По материалам доклада Марка Миллиса, 1995 г. и работам М.Алькубьере и Г. Беннета.
 Идеальным межзвездным кораблем будет тот, который сможет доставить вас к другим звездам, так быстро и удобно, как это описывается в научной фантастике. До этого необходимо совершить два научных прорыва: открытие средства для передвижения со скоростями, превышающими скорость света, и возможность манипулирования связью между массой и пространством-временем. В этой статье объясняется, почему эти прорывы необходимы, а также описываются новые возможности, которые могут в конечном итоге привести к этим достижениям. Следует отметить, что любое из этих открытий само по себе будет иметь революционные последствия, имеющие огромное значение.
Зачем превышать скорость света? Вообще говоря, Вселенная большая. Свет движется с огромной скоростью, но и ему требуется четыре года, чтобы прийти к нам от ближайшей соседней звезды. Когда космический корабль Вояджер покинул нашу солнечную систему, его скорость была около 60 - тыс. км/час. Он не может достичь ближайшей звезды, раньше чем через 80 тысяч лет. Если мы хотим путешествовать к другим звездам за более приемлемые промежутки времени, мы должны выяснить, есть ли способ лететь быстрее, чем свет.
Зачем манипулировать связью массы и пространства-времени? Эта потребность менее очевидна, чем вопрос о скорости света. Проблема в топливе, или, более конкретно, в ракетном топливе. В отличие от автомобиля, который опирается на дорогу во время движения, или самолета,который опирается на воздух, ракеты не имеют ни дорог, ни воздуха в пространстве. Ракеты должны нести свою массу, не имея возможности отталкиваться от чего либо, не опираясь ни на что. Чтобы обойти эту проблему, мы должны найти такой способ взаимодействия с пространством-временем,который даст импульс без использования топлива. Это означает, что мы должны будем найти способ изменить инерцию транспортного средства, его гравитационное поле, или его подключение к структуре самого пространства-времени.
Вообще - насколько ограниченны ракеты для межзвездных путешествий? Хотя ракеты разумны для путешествий на орбиту или на Луну, их использование не является приемлемым для межзвездных путешествий. На настоящий момент, если вы хотите доставить скромный груз в 20 000 кг до ближайшей звезды, и вы достаточно терпеливы, чтобы лететь 900 лет, вот сколько ракетного топлива вам понадобится: если использовать Шаттл, не хватит массы во всей Вселенной. Если вы используете ракету ядерного деления - вам нужно около миллиарда супер-танкеров метательного взрывчатого вещества. Если вы используете ракету ядерного синтеза, вам нужно всего лишь около тысячи супер-танкеров. И если предположить, что вы будете иметь супер-пупер-ионный двигатель или ракету на антивеществе, нужно только около десяти железнодорожных цистерн. Расчет еще более печальный, если Вы хотите лететь быстро.
Есть и другие идеи, где нет необходимости в топливе, например, использовать солнечные (световые) паруса и лазер в качестве толкача, но они имеют ограничения. Самым большим ограничением является их зависимость от самого лазера, который остается вблизи Земли. Чтобы провести незапланированное изменение курса, вы должны послать сигнал и получить его обратно. В межзвездных расстояниях это займет непомерно длительное время. На расстоянии одного светового года от Земли потребуется два года (от отправки команды до получения нового направления).
Есть ли надежда? Наука продолжает развиваться. В дополнение к продолжающимся уточнениям общей теории относительности и другим попыткам лучшего понимания массы, пространства и времени, появились некоторые теории, обозначающие новые перспективы. Каждая из этих теорий имеет некоторое отношение к импульсу и представляет новые возможности, с которых начинается поиск физических решений.
Эти современные теории обобщены в следующие:
Теория о "двигателе деформации" (warp-двигатель). Формально, даже по общей теории относительности, путешествие быстрее скорости света может быть возможным. Еще в 1994 году М.Алькубьерре представлял доклад "Двигатель деформации: сверхбыстрые перемещения в пределах общей теории относительности".
