Норы в пространстве и знергия из ничего…

В Льюисовском исследовательском центре американского космического агентства НАСА неподалеку от международного аэропорта города Кливленда работает инженер Марк Миллис. Ничего выдающегося в своей жизни он еще не совершил, поэтому офис делит с двумя своими коллегами. Самое интересное — это его хобби: изготовление моделей летательных аппаратов из подручных средств. Причем влекут его не прошлые и настоящие самолеты, а фантастические «птицы» будущего. Над его рабочим столом покачивается космический корабль пришельцев из XXXI века, сделанный из чайных ложечек, скрепок и кое-какой рождественской мишуры. А вот космолет для путешествия на Марс в 2060 году изготовлен из йогуртовых баночек.

До 1996 года творениями Миллиса интересовались только издатели американского журнала по моделированию. Но тогда руководство НАСА поручило ему разработать программу поисков совершенно новых методов космического ускорения. Цель ее — перейти к межзвездным перелетам. Страничка Миллиса в Интернете открывается интригующим заголовком: «Нуль транспортировка… Когда?»

И эти слова — не пустые фантазии модельера-любителя. Уже есть физики-теоретики, вплотную занимающиеся подобными проблемами. Мигель Алькубиерре недавно опубликовал статью, где показал, что искривление пространства и путешествие через него со скоростью выше скорости света вполне возможно в рамках современной общей теории относительности. А Кип Торн из Калифорнийского технологического института давно разрабатывает идею туннелей или норок сквозь пространство-время. Параллельно во многих лабораториях по всему миру идут исследования свойств вакуума и обдумываются пути извлечения из него энергии.

Три года назад Миллис собрал всех поклонников подобных фантазий на первый семинар новых методов ускорения. Четырнадцать уважаемых американских физиков и инженеров подготовили для него свои доклады. Среди них были известные теоретики Аркадий Хейфец и Раймонд Чао и популярные журналисты и фантасты Роберт Форвард и Фрэнк Типлер. Лоуренс Краус и Питер Миллиони из Лос-Аламоса резко возражали против нечеткости целей семинара и требовали ограничить его тематику более конкретными задачами, но так или иначе первый шаг был сделан. Годом позже в городе Хантсвилле штата Алабама прошел второй семинар на тему «Физика для третьего тысячелетия», и в нем уже приняли участие около сотни энтузиастов.

Пусть противники подобных фантастических идей протестуют, но приятно сознавать, что есть еще среди рода человеческого горячие головы, рвущиеся к другим звездам. Давно пора этой тематике перекочевывать со страниц фантастических сборников в рабочие журналы лабораторий. Проблема особенно обострилась в последние годы, когда поразительные космические успехи НАСА (благодаря телескопу Хаббла и космическим зондам к Юпитеру и Марсу) невероятно расширили наши знания о Вселенной.

Чем больше мы узнаем о наших ближайших соседях, тем более удивительные картины нам открываются. Похоже, что вторая по близости к Солнцу звезда Барнарда имеет собственную планетарную систему — как минимум две планеты размером с пол-Юпитера. При этом по космическим масштабам звезда совсем рядышком с нами — всего-навсего шесть световых лет. Ну а по земным?…

Если построить космический корабль, в пятьдесят раз более быстроходный, чем самый быстрый из тех, что бороздили космические просторы (семидесяти тысяч километров в час достиг американский зонд «Вояджер», покидая Солнечную систему), то до звезды Барнарда он долетит за две с лишним тысячи лет. Долго…

Вопросы, которые задавал Саган

В своей книге «Черные дыры и искривление времени» блестящий физик-теоретик Кип Торн вспоминает вопросы, которые они обсуждали с астрономом Карлом Саганом, когда тот писал новеллу «Контакт» о путешествии к созвездию Веги. Саган тогда любил рассуждать на тему, какие вещи законы физики позволяют делать бесконечно развитой цивилизации, а какие запрещают? Под «бесконечно развитой» имеется в виду цивилизация, для которой достижимы любые количества энергии и любые изобретения.

Вообще-то ученые не любят обсуждать подобные темы, боясь показаться смешными своим коллегам. Но втайне многие с удовольствием размышляют о них. Именно такие доклады и бывают представлены на семинарах Миллиса. То, чему категорически закрыт доступ на страницы научных журналов и отчетов, здесь выплескивается безудержной игрой фантазии.

