Теория Эйнштейна не запрещает переноситься из одной точки космического пространства в другую со скоростью выше световой — важно лишь выбрать особый маршрут. Пусть сказанное кажется фантастичным, но ведь научная фантастика расширяет возможности нашего воображения — и представления современной физики/ Быть может, со временем космические корабли научатся преодолевать пространство-время и сновать по туннелям-червоточинам, хотя расчеты показывают, что для этого потребуется неимоверное количество отрицательной энергии, то есть энергии меньшей, чем у абсолютного вакуума. Гипотеза, появившаяся во второй половине прошлого века, по-прежнему вызывает большой интерес у ученых. В начале XXI века появилось несколько серьезных научных исследований, посвященных загадочным космическим образованиям.

Так художник представляет себе пространственно-временные туннели — «червоточины», по которым возможны путешествия в самые дальние части Космоса

Ему незачем было видеть туннель, чтобы знать, что тот существует.

А убеждать в этом остальных представлялось ему бесполезной затеей

 

Преддверие космического туннеля 

Многие понятия современной физики прижились и на страницах научно-фантастических книг или даже заимствованы оттуда: телепортация, тахионы, многомерное пространство, параллельные вселенные, путешествия во времени… Не стали исключением и «червоточины», сперва подточившие устои космоса в книгах популярного жанра, — например, героиня романа «Контакт» американского астронома и писателя Карла Сагана путешествует по «червоточине» в отдаленную часть Космоса, к созвездию Беги, — а потом странные космические туннели источили и строго научные работы. Доверясь гипотезе, некоторые астрономы смело соединяли этими туннелями отдаленные части Космоса, прокладывая путь будущим экспедициям. Ведь оказавшись в такой «червоточине», можно вмиг перенестись на множество световых лет от Земли. Знать бы только, где найти этот «скоростной лифт» мироздания?

Может быть, мы — словно муравьи, мельтешащие на первом этаже небоскреба, суетимся и не верим, что когда-нибудь доберемся до сотого этажа? Нам, муравьям, всей жизни на это не хватит. Знать бы только, что рядом лифт, в который лишь заползи, и он помчит московского муравья в неведомую архитектурную даль — унесет на «седьмое небо». Фантастика, да и только.

Далекие космические путешествия возможны, если в Космосе есть «червоточины» или изобретен двигатель, искривляющий пространство:

1 — «червоточина»; 2 — Земля; 3 — Сириус; 4 — двигатель, искривляющий пространство 

«В нашей Вселенной правит закон: «Все, что категорически не запрещено, может случиться», — считает американский ученый Лоренс Кросс. Слева: книга Л. Кросса «Физика “Звездного пути”»

«Идеи, представленные на страницах научно-фантастических произведений, иногда перекочевывают в научные теории. А то, глядишь, и наука выдвинет идеи, которые покажутся еще страннее самых диких фантазий, порожденных писателями-фантастами», — подчеркивает Стивен Хоукинг.

Его мнение разделяют многие ученые. «Мы все вдохновляемся одними и теми же идеями, — признается Лоренс Кросс, выпустивший книгу комментариев к фантастическому сериалу «Star Trek» («Звездный путь»). — Однако если даже самые лучшие научно-фантастические романы завораживают нас сакраментальным «Что было бы, если бы» и, как правило, не дают никаких окончательных ответов, то современная наука готова нам объяснить, что возможно, а что все-таки нет… В нашей Вселенной правит закон, который я часто формулирую студентам следующим образом: «Все, что категорически не запрещено, может случиться».

Общая теория относительности Эйнштейна благоволит многим неожиданным гипотезам. В принципе, согласно ей, «могут существовать самые невероятные вещи, какие только возможны: от двигателя, искривляющего пространство, до путешествий во времени» (Л. Кросс). Статьи, посвященные уорп-двигателю — двигателю, искривляющему пространство, в последние десять лет появлялись даже на страницах серьезных научных журналов (впервые такую статью опубликовал в 1994 году мексиканский физик Мигель Алькубьерре). Действительно, принцип работы подобного двигателя вытекает из уравнений Эйнштейна.

