Включено в книгата
Оригинално заглавие
Physics of the Impossible, (Пълни авторски права)
Превод от английски
, (Пълни авторски права)
Форма
Научен текст
Жанр
Характеристика
  • Няма
Оценка
5,5 (× 22 гласа)

Част II
Клас II на невъзможните неща

11. По-бързо от светлината

Напълно е възможно (животът) да се разпространи из Галактиката и отвъд нея. Така че животът може да не бъде вечно незначителен замърсител на Вселената, макар че в момента е точно такъв. Всъщност смятам това за твърде интересен възглед.

Сър Мартин Рийс, кралски астроном

Невъзможно е да се движим по-бързо от светлината и това със сигурност не е желателно, докато шапката на човека продължава да хвърчи.

Уди Алън

В „Междузвездни войни“, докато „Хилядолетният сокол“ излита с гръм и трясък от пустинната планета Татуин, отнасяйки нашите герои Люк Скайуокър и Хан Соло, корабът се натъква на ескадрила от заплашителни имперски бойни кораби, които се движат в орбита около планетата. Бойните кораби на Империята изстрелват наказателен преграден огън от лазерни лъчи към кораба на нашите герои, които проникват равномерно през силовите полета. „Хилядолетният сокол“ е обстрелян успешно. Докато пристяга тялото си с предпазен колан под този унищожителен лазерен огън, Хан Соло извиква, че единствената им надежда за спасение е да направят скок в „хиперпространството“. В критичния момент хипердвигателите възобновяват дейността си. Всички звезди около тях изведнъж се спукват навътре към центъра на зрителния екран, превръщайки се в събиращи се, заслепяващи ивици светлина. Отваря се дупка, през която минава с гръм „Хилядолетният сокол“, достигайки хиперпространството и свободата.

Научна фантастика? Несъмнено. Но възможно ли е тя да се основава на научен факт? Може би. По-бързото от светлината пътуване винаги е било основна тема в научната фантастика, но неотдавна физиците започнаха да обмислят сериозно тази възможност.

Според Айнщайн скоростта на светлината е максималното ограничение на скоростта във Вселената. Дори най-мощните атомни разбивачи, които могат да генерират енергии, откривани само в центъра на експлодиращи звезди или в самия Голям взрив, не могат да засилят субатомните частици до скорост, която е по-висока от скоростта на светлината. Очевидно скоростта на светлината е последният пътен полицай във Вселената. Ако е така, всяка надежда да достигнем далечните галактики изглежда осуетена.

Или може би не е така…

Айнщайн неудачника

През 1902 г. съвсем не било очевидно, че младият физик Алберт Айнщайн ще стане най-големият физик след Исак Нютон. Всъщност тази година била годината на най-големите неуспехи в живота му. Току-що дипломирал се студент, той бил отхвърлен като преподавател от всички университети, в които кандидатствал. (По-късно установил, че неговият професор Хайнрих Вебер му бил написал крайно неблагоприятни препоръчителни писма, може би за да си отмъсти за това, че Айнщайн често пропускал лекциите му.) Нещо повече, майката на Айнщайн била отрицателно настроена към неговата приятелка Милева Марич, която вече била бременна от него. Тяхната първа дъщеря Лизерл щяла да се роди като извънбрачно дете. Младият Алберт претърпявал провал във всичко, с което се заемал. Дори на скромната му работа като частен учител бил сложен край, когато най-неочаквано бил уволнен. В изпълнените си с отчаяние писма той споделя, че възнамерява да стане продавач, за да изкарва прехраната на семейството си. Дори писал на родителите си, че може би е щяло да бъде по-добре, ако изобщо не бил се раждал, тъй като е бреме за своето семейство и няма никаква перспектива да успее в живота. Когато баща му починал, той изпитвал срам, че родителят му си бил отишъл от този свят с мисълта, че синът му е пълен неудачник.

Но по-късно през същата година късметът на Айнщайн проработил. Един приятел го уредил на работа като чиновник в Швейцарското патентно бюро. От скромната си месторабота Айнщайн щял да предизвика най-голямата революция в съвременната история. Той щял да анализира бързо патентите на бюрото си и след това да прекарва часове в размисъл върху проблемите на физиката, които го интересували от малък.

Каква е тайната на гения му? Може би един ключ към разгадаване на тайната е била неговата способност да мисли посредством материални образи (например, като си представя движещи се влакове, ускоряващи се часовници, разтегнати тъкани), а не с понятия от чистата математика. Веднъж Айнщайн казал, че ако една теория не може да бъде обяснена на дете, тя вероятно е безполезна, т.е. същността на теорията трябва да бъде уловена от материален образ. Затова много физици са се изгубвали в математическия гъсталак, който не води до никъде. Но подобно на Нютон преди него Айнщайн бил завладян от материалния образ; математиката щяла да дойде по-късно. За Нютон материалният образ били падащата ябълка и Луната. Дали силите, които карали една ябълка да падне, били идентични на силите, които направлявали Луната в нейната орбита? Когато Нютон решил, че отговорът е положителен, той създал математическа архитектура на Вселената, която изведнъж разкрила най-голямата тайна на небесата — движението на самите небесни тела.

Айнщайн и относителността

През 1905 г. Алберт Айнщайн предложил на вниманието на научния свят своята знаменита специална теория на относителността. В центъра на неговата теория се намирала една образна представа, която могат да разберат дори децата. Теорията била връхната точка на една мечта, която той имал от шестнадесетгодишен, когато си задал съдбоносния въпрос: Какво ще се случи, ако изпреварите един светлинен лъч? На младини той знаел, че Нютоновата механика описва движението на обектите на Земята и в небесата и че теорията на Максуел описва светлината. Това били двата стълба на физиката.

