Захаров Г.В., Талин. Сверхсвет

Сверхсветовое движение: практика

1. Теоретический обзор

2. Практические возможности

3. Технические детали

4. Философские перспективы

Теоретический обзор

Сверхсветовое движение (ССД) - движение со скоростью, превышающей скорость света в вакууме.

В теории относительности Эйнштейна скорость света в вакууме является теоретически предельной скоростью передачи энергии и информации. Для частиц с ненулевой массой она так же является принципиально недостижимой.

Тем не менее, существует ряд концепций и теорий, позволяющих осуществлять перемещение со скоростью выше скорости c:

-- Подпространство (subspace)

-- Червоточины (wormholes)

-- Искривление пространства-времени (spacetime warp)

-- Тахионный поворот (spacetime turn)

-- Паралельное пространство (parallel space)

Подпространство (subspace)

Эта концепция была предложена Александром Константиновичем Гуцем в 1982-м году[1].

Концепция такова: если отделить от пространства Вселенной некоторый объём (подпространство) и присоединить в другом месте пространства-времени, то путь по часам корабля и наблюдателя нашей вселенной может занять меньше времени, чем прямой перелёт со скоростью света между этими местами.

Рис. 1 Иллюстрация отрыва и присоединения подпространства в координатах (x,y,t) (а) и (х,y,z) (б).

Отрыв подпространства от пространства происходит за счет резкого изменения средней внутренней кривизны в области подпространства. Александр Гуц рассчитал необходимую плотность энергии для такого нарушения связности пространства и отделения подпространства - 10^37 эрг/см3 = 10^30 Дж/см3 = 10^36 Дж/м3.

Но он так же указал, что присоединение подпространства обратно несколько более трудно, чем отрыв - при отождествлении точки внутри и снаружи подпространства внешнюю точку становится границей, а внутренняя остается точкой.

Дальнейшие работы автора в этом направлении были направлены на изучение четырехмерных кротовых нор, которыми можно считать такие и другие подпространства.

Червоточины (wormholes)

Концепция непроходимой червоточины появилась ещё в работах Эйнштейна, т.н. "мост Эйнштейна-Розена". Авторами первой статьи о проходимых червоточинах являются Кип Торн и Майкл Моррис [2]

Червоточина - гипотетическая топологическая особенность пространства-времени, представляющая собой в каждый момент времени "туннель", соединяющий две области пространства.

Рис.2. Двумерная модель червоточины

Кип Торн с соавторами показали, что возможно стабилизировать червоточину, не допуская её распада, как в случае моста Эйнштейна-Розена, и соответственно использовать для передачи материи, энергии и информации между этими областями пространства. В этом случае время перемещения между ними требует преодоления не всего пространства, разделяющего их, а только длины туннеля червоточины.

На данный момент проблемы использования червоточин следующие - требуется большое количество энергии для создания двух входов в червоточину и требуется стабилизирующая туннель экзотическая материя с отрицательной массой. Кроме того, червоточину необходимо открывать с обоих сторон, что приводит обычно в проектах к созданию двух входов рядом и последующей доставке одного из них к цели.

Искривление пространства-времени (spacetime warp)

Эту концепцию предложил Мигель Алькубьерре в 1994 году[3]. Непосредственное сжатие пространства перед перемещаемым объектом и растяжение пространства позади него, проводимые с высокой скоростью, давало возможность достичь скорости перемещения объекта выше c при его реальной скорости близкой к 0.

Рис.3. Диаграмма искривления пространства-времени в схеме Алькубьерре.

Подвариантом варпа можно считать создание туннелей в пространстве со скоростью света c', много большей, чем c.

Основной проблемой являются высокие затраты энергии на создание искривления пространства и необходимость использования отрицательной экзотической массы из предыдущего пункта для растяжения пространства.

Тахионный поворот

Такую концепцию предложил Сергей Красников в 1995[4].

В этом случае требуется обратиться к диаграмме светового конуса.

