В поисках отрицательной энергии: почему варп-полёты остаются фантастикой

В 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре предложил теоретическое решение уравнений общей теории относительности, допускающее варп-двигатель — способ искривления пространства-времени, позволяющий перемещаться быстрее света. Это решение вызвало ажиотаж в научной фантастике и среди футуристов, ведь оно не нарушало сами уравнения Эйнштейна. Однако дальнейшие попытки понять, как в реальности создать такую геометрию пространства, натолкнулись на куда более серьёзные препятствия.

Проблема заключается не в математике, а в физике: как разместить материю и энергию, чтобы реализовать нужную конфигурацию пространства-времени? И именно здесь начинается настоящее сопротивление природы. Точнее, три её основных принципа — так называемые энергетические условия.

Важно понимать, что энергетические условия — это не жёсткие законы, вроде второго начала термодинамики. Это скорее обобщённые выводы из наблюдений, которые, кажется, всегда работают. Общая теория относительности — это инструмент. Она позволяет рассчитать, как ведёт себя гравитация при различных конфигурациях энергии и материи. Но она не говорит, какие из этих конфигураций допустимы, а какие нет. Для этого нужны некие фильтры — критерии физической разумности. И энергетические условия играют роль именно таких фильтров.

Существует множество энергетических условий, но в контексте варп-двигателя Алькубьерре важны три: сильное, доминирующее и слабое.

Сильное энергетическое условие гласит, что материя должна тянуться к материи — то есть гравитация всегда должна быть притягательной. Доминирующее условие утверждает, что энергия не может распространяться быстрее света. А слабое — что локальная плотность энергии всегда должна быть положительной. Последнее означает, что отрицательная масса или отрицательная энергия, также известные как экзотическая материя, не существуют.

И вот плохая новость: решение Алькубьерре нарушает все три этих условия.

Во-первых, внутри варп-пузыря гравитация становится отталкивающей — это противоречит сильному условию. Во-вторых, энергия, формирующая пузырь, должна распространяться быстрее света — нарушение доминирующего условия. И, наконец, чтобы само пространство искривилось нужным образом, необходимо наличие области с отрицательной плотностью энергии — а это уже нарушение слабого условия.

Можно, конечно, возразить: а вдруг эти условия вовсе не обязательны? Что, если природа хитрее нас и позволяет себе нарушать эти принципы? Проблема в том, что за более чем сто лет наблюдений мы ни разу не видели, чтобы хотя бы одно из этих условий нарушалось в реальной Вселенной. Материя всегда тянется к материи, гравитация — всегда притягательна, энергия не движется быстрее света, и локальная плотность энергии — всегда положительна.

Впрочем, есть один маленький нюанс. Слабое энергетическое условие, казалось бы, нарушается в знаменитом эффекте Казимира — квантовом феномене, при котором между двумя металлическими пластинами возникает область с отрицательной плотностью энергии. Но это работает только в очень специфической, замкнутой области. Если усреднить значения по всему пространству вокруг пластин, условие снова выполняется.

Можно ли использовать эффект Казимира для создания стабильного варп-пузыря? В теории — возможно. Но здесь мы упираемся в стену: для понимания таких явлений нужна теория квантовой гравитации. А у нас её пока нет. Это область, где классическая физика и квантовая механика вступают в конфликт, и ни одна из существующих теорий не способна пока предложить полноценную картину.

Поэтому, как бы ни хотелось прыгнуть в гиперпространство, придётся повременить. Варп-двигатель Алькубьерре остаётся красивой идеей, но в условиях известной нам физики он невозможен. По крайней мере, пока мы не придумаем, как обмануть Вселенную.