Същността на гения на Айнщайн се разкрила, когато той се сетил, че тези два стълба си противоречат взаимно. Единият от тях трябвало да падне.

Според Нютон винаги можете да изпреварите един светлинен лъч, тъй като в скоростта на светлината няма нищо особено. Това означавало, че светлинният лъч трябва да остане неподвижен, докато вие се движите бързо покрай него. Но на младини Айнщайн осъзнал, че никой никога не е виждал светлинна вълна, която да е напълно неподвижна, т.е. да прилича на замръзнала вълна. Вследствие на това Нютоновата теория била безсмислена.

Накрая, докато изучавал в Цюрих теорията на Максуел като студент в колежа, Айнщайн открил отговора. Той открил нещо, което дори Максуел не знаел: че скоростта на светлината е константа, независимо от това с каква скорост се движите. Ако се движите бързо или се отдалечавате бързо от един светлинен лъч, той все още ще се движи със същата скорост, но тази негова характеристика смущава здравия разум. Айнщайн бил открил отговора на въпроса от детството си: никога няма да можете да се движите бързо покрай един светлинен лъч, тъй като той винаги ще се отдалечава от вас с постоянна скорост, независимо от това колко бързо се движите.

Но Нютоновата механика била тясно свързана система: подобно на дърпането на един конец цялата теория можела да се разплете, ако направите и най-малката промяна в нейните допускания. В теорията на Нютон ходът на времето бил еднакъв в цялата вселена. Една секунда на Земята била идентична на една секунда на Венера или на Марс. Също така метричните стълбове, поставени на Земята, имали същата дължина като метричните стълбове на Плутон. Но ако скоростта на светлината е винаги една и съща, независимо от това колко бързо се движите, няма да бъде необходима основна промяна в нашето разбиране на пространството и времето. Ще трябва да настъпят силни изкривявания на континуума пространство-време, за да бъде запазена константността на скоростта на светлината.

Според Айнщайн, ако се намирате на ракетен кораб, който увеличава скоростта си, ходът на времето в ракетата ще трябва да се забавя по отношение на човек, намиращ се на Земята. Времето протича с различни скорости в зависимост от това колко бързо се движите. Освен това пространството в ракетния кораб ще се компресира, затова дължината на метричните стълбове може да се промени в зависимост от вашата скорост. Масата на ракетата също ще се увеличи. Ако се наложи да надникнем в ракетата с нашите телескопи, ще видим, че часовниците в ракетата ще забавят ход, а хората ще се движат бавно и ще ни се струват сплеснати.

На практика, ако ракетата се движи със скоростта на светлината, времето в ракетата видимо ще спре, ракетата ще се компресира до нулевата точка, а масата й ще бъде безкрайна. Тъй като нито едно от тези наблюдения няма смисъл, Айнщайн твърдял, че нищо не може да преодолее светлинната бариера. (Тъй като един обект става толкова по-тежък, колкото по-бързо се движи, това означава, че енергийното движение е преобразувано в маса. Точното количество на енергията, която се превръща в маса, може да се изчисли лесно и така стигаме до прочутото уравнение E=mc2.)

След като Айнщайн извел прочутото си уравнение, буквално милиони експерименти потвърдили правотата на революционните му идеи. Например GPS системата, която може да локализира вашето положение на Земята в рамките на няколко фута, няма да постига успех, ако не й се добавят корекции заради относителността. (Тъй като военните разчитат на GPS системата, дори генералите от Пентагона трябва да бъдат инструктирани от физици за Айнщайновата теория на относителността.) Часовниците на GPS наистина се променят, докато летят над Земята, както е предсказал Айнщайн.

Най-нагледната илюстрация на тази представа може да бъде открита в атомните акселератори, в които учените ускоряват частици до скорост, която почти достига тази на светлината. В гигантския ускорител ЦЕРН — Големия адронен колайдер, разположен в близост до Женева, Швейцария, протоните биват ускорени до мощност от трилиони електронволтове и се движат със скорост, която е много близка до тази на светлината.

За един ракетен учен светлинната бариера все още не е проблем, защото ракетите не могат да се движат със скорост от над няколко десетки хиляди мили в час. Но в рамките на един или два века, времеви период, през който ракетните учени обмислят сериозно да изпратят сонди до най-близката звезда (разположена на повече от 4 светлинни години от Земята), светлинната бариера постепенно може да се превърне в проблем.

Пробойни в теорията на Айнщайн

Десетилетия наред физиците се опитвали да открият пробойни в прочутия афоризъм на Айнщайн. Били намерени някои такива, но повечето от тях не били особено благодатни по посока на развитието на физиката. Например, ако човек кръстоса присвяткащи светлини през небесата, по принцип изображението на светлинния лъч може да надмине скоростта на светлината. За няколко секунди изображението на присвяткащата светлина се придвижва от една точка на хоризонта до срещуположната точка на разстояние, което се простира на стотици и хиляди светлинни години. Но това не е от значение, защото по този начин никаква информация не може да бъде предадена по-бързо от светлината. Изображението на светлинния лъч е надминало скоростта на светлината, но то не пренася енергия или информация.

Също така, ако разполагаме с ножици, точката, в която остриетата се пресичат взаимно, се движи толкова по-бързо, колкото по-далеч се намирате от точката на съединението. Ако си представим ножици, които са дълги една светлинна година, след това чрез затварянето на ножиците точката на пресичане може да се движи по-бързо от светлината. (И в този случай това не е от значение, защото точката на пресичане не пренася енергия или информация.)

