Как космические корабли могут преодолеть межзвездное расстояние за несколько секунд
Мы привыкли к тому, что в голливудских фантастических фильмах персонажи преодолевают межзвездные расстояния за несколько секунд. При этом мы знаем, что в действительности подобное невозможно, ведь даже свет идет до ближайших звезд больше четырех лет. Существуют ли способы преодолеть барьеры, установленные природой, и сделать фантастику реальностью?
В своей общей теории относительности Альберт Эйнштейн показал, что массивные тела меняют не только течение времени, но и искривляют пространство. Оба теоретических положения удалось почти сразу доказать путем наблюдения за Меркурием и звездами, свет которых отклоняется в гравитационном поле Солнца. Но долгое время точность существующих приборов не позволяла измерить размеры деформации пространства, создаваемого нашим светилом.
В 1976-1977 годах американские физики Роберт Ризенберг и Ирвин Шапиро провели эксперимент, в котором использовались модули космических аппаратов «Викинг-1» и «Викинг-2», находившиеся на орбитах вблизи Марса. Они посылали радиосигналы в сторону аппаратов, когда красная планета находилась около Солнца, если смотреть на нее с Земли.
«Викинги» перехватывали сигналы, усиливали их и отправляли обратно. Измеряя реальную скорость прохождения радиосигнала с вычисленной, американцы установили: задержка составляет сотни микросекунд, что в пересчете дает увеличение расстояния прохождения сигнала на 50 километров.
Такая «добавка» к расстоянию была бы невозможной, если бы пространство было ровным, как лист бумаги. Следовательно, оно искривлено поблизости от поверхности Солнца. Ученые установили теоретически и экспериментально, что пространство прогибается. Но куда? Они предположили, что оно прогибается внутрь многомерного гиперпространства, названного «балком» (bulk).
Наше же пространство в этой интерпретации предстает как «брана» (brane), то есть трехмерная мембрана. Доказанное существование более высоких измерений дает надежду на то, что когда-нибудь будет найден способ, в буквальном смысле, пронзить пространство, мгновенно преодолев колоссальные расстояния, отделяющие нас от других миров.
В 1916 году, то есть всего через год после того, как Эйнштейн опубликовал основные статьи по общей теории относительности, австрийский физик Людвиг Фламм нашел решение его уравнений, описывающее такое искривление пространства, при котором становится возможен «короткий» переход из одной точки Вселенной в другую, причем сколько угодно отдаленную, через особые «перемычки».
На экзотический вывод Фламма в то время не обратили внимания. Куда больший резонанс вызвал так называемый «пространственно-временной мост», который описали в 1935 году сам Альберт Эйнштейн и его ассистент Натан Розен.
В отличие от предшественника, они задумались о значимости предложенной модели для реального мира, но пришли к выводу, что «мост» не может существовать на нашей бране как материальный объект, доступный наблюдению. Тем не менее, практически сразу идея была использована фантастами в качестве гипотетического средства транспортировки, что способствовало ее популяризации.
В 1957 году американский физик Джон Уилер предложил свой вариант «моста». Описывая его, он прибег к аналогии с муравьем на яблоке, который может очень долго добираться до противоположной части фрукта, а может для быстроты воспользоваться прогрызенным червячками тоннелем.
На основании этой аналогии Уилер назвал пространственные тоннели «червоточинами». Среди советских физиков позднее закрепился термин «кротовые норы». Помимо введения новых слов, американец вместе со своим студентом Робертом Фуллером разработал модель рождения, расширения и схлопывания «червоточин» через балк, и хотя она вроде бы показывала неизбежность почти мгновенной «смерти» этих образований, теоретическое обоснование их существования давало почву для дальнейших исследований.
Следующий шаг сделал Кип Торн — ученик Уилера. К проблеме «червоточин» он обратился после того, как знаменитый популяризатор Карл Саган в мае 1985 года прислал ему на рецензию рукопись своего научно-фантастического романа «Контакт». В первоначальном тексте ученые отправлялись на встречу с представителями древней сверхцивилизации через «черную дыру».
Торн знал, что таким способом путешествовать во Вселенной невозможно, поскольку любой материальный объект внутри «черных дыр» будет разрушен, поэтому предложил Сагану заменить их на «червоточины» Уилера. Для этого требовалось обосновать, при каких условиях туннель через балк будет возможен.
Торн сумел доказать математически, что «червоточина» способна существовать в нашем мире сколь угодно долго, если внутри нее находится «экзотическая материя», то есть вещество с отрицательной массой и отрицательной энергией. Хотя на первый взгляд подобная мысль кажется бредом, наличие «экзотической материи» не противоречит известным нам законам физики.
В 1988 году Кип Торн в соавторстве со своими студентами Марком Моррисом и Улви Яртсевером опубликовал статью, в которой призвал научное сообщество обсудить вопрос создания и стабилизации «червоточин».
За четыре десятка лет, как признается сам Торн, удовлетворительный ответ так и не был получен, что не помешало физику принять участие в консультировании фантастического фильма «Интерстеллар», где появление искусственной «червоточины» в окрестностях Сатурна стало одним из сюжетообразующих допущений.
Впрочем, кое-какие достижения все же есть. Например, было показано, что природное возникновение «червоточин» крайне маловероятно. В отличие от «черных дыр», процесс рождения которых из массивных звезд описан и просчитан, во Вселенной нет объектов, которые можно было бы «увязать» с «червоточинами».
Рассматривалась гипотеза, гласящая, что «червоточины» могут возникать на субатомном уровне в виде так называемой «квантовой пены», однако и этот вариант вызывает серьезную критику. Получается, что если «червоточины» когда-нибудь и появятся, то они будут продуктом технологии сверхцивилизации, как показано в романе Карла Сагана «Контакт» и фильме Кристофера Нолана «Интерстеллар».
Кип Торн даже предложил схему того, как подобная цивилизация могла бы их построить: «Просто берешь и продавливаешь часть нашей браны (Вселенной) вниз в балк и получаешь вмятину, потом загибаешь брану в балке, протыкаешь в ней точно под вмятиной дырку, протыкаешь другую дырку на дне вмятины и наконец сшиваешь края дырок. Делов-то!»
Далеко не все ученые согласились с пессимистическими выводами Кипа Торна. Например, российский астрофизик Николай Семенович Кардашев, известный своей классификацией гипотетических внеземных цивилизаций, разрабатывает теорию Мультивселенной как совокупности бесконечного множества миров, имеющих другие физические константы и, соответственно, развернутых на других бранах.
Двойной квазар Q0957+561 / Фото: Хаббл
Согласно выкладкам группы Кардашева, «червоточины» образовываются вместе с многочисленными вселенными и сохраняются, связывая их по мере роста. Разумеется, «червоточины» эволюционируют, но их можно отыскать по характерным признакам: в частности, они могут выглядеть как «черные дыры» с аномальными свойствами. Среди объектов, попавших под подозрение, Кардашев называет квазар Q0957+561.
В настоящее время поиском «червоточин» занимается орбитальный аппарат «Радиоастрон» («Спектр-Р»). В 2025 году к нему должна присоединиться орбитальная обсерватория «Миллиметрон» («Спектр-М»). Российские физики верят в успех. Если у них получится подтвердить свои теоретические выкладки, то открытие туннеля в соседнюю вселенную по своей значимости превзойдет даже теорию Эйнштейна. А там, глядишь, на примере природной «червоточины» они научатся создавать искусственные.