Пятьдесят лет назад в лаборатории Белла был изобретен транзистор. Благодаря этому крошечному всемогущему устройству мы сегодня говорим по сотовым телефонам и носим в портфелях компьютеры, которые должны были бы занимать дома и даже целые кварталы. Миллис с коллегами пытаются устроить такую же революцию в методах ускорения. Вот три цели, сформулированные ими в надежде добраться до звезд.

Первая — найти способ летать и не тащить с собой огромное количество горючего. Это означает, что необходимо открыть принципиально новые пути движения, возможно, манипулируя самим пространством-временем. Вторая — двигаться с максимальной скоростью, то есть со скоростью света или даже выше. Третья — отыскать новые методы выработки энергии, чтобы достичь мощностей, способных решить две первые задачи. Все три пункта выглядят абсолютно нереальными, причем второй — наиболее нереальным из всех трех.

Вперед и вверх сквозь законы

Триста тысяч километров в секунду — весь прошедший век скорость света была Святым Граалем космических кораблей научной фантастики. Можно было достичь любых высот социального устройства и технической мысли, но не скорости света. Это категорически запрещает теория Эйнштейна. Великий теоретик понял в начале века, что скорость света всегда и везде постоянна. И как только мы начинаем приближаться к ней, время начинает замедляться, а пространство — менять свои свойства. Можно считать подобный запрет несправедливостью, но если мы кладем теорию Эйнштейна в основу нашего мировоззрения, от него никуда не деться. Это закон, общий для всей Вселенной; даже в самых дальних ее уголках, доступных нашему взору, он выполняется.

Подтверждаются и предсказания Эйнштейна о том, что с ростом скорости тела увеличивается его масса. Это проверено на ускорителях элементарных частиц. Итак, если предположить, что вам удалось достигнуть скорости света, то ваше время остановится, а масса станет бесконечной.

Но так было бы в том случае, если бы существовала только специальная теория относительности Эйнштейна. Однако он создал еще и общую теорию относительности, которая описывает саму геометрию пространства-времени. Не так давно теоретики обнаружили, что в этом самом пространстве-времени могут возникать некие норки или дырки, через которые вполне может пробраться небольшой космический корабль.

До сих пор наука изучала, как искривляется пространство-время вблизи больших масс, — это, так сказать, пассивная позиция. А Миллис с коллегами — сторонники активности, они планируют искривлять пространство-время по своему желанию. Например, доклад Мигеля Алькубиерре на семинаре был озаглавлен так: «Искривление пространства и сверхбыстрые путешествия с точки зрения общей теории относительности». Кстати, в хорошо известном американском сериале «Star Trek», когда искривитель пространства принимал значение «8», скорость космического корабля превышала скорость света в тысячу раз.

Алькубиерре решил тщательно изучить вопрос: разрешает ли общая теория относительности движение со сверхсветовыми скоростями в принципе? В его статье космический корабль передвигается, сжимая пространство перед собой и расширяя его позади.

Второй способ движения — через дыры в пространстве-времени. Давно было известно, что подобные флуктуации могут возникать на очень короткое время. А вот Кип Торн и Майкл Моррис показали, что подобные туннели можно поддерживать открытыми довольно долгое время. Это делается при помощи покрытия поверхности туннеля неким экзотическим материалом с отрицательной плотностью энергии. Гравитационные силы будут стремиться разрушить туннель, схлопнуть его, а покрытие будет расталкивать стенки и удерживать от коллапса. К сожалению, пока нет даже намека на то, что представляет собой это вещество с отрицательной энергией.

Астроном из американского университета в Сент-Луисе Мэтт Виссер считает, что размеры подобных туннелей на двадцать пять порядков меньше размера атома, поэтому через них в принципе ничего нельзя будет переслать. По его расчетам, для создания дыры диаметром в метр необходима отрицательная масса Юпитера. И эту массу надо будет ровным слоем размазать по туннелю, тогда лишь удастся удержать его от схлопывания.

Таким образом, принципиальная возможность есть, но до ее реализации бесконечно далеко. Лоуренс Краус назвал подобный метод перемещения «наиболее неэффективным способом путешествовать» как раз из-за невероятно дорогой платы. А теоретик Хал Путхоф считает, что надо лишь найти бесконечный источник энергии: по его мнению, таким неисчерпаемым ресурсом должен стать вакуум.

