Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика невозможного
.pdf
БЫСТРЕЕ СВЕТА
навтов, которые попытаются в этот момент достичь другого
ее конца. Этого достаточно, чтобы сделать мгновенное перемещение через кротовые норы невозможным . Но можно предположить, что сила отталкивания, присущая отрицательной
энергии или отрицательному веществу , сможет удержать
трубку открытой на достаточный промежуток времени , чтобы
астронавты успели миновать опасную зону. Другими словами,
отрицательное вещество или отрицательная энергия совершенно необходимы и для двигателя Алькубьерре , и для схемы
с использованием кротовых нор.
За последние несколько лет было обнаружено поразительное число точных решений уравнений Эйнштейна , допускающих существование кротовых нор . Но существуют ли они на
самом деле? Или, может быть, это просто математическая фантазия? Кроме того, с кротовыми норами связано несколько серьезных проблем .
Во-первых, для создания сильных искажений пространства-времени , необходимых для путешествия через кротовые
норы , потребуется неслыханное количество положительного
и отрицательного вещества — порядка громадной звезды или
черной дыры . По оценке Мэтью Виссера , физика из Вашингтонского университета, для создания кротовой норы диаметром 1 м
необходимо столько отрицательной энергии , что ее количество
можно сравнить с массой Юпитера — и при этом она должна
быть отрицательной! Виссер говорит: «Для этой работы потребуется примерно минус одна масса Юпитера. А управлять даже
положительной энергией , сравнимой с массой Юпитера, мягко
говоря, непросто и выходит далеко за рамки наших возможностей в представимом будущем ».
Кип Торн из Калифорнийского технологического института рассуждает так: «Похоже, что законы физики действительно разрешают существование экзотического вещества в количестве, достаточном для удержания в стабильном состоянии
кротовой норы размером с человека. Но тут же выясняется, что
291
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
технология строительства кротовых нор и удержания их в открытом состоянии для нас непредставима и находится далеко
за пределами возможностей человеческой цивилизации ».
Во-вторых, мы не знаем, насколько стабильными окажутся
эти кротовые норы . Кроме того, излучение, которое будет в них
генерироваться, может оказаться убийственным для любого,
кто проникнет внутрь. А может быть, кротовые норы вообще
будут нестабильны и станут схлопываться , стоит кому-нибудь
или чему-нибудь попасть внутрь.
В-третьих, лучи света при проникновении в черную дыру
будут испытывать синее смещение; это означает, что, подходя к горизонту событий , они будут приобретать все б льшую
и б льшую энергию . Более того, на самом горизонте событий
свет теоретически должен испытывать бесконечное голубое
смещение и обладать бесконечной энергией, поэтому входящее излучение в черной дыре может оказаться смертельным
для экипажа корабля.
Давайте обсудим эти проблемы немного подробнее. Первая проблема — накопить и собрать в одной точке достаточно
энергии , чтобы разорвать ткань пространства-времени . Простейший способ добиться этого — сжать объект так, чтобы он
стал меньше собственного горизонта событий . К примеру, для
Солнца это означало бы сжать его до диаметра примерно в 3 км,
после чего Солнце уже само коллапсирует и превратится в черную дыру . (Собственное тяготение Солнца слишком слабо, чтобы естественным путем сжать его до такого диаметра, поэтому
наше светило никогда не станет черной дырой. В принципе это
означает, что любое тело, даже ваше, способно превратиться
в черную дыру, если его как следует сжать. Для человеческого
тела это означало бы сжать все его атомы до размера, меньшего, чем субатомные расстояния, — эта операция лежит далеко
за пределами возможностей современной науки.)
Чуть более практичный подход — взять батарею лазеров ,
собрать лучи и направить полученный мощный луч в опреде-
292
БЫСТРЕЕ СВЕТА
ленную точку. Или построить гигантский ускоритель, разогнать в нем два пучка, которые затем столкнутся с выделением
фантастического количества энергии , достаточного для создания крошечного разрыва пространства-времени .
Планковская энергия и ускорители частиц
Можно заранее рассчитать энергию , необходимую для создания нестабильности пространства-времени : по порядку величины она соответствует планковской энергии , составляющей
1019 МэВ. Это поистине невообразимо большая величина; она
в квадри ллион раз превосходит величины энергий, достижимых
на самом мощном современном ускорителе — Большом адронном коллайдере (БАК, LHC), построенном в Швейцарии возле
Женевы. Этот коллайдер способен разгонять в большом «бублике» протоны до энергий в триллионы электронвольт, которых не
бывало с момента Большого взрыва . Но даже этой чудовищной
машине далеко до создания частиц с энергиями, которые хотя
бы отдаленно приближались к планковской энергии.