 

То warp to Sirius

Общая теория относительности и впрямь позволяет моментально перенестись, например, в окрестности Сириуса (эта звезда находится от нас на расстоянии 8,7 световых лет). Для этого надо проникнуть в «червоточину» или обзавестись двигателем, искривляющим пространство. В любом случае пространство-время исказится так сильно, что Земля окажется почти рядом с Сириусом.

Представьте себе мироздание в виде листа газеты. Сложите этот лист пополам, и тогда его половинки почти соприкоснутся друг с другом. Можно даже вообразить какой-нибудь микроскопический туннель, соединяющий их. Остается лишь юркнуть в туннель, чтобы мигом достичь цели.

Итак, идея таких путешествий заключается в том, что, например, уорп-двигатель (от английского «to warp», «искривлять, искажать») деформирует пространство-время таким образом, что в нем появляются ходы, связывающие отдаленные части космоса. Пространство перед космическим кораблем, оснащенным подобным двигателем, чрезвычайно сжимается, а позади него расширяется. Для наблюдателя, оставшегося на Земле, такой корабль будет двигаться со сверхсветовой скоростью, а для самого космонавта замрет на месте. Ведь корабль будет окружен оболочкой, за пределами которой все будет деформироваться, а внутри — останется неизменным.

 

В путешествие по вакууму с «вакуумным топливом» в придачу

Однако такой двигатель обойдется очень дорого. Для его создания нужен диковинный материал с отрицательной массой и отрицательной плотностью энергии. Подобное вещество не притягивает к себе другие тела, а отталкивает их. «Яблоко, падающее в небо» — вот над чем пришлось бы поломать голову Ньютону, если бы он жил на планете, состоявшей из такого вот вещества.

Никто не знает, имеется ли где-нибудь во Вселенной подобное вещество и можно ли запастись им в достаточном количестве. Впрочем, в лабораторных условиях удавалось создать отрицательную плотность энергии. Для этого нужен был вакуум.

Как известно, идеальный вакуум вовсе не похож на воплощенную пустоту. Он буквально пронизан жизнью, он бурлит. В нем рождаются и исчезают виртуальные частицы и античастицы. Это пустое пространство заполнено квантовыми флуктуациями.

Полвека назад нидерландские физики Хендрик Казимир, получивший позднее Нобелевскую премию, и Дик Полдер предположили, что между двумя металлическими пластинами, расположенными на небольшом расстоянии параллельно друг другу, возникает отрицательное давление, поскольку между пластинами заметно меньше квантовых флуктуации, чем снаружи. Пластины прижимаются друг к другу.

Эту догадку подтвердил опыт, поставленный в конце XX века в Лос-Аламосской лаборатории в США. Величина возникавшей силы, что притягивала пластины, равнялась примерно миллиардной доле ньютона. Репортаж в «Нью-Йорк таймс» об этом открытии был озаглавлен: «Физики подтвердили, что в “ничто” есть энергия».

Отрицательная энергия появляется и в окрестностях черной дыры из-за резкого искривления пространства-времени. При медленном испарении — за счет излучения Хоукинга — черная дыра успевает подпитываться отрицательной энергией. С помощью этой энергии можно совершать путешествия во времени, а также путешествия в пространстве фактически со сверхсветовой скоростью, в кратчайший срок переносясь на несколько световых лет вперед, например, к Сириусу.

Однако та же квантовая теория, что предсказывает появление в вакууме флуктуации, а значит, и отрицательной энергии, ограничивает возможность ее применения. Этой энергией — этим «топливом» сверхсветовых странствий — не очень-то разживешься. Чем ее больше, тем она нестабильнее. Нельзя накопить много отрицательной энергии — ваши сбережения мигом пойдут прахом.

Американские физики Лоренс Форд и Томас Роман, описывая отрицательную энергию, поневоле прибегли к экономическим терминам. «Подобно тому, как долги — это отрицательные деньги, которые рано или поздно надо выплачивать, так и отрицательная энергия — это по своей сути дефицит энергии. А как известно, чем больше ссуда, тем быстрее ее полагается вернуть. Природа — безжалостный банкир и всегда возвращает выданные кредиты в срок, ну а по квантовым долгам с ней приходится расплачиваться даже с процентами».