Давно известно, что космический вакуум полон квантовых флуктуаций, виртуальных частиц, рождающихся на короткие мгновения и тут же уходящих в небытие. Ричард Фейнман называл их «нулевые колебания» и как-то подметил, что в одной чашке вакуума содержится достаточно энергии, чтобы вскипятить все земные океаны.

Так вот, основатель и директор Института перспективных исследований в американском городе Остин Хал Путхоф полагает, что это именно так: «Я уверен, что следующий, XXI век будет эпохой вакуумной энергии». Мало того, по прикидкам Путхофа, вакуум ответствен за такое явление, как инерция. Если это так, то на инерцию можно воздействовать и даже использовать ее в своих целях.

Одно из наиболее ярких проявлений нулевых квантовых колебаний вакуума — это эффект Казимира, предсказанный в 1948 году голландским физиком. По его расчетам оказалось, что между очень гладкими и близко сдвинутыми пластинами давление рождающихся пар виртуальных частиц чуть меньше, чем снаружи, по той причине, что некоторые из пар просто не могут родиться внутри — им не хватает места. Разница эта столь микроскопическая, что измерить ее удалось лишь в 1996 году французу Стиву Ламоро. «Нью-Йорк таймс» сообщила об открытии в статье с эффектным заголовком: «Физики подтвердили, что в «ничто» есть энергия».

Таким образом, дебаты на тему «Есть или нет энергия в вакууме» прекратились после веского экспериментального аргумента. Вопрос теперь в том, сколько ее там и как извлечь ее оттуда? Путхоф считает, что очень много, а известный астрофизик Лоуренс Краус думает, что ничтожно мало. Аргументы последнего очень просты: если в вакууме бездна энергии, то, по теории Эйнштейна, она эквивалентна массе, а масса должна искривлять пространство. Значит, пространство вокруг нас должно быть искривлено так, что мы не увидели бы собственного носа. Путхоф возражает, что далеко не любая энергия искривляет пространство.

В общем, споры не утихают, а энтузиасты тем временем еженедельно присылают Путхофу проекты изобретений, тем или иным способом извлекающих энергию из вакуума. Огромную часть своего времени он тратит на тщательную проверку этих проектов. Пока ни один не выдержал его критики. Интересно, что занимаются поисками не только любители, но и известные ученые. Даже знаменитый писатель-фантаст Артур Кларк вложил пятьдесят тысяч долларов в работу над изобретением подобного прибора и надеется со дня на день получить результат.

Изгибы мысли

Новая работа Марка Миллиса включает в себя несколько аспектов. Он собирает семинары, координирует направления исследований, но кроме того, ему приходится постоянно убеждать окружающих, что все его коллеги — люди нормальные. Перед обращением к экспертам-двигателестроителям Миллис долго собирался с духом, готовясь выслушивать смех и укоры, но неожиданно встретил понимание и готовность к сотрудничеству. Только физики продолжают упорно не принимать тематику работы группы Миллиса всерьез. Лидер оппозиции — Лоуренс Краус, глава физического факультета Западного университета. Его главный аргумент состоит в том, что пока все расчеты дают совершенно безумные значения энергии, необходимые для малейшего искривления пространства, — в десятки миллиардов раз больше массы видимой Вселенной. По его мнению, можно проводить семинары на эту тему, но не более.

«Искривление пространства — это дело не следующего века, не двадцать второго и скорее всего не двадцать третьего. Миллис неплохой инженер, в голову ему пришла хорошая идея. Ее обсудили, просчитали и поняли, что практическая реализация пока абсолютно нереальна. Смысла разрабатывать ее дальше нет. Нельзя забывать и о других, гораздо более реалистичных разработках: ядерные электрические движители, плазменные, лазерные проекты космических парусников — все это тоже заслуживает внимания, и, по-моему, гораздо больше, чем фантазии Миллиса, — говорит Краус. — Планы создания космических парусников требуют, чтобы размеры паруса были не менее четверти площади штата Техас. Неощутимое давление Солнца будет разгонять такой корабль до огромной скорости. Звучит совершенно фантастично, но гораздо более реально, чем искривление пространства. На мой взгляд, сегодня нет никаких реальных возможностей для межзвездных перелетов. Надо быть морально готовым к тому, что такие путешествия будут длиться очень и очень долго, и тем не менее отправляться в них. Когда Христофор Колумб плыл на поиски Индии, он не представлял, когда вернется…»

Что общего у физики и бейсбола?