Рис.4. Световой конус.

Расширение или сужение светового конуса можно рассматривать как увеличение или уменьшение скорости света. При тахионном повороте же световой конус наклоняется, уменьшая угол между осью времени внутри зоны поворота и одной из пространственных осей снаружи зоны поворота.

Рис.5 Расширенный световой конус в зоне повышенной скорости света и обычный вне её (а); расширенный и повернутый на 45 градусов световой конус в зоне искривления (б)

При этом объекты внутри зоны поворота получают свойство тахионов, т. е. замену хода времени внутри зоны поворота на перемещение в пространстве самой зоны (если её источник находится на объекте внутри зоны).

Из проблем создания таких метрик пространства-времени можно отметить то, что для создания поворота необходимо управление тахионами - или придание объектам в зоне поворота мнимой массы.

Параллельное пространство (parallel space)

Эта концепция предложена Вальтером Дрёшером и Иохимом Хейзером на основании теории Буркхарда Хайма о полной геометричности взаимодействий и концепции петлевой квантовой гравитации в 2002 году[5].

Теория Хайма описывает полную геометризацию всех взаимодействий через введение двух(четырёх) дополнительных измерений.

Это позволяет создать установку, генерирующую кванты электрогравитационного взаимодействия - гравитофотоны - и создать эффект уменьшения массы установки.

Дрёшер и Хейзер, используя эту теорию и рассматривая теорию петлевой квантовой гравитации(ПКГ), показывают, что в ПКГ, чьим постулатом является квантование пространства-времени, уменьшение массы некоторого объекта в целое число раз (n = 1,2,3...) будет вызывать смещение объекта в некоторое параллельное пространство с местной скоростью света c' = nc и рядом других свойств.

Проблематикой на данный момент является непроверенность положений теории Хайма и предложений Дрёшера и Хейзера.

Практические возможности

Вкратце требования для большинства способов ССД таковы: большое количество энергии и изменение свойств вакуума, например, гравитационное отталкивание.

На данный момент существует условно три идеи, как реализовать механику ССД.

1. Квантовые эффекты

Самый простой и широкоизвестный, а фактически пока единственный квантовый эффект, позволяющий добиться эффектов ССД - в теории - является объединённый эффект Казимира-Шарнхорста - а именно, Казимиров эффект возникновения притяжения между параллельными проводящими пластинами за счёт отрицательной энергии вакуума и эффект Шарнхорста повышения скорости света в области между пластинами.

К сожалению, кроме основного замечания Шарнхорста, что величина эффекта очень мала и для ширины щели Казимира около 1 мкм увеличение скорости света относительно свободного вакуума равно приблизительно 10^-36, есть и второе, более важное - эффект возникает только в направлении, перпендикулярном поверхности пластин.

Это делает маловероятным применение этого эффекта для ССД.

Потенциально возможным квантовым эффектом, способным на обеспечение сверхсветового движения, является эффект Унру в интерпретации МакКаллоха аномальной тяги EmDrive (статья).

2. Гравитация

Основным кандидатом в инструменты управления пространством-временем и создания ССД, является гравитика. Используя наиболее естественные гравитационные эффекты, можно получить большую часть вариантов ССД.

А именно - червоточины, варп и подпространство.

Ключевая проблема использования гравитики заключается в том, что гравитационные эффекты весьма слабы - или точнее, требуют высоких энергий и плотности энергий.

Коэффициент пропорциональности в эффекте тяготения имеет множитель 10^-11, гравитомагнитный эффект [7], который предполагает в том числе гравитационное отталкивание - 10^-27. Зависимость от расстояния обратно квадратичная, т.е. эффекты убывают пропорционально квадрату расстояния.

Фактически это означает, что для гравитики - то есть создания и использования устройств управления гравитацией - необходимы расстояния и энергии квантовой гравитации.

Если же обратиться к способам ССД, которые возможно получить гравитационными эффектами, то становится ясно, что не менее необходимыми оказываются создание и управление чёрными дырами - как микроскопическими, так и нет.