Итак, запастись отрицательной энергией будет весьма проблематично. А сколько вообще ее понадобится, раз мы приготовились путешествовать по недоступным глубинам Вселенной?

 

В Космосе грядет энергетический кризис?

Лоренс Форд в сотрудничестве с Мичеллом Пфенингом подсчитал грядущую потребность в отрицательной энергии, и его расчеты не могли обрадовать никого из поклонников «сайенс-фикшн». «Для путешествия с искривлением пространства понадобится в 10 миллиардов раз больше энергии, чем содержит вся видимая Вселенная», — таков был баланс космической экспедиции, подведенный Пфенингом. И все это для того, чтобы изготовить оболочку из вещества с отрицательной массой — оболочку толщиной всего 10-31 (десять в минус тридцать первой степени) сантиметра. «Я не думаю, что кому-нибудь удастся с этим справиться», — признался Форд.

Окончателен ли этот приговор? Согласятся ли с ним те, чьей рукой до Сириуса подать? «Форд и Пфенинг в своих расчетах исходят из того, что пространство изначально не искривлено, однако мы пока еще слишком мало знаем о квантовой гравитации. Возможно, она поможет путешествовать по космосу» (М. Алькубьерре).

Конечно, теория квантовой гравитации пока еще только создается, но это не мешает уже сейчас «подсчитывать барыши», которая она принесет. Так, в 2002 году физик Сергей Красников из Пулковской обсерватории вычислил, что при определенных условиях для корабля, оснащенного искривителем пространства, понадобится всего 10 килограммов этого странного вещества.

Впрочем, проблем хватает и без того. В космическом пространстве царит отнюдь не идеальный вакуум. Страшно представить себе, что произойдет, если корабль на огромной скорости столкнется с какой-нибудь крупицей или даже пылинкой. Поэтому бельгийский физик Крис ванден Брек, также увлеченный «игрой в космологический бисер», предложил, прежде чем отправлять кого-нибудь в полет, вторично искривить пространство, создав вокруг корабля своего рода защитную оболочку. Однако для этого потребуется не так уж мало вещества с отрицательной массой — в несколько раз больше, чем весит Солнце.

Кроме того, сама оболочка, в которую нужно втиснуть космический корабль, гораздо меньше, чем та бутылка, в которую иной умелец возьмет да и ввернет какой-нибудь выточенный им парусник. Диаметр отверстия в оболочке — этого «игольного ушка», сквозь которое надо проникнуть космонавтам, составит всего десять в минус тридцатой степени сантиметра.

Еще одна проблема, способная отвратить мечтателей от межзвездной космонавтики, заключается, по мнению португальского физика Жозе Натарио, в следующем: при движении корабля со сверхсветовой скоростью вокруг него возникнет горизонт событий. Корабль словно превратится в черную дыру. Ни один сигнал, исходящей из него, не достигнет сторонних наблюдателей. Всякое общение с экипажем будет исключено. «Можно даже не задумываться о техническом воплощении этой идеи. Чисто теоретически искривитель пространства невозможен», — отмечает Жозе Натарио.

Космонавты не сумеют даже управлять кораблем, например, тормозить. Им можно посоветовать лишь одно: прежде чем лететь к тому же Сириусу, нужно отправить туда обычный корабль, летящий со скоростью ниже световой. И тогда его капитан даст команду на посадку вновь прибывающей экспедиции. С таким же успехом, отправляясь из Москвы в Мадрид, нужно предварительно отправить туда пешего путешественника, чтобы он на месте позаботился о том, как встретить вас в аэропорту. А вам остается лишь дождаться, когда через пару лет из Мадрида придет телеграмма «На взлет!» Не правда ли, смешно такое вот «последнее слово техники»?

В своей работе Сергей Красников предложил еще один вариант решения проблемы. Перед стартом корабля нужно соорудить своего рода «сверхсветовое метро» — туннель из модифицированного пространства-времени. Но опять же, при сооружении туннеля нужно сперва «своим ходом» отправиться к цели вашего путешествия и, прибыв туда после многих лет странствий, дождаться, когда вашему примеру последуют те, кто от одной части космоса до другой мчатся за считанные секунды. Точнее, готовы мчаться! Так вот, пусть подождут окончания работ!