Несколько лет назад у молодых жителей Нью-Йорка появился забавный лозунг: «Любой момент — это прекрасный момент». Так же и в науке. Никто не знает, что ждет нас в самом ближайшем будущем — скучные будни или открытие транзистора. В этом плане по непредсказуемости науку можно сравнить с бейсболом, где развитие игры полностью зависит от того, куда отскочит мяч. Конечно, когда ставишь вопросы типа сагановских, нельзя ждать на них немедленных ответов, но то, что они будят активность научной мысли, несомненно.

В то же время наука зиждется на консенсусе. Любая статья может быть принята к публикации в научном журнале только после одобрения несколькими рецензентами. Через это сито разумности невероятно трудно бывает прорваться революционным открытиям. Тем не менее некоторым счастливчикам это удается сделать. Раймонд Чао из университета в Беркли (Калифорния) недавно поставил эксперимент, в котором одиночные фотоны достигали скорости, в 1,7 раза превышающей скорость света. Явление это называется квантовым туннелированием, оно давно было предсказано, а Чао наблюдал его одним из первых. К сожалению (а может, и к счастью), использовать это явление для того, чтобы пересылать информацию быстрее света, не удастся, поскольку невозможно управлять туннелированием — это случайный процесс.

Чао согласен с Краусом, что программа НАСА по новым методам ускорения преждевременна и оторвана от реальной действительности, но по сверхсветовым скоростям их мнения расходятся: Чао считает, что ни на что нельзя вешать ярлык «невозможно». Эрнест Резерфорд, к примеру, считал совершенно невозможным извлечение энергии из атомного ядра.

Миллис же с вежливым вниманием слушает диспуты о своей тематике и продолжает активно работать. По его мнению, в данный момент есть три главные задачи. Попытаться повторить эксперимент Чао с электронами, чтобы научиться туннелировать уже материю на сверхсветовых скоростях. Попытаться создать, хоть и микроскопический, туннель через пространство в лаборатории. Попытаться извлечь энергию из вакуума. Или же получить весомое доказательство того, что все это невозможно.

«Найдется не много желающих тратить свои время, силы, средства, карьеру на исследование таких безнадежных задач. Надо быть большим энтузиастом и обладать полностью непредвзятым мнением. К счастью, такие люди пока еще есть» — говорит Миллис с печальной улыбкой.

Пожелаем же ему успеха, потому что все самое интересное в науке делают те, кто не верит в невозможное.

По материалам журнала «Wired».

Можно ли отнести к тем, кто «не верит в невозможное», Макса Планка, ровно сто лет назад введшего в научный обиход понятие «квант»?

(А «физический вакуум» и родился впоследствии в недрах квантовой механики). До конца жизни, будучи уже нобелевским лауреатом, он мучился своей «изменой» традициям классической физики, в рамках которой был воспитан, и даже признавал свою гипотезу «актом отчаяния».

Это было платой за преодоление научного противоречия. Однако не каждому ученому по силам внести ее за появление необычной идеи. И отнюдь не всем — оценить свежую мысль по существу и по достоинству. Как пример приводят мнение А.Эйнштейна о работе Луи де Бройля, дошедшего до идеи о том, что всем формам материи должны быть присущи и корпускулярные, и волновые свойства. Вот слова Эйнштейна из письма М. Борну: «Прочти ее. Хотя и кажется, что писал ее сумасшедший, написана она солидно».

А вот как писал о подобных ситуациях член-корреспондент РАН Д.А. Киржниц, выступивший, кстати, 20 лет назад на страницах «Знание — сила» с новыми представлениями о вакууме: «Несомненно, что в формировании научной атмосферы особая роль принадлежит крупным и авторитетным ученым. Никто, конечно, не пытается отнять у них право иметь свое мнение о реальности научной программы, верить или не верить в ее осуществимость. Однако, чем выше потенциальная важность программы и чем крупнее имя ученого, тем большую моральную ответственность он должен чувствовать (и тем большую щепетильность проявлять) при высказывании своего мнения. Слава богу, наши учителя оставили нам достаточно примеров подлинно интеллигентного отношения к новым идеям…».

Что же ждет идею о возможности извлечения энергии из вакуума?

Несомненно, одно — ей предстоит нелегкая судьба. Но как хотелось бы надеяться, что мы приблизимся к ее реализации хотя бы в предстоящем веке…

Александр Семенов