Поясним это. Пример расчёта варп-движителя на гравитомагнитном эффекте приводится в статье[7] - показано, что для достижения ускорения всего в 1g корабль на низкой околоземной орбите должен иметь компактную вращающуюся массу в 1,6*10^13 кг, при этом ее скорость вращения должна достигать практически скорости света.

Достичь такого эффекта на обычных, неэкзотических состояниях материи практически невозможно, кроме того в этом примере речь об сверхсветовом движении не поднимается.

Пример червоточины, использующей пару чёрных дыр, рассматривается в [2]. В теории Эйнштейна вообще чёрные дыры рассматриваются как необходимые компоненты червоточины.

В статье [1] рассматривается плотность энергии, необходимая для отрыва подпространства от Вселенной. Согласно выводу автора, необходима плотность энергии чёрной дыры.

Таким образом, создание и управление чёрными дырами в гравитике так же необходимы, как управление электронами в электронике.

Их же создание и вообще оперирование энергиями на уровне квантовой гравитации(энергии выше ТэВ и расстояния, сравнимые с размерами элементарных частиц) позволяет, в частности, следующее:

-- Создание проходимых червоточин с выходами приемлемой массы (от сотен кг до тысяч тонн).

-- Гравитомагнитный эффект отталкивания величиной в миллионы g и более того.

-- Создание и отрыв подпространственного "варп-кармана".

Стоит отметить связь между этими пунктами.

В частности, варп-двигатель, создающий гравитомагнитное отталкивание в миллионы g, представляет собой чёрную микродыру диаметром менее фемтометра, вращающуюся с релятивистской скоростью и сближенную с другой чёрной микродырой на расстояние, сравнимое с их размерами.

Диаметр горловины легкой червоточины составляет менее фемтометра.

Сложно представить конструкцию, которая позволит уместить на таких масштабах космический корабль.

Но разработки в рамках направления Алькубьерре позволили Крису ван ден Бруку[8] предположить создание варп-карманов как областей неискривленного пространства, окружённых областью искривления и за счёт этого имеющих внешние размеры равные размерам горловины пузыря, Сергей Красников[9] оценил энергетику поддержания горловины, а Дмитрием Гуцем[1] была оценена плотность энергии, отрезающая карман-подпространство.

С учётом аналогий горловины червоточины и варп-кармана мной было предположено концептуальное решение: движущаяся с релятивистской скоростью вращающаяся чёрная дыра в форме кольца, далее - черное кольцо, огибает и отрезает некоторый объём пространства, в котором находится условный космический корабль, после чего сжимается и формирует планкоскопическую горловину кармана, которую уже можно использовать со значительно более крупными фемтоскопическими червоточинами и варп-двигателями.

Рис.6 Схема формирования варп-кармана с помощью чёрного кольца. Черное кольцо, двигаясь с релятивистской скоростью, расширяется, захватывает область груза(показана тонкой линией) и сжимается обратно в микроразмер. Масштабы толщин и диаметров не соблюдены.

Приблизительный расчёт показывает, что чёрная микродыра массой в 200-300 кг до полного испарения пролетит со скоростью 0,999с около 200-300 метров, объём каковой длины и будет погружен в варп-карман.

Но при этом стоит учитывать, что для такой чёрной дыры полная энергия составляет около 10 гигатонн тротилового эквивалента - и это означает, что для ее формирования в ускорителе потребуется не менее 10 гигатонн ТЭ или 1е+20 джоулей, что на три порядка превосходит всю энергию, получаемую Землёй от Солнца за секунду.

Для точного же попадания горловиной в червоточину необходимо умение манипулировать объектами фемторазмера с как минимум такой же точностью.

3. Объединение взаимодействий

Священным Граалем физики являются объединённые фундаментальные взаимодействия. Для концепций ССД такой ценностью обладает объединённое электромагнитно-гравитационное взаимодействие.

