістю. Давайте розберемося, чому це не так.
Відомі нам закони фізики говорять про те, що ніщо не може рухатися швидше за світло. Це прикре обмеження зводить нанівець вірогідність того, що сусідні міжзоряні цивілізації коли-небудь зможуть нанести одна одній візит.
Але багато хто вірить у те, що інопланетяни вже активно відвідують Землю. На їхню думку, вчені помиляються щодо законів фізики. Інопланетяни, мовляв, куди розумніші за людей і напевно знайшли спосіб обійти ці непорушні істини. Як доказ багато хто з них наводить двигун Алькуб’єрре – гіпотетичний варп-двигун у стилі “Зоряного шляху”, запропонований фізиком Мігелем Алькуб’єрре 1994 року.
Отже, сьогодні ми піддамо двигун Алькуб’єрре суворій перевірці реальністю. Чи можлива його робота на практиці? Чи зможе він коли-небудь дозволити нам борознити простори Всесвіту з тією ж легкістю, з якою ми їздимо містом?
NASA створило безліч веб-сторінок з описом двигуна Алькуб’єрре та інших екзотичних і/або спекулятивних рухових установок. Агентство навіть розробило детальну візуалізацію того, як міг би виглядати такий космічний корабель. Це привело багатьох уфологів до висновку, що такі системи перебувають у стадії активного розроблення, а то й зовсім уже існують у таємниці від громадськості. У результаті багатьох популяризаторів науки, які говорять про реалії космічних подорожей, звинувачують у тому, що їм платить уряд, щоб вони брехали.
Як і багато конспірологічних теорій, ця суперечить сама собі: виходить, що уряд США, з одного боку, публікує на сайті NASA інформацію про двигун Алькуб’єрре, включно із зображеннями можливого космічного корабля, а з іншого – платить незліченній кількості наукових журналістів, щоб вони стверджували, що нічого подібного бути не може. Іншими словами, влада витрачає величезні кошти, щоб сказати і те, що щось реальне, і те, що це нереально. Де логіка?
Фундаментальна проблема, яку намагається вирішити двигун Алькуб’єрре, полягає в тому, що надсвітлові подорожі неможливі згідно з фундаментальними законами природи. Це обмеження робить міжзоряні подорожі практично нездійсненними, адже політ зайняв би тисячі років.
Тому Мігель Алькуб’єрре придумав спосіб подорожувати, не рухаючись зовсім. Космічний корабель, оснащений його двигуном, залишався б нерухомим у просторі, але стискав би простір перед собою та розширював його позаду себе, переміщаючись у такий спосіб до місця призначення, не рухаючись у традиційному сенсі, а отже, не порушуючи жодних законів фізики.
Зрозуміти, як працює стиснення і розширення простору, досить складно. Згадайте про те, що Всесвіт нині розширюється. Усе поступово віддаляється одне від одного. Розміри таких об’єктів, як планети і зірки, не змінюються, але відстань між ними дійсно збільшується. Двигун Алькуб’єрре провернув би цей процес у зворотний бік: стиснув би простір між космічним кораблем і його пунктом призначення і розширив би сам простір позаду нього.
Однак NASA слід було б чіткіше позначити, що двигун Алькуб’єрре не може і ніколи не зможе існувати – принаймні з точки зору здорового глузду. Ось дві основні причини:
1. Колосальні витрати енергії. Щоб змусити працювати навіть найменший такий двигун і перемістити крихітний корабель на мізерну відстань, нам довелося б перетворити на чисту енергію всі планети Сонячної системи. Після публікації ідеї Алькуб’єрре інші фізики знайшли способи знизити ці витрати, але вони, як і раніше, залишаються абсурдно високими. Втім, хто знає, можливо, через 100 000 років ми знайдемо спосіб черпати енергію в таких кількостях.
2. Екзотична матерія. Але головна перешкода полягає в тому, що ця приголомшлива енергія має бути не тією, яка існує у Всесвіті, а гіпотетичною, так званою “негативною енергією”. Тобто, всі планети нашої системи мають складатися не зі звичайної матерії, а з матерії з негативною щільністю енергії. Йдеться не про антиматерію – вона справді існує, – а про щось суто гіпотетичне, про щось, що, судячи з усіх наших спостережень за Всесвітом, не існує. І навіть якби необхідну кількість можна було скоротити до розумних меж, один єдиноріг не більш імовірний, ніж мільйон.
Коли ми говоримо, що ця екзотична матерія гіпотетична, що саме ми маємо на увазі? Легко невірно витлумачити це і сказати: “Ага, значить, гіпотетично ми можемо знайти спосіб її створити”, – і це відкриває простір для міркувань у дусі “Інопланетяни розумніші за нас, тому вони знають, як її створити”. Але це неправильне тлумачення.
Давайте візьмемо для прикладу щось подібне, з чим знайомі більшість із нас ще зі школи: уявна одиниця “i”, що позначає квадратний корінь із -1. “i” – це не та величина, яка може існувати насправді. У вас ніколи не буде кошика з “i” яблуками. Інопланетяни можуть бути як завгодно розумними, але у них теж ніколи не буде “i” кількості чого-небудь.
Проте, “i” цілком реальна – не як фізичний об’єкт, а як чітко визначене математичне поняття з послідовними властивостями і правилами використання. Це невід’ємна частина комплексних чисел, які широко використовуються в різних галузях науки і техніки. “i”, як частина математики, уможливлює існування певних рівнянь, а ці рівняння справді дають нам змогу робити речі в реальному світі.