Смета строительства, составленная С. Красниковым, тоже ужаснет любого — даже нас, привыкших к тому, что на «строительные расходы» можно списывать невероятные суммы. Так, для возведения подобного туннеля к соседней звезде потребуется примерно в 1044 (десять в сорок четвертой степени) раз больше вещества с отрицательной массой, чем весит Солнце. Для сравнения: количество видимого нами вещества во Вселенной составляет примерно 1022 (положительных!) солнечных масс.

Так неужели подобные путешествия с одного края Космоса на другой придется отменить за невозможностью? Нет, горевать пока рано! Не получилось с двигателем, можно — на страницах теоретических работ — возвести какой-нибудь мост через полкосмоса кряду. Назовите этот мост, например, «червоточиной».

 

Эйнштейновское яблоко отдано на растерзание книжному червю?

«Червоточина — это туннель, ведущий сквозь эйнштейновское пространство-время; его вполне можно сравнить с тем «туннелем», который протачивает в ньютоновском яблоке червь, — без литературных образов, подобных тому, что привел профессор физики Монтанского университета Уильям Хискок, порой трудно разобраться в лабиринтах гипотетических миров, выстроенных современными теоретиками. — Пока червоточины — всего лишь теоретические конструкции, однако они могут нам помочь использовать возможные краевые условия общей теории относительности и эффекты теории квантовой гравитации — науки, которая только создается».

В одном из рассказов аргентинского писателя Адольфо Бьой Касареса, написанном несколько десятилетий назад, подобные туннели существуют даже на Земле. По ним можно пройти пешком, «не торопясь, что называется, нога за ногу, за пять минут», из Буэнос-Айреса в один из уругвайских городов, миновав за эти мгновения «каких-нибудь четыреста километров».

География Земли нам известна и к подобным фантазиям не располагает, но почему бы не помечтать о таких туннелях в Космосе — в столь неведомом нам космосе, где пока, словно в сказке, найдется место всему: зеркальным мирам, черным дырам, параллельным вселенным. Может быть, там находится и «вход в туннель, снаружи его не видно»?

«Они провалились. Внезапно все небо усеяли звезды. Элли заметила громадное облако пыли, вытянувшееся в спираль. Казалось, ее засасывает в черную дыру неимоверных размеров», —

так описывает проникновение в таинственный космический туннель Карл Саган.

Если бы подобные туннели существовали, то перед нами открылись бы неожиданные возможности посещать отдаленные области Вселенной. Туннели, как скоростные лифты, увозили бы нас туда, куда и помыслить попасть невозможно.

 

По тонкому льду Космоса

В середине восьмидесятых годов Кип Торн задался вопросом: а нельзя ли проникать в отдаленные районы космического пространства или даже другие Вселенные по пространственно-временным туннелям? Благодаря им, «червоточинам» мироздания, можно перехитрить законы природы и миновать барьер световой скорости. Разумеется, чтобы пуститься в межзвездный полет, надо выполнить ряд условий, иначе экспедиция не удастся. Торн сформулировал их так.

Во-первых, не всякая «червоточина» годится для путешествий. Вы же не рискнете переходить реку по тонкому льду и не отправитесь в горы, когда ожидают схода лавин. Вот и космический туннель должен быть стабильным объектом. Что станет со звездолетом, если туннель неожиданно сомкнётся? Чтобы укрепить туннель, надо покрыть его веществом с отрицательной массой.

Путешествие сквозь подобный туннель не должно длиться более года. Туннель должен пребывать в допустимом времени и пространстве. Он не может поглощать бесконечно большие количества материи и энергии.

Гравитационные силы следует свести к минимуму.

Кип Торн и его помощник Майкл Моррис нашли простое и элегантное решение уравнений Эйнштейна. Оно описывает «песочные часы» с двумя сплющенными чашами и узким коридором, соединяющим их. Позднее американский физик Мэтт Виссер и другие исследователи показали, что во Вселенной могли бы существовать «червоточины» иного рода. К примеру, модель Виссера представляет собой угловатую катушку (разумеется, четырехмерную) с прямоугольным коридором: космические корабли могли бы передвигаться по нему гораздо Увереннее, чем по туннелю, связывающему две половинки песочных часов.