Подобно на това, както споменах в четвърта глава, експериментът АПР дава възможност да бъде изпратена информация със скорост, което е по-голяма от тази на светлината. (Припомняме, че при този експеримент два електрона вибрират в унисон и след това биват изпратени в противоположни посоки, като се движат бързо. Тъй като тези електрони са кохерентни, между тях може да се изпраща информация със скорост, която е по-голяма от тази на светлината, но тази информация е произволна и вследствие на това — безполезна. Затова и АПР машините не могат да се използват за изпращане на сонди към далечни звезди.)

Интересното е, че най-важната пробойна е била направена от самия Айнщайн, когато създал общата теория на относителността през 1915 година. Това била теория, която оказала по-глобално влияние от специалната теория на относителността. Семената на общата относителност били посети, когато Айнщайн разглеждал една детска въртележка. Както видяхме по-рано, обектите се смаляват, когато доближат скоростта на светлината. Колкото по-бързо се движите, толкова повече се смачквате. Но в един въртящ се диск външната обиколка се движи по-бързо от центъра. (На практика центърът е почти неподвижен.) Това означава, че линеен стълб, поставен на ръба, трябва да се смали, докато линеен стълб, поставен в центъра, ще остане почти същия, затова повърхността на въртележката вече не е плоска, а изкривена. Така ускорението има следния ефект: то изкривява пространството и времето на въртележката.

В общата теория на относителността континуума пространство-време е тъкан, която може да се разтяга и свива. При някои обстоятелства тъканта може да се разтяга по-бързо от светлината. Помислете си за Големия взрив например, когато Вселената се родила по време на една космическа експлозия преди 15,7 милиарда години. Човек може да изчисли, че първоначално Вселената се е разширявала по-бързо от скоростта на светлината. (Това действие не нарушава специалната относителност, тъй като именно празното пространство — пространството между звездите — било това, което се разширявало, а не се разширявали самите звезди. Разширяващото се пространство не пренася никаква информация.)

Важният момент е, че специалната относителност важи само локално, т.е. непосредствено около вас. Непосредствено около вас, локално (т.е. в Слънчевата система), специалната относителност е валидна, както можем да потвърдим с космическите сонди. Но глобално (т.е. в космологични мащаби, включващи Вселената) вместо нея трябва да използваме общата относителност. В общата относителност континуума пространство-време става тъкан, а тази тъкан се разтяга по-бързо от светлината. Това обстоятелство позволява съществуването на „дупки в пространството“, в които човек може да минава по пряк път през пространството и времето.

Като се имат предвид тези възражения, може би един начин, по който може да се движим по-бързо от светлината, е обръщането за помощ към общата относителност. Два са начините, по които това може да стане.

1. Разтягане на пространството. Ако ви се налага да разтегнете пространството зад вас и да свиете пространството пред вас, то в такъв случай е налице илюзията, че се движите по-бързо от светлината. На практика изобщо няма да сте помръднали от мястото си. Но тъй като пространството е деформирано, това означава, че можете да стигнете до далечни звезди за едно мигване на очите.

2. Разкъсване на пространството. През 1935 г. Айнщайн въвел понятието дупка-червей. Представете си Огледалото на Алиса — вълшебно устройство, което свързва околностите на Оксфорд със Страната на чудесата. Дупката-червей е устройство, което може да свърже две вселени. Когато бяхме в прогимназията, учихме, че най-късото разстояние между две точки е една права линия. Но това не е задължително вярно, защото ако свиехме лист хартия дотогава, че двете точки се докоснеха, в такъв случай виждахме, че най-късото разстояние между тях в действителност е една дупка-червей.

Както казва физикът от Вашингтонския университет Мат Вайсър: „Общността на учените, вярващи в относителността, е започнала да обмисля какво ще бъде необходимо за изваждането на неща като уорп двигателя или дупките-червеи от царството на научната фантастика.“[1]

Кралският астроном на Великобритания сър Мартин Рийс дори казва: „Дупките-червеи, допълнителните измерения и квантовите компютри разкриват пред нас хипотетични сценарии, които биха могли накрая да преобразят цялата вселена в един «жив космос».“[2]

Двигателят на Алкубиер и отрицателната енергия

Най-подходящият пример за разтягане на пространството е двигателят на Алкубиер, който бил предложен през 1994 г. от физика Мигел Алкубиер въз основа на Айнщайновата теория за гравитацията. Той прилича много на системата за задвижване, която можем да видим в „Стар Трек“. Пилотът на такъв междузвезден кораб ще седи във вътрешността на един мехур (наричан „уорп мехур“), в който на пръв поглед всичко ще изглежда нормално, дори когато космическият кораб преодолее светлинната бариера. На практика пилотът ще смята, че се намира в състояние на покой. Обаче извън уорп мехура ще протичат необикновени изкривявания на континуума пространство-време, докато пространството пред уорп мехура ще бъде компресирано. Няма да има забавяне на времето, затова то ще протича по обичайния начин във вътрешността на уорп мехура.

Алкубиер признава, че „Стар Трек“ може да е изиграл известна роля за откриването на това решение. „Героите на «Стар Трек» непрекъснато говорят за уорп двигателя — представата, че деформирате пространството — казва той. — Ние вече имахме теория за това как пространството може или не може да бъде изкривено и това е общата теория на относителността. Помислих си, че трябва да има някакъв начин да използваме тези концепции, за да разберем как би проработил един уорп двигател.“[3] Вероятно това е първият път, когато филм е помогнал на учените, като е вдъхновил откриването на решение на едно от уравненията на Айнщайн.