В своих работах[10] Буркхард Хайм описывал теорию полной геометризации всех фундаментальных взаимодействий, аналогично геометризации гравитации в рамках теории относительности.

На основе его работ Вальтер Дрешер и Иоахим Хейзер создали концепцию гравитофотонного привода. В дальнейшем я его буду называть по фамилиям авторов - ХДХ-привод.

Данная теория является спорной и недоказанной практически, но тем более интересной.

Собственно ХДХ-привод представляет собой быстро вращающееся в сильном магнитном поле массивное кольцо - как вариант, быстро вращающуюся кольцеобразную массивную эффективную катушку индуктивности под большим током. По теории ХДХ отдельные магнитное и гравитомагнитное поля соединяются, образуя поле гравитофотонов.

Рис.7 Схема ХДХ-привода из [5].

Гравитофотоны обладают рядом свойств, но для ССД важны два из них:

-- Гравитофотоны, как гравитоны, формируют гравитационное поле.

-- Гравитофотоны, как фотоны, поглощаются барионами.

Это приводит к двум эффектам, которые могут быть получены при помощи ХДХ-привода:

-- Управляемому искривлению пространства (spacetime warp)

-- Уменьшению или увеличению массы объектов в зоне действия привода (эффект массы)

Первый позволяет использовать ХДХ-привод как варп-двигатель или тяговый луч.

Второй в рамках работы Дрешера и Хейзера приводит к концепции путешествия через параллельное пространство(парапространство). Связано это с тем, что по предположению Д. и Х. при воздействии эффекта уменьшения массы обьекта гравитофотонами таким образом, что масса объекта уменьшается в целое число (n) раз, он скачком перемещается из обычного пространства IR4 в параллельное пространство IR4(n) с рядом интересных свойств:

x_i(n) = x(1)/n^2, i=1,2,3...
t(n) = t(1)/n^3
v(n) = nv(1)
c(n) = nc(1)
G(n) = G/n
h(n) = h
n?I? = 1,2,3...

При достаточно большом n скорость перелета в парапространстве даже при исходной постоянной скорости полёта много меньше с будет выше скорости света.

Стоит отметить, что в случае, если предположение о наличии парапространства и переходе в него при уменьшении массы окажется неверным, то возможно, что действие эффекта массы будет непрерывным и тогда достичь скоростей полёта, сравнимых или выше скорости света, возможно, получится и без перехода в парапространство.

Технически предполагается, что для асимметричной деформации пространства-времени необходимо одно кольцо-катушка, для симметричного эффекта массы - два с противонаправленными векторами угловых скоростей и магнитных полей.

Приблизительные параметры ХДХ-привода, описанные в [5], таковы:

Масса вращающегося кольца - 1 тонна

Толщина кольца 5 см

Скорость вращения 1 км/с

Магнитное поле - 13 Тесла

при плотности тока в катушке 100 А/мм²

и количестве витков 400000

Масса корабля 100 тонн

Расчётное ускорение - 1 g

Как видно, параметры являются технически сложными, но несомненно уже в близкой перспективе реализуемыми.

Технические предложения

Чёрные микроколлапсары

Формирование микроскопических чёрных дыр предполагается возможным в устройствах типа коллайдеров, где происходят столкновения частиц с достаточной энергией - в этом случае возможно достигнуть необходимой плотности массы-энергии для формирования чд. На данный момент на LHC - большом адронном коллайдере - проведены опыты по поиску в результатах столкновений легких чёрных микродыр массой порядка ТэВ. Они успехом не увенчались.

В дальнейшем, с ростом доступной энергии и достижением области квантовой гравитации, опыты по получению, а также, не сомневаюсь, поддержанию и управлению микроскопическими чёрными дырами будут продолжены. Но говорить об этой малоизученной области науки и техники пока довольно сложно.