Все сказанное звучит довольно сумасбродно даже для проченных фантазеров от науки. «“Червоточины” — это спекулятивная физика, — подчеркивает Виссер. — Нет никаких конкретных признаков того, что они существуют. Однако само понятие “червоточина” расширяет пределы привычной нам науки, не требуя пересмотра ее принципов или создания новых фундаментальных теорий». И это обнадеживает некоторых ученых. Ведь те же черные дыры тоже были «придуманы» за письменным столом, и многие ученые сомневались в их существовании.

 

Сюжет путешествия, которое не состоится

По оценкам специалистов, эти туннели могли бы выглядеть примерно так же, как те червоточины, по которым снуют герои сериала «Звездный путь». Дальше мнения расходятся. Оптимисты рады уже тому, что ученые не опровергли саму возможность существования таких туннелей. Пессимисты же вновь напоминают, что для путешествий понадобится огромное количество отрицательной энергии. А ее, как известно, и взять особенно неоткуда. При нынешних технологиях невозможно долго удерживать червоточины открытыми. Они сомкнутся, едва в него направится межзвездный корабль.

Так, чтобы удержать открытым туннель радиусом всего один метр, нужно облицевать его стенки тончайшим слоем отрицательной энергии. Толщина этого слоя составит всего десять в минус двадцать первой степени метра, что в миллионы раз меньше диаметра протона. Чтобы получить такое количество отрицательной энергии, нужно затратить примерно столько же энергии, сколько вырабатывают в течение года десять миллиардов звезд. Похоже, что этим туннелям останется место лишь на страницах теоретических трудов, где, повинуясь логике цифр, могут возникать и не такие фантомы.

В 2005 году физики Стивен Сю и Роман Бани из Орегонского университета обнародовали свои подробные расчеты. Они разделили червоточины на две категории — одни подчинялись лишь законам квантовой механики, в других соблюдались многие классические законы физики.

Оказалось, что квантовомеханические червоточины были довольно стабильными, но, как и все в квантовом мире, непредсказуемыми. Путешественники, заглянув внутрь такого туннеля, всякий раз вынуждены были бы начинать жизнь «с чистого листа». Туннель мог перенести их в любую точку времени и пространства. А куда именно, никто и сказать не мог! Понятно, что отправиться в такую экспедицию вряд ли кто захочет, кроме тех, кому надоела жизнь, ведь о возвращении домой, может быть, придется забыть. «Опасность заключается в том, что конечный пункт червоточины, которая колеблется во времени, может оказаться в стене или на дне Тихого океана», — комментировал этот результат Стивен Сю.

В других червоточинах — их назвали «полуклассическими» — можно задать пункт назначения, но отправляться по ним в путь все равно, что взлетать на самолете, из которого убраны все крепежные детали. Туннель чрезвычайно нестабилен. Вы углубились в него, а он возьмет, да и сомкнётся, не отбросив и тени незадачливых путешественников.

«Мы не говорим, что вы не можете построить червоточину. Но те из них, что позволили бы вам предсказать, что мистер Спок прибудет в Нью-Йорк в два часа пополудни и в такой-то день, похоже, исчезнут», — пояснил Стивен Сю.

 

Туннель закрыт. Просим в него вернуться!

Отчет о работе Стивена Сю и Романа Бани моментально обошел страницы интернетовских научно-популярных изданий. Казалось бы, вопрос с туннелями решен раз и навсегда. Вот только в науке ученые периодически возвращаются к однажды решенным вопросам, чтобы, может быть, пересмотреть прописные истины, даже изреченные такими авторитетами, как Евклид, Ньютон или Эйнштейн.

В последние годы ученые не раз пытались понять, есть ли дополнительные условия, при которых путешествия по таким туннелям могут стать реальностью. Пусть когда-нибудь. Пусть через тысячи тысяч лет.

По расчетам Сергея Красникова, червоточина может сама вырабатывать экзотическое вещество с отрицательной массой, «причем в таком количестве, что ее хватит для космических путешествий».