Алкубиер изказва теоретично предположението, че едно пътуване в предлагания от него междузвезден кораб ще прилича на пътешествие, извършено на „Хилядолетния сокол“ от „Междузвездни войни“. „Струва ми се, че вероятно пътниците ще видят нещо, което много прилича на това. Звездите пред кораба ще се превърнат в дълги линии, в ивици. Зад себе си няма да виждат нищо — освен мрак, — защото светлината, излъчвана от звездите, не би могла да се движи достатъчно бързо, за да ги догони“, казва той.[4]

Ключът към двигателя на Алкубиер е енергията, необходима за задвижването на космическия кораб със скорости, по-големи от тази на светлината. Обикновено физиците започват с положително количество енергия, за да задвижат междузвезден кораб, който винаги се движи по-бавно от светлината. За да преодолее това ограничение така, че да бъде в състояние да се движи със скорост, по-голяма от тази на светлината, човек трябва да смени горивото. Едно просто изчисление показва, че ще ви трябва „отрицателна маса“ или „отрицателна енергия“, които са може би най-екзотичните обекти във Вселената, ако изобщо съществуват. По традиция физиците са отхвърляли съществуването на отрицателната енергия и отрицателната маса като научна фантастика. Но сега се убеждаваме, че те са задължителни за пътуването по-бързо от светлината и може би наистина съществуват.

Учените са търсели отрицателна материя в естествени условия, но досега не са постигнали успех. (Антиматерията и отрицателната енергия са две напълно различни неща. Първата от тях съществува и притежава положителна енергия, но с обърнат заряд. А все още не е доказано съществуването на отрицателната материя.) Отрицателната материя би представлявала твърде особен обект, тъй като би била по-лека от нищото. На практика тя би се реела безцелно из пространството. Ако отрицателната материя е съществувала в началото на Вселената, тя е щяла да се разпръсне из открития космос. За разлика от метеорите, които се сгромолясват на планетите, тъй като са притеглени от планетарната гравитация, отрицателната енергия би избягвала планетите. Тя би била отблъсквана, а не привличана, от големите тела като звездите и планетите. Вследствие на това, въпреки че отрицателната енергия може да съществува, очакваме да я открием само дълбоко в Космоса, със сигурност не на Земята.

Едно предложение за откриването на отрицателна материя в открития космос включва използването на явлението, наречено „лещи на Айнщайн“. Когато светлината се движи около една звезда или галактика, пътят й се прегъва от нейната гравитация според общата относителност. През 1912 г. (още преди Айнщайн да разработи напълно общата относителност) той предсказал, че една галактика би могла да бъде в състояние да действа като леща на телескоп. Светлината от далечен обект, движещ се около съседна галактика, би се съсредоточила в една точка, докато той преминава около Галактиката, подобно на леща, образувайки характерен пръстенов модел, когато светлината накрая достигне Земята. Тези природни явления сега се наричат „пръстени на Айнщайн“. През 1979 г. първата от тези лещи на Айнщайн е била наблюдавана в открития космос. Оттогава насетне лещите на Айнщайн са станали крайно необходим инструмент за астрономите. (Например някога се смятало, че ще се окаже невъзможно да бъде локализирана „тъмната материя“ в открития космос. (Тъмната материя е мистериозна субстанция, която е невидима, но има тегло. Тя обгръща галактиките и може би количеството й е десет пъти по-голямо от това на обикновената видима материя във Вселената.) Но учените от NASA са успели да картографират тъмната материя, тъй като тя пречупва светлината, докато светлината преминава през нея, по същия начин, по който стъклото пречупва светлината.)

Следователно лещите на Айнщайн трябва да бъдат използвани за търсенето на отрицателна материя и дупките-червеи в открития космос. Те трябва да пречупват светлината по специфичен начин, който трябва да се забелязва с Космическия телескоп „Хъбъл“. Досега лещите на Айнщайн не са открили изображението на отрицателна материя или дупки-червеи в открития космос, но търсенето продължава. Ако един ден космическият телескоп „Хъбъл“ открие следи от отрицателна материя или дупка-червей чрез лещите на Айнщайн, това може да отприщи шокова вълна във физиката.

Отрицателната енергия се различава от отрицателната материя по това, че тя съществува наистина, но само в незначителни количества. През 1933 г. Хендрик Казимир направил странно предсказание, като използвал законите на квантовата теория. Той твърдял, че две незаредени успоредни метални пластини ще се привлекат взаимно, като това става сякаш по магия. Обикновено успоредните пластини са неподвижни, тъй като на тях им липсва какъвто и да е заряд. Но вакуумът между двете успоредни пластини не е празен, а изпълнен с „виртуални частици“, които ту изникват от нищото, ту изчезват в него.

За кратки периоди от време двойките от електрон и антиелектрон изскачат от нищото само за да се анихилират и да изчезнат обратно във вакуума. По ирония на съдбата празното пространство, което някога било смятано за лишено от каквото и да е, сега се оказва „пенещо се“ от квантова активност. Обикновено съвсем малките избухвания на материя и антиматерия като че ли нарушават закона за запазване на енергията. Но заради принципа на неопределеността тези съвсем малки нарушения са невероятно краткотрайни и от средностатистическа гледна точка енергията все още се запазва.

Казимир установил, че облакът от виртуални частици ще създаде мрежово налягане във вакуума. Пространството между двете успоредни пластини е ограничено и вследствие на това налягането е ниско. Но налягането извън пластините е неограничено и по-голямо и вследствие на това съществува мрежово налягане, което привлича взаимно пластините.

Обикновено настъпва състояние на нулева енергия тогава, когато двете пластини се намират в покой и са раздалечени една от друга. Но докато пластините се приближават една към друга, можете да добиете енергия от тях. По този начин, тъй като кинетичната енергия е била извадена от пластините, енергията им е по-малка от нула.