Хотя Специальная теория относительности запрещает движение объектов в пространстве-времени быстрее скорости света, неизвестно, как быстро само пространство может двигаться. Чтобы использовать аналогию, представьте, что вы стоите на одном из этих движущихся тротуаров, которые есть в некоторых аэропортах. Двигатель деформации Алькубьерре является как бы одним из движущихся тротуаров. Хотя может быть предел скорости, с которой можно идти по полу (по аналогии с пределом скорости света), но что теория скажет, если вы находитесь на дорожке, которая движется быстрее, чем вы можете ходить (по аналогии с движущейся частью пространства-времени)? В случае двигателя деформации Алькубьерре, это перемещение области пространства-времени создается за счет расширения пространства-времени позади корабля (аналогичной тому месту, где эскалатор выходит из под пола), и сворачивающимся пространством в передней части корабля (аналогично тому, как эскалатор возвращается в пол). Идея расширения пространства-времени не является чем-то новым. Использование "инфляционной модели Вселенной" позволяет считать, что пространство-время расширялось быстрее скорости света в первые моменты Большого Взрыва. Так что, если пространство-время может расти быстрее, чем со скоростью света, то почему бы это свойство не взять за основу нашего двигателя деформации?
Все, что вам нужно сделать, это сжать пространство перед вашим кораблем и расширить за ним. Эти "деформированные" пространство и область в нем будут продвигать себя "со сколь угодно большими скоростями". Наблюдатели за пределами этой области будут видеть ее двигающейся быстрее скорости света. Наблюдатели внутри не будет испытывать ускорения.
Так в чем же подвох? Во-первых, для того, чтобы расширить пространство позади корабля вам понадобится работа с отрицательной плотностью энергии и отрицательной массой. Пока неизвестно,может ли существовать в физике отрицательная масса или отрицательные плотности энергии. Классическая физика отвечает "нет", в то время как квантовая физика говорит "может быть". Во-вторых, вам нужно то же количество энергии положительной плотности, чтобы сжать пространство в передней части судна. В-третьих, вам понадобится способ управления этим эффектом, чтобы включать и выключать его по желанию (как в Стар Треке - "Мистер Сулу, искривление три"). И, наконец, главный вопрос - будет ли вся эта конструкция действительно двигаться быстрее, чем скорость света. Для решения этой проблемы теория опирается на существующую теорию расширяющейся Вселенной. Идея звучит примерно так: хотя скорость света является предельной в пространстве-времени, скорость, с которой само пространство может расширяться или сжиматься - остается открытым вопросом. Если взглянуть на ранние моменты после Большого взрыва, то пространство, похоже, расширялось быстрее скорости света. Так если пространство-время может расти быстрее света во время Большого Взрыва, то почему бы ему не делать это в нашем двигателе деформации?
Незадолго до публикации вышеуказанной теории, в JPL состоялся семинар по изучению возможностей движения на сверхсветовых скоростях. На заседании рассматривались кротовые норы, тахионы, альтернативные размерности и другие теории. Выводы из этого неофициального двухдневного семинара таковы:
1. Пока путешествия со сверхсветовыми скоростями за пределами наших нынешних возможностей. Физика не ориентирована на производство подобных космических двигателей или необходимых масштабных лабораторных экспериментов.
2. При сверхсветовых скоростях неизбежны нарушения причинности (следствие предшествует причине), но нет уверенности в том, что эти нарушения причинности физически запрещены.
3. Необходимы некоторые экспериментальные подходы для решения задач, связанных со сверсветовыми скоростями, в том числе:
- поиск доказательств существования кротовых нор с помощью астрономических наблюдений и поиск групп сопутствующих звезд или визуальных искажений, указывающих на области пространства с отрицательной массой.
- измерение скорости света внутри полости Казимира (между близко расположенными проводящими пластинами) для поиска доказательств существования отрицательной космической энергии. Это относится к червоточинам, тахионам и вопросу энергии отрицательной плотности .
- решение вопроса о массе покоя нейтрино, а также определение, является ли эта мнимая масса подлинной.
- исследование космических лучей за пределами атмосферы, для поиска тахионов и доказательств более общих событий физики элементарных частиц.
Необходимо подумать о новых способах использования инерции и гравитации: как упоминалось ранее, идеальный межзвездный двигатель будет иметь возможность манипулирования связью между массой и пространством-временем. Один из подходов состоит в поиске способов использования электромагнетизма, явления, которым мы достаточно владеем, для контроля инерционных или гравитационных сил. Известно, что гравитация и электромагнетизм - связанные явления. В формализме общей теории относительности масса деформирует пространство в котором действует электромагнетизм. Проще говоря, это приводит к тому, что гравитация изгибает свет в сторону красного смещения и замедляет время. Эти наблюдения были подтверждены.