Следующим после Большого адронного коллайдера ускорителем станет Международный линейный коллайдер (МЛК,
ILC). Вместо того чтобы гонять элементарные частицы по кругу, линейный коллайдер будет выстреливать и разгонять их на
прямой, пока они не достигнут невообразимо высоких энергий.
После этого поток электронов предполагается столкнуть с позитронами, создавая таким образом громадный выброс энергии .
Длина МЛК составит 30–40 км и в десять раз превзойдет длину Стэнфордского линейного ускорителя , который на данный
момент является крупнейшим в мире. Если все пойдет хорошо,
МЛК будет сооружен где-нибудь в следующем десятилетии.
Предполагается, что МЛК будет выдавать энергии от 0,5
до 1,0 ТэВ. Это меньше, чем 14 ТэВ, которые можно получить
на БАК, но такое впечатление обманчиво. В БАК сталкиваются
протоны, а значит, реально в столкновении участвуют кварки,
293
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
из которых состоит протон. В каждом индивидуальном столкновении кварков задействовано значительно меньше 14 ТэВ.
Поэтому на МЛК можно будет получить большие энергии столкновения, нежели на БАК. Кроме того, поскольку у электрона нет
известных составных частей, динамика столкновения между
электроном и позитроном значительно проще и «чище».
Честно говоря, и МЛК будет очень далеко до энергий
того уровня, который необходим, чтобы проделать дыру в
пространстве-времени . Для этого потребовался бы в квадриллион раз более мощный ускоритель. Для нашей цивилизации —
цивилизации нулевого типа, использующей в качестве топлива
остатки растений (т. е. нефть и уголь), — эта технология совершенно недостижима. Но цивилизация III типа, возможно, сумеет
овладеть ею.
Вспомним, что цивилизация III типа является галактической по использованию энергии и потребляет ее в 10 млрд раз
больше, чем цивилизация II типа, источником энергии которой служит одна-единственная звезда. А цивилизация II типа,
в свою очередь, потребляет в 10 млрд раз больше энергии, чем
цивилизация I типа, использующая лишь энергию собственной
планеты . А ведь уже через 100–200 лет наша слабенькая цивилизация должна достигнуть статуса цивилизации I типа.
Имея в виду наши перспективы, следует сделать вывод, что
в настоящий момент мы находимся в самом начале длинногодлинного пути к получению планковской энергии . Многие
физики считают, что на чрезвычайно малых расстояниях —
порядка планковской длины, которая составляет 10
–33
см, —
пространство не пусто и не однородно, но «пенится»; оно
наполнено крошечными пузырьками, которые постоянно возникают и сталкиваются с другими такими же пузырьками, а затем снова пропадают в вакууме. Пузырьки, которые возникают
и пропадают в вакууме, — это «виртуальные вселенные »; они
очень напоминают пары виртуальных частиц — электронов и
позитронов, которые возникают и тут же аннигилируют.
294
БЫСТРЕЕ СВЕТА
В обычных обстоятельствах эта квантовая пространственно-временная «пена» совершенно незаметна нам. Пузырьки формируются на таких крошечных расстояниях, что мы не в
состоянии их увидеть. Но квантовая физика считает, что если
сконцентрировать в одной точке достаточно энергии , вплоть
до планковской энергии , то эти пузырьки могут увеличиться.
Тогда мы увидим, как пространство-время пенится крошечными пузырьками, и каждый такой пузырек — кротовая нора, соединяющая наш мир с готовой родиться дочерней вселенной.
В прошлом дочерние вселенные считались интеллектуальной забавой, причудливым следствием чистой математики.
Но теперь физики всерьез считают, что когда-то наша Вселенная , вполне возможно, тоже начинала как одна из них.
Такой вывод основан на чистых и пока довольно произвольных рассуждениях, но законы физики позволяют открыть
дыру в пространстве путем концентрации в одной точке достаточного количества энергии ; энергия позволяет нам добраться
до пространственно-временной пены, из которой возникают
кротовые норы , соединяющие нашу вселенную с другой, дочерней вселенной.