Тази отрицателна енергия наистина била измерена в лабораторни условия през 1948 г. и резултатите потвърдили предвиждането на Казимир. Така отрицателната енергия и ефектът на Казимир вече не са научна фантастика, а установен факт. Проблемът обаче се състои в това, че ефектът на Казимир е твърде слаб. Необходимо е фино измервателно оборудване, достигащо сегашното равнище на технологично усложнение, за да бъде открита тази енергия в лабораторни условия. (И изобщо, енергията на Казимир е пропорционална на противоположната четвърта сила на разстоянието, разделящо пластините. Това означава, че колкото е по-малко разделящото ги пространство, толкова по-голяма е енергията.) Ефектът на Казимир е бил измерен точно през 1996 г. от Стивън Ламоро в Националната лаборатория в Лос Аламос, а силата на привличане достига 1/30 000 от теглото на една мравка.

Откакто Алкубиер предложи пръв своята теория, физиците са открили ред странни свойства. Хората, намиращи се в междузвездния кораб, са откъснати каузално от външния свят. Това означава, че не можете просто да натиснете един бутон по свое желание и да започнете да се движите по-бързо от светлината. Не можете да поддържате връзка през мехура. Трябва да има „магистрала“ през пространството и времето, която да съществува отпреди това, подобно на поредица от влакове, които се движат редовно по разписание. В този смисъл междузвездният кораб няма да бъде обикновен кораб, който може да сменя посоките и скоростите по желание на пилота. В действителност междузвездният кораб ще прилича на пътнически вагон, който се носи върху „вълна“ от компресирано пространство, която съществува отпреди това, за да се придвижва по съществуващ отпреди това коридор от деформирано континуум пространство-време. Алкубиер изказва теоретично следното предположение: „Ще ни бъде необходима серия от генератори на екзотична материя покрай пътя, подобна на магистрала, която манипулира пространството заради вас по синхронизиран начин.“[5]

Наистина могат да бъдат открити още по-странни типове решения на уравненията на Айнщайн. Според тях, ако ви се предостави определено количество маса или енергия, можете да изчислите деформирането на континуума пространство-време, което ще предизвика масата или енергията (по същия начин, по който, ако хвърлите камък в езеро, можете да изчислите вълните, които той ще създаде). Но можете и да обърнете уравненията отзад напред. Започнете с един странен континуум пространство-време от типа, срещан в някои епизоди на „Зоната на здрача“. (В тези вселени например можете да отворите една врата и да се озовете на Луната. Можете да тичате около едно дърво и да се върнете назад във времето, като вашето сърце ще се намира от дясната страна на тялото ви.) След това изчислявате разпределението на материята и енергията, свързани с този специфичен континуум пространство-време. (Това означава, че ако ви дадат странна сбирка от вълни на повърхността на едно езеро, можете да извършите работа с обратно действие и да изчислите разпределението на камъните, които са били необходими за създаването на тези вълни). На практика това е бил начинът, по който Алкубиер е извел своите уравнения. Той започнал с континуума пространство-време, който бил съвместим с движение, по-бързо от светлината, а след това извършил работа с обратно действие и пресметнал енергията, необходима за неговото създаване.

Дупки-червеи и черни дупки

Освен разтягането на пространството вторият възможен начин за преодоляване на светлинната бариера е това да стане чрез разкъсване на пространството посредством дупки-червеи — проходи, които свързват две вселени. В белетристиката пръв за дупка-червей споменава оксфордският математик Чарлс Доджсън, автор на „Алиса в огледалния свят“ под псевдонима Луис Карол. Огледалото на Алиса е дупката-червей, която свързва околностите на Оксфорд с вълшебния свят на Страната на чудесата. Пъхвайки ръката си през Огледалото, Алиса може да бъде прехвърлена мигновено от една вселена в друга. Математиците ги наричат „умножени свързани пространства“.

Понятието „дупки-червеи“ във физиката датира от 1916 г., т.е. една година, след като Айнщайн публикува епичната си обща теория на относителността. Физикът Карл Шварцшилд, който по онова време служел в армията на кайзера, успял да реши уравненията на Айнщайн само за случая на една-единствена точковидна звезда. Далеч от звездата нейното гравитационно поле приличало много на гравитационното поле на обикновена звезда и на практика Айнщайн използвал решението на Шварцшилд, за да изчисли отклонението на светлината около една звезда. Решението на Шварцшилд оказало незабавно и дълбоко въздействие върху астрономията и дори днес то е едно от най-прочутите решения на уравненията на Айнщайн. Поколения наред физици използвали гравитационното поле около тази точковидна звезда като приближение до полето около една истинска звезда, която има ограничен диаметър.

Но ако вземете насериозно това точковидно решение, след това ще откриете, че в центъра му се спотайва чудовищен точковиден обект, който е шокирал и смайвал физиците в продължение на почти сто години — една черна дупка. Решението на Шварцшилд за гравитацията на една точковидна звезда прилича на Троянски кон. Отвън то изглежда като дар от небето, но вътре в него се крият всякакви демони и духове. Но ако сте приели едното, то трябва да приемете и другото. Решението на Шварцшилд показва, че докато приближавате тази точковидна звезда, стават странни неща. Около звездата има невидима сфера (наречена „хоризонт на събитията“), която била точка, от която нямало завръщане. Всичко минавало през нея, но нищо не можело да излезе навън, подобно на един Роуч мотел. Щом сте минали през хоризонта на събитията, повече никога не се връщате. (Щом се озовете вътре в хоризонта на събитията, ще трябва да се движите по-бързо от светлината, за да избягате навън извън хоризонта на събитията, а това ще се окаже невъзможно.)