Новые перспективы в связи с влиянием гравитации на электромагнетизма появились сравнительно недавно. Теория, опубликованная в феврале 1994 года, говорит о том, что инерция - не что иное, как электромагнитная иллюзия. Эта теория основывается на более ранней работе, в которой утверждается, что гравитация - не что иное, как побочный эффект электромагнетизма. Обе эти работы опираются на утверждение, что вся материя состоит из электрически заряженных частиц и на существование энергии в точке нулевых колебаний.
Энергия нулевой точки (ZPE) - это термин, используемый для описания случайных электромагнитных колебаний, которые остались в вакууме, даже если вся энергия (материя) была удалена. С точки зрения квантовой теории энергия существует даже в состоянии абсолютно низкой (практически нулевой) осцилляции. Самое низкое состояние электромагнитного колебания равно одной второй частоты Планка. Если вся энергия для всех возможных частот суммируется, результатом будет огромная плотность энергии, от 1036 до 1070 Дж/м3. Упрощенно говоря, в кубическом сантиметре пустого вакуума есть достаточно энергии для испарения всех океанов Земли. Впервые предсказанный в 1948 году, эффект ZPE был связан с рядом экспериментальных наблюдений (эффект Казимира, Ван-дер-Ваальса, сдвиг Лэмба-Резерфорда, объяснения излучения черного тела спектра Планка, а также возможность пространственно усиливать спонтанное излучение от возбужденных атомов).
Что касается гравитационных теорий, упомянутых ранее, они гласят, что вся материя состоит из электрически заряженных частиц, и эти частицы постоянно взаимодействуют с этим ZPE фоном. Такое свойство инерции, как сопротивление к изменению скорости частицы, описывается как электромагнитное высокочастотное сопротивление колебаниям нулевой точки. Гравитация, притяжение между массами, описывается как эффект Ван-дер-Ваальса между осциллирующими диполями, где диполи - заряженные частицы, встроенные в колебания ZPE фона.
Следует отметить, что эти теории еще не дают ответа, как манипулировать с инерцией или гравитацией. Кроме того, эти теории еще слишком новы, чтобы хоть как то быть подтвержденными. Несмотря на эти неопределенности, характерные для любой молодой теории, они обеспечивают новые подходы для прорыва в физике двигателей. Их полезность и правильность еще предстоит определить.
Еще одна точка зрения на гравитацию и пространство-время.
Как упоминалось ранее, идеальному межзвездному двигателю не нужно топливо. Придется использовать какие-то средства, чтобы двигаться, опираясь на само пространство-время. Одним из основных возражений против этого является проблема закона сохранения импульса. Для того чтобы соблюсти сохранение импульса,что то должно действовать как реакционная масса. Для ракет это исключительно ракетное топливо; для воздушных судов это воздух. Если учесть, что движение идет относительно самого пространства-времени, нужно рассмотреть возможность того, что поля пространства-времени имеют энергию или импульс, который может служить в качестве реакционной массы. Хотя существующая физика не дает сделать эту перспективу возможной, недавнно возникли некоторые многообещающие теории. Г.Беннет в своем докладе, опубликованном в декабре 1994, выдвинул теорию,которая является сложной задачей общей теории относительности Эйнштейна. Он утверждает, что в уравнения поля Эйнштейна нужно внести небольшую коррекцию. Без этой поправки, по его утверждению, уравнения Эйнштейна могут только прогнозировать поведение системы из двух тел. Для системы из множества тел, как показывает эта теория, уравнения Эйнштейна являются недостаточными. Требуемой коррекцией является добавление одного знака к тензору энергии гравитационного поля. Это говорит о том, что гравитационные поля имеют отдельно энергию и импульс. Это может стать основой для решения вопроса о реакционной массе для идеального двигателя искривления.
Так же как и для всех ранее упомянутых теорий, нет уверенности в том, верна эта теория или нет, но она дает еще одно исследовательское направление.
Но и это еще не все. Другие способы исследования пространства как реакционной среды заключается в изучении содержимого вакуума. В дополнение к пунктам, упомянутых выше, рассмотрим следующие явления: реликтовое излучение, образование виртуальных пар и темную материю. Любое из них может представлять собой реакционную массу или напротив, может быть доказательством невозможности иметь реакционную массу в пространстве.
Так что есть целый ряд направлений в физике, которые могут оказаться плодотворными на пути к решению задач межзвездных путешествий, и в конце концов мы сможем смело пойти туда, куда не ступала нога человека... | 