Создание дыры в пространстве потребует, разумеется, технологии совершенно иного уровня, чем наша, но в то же время цивилизации III типа этот уровень вполне может оказаться доступен. К примеру, имеется такая штука под названием
«настольный струйный плазменный ускоритель »; в последнее
время в этом направлении получены многообещающие результаты. Несмотря на крошечные размеры — а этот ускоритель
действительно может поместиться на столе, — прибор способен генерировать энергии в миллиарды электронвольт. Принцип работы струйного ускорителя состоит в том, что лазерный
луч направляют на заряженные частицы , которые затем разгоняются за счет энергии лазера . Эксперименты, проведенные в
научном центре Стэнфордского линейного ускорителя , в Лаборатории Резерфорда –Эпплтона в Англии и в парижской Поли-
295
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
технической школе показывают, что использование лазерного
луча и плазмы в качестве источника энергии позволяет разгонять частицы на достаточно небольшом расстоянии до чрезвычайно высоких энергий.
Еще одно чрезвычайно важное открытие было сделано
в 2007 г. Физики и инженеры научного центра Стэнфордского линейного ускорителя , Университета Калифорнии в ЛосАнджелесе и Университета Южной Калифорнии продемонстрировали, что энергию громадного ускорителя частиц можно
удвоить на протяжении всего 1 м. Они начали с пучка электронов, который разгоняется в двухмильной трубе Стэнфордского
ускорителя до энергии в 42 МэВ. Затем эти электроны, и без
того обладающие высокой энергией, пропускают через плазменную «форсажную камеру» длиной всего лишь 88 см; в ней
электроны набирают еще по 42 ГэВ, удваивая таким образом
свою энергию. (Эта плазменная камера заполнена газообразным литием. Электроны, проходя через газ , порождают плазменную волну и, как следствие этого, попутную струю. Этот
поток, в свою очередь, как бы подхватывает следующие электроны пучка и толкает их вперед, придавая дополнительное
ускорение.) Это поразительное достижение — ведь физикам
удалось в 3000 раз превзойти предыдущий рекорд по количеству энергии, которое можно передать электронному пучку за
1 м. Если добавить такие плазменные «дожигатели» к уже существующим ускорителям, можно в принципе почти даром удваивать энергию получаемых частиц.
На сегодняшний день мировой рекорд для настольного
струйного ускорителя составляет 200 ГэВ/м. Увеличение длины такого ускорителя пока представляется проблематичным —
слишком много возникает проблем (таких, как поддержание
стабильности пучка при разгоне его лазерным лучом ). Но если
предположить, что мы научимся все же произвольно увеличивать длину такого ускорителя с сохранением уровня энергии 200 ГэВ/м, то в этом случае длина ускорителя, способного
296
БЫСТРЕЕ СВЕТА
разогнать частицы до планковской энергии , должна будет составить десять световых лет. Это вполне по силам цивилизации
III типа.
По всей видимости, кротовые норы и растянутое пространство — самые реальные способы преодолеть световой барьер.
Пока неясно, стабильны ли эти технологии; но даже если они
стабильны, нам потребовалось бы сказочное количество энергии — положительной или отрицательной, — чтобы заставить
их реально работать.
Может быть, уже сейчас какая-нибудь цивилизация III типа
обладает подобными технологиями. Но пройдут, возможно, тысячи лет, прежде чем человечество сможет хотя бы всерьез задуматься о том, чтобы обуздать подобную мощь. Кроме того,
еще разрешены не все противоречия в отношении законов, которыми управляется пространство-время на квантовом уровне.
Учитывая все вышесказанное, я отнес бы преодоление светового
барьера ко II классу невозможности .
12. ПУТЕШЕСТВИЯ ВО ВРЕМЕНИ
Если путешествия во времени возможны, то где же туристы из будущего ?
Стивен Хокинг
— [Путешествия во времени ] противоречат здравому смыслу, — произнес Филби.
— Какому смыслу? — переспросил путешественник во времени.
Герберт Уэллс
В романе «Уравнение Януса» писатель Стивен Спрюлл исследует
одну из душераздирающих личностных проблем, связанных с путешествиями во времени . В центре сюжета книги блестящий математик, поставивший себе целью разгадать тайну путешествий
во времени . Он встречает необычную красавицу, они становятся
любовниками, — но при этом он ничего не знает о ее прошлом.