Саме так слід думати і про екзотичну матерію. Ідею від’ємної густини енергії можна порівняти з ідеєю квадратного кореня з -1: вони не можуть існувати в реальному світі, але обидві уможливлюють певні рівняння, даючи нам змогу працювати з ширшими ідеями, які мають аналоги в реальному світі. У випадку з екзотичною матерією вона дає нам певні розв’язки рівнянь загальної теорії відносності, а загальна теорія відносності, безумовно, існує, ми всі використовуємо її кожного божого дня.
Тож твердження про те, що ми збираємося побудувати двигун Алькуб’єрре, трохи схоже на твердження про те, що ми збираємося поставити “i” доларів на рулетку і отримати виграш, що дорівнює квадрату кожного числа на колесі, яке не випало. У теорії це може спрацювати, і ви можете написати наукову роботу, що пояснює, як це буде працювати, але на практиці це неможливо – незалежно від того, людина ви чи інопланетянин.
(Коротке прохання до всіх фізиків: будь ласка, не пишіть того, що порівняння “i” з екзотичною матерією некоректне. Зрозуміло, що їх не можна порівнювати безпосередньо; вони дуже різні в багатьох відношеннях. Але часто потрібно брати надскладні теми і представляти їх у доступній для широкої аудиторії формі, і, незважаючи на свої недоліки, це найкраща аналогія, яку вийшло придумати. Недоліки цього порівняння зрозумілі тільки вам, фізикам, і якщо включити їх до цієї розповіді, то більшість слухачів вирушили б прямо до психлікарні).
Але спроби донести подібні наукові ідеї до широкої публіки часто виявляються марними. Багато людей чіпляються за думку: “Інопланетяни розумніші за нас, тому вони розуміються на цьому краще за нас, а отже, їм це під силу”. Багато хто просто відмовляється визнавати існування фундаментальних законів природи.
Вони звинувачують учених і популяризаторів науки у зарозумілості та відсталості за те, що ті не допускають думки про відсутність обмежень для інопланетян. І дуже часто як аргумент вони наводять інший приклад, який, на їхню думку, підтверджує їхню позицію: “примарна дія на відстані”, він же квантова заплутаність.
Це здатність двох частинок бути пов’язаними таким чином, що зміна однієї миттєво спричиняє зміну в іншій, незалежно від того, як далеко вони перебувають одна від одної. Поширена думка, що така система може уможливити надсвітловий зв’язок: я беру свої заплутані частинки на свою планету, ви берете свої – на свою, а потім ми можемо миттєво спілкуватися на будь-якій відстані за допомогою якогось заздалегідь обумовленого коду, що ґрунтується на різних змінах квантових станів наших заплутаних частинок.
На перший погляд це здається здоровою ідеєю, і практично будь-якому обивателю здається, що це має спрацювати. Але це неможливо: ті самі “обмежувачі швидкості”, які визначають роботу Всесвіту, категорично забороняють надсвітловий зв’язок.
Ось просте пояснення, чому це не так. Частинки залишаються заплутаними тільки доти, доки вони перебувають у стані суперпозиції, тобто перебувають у всіх станах одночасно, доки хтось не виміряє одну з їхніх властивостей – або доки не станеться якась взаємодія, яка потребує від частки наявності якоїсь певної властивості.
Ця взаємодія змушує частинку “схлопнутися” в якийсь один стан (наприклад, спін догори, стан із високою енергією або вертикальна поляризація), а її заплутаний партнер одночасно “схлопується” в протилежний стан (наприклад, спін донизу, стан із низькою енергією або горизонтальна поляризація). Яких саме станів набудуть частинки, принципово випадково і непередбачувано.
Тоді можна запропонувати: “Гей, але ж конкретний характер зміни не має значення, давайте побудуємо наш код зв’язку на часових інтервалах між змінами!” Проблема в тому, що одержувач не може знати, чи вносив відправник будь-які зміни: йому довелося б перевірити свою частинку, щоб дізнатися, чи не “схлопнувся” її стан, а сама ця перевірка спричинила б “схлопування” обох частинок, якщо вони ще не зробили цього раніше.
Немає жодного способу дізнатися, чи викликаний поточний стан вашої частинки її заплутаним партнером або ж вашою власною перевіркою. І що ще більше все ускладнює – щойно заплутані частинки “схлопуються” в будь-який стан, заплутаність порушується.
Ідея знайти спосіб обійти це обмеження схожа на спробу покласти в кошик “i” яблук. У цьому Всесвіті це неможливо, навіть якщо ви інопланетянин у тисячу разів розумніший за людину. Частинки в суперпозиції “схлопуються” непередбачуваним чином за будь-якої взаємодії, а “i” – це не та кількість яблук, яку можна мати. І точно так само ми не можемо заправити наш космічний корабель матерією з від’ємною щільністю енергії, як не можемо заправити його “i” кількістю яблук.
Можливою реакцією на цю розповідь будуть звинувачення у зарозумілості та заяви про те, що тут стверджується, ніби вчені вже все знають. Але це безглуздий і несправедливий випад. Наша теорія гравітації все ще неповна, але ми знаємо всі основні принципи її роботи, що вона робить і чого не робить, як ми можемо використати її у своїх інтересах, як подолати її, коли це необхідно.
Необов’язково знати все, щоб розуміти основи, а фундаментальні закони природи – це самі що ні на є основи. У прийдешні століття і тисячоліття ми навчимося робити незліченну безліч речей краще, ніж зараз, здійснимо дивовижні відкриття, про які сьогодні навіть не можемо подумати, – але скасування законів фізики точно не буде серед них.