Достоверно понятно только, что необходимо поддерживать массу коллапсара, компенсируя хокингово излучение, и обеспечивать чд электрическим зарядом, чтобы иметь возможность управления ею негравитационными эффектами.

Формирование же чёрных колец требует управления одновременно несколькими микрочд, т.к. чёрное кольцо можно представить как конструкцию из нескольких - минимум трёх - сферических микрочд, вращающихся с большой скоростью вокруг общего центра масс и соприкасающихся горизонтами событий. Такие конфигурации сейчас исследуются[11, fig.2].

ХДХ-привод

ХДХ-привод выглядит физически довольно простым, но технически возникают следующие проблемы:

-- Формирование магнитного поля большой величины (десятки Тесла) требует пропускания большого тока.

-- Разгон массивного кольца до частоты вращения не менее 10000 Гц и поддержание этой частоты вращения.

Формирующиеся катушкой индуктивности магнитные поля требуют, во-первых, большого проходящего тока, который нагревает кольцо пропорционально его сопротивлению, во-вторых, сила Ампера стремится разорвать кольцо.

Решением проблемы нагрева, очевидно, является использование сверхпроводников в катушке.

Решением же проблемы генерации тока и поля, возможно, будет использование технологии лазерной ЭДС, в которой лазерным импульсом, освещающим один торец разомкнутого проводника катушки, создаётся мощный, но кратковременный импульс тока. При этом к тому же не возникает ЭДС самоиндукции из-за разомкнутости проводника.

Рис.8 Лазерная ЭДС[12]

Проблема же раскрутки кольца разделяется на проблему поддержания целостности кольца на больших скоростях вращения, и на проблему достижения такой скорости вращения.

Проблема целостности заключается в прочности материалов на разрыв. По приблизительным расчетам алмаз способен выдержать скорость вращения десятиметрового кольца в 1/3 с, что соответствует частоте вращения в 3 миллиона оборотов в секунду - что превышает заявленные в статье Дрешера и Хейзера 100000 Гц, но ненамного.

Сам по себе разгон до такой частоты вращения технически нетривиален. Необходимо использовать электромагнитные ускорители, аналогичные используемым в коллайдерах, магнитный подвес кольца в вакууме для уменьшения трения, диаметральные растяжки для уменьшения растягивающих напряжений на материал кольца, и другое.

Философские перспективы

Давайте предположим, что может дать практическое применение вышеописанных способов ССД.

В качестве предварительного вывода:

"Цивилизаций, использующих эффект массы, в Галактике значительно больше, чем освоивших гравитационные технологии".

Наиболее простой технологией выглядит конечно же ХДХ-привод. Он требует решения ряда сложных технических задач, но на текущий момент выглядит просто-напросто реализуемым по сравнению с любой гравитикой при сравнимой эффективности в качестве ССД.

В практике ХДХ-привода, если он окажется действительно работоспособным, есть отдельные моменты, которые фактически реализуют три варианта привода в случае их верности или неверности.

Эти моменты таковы:

-- Параллельное пространство существует и работа ХДХ-привода в режиме уменьшения массы переносит объект в парапространство.

-- Параллельное пространство не существует и работа ХДХ-привода в режиме уменьшения массы не переносит объект в парапространство.

-- Работа ХДХ-привода в режиме уменьшения массы не является безопасной для макрообъектов, как в первых двух вариантах.

Первый вариант описан в статье[5]. Варп-двигатель для полётов на досветовых скоростях в асимметричном режиме и переход в парапространство при включении симметричного режима привода.

Второй вариант приводит к реализации т.н. генератора эффекта массы и варп-привода, также описанных в статье. Т.е. симметричный режим позволяет уменьшить массу корабля, но ни о каких парапространствах речи не идёт.

Варп-двигатель в этих вариантах может быть именно двигателем, может быть устройством типа варп-врат, а может быть генератором тягового луча.

В третьем же варианте применение ХДХ-привода к макрообьектам применимо только в качестве оружия. Но в качестве ускорителя частиц рабочего тела обычных двигателей он остаётся применим и в этом случае. Но о сверхсветовых полётах в этом варианте говорить не приходиться.