Докато приближавате хоризонта на събитията, вашите атоми ще бъдат разтягани от приливните сили. Гравитацията, усетена от нозете ви, ще бъде много по-голяма от гравитацията, усетена от главата ви, затова ще бъдете „спагетиран“ и след това разкъсан. Атомите на вашето тяло също ще бъдат разтегнати и разкъсани от гравитацията.

На външния наблюдател, който следи вашето доближаване до хоризонта на събитията, ще му се струва, че забавяте ход във времето. На практика, когато се блъснете в хоризонта на събитията, ще изглежда, че времето е спряло!

Нещо повече, докато падате край хоризонта на събитията, ще видите светлина, която е била уловена в клопка и кръжи около тази черна дупка от милиарди години. Ще изглежда така, сякаш наблюдавате анимационен филм, който разказва подробно цялата история на черната дупка, връщайки се в самото й начало.

И накрая, ако е възможно да паднете право през черната дупка, от другата страна ще има друга вселена. Това се нарича „мост на Айнщайн-Розен“ — понятие, въведено за първи път от Айнщайн през 1935 г., което днес наричат дупка-червей.

Айнщайн и други физици били на мнение, че една звезда никога няма да може да се развие по естествен път в такъв чудовищен обект. Всъщност, през 1939 г. Айнщайн публикувал статия, в която показвал, че една циркулираща маса от газ и прах никога няма да се кондензира в такава черна дупка. Затова, въпреки че има дупка-червей, която се спотайва в центъра на една черна дупка, той бил сигурен, че такъв странен обект никога не може да се образува по естествен начин. Всъщност веднъж астрофизикът Артър Едингтън казал, че трябва да „има някакъв природен закон, който да пречи на една звезда да се държи по този абсурден начин“. С други думи, черната дупка била наистина допустимо решение на уравненията на Айнщайн, но не съществувал известен механизъм, по който можела да се образува такава по естествен път.

Всичко това се променило с публикуването на една статия на Дж. Робърт Опенхаймер и на неговия студент Хартланд Снайдър, която била написана през същата година и в която се показвало, че черните дупки наистина могат да се образуват по естествен път. Те допуснали, че една умираща звезда е използвала цялото си ядрено гориво и след това е изпаднала в колапс под влияние на гравитацията, така че се е спукала под въздействие на собственото си тегло. Ако гравитацията може да компресира звездата до точката на хоризонта на събитията вътре в нея, нищо, известно на науката, не може да попречи на гравитацията да сгъсти звездата до точка с големината на частица или до черна дупка. (Този имплозивен метод може би е дал на Опенхаймер ключа към конструирането на бомбата, пусната над Нагасаки само няколко години по-късно, която се взривява след спукването на плутониева сфера.)

Следващият пробив настъпил през 1963 г., когато новозеландският математик Рой Кер проучил може би най-реалистичния пример за черна дупка. Обектите се въртят по-бързо, докато се смаляват, до голяма степен по същия начин, по който кънкьорите се въртят по-бързо, когато доближат ръце до тялото си. В резултат на това черните дупки трябва да се въртят с фантастична скорост.

Кер установил, че една въртяща се черна дупка не би колапсирала в точковидна звезда, както е допуснал Шварцшилд, а би колапсирала във въртящ се пръстен. Всеки, който има достатъчно лошия късмет да удари пръстена, ще загине, но някой, който ще падне в него, няма да умре, а в действителност ще мине през него. Но вместо да се озове на другата страна на пръстена, той или тя ще мине по моста на Айнщайн-Розен и ще попадне в друга вселена. С други думи, въртящата се черна дупка е рамката на Огледалото на Алиса.

Ако той или тя трябва да преминат около въртящия се пръстен за втори път, той или тя ще проникнат в трета вселена. На практика повторното влизане във въртящия се пръстен ще изпраща един човек в различни паралелни вселени до голяма степен като натискането на бутона за издигане нагоре в един асансьор. По принцип може да има безброй вселени, като всяка от тях е струпана върху по-долната. „Мини през този вълшебен пръстен и — ето! — ти си в съвсем различна вселена, където радиусът и масата са отрицателни!“, написал Кер.[6]

Обаче в това положение се крие една важна уловка. Черните дупки са примери за „непрекосими дупки-червеи“, т.е. минаването през хоризонта на събитията е еднопосочно пътуване. Щом минете през хоризонта на събитията и пръстена на Кер, не можете да се върнете през пръстена и да излезете навън през хоризонта на събитията.

Но през 1988 г. Кип Торн и неговите колеги в Кал Тек (Калифорнийския технологичен институт) намерили пример за прекосима дупка-червей, т.е. дупка-червей, през която можете да се движите свободно назад-напред. Всъщност, що се отнася до решението на проблема, пътуването през дупка-червей не би било по-лошо от возенето на самолет.

В обичайни условия гравитацията би строшила гърлото на дупката-червей, като би унищожила астронавтите, които се опитват да стигнат до другата страна. Това е една от причините, поради които по-бързото от светлината пътуване през дупка-червей не е възможно. Но можем да си представим, че отблъскващата сила на отрицателната енергия или отрицателната маса може да държи отворено гърлото достатъчно дълго, за да предостави на астронавтите чист път, по който да преминат. С други думи, отрицателната маса или енергия е крайно необходима и на двигателя на Алкубиер, и на решението, предоставяно от дупката-червей.

През последните няколко години бяха открити поразително много точни решения на уравненията на Айнщайн, които вземат предвид дупките-червеи. Но дали дупките-червеи съществуват наистина, или те са само плод на въображението на математиците? Дупките-червеи са изправени пред няколко значителни проблема.