Мучимый любопытством, он пытается узнать, кто же такая его
таинственная возлюбленная. Постепенно выясняется, что когдато она изменила свою внешность при помощи пластической операции. И изменила пол, также при помощи операции. В конце
концов оказывается, что на самом деле «она» — путешественник во времени, прибывший из будущего ; мало того, на самом
деле «она» — это он сам, только из будущего. Получается, что
он занимался любовью сам с собой. Остается только гадать, что
произошло бы, появись у них ребенок? И если бы этот ребенок
отправился назад, в прошлое, вырос бы там и стал математиком
(тем самым, который фигурировал в начале истории)? Можно ли
быть самому себе и матерью, и отцом, и сыном, и дочерью?
298
ПУТЕШЕСТВИЯ ВО ВРЕМЕНИ
Как изменить прошлое
Время — одна из величайших загадок Вселенной . Река времени уносит нас всех без исключения, независимо от нашего желания и даже против воли. Еще в 400 г. н. э. Блаженный
Августин много писал о парадоксальной природе времени:
«А как могут быть эти два времени, прошлое и будущее , когда прошлого уже нет, а будущего еще нет? И если бы настоящее всегда оставалось настоящим и не уходило в прошлое,
то это было бы уже не время, а вечность». Если продолжить
логически мысль Августина, получится, что время вообще невозможно, потому что прошлое уже ушло, будущее не существует, а настоящее существует лишь мгновение. (После этих
рассуждений Блаженный Августин задается глубокими теологическими вопросами о том, как время влияет на Бога, — вопросами, которые не потеряли смысл и сегодня. Если Господь
всезнающ и всемогущ, писал Блаженный Августин, то связан
ли Он течением времени? Другими словами, приходится ли
Богу спешить, опаздывая на важную встречу, как делаем мы,
смертные? Сам Августин делает такой вывод: Господь всемогущ и потому не может быть ограничен чем бы то ни было, в
том числе и течением времени; следовательно, он должен существовать «вне времени». Хотя на первый взгляд концепция
существования вне времени представляется абсурдной, это
одна из тех идей, которые, как мы еще убедимся, снова и снова возникают в современной физике .)
Подобно Блаженному Августину, каждый из нас в какойто момент задумывался о странной и загадочной природе времени и о том, как сильно время отличается от пространства.
Если в пространстве мы можем без труда двигаться в любом
направлении, то почему во времени все иначе? Каждый из нас
задумывался и о том, что ждет человечество после нас. Век отдельного человека ограничен, но всем нам ужасно интересно
все, что произойдет в будущем , после нас.
299
ФИЗИКА НЕВОЗМОЖНОГО
Желание человека путешествовать во времени родилось ,
вероятно, одновременно с самим человеком, но первая записанная история о путешествии во времени — «Мемуары о двадцатом столетии» — принадлежит перу Сэмьюела Мэддена и
относится к 1733 г. В ней рассказывается об ангеле из 1997 г.,
который перенесся на 250 лет назад, чтобы передать британскому послу документы с описанием мира будущего .
Позже таких историй появилось множество. В 1838 г. вышло произведение анонимного автора «В ожидании дилижанса:
анахронизм»; его герой, ожидая дилижанса, неожиданно переносится на тысячу лет в прошлое. Он встречает монаха древнего монастыря и пытается рассказать ему, как будет развиваться
история в следующую тысячу лет. Через некоторое время он
столь же неожиданно переносится обратно в настоящее; единственный результат — его дилижанс уже ушел.
Путешествия во времени можно обнаружить в самых неожиданных произведениях — как, например, в романе Чарльза
Диккенса «Рождественская история», написанном в 1843 г.; героя романа, Эбенезера Скруджа , переносят в прошлое и будущее и показывают мир, каким он был прежде и каким будет
после его смерти.
В американской литературе путешествия во времени
впервые появляются у Марка Твена в романе 1889 г. «Янки из
Коннектикута при дворе короля Артура». Янки XIX в. переносится назад во времени и оказывается при дворе короля Артура
в 528 г. от Рождества Христова. Его берут в плен и собираются
сжечь на костре, но находчивый янки объявляет, что обладает
властью погасить солнце, ведь он знает, что в этот самый день
должно состояться солнечное затмение. Когда луна закрывает
собой солнце, толпа приходит в ужас; янки отпускают и осыпают милостями, лишь бы он вернул им солнечный свет .
Но первой серьезной попыткой исследовать путешествия
во времени в художественной литературе стал классический
роман Герберта Уэллса «Машина времени »; в нем герой от-
300
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]