Варианты, в которых теория ХДХ-привода является ошибочной качественно или количественно, до экспериментального доказательства верности или ошибочности теории опустим.

Как показывает расчёт Дрешера и Хейзера, ХДХ-привод становится эффективным при вложении мощностей порядка мегаватт-гигаватт.

Гравитехнологии же требуют энергий значительно больших. Формирование микроскопических чд, способных просуществовать хотя бы секунду без непрерывной подпитки, требует энергий не менее, чем порядка 10^19 Джоулей или сотен мегатонн ТЭ. Точность оперирования такими энергиями на фемтомасштабах стоит обсчитывать отдельно, но пока, с учётом работы LHC и статистических методов получения столкновений нужного типа, можно говорить, что общие затраты будут больше минимум в разы. Разгон же микрочд до субсветовых скоростей, например, 0,99с тоже требует значительных энергий - для односекундной ЧД массой около 200 кг это потребует не менее 10^20 джоулей. Итого суммарные затраты на получение и разгон одной односекундной ЧД составят около 10^20 Дж.

То есть гравитехнологии требуют энергий, которые уже не может обеспечить цивилизация 0-го и I-го уровня по Кардашеву, в отличие от ХДХ-привода.

Но при этом гравитехнологии дают не только ССД. Мгновенная связь при помощи червоточин. Магнитные монополи - червоточины с движущимися в горловине заряженными частицами. Сингулярные реакторы и сингулярные вычислители - с использованием микрочд и их хокингова излучения. Возможность формирования подпространств и пространственных карманов с использованием чёрных колец. И для всего этого необходима энергетика цивилизации второго типа, освоившей значительную часть энергии своей звезды.

Именно поэтому предварительный вывод сформулирован таким образом.

Список литературы

1 Гуц А.К. Космический корабль, разрушающий пространство? - "Техника-молодежи" 1983 N11, с.14-16

2 Morris M., Thorne K., Yurtsever U. Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition // Physical Review Letters. -- 1988. -- Vol. 61, No. 13. -- P. 1446-1449. -- Bibcode: 1988PhRvL..61.1446M.

3 Alcubierre, Miguel (1994). "The warp drive: hyper-fast travel within general relativity". Classical and Quantum Gravity 11 (5): L73-L77.

4 On the Quantum Stability of the Time Machine (англ.) // Phys.Rev.. -- 1996. -- Vol. D54. -- P. 7322-7327

5 http://www.hpcc-space.de/publications/documents/aiaa2004-3700-a4.pdf

6 https://arxiv.org/abs/hep-th/9810221v2

7 Захаров Г.В. Гравитомагнитная генерация отрицательной массы. // https://yadi.sk/i/bnvakoBsx25tM

8 Chris Van Den Broeck. A `warp drive' with more reasonable total energy requirements. //Class. Quantum Grav. 16 - 1999. - pp. 3973-3979

9 S. Krasnikov. The quantum inequalities do not forbid spacetime shortcuts. //Phys. Rev. D 67 - 2003.

10 http://heim-theory.com/

11 https://arxiv.org/abs/1512.04532

12 М. Пищулин. Основы фотонного ракетного двигателя. "Двигатель", N 3(58) 2008, стр. 46 - http://engine.aviaport.ru/issues/57/page46.html

Захаров Г.В., Талин: другие произведения.

Сверхсвет - что и как

Комментарии: 982, последний от 13/09/2023. © Copyright Захаров Г.В., Талин (mlsv@rambler.ru) Размещен: 30/11/2017, изменен: 04/01/2018. 26k. Статистика. Статья: Естествознание Иллюстрации/приложения: 8 шт. Скачать FB2		Оценка: *6.207** Ваша оценка:
Аннотация: Итак, статья о сверхсветовом движении и как хотя бы в теории его достичь. 5.01.18, 3.17.