Първо, за да предизвика силни изкривявания на континуума пространство-време, които са необходими за преминаването през дупка-червей, човек би се нуждаел от невероятни количества положителна и отрицателна материя от порядъка на огромна звезда или черна дупка. По изчисления на Матю Вайсър — физик работещ във Вашингтонския университет, количеството на отрицателната енергия, което ще ви бъде необходимо, за да разгърнете еднометрова дупка-червей, може да се сравни с масата на Юпитер и не стига, ами тя ще трябва да бъде и отрицателна. Той казва: „Ще ви трябва една отрицателна маса на Юпитер, за да свършите работата. Само по себе си манипулирането на една положителна енергийна маса на Юпитер вече представлява доста сложен проблем, надминаващ много нашите възможности в предвидимото бъдеще.“[7]

Кип Торн от Кал Тек институт изказва теоретично следното предположение: „Ще се окаже, че законите на физиката действително допускат съществуването на достатъчно екзотична материя в дупки-червеи с човешка големина — екзотична материя, която ги държи отворени. Но ще се окаже и че технологията за изработване на дупки-червеи и държането им отворени надминава невъобразимо много възможностите на човешката цивилизация.“[8]

Второ, не знаем колко стабилни ще бъдат тези дупки-червеи. Радиацията, генерирана от тях, може би ще убие всеки, който влезе вътре. Или може би те изобщо няма да бъдат стабилни, тъй като ще се затворят веднага щом някой влезе в тях.

Трето, светлинните лъчи, които ще падат в черната дупка, ще бъдат синьо изместени; т.е. ще достигат все по-голяма енергия, докато се приближават до хоризонта на събитията. На практика, при самия хоризонт на събитията, светлината е с неограничено синьо изместване от техническа гледна точка, затова радиацията, излъчена от тази падаща вътре енергия, може да убие всички в ракетата.

Да разгледаме проблемите в подробности. Един от проблемите се състои в натрупването на достатъчно енергия, която да разкъса тъканта на континуума пространство-време. Най-простият начин да постигнем това е да компресираме един обект, докато стане по-малък от своя „хоризонт на събитията“. В случая със Слънцето, това означава компресирането му до обект с диаметър 2 мили (около 3,6 км), след което то ще колапсира в черна дупка. (Гравитацията на Слънцето е прекалено слаба, за да го компресира по естествен път до обект с диаметър от 2 мили, затова нашето Слънце никога няма да се превърне в черна дупка. По принцип това означава, че всичко може да се превърне в черна дупка, като в това число влизате дори и вие, ако бъдете компресиран достатъчно. Това ще означава, че всички атоми на вашето тяло са компресирани до разстояния, които са по-малки от субатомните — изключително постижение, което надминава възможностите на модерната наука.)

По-практично би било да сглобим батарея от лазерни лъчи, която да изстреля интензивен лъч към точно определено място. Или да конструираме огромен атомен ускорител, който да генерира два лъча, които след това биха се сблъскали помежду си с фантастични енергии, достатъчни за създаването на малък процеп в тъканта на континуума пространство-време.

Енергията на Планк и ускорителите на частици

Човек може да изчисли енергията, която е необходима за създаването на нестабилност в континуума пространство-време и тя е от порядъка на енергията на Планк или 1019 милиарда електронволта. Това е наистина невъобразимо голямо число, което е квадрилион пъти по-голямо от енергията, достижима с помощта на днешната най-мощна машина — Големия адронен колайдер (LHC), който е разположен близо до Женева, Швейцария. LHC е в състояние да върти протони в една голяма „поничка“, докато те достигнат енергийни равнища от трилиони електронволта — енергии, наблюдавани след Големия взрив. Но дори тази чудовищна машина се проваля бързо в опитите си да произведе енергия, която се доближава поне в известна степен до енергията на Планк.

Следващият ускорител на частици след LHC ще бъде Международният линеен колайдер (ILC). Вместо да огъва пътя на субатомните частици в кръг ILC ще ги изстрелва по прав път. Енергията ще бъде инжектирана, докато частиците се движат по този път до достигането на невъобразимо високи енергийни равнища. След това сноп от електрони ще се сблъска с антиелектрони, предизвиквайки огромно енергийно избухване. ILC ще бъде дълъг между 30 и 40 километра или ще надвишава десетократно дължината на Станфордския линеен ускорител, който в момента е най-големият линеен ускорител. Ако всичко върви наред, ILC трябва да бъде завършен някъде през следващото десетилетие.

Енергията, произвеждана от ILC, ще варира в рамките на 0,5 и 1,0 трилион електронволта — което е по-малко от 14-те трилиона електронволта на LHC, но не бива да се подлъгваме от това. (В LHC сблъсъците между протоните протичат между съставните кварки, които образуват протона. Вследствие на това сблъсъците с участие на кварки достигат по-малко от 14 трилиона електронволта. Ето защо ILC ще произвежда колизионни енергии, които ще бъдат по-големи от тези на LHC.) Също така, тъй като електронът няма известна съставна част, динамиката на сблъсъците между електрона и антиелектрона е по-проста и по-чиста.

Но реално погледнато, ILC също ще се провали бързо в опитите си да отвори дупка в континуума пространство-време. За тази цел ще ви трябва ускорител, който е квадрилион пъти по-мощен. За нашата цивилизация, която е от 0 тип и използва мъртви растения за гориво (например нефт и въглища), тази технология надминава всичко, което можем да измислим. Но тя може да стане възможна за една цивилизация от III тип.

Спомнете си, че една цивилизация от III тип, която достига галактични мащаби в своята енергийна употреба, потребява 10 милиарда пъти повече енергия от една цивилизация от II тип, чието потребление се основава на енергията на една-единствена звезда. А една цивилизация от II тип на свой ред потребява 10 милиарда пъти повече енергия от една цивилизация от I тип, чието потребление се основава на енергията на една-единствена планета. За период с продължителност между сто или двеста години нашата немощна цивилизация от 0 тип ще достигне статуса на цивилизация от I тип.

Като се има предвид това проектиране на бъдещето, ние сме много, много далеч от възможността да достигнем енергията на Планк. Физиците са на мнение, че на изключително къси разстояния, при разстоянието на Планк от 10-33 сантиметра, пространството не е празно или гладко, а става „пенливо“. То се пени от съвсем малки мехурчета, които постоянно изникват от нищото, сблъскват се с други мехурчета, а после изчезват обратно във вакуума. Тези мехурчета, които се стрелкат навън-навътре из вакуума, са „виртуални вселени“, които приличат много на виртуалните частици на електроните и антиелектроните, които изскачат от нищото и после изчезват.

Обикновено тази квантова пространствено-времева „пяна“ е напълно невидима за нас. Тези мехурчета се образуват на толкова къси разстояния, че не можем да ги наблюдаваме. Но квантовите физици изказват предположението, че ако концентрираме достатъчно енергия в една-единствена точка, докато достигнем енергията на Планк, тези мехурчета могат да станат големи. Тогава бихме видели пространствено-времевото разпенване от съвсем малки мехурчета, като всяко мехурче е дупка-червей, свързана с „бебе-вселена“.

В миналото тези бебета-вселени били смятани за интелектуален куриоз, за странно следствие от чистата математика. Но сега физиците сериозно смятат, че нашата вселена може да е започнала първоначално съществуването си като една от тези бебета-вселени.

Подобно мислене е най-обикновено теоретизиране, но законите на физиката допускат възможността да бъде отворена дупка в пространството чрез концентрирането на достатъчно енергия в една-единствена точка, докато достигнем пространствено-времевата пяна и се появят дупки-червеи, свързващи нашата вселена с една бебе-вселена.

Отварянето на дупка в пространството, разбира се, би изисквало значителни пробиви в технологиите, но и в този случай това може да се окаже възможно за една цивилизация от III тип. Например, имало е обещаващи разработки в нещо, наречено „ускорител върху маса на Уейкфийлд“. Забележителен е фактът, че този атомен разбивач е толкова малък, че може да бъде поставен върху маса, но той е в състояние да генерира милиарди електронволта енергия. Ускорителят върху маса на Уейкфийлд работи, като изстрелва лазери върху заредени частици, които после се носят върху енергията на този лазер. Експерименти, извършени в Станфордския линеен ускорителен център, в лабораторията „Ръдърфорд Ейпълтън“ в Англия и в „Екол Политехник“ в Париж, показват, че огромните ускорения са възможни дори на малки разстояния, когато се използват лазерни лъчи и плазма за инжектирането на енергия.

Но през 2007 г. бил направен още един пробив, когато физиците и инженерите в Станфордския линеен ускорителен център, UCLA и USC демонстрирали, че можете да удвоите енергията на един огромен ускорител на частици в рамките само на един метър. Те започнали със сноп от електрони, които били изстреляни по тръба с дължина от две мили (около 3,6 км) в Станфорд, достигайки енергия от 42 милиарда електронволта. След това тези високоенергийни електрони били изпратени през „последващ инжектор“, който се състоял от плазмена камера, дълга само 88 сантиметра, където електроните придобили още 42 милиарда електронволта, удвоявайки своята енергия. (Плазмената камера е пълна с литиев газ. Докато електроните минават през газа, те създават плазмена вълна, която създава вълна. Тази вълна на свой ред се влива в задната част на електронния сноп и после го бута напред, придавайки му допълнителен тласък.) При това смайващо постижение физиците подобрили три хиляди пъти предишния рекорд за количеството енергия на метър, с която те биха могли да ускорят един електронен сноп. Като прибавя подобни „последващи инжектори“ към съществуващите ускорители, човек би могъл по принцип да удвои тяхната енергия почти безплатно.

Днес световният рекорд на един ускорител върху маса на Уейкфийлд е 200 милиарда електронволта на метър. Съществуват многобройни проблеми при измерването на този резултат на по-големи разстояния (от рода на поддържането на стабилността на снопа, докато лазерната енергия бъде напомпана в него). Но ако допуснем, че бихме могли да поддържаме равнище на мощност от 200 милиарда електронволта на метър, това означава, че ускорител, който е в състояние да достигне енергията на Планк, ще трябва да бъде дълъг 10 светлинни години. Това е напълно във възможностите на една цивилизация от III тип.

Дупките-червеи и разтегнатото пространство могат да ни осигурят най-реалистичния начин за преодоляване на светлинната бариера. Но не е известно дали тези технологии са стабилни. Ако са такива, все още ще бъде необходимо невероятно количество енергия-положителна или отрицателна, за да ги накараме да проработят.

Може би една напреднала цивилизация от III тип вече разполага с тази технология. Ще изминат хилядолетия, преди да можем дори да си помислим, че сме в състояние да овладеем мощност от този мащаб. Тъй като все още има спорове за фундаменталните закони, които управляват тъканта на континуума пространство-време на квантово равнище, бих класифицирал по-бързото от светлината пътуване като способност, спадаща към Клас II на невъзможните неща.

Бележки

[1] Cavelos, с. 137.

[2] Kaku, Parallel Worlds, с. 307.

[3] Cavelos, с. 151.

[4] Cavelos, с. 154.

[5] Cavelos, с. 154.

[6] Kaku. Parallel Worlds, с. 121.

[7] Cavelos, с. 145.

[8] Hawking, с. 146.