В 2005 году английский физик Крис Фьюстер и его американский коллега Томас Роман показали, что червоточина будет вполне стабильна и человек может совершить по ней путешествие без опаски, если только геометрия ее стенок будет выдержана с точностью порядка десяти в шестидесятой степени. Конечно, сейчас это немыслимо, но надежду не убедишь в плохом!

В 2002 году бразильский ученый Жозе Мартинш Салим рассчитал, что можно обойтись и без отрицательной энергии. В таком случае для стабилизации туннеля понадобятся магнитные монополи — гипотетические частицы, обладающие положительным или отрицательным магнитным зарядом, аналогичным электрическому. Магнитный монополь можно представить как отдельно взятый полюс длинного и тонкого постоянного магнита. Предполагается, что такие частицы возникли сразу после Большого Взрыва. Поль Дирак еще в 1931 году выдвинул гипотезу о существовании этих экзотических частиц. Монополи оказывают отрицательное давление на червоточину, распирают ее стены, не дают им сомкнуться — и все за счет одного лишь магнитного поля.

В том же 2002 году Сэан Хэйуорд из южнокорейского Ewha Womans University и японский физик Хисааки Синкаи разработали компьютерную модель, которая свидетельствует о родстве черных дыр и космических червоточин. В их модели, стоило стенкам туннеля сомкнуться, как на его месте уже зияла черная дыра. Если же на экране компьютера прямо к черной дыре с двух противоположных сторон подводили отрицательную энергию, то она вмиг вытягивалась в туннель, зазывавший проникнуть туда, отправиться в неведомую даль…

По мнению Стивена Хоукинга и некоторых других ученых, подобные червоточины — только крохотных размеров — регулярно возникают в микромире по причине квантовых эффектов. Возникают и исчезают — этакая рябь в квантовой пене. Но когда-нибудь и эта мельчайшая рябь может вырасти в громадную волну. Расчеты показывают, что с помощью механизма «инфляции» — благодаря ему Вселенная сразу после Большого Взрыва расширялась со сверхсветовой скоростью — можно увеличить протяженность крохотных квантовых туннелей до поистине космических масштабов. Вот только как остановить их рост, как прекратить космическую инфляцию, ученые пока не берутся сказать.

 

В стороне от скоростных космических дорог

Порой экзерсисы физиков-теоретиков кажутся настоящим образчиком схоластики. Сколько копий сломано вокруг возможного факта существования во Вселенной червоточин! И ради чего? Пересчитана вся наличная отрицательная энергия, собран комплект монополей, выстроена даже модель неуправляемого — катастрофического, инфляционного — строительства космических дорог. Как же все это далеко от насущной жизни — даже от проблем фундаментальной физики!

Однако сами исследователи так не считают. «Изучение червоточин, — подчеркивает Сэан Хейуорд, — расширяет наше понимание силы гравитации, заставляет нас прибегнуть к альтернативным идеям гравитации, например, к моделям бран, используемым в теории струн».

Наука полна чудес. Самые странные гипотезы могут здесь сбыться. Когда-то таким же несбыточным чудом казались и Земля, покидающая центр мироздания, и параллельные прямые, уходящие за горизонт, чтобы непременно пересечься, и эйнштейновские близнецы, стареющие с разной скоростью, потому что время — оно бывает порой тягуче как мед, переливается каплями секунд, а порой летит как световые лучи, день-ночь-день-год-год-год. Научные теории могут выглядеть куда необычнее научно-фантастических сюжетов. Вот уже и черные дыры стали общепризнанной примечательностью космических далей, в то время как к червоточинам, — открыт ли нам вход в них или нет, — по-прежнему относятся, как к чему-то курьезному, как к фантому, рожденному на кончике пера. «А ведь червоточины — это всего лишь черные дыры с отрицательной плотностью энергии», — так прокомментировал свои компьютерные метаморфозы тот же Сэан Хейуорд.

Конечно, большинство его коллег рассуждает так: «Я полагаю, что ни червоточины, ни двигатели, искривляющие пространство, никогда не найдут практического применения, хотя в принципе они могут существовать. Искривление пространства — это дело не наступившего века, не двадцать второго и скорее всего не двадцать третьего» (Л. Кросс). Однако так ли это важно: «Никогда, о nevermore»?

«Мы слишком озабочены земными, практическими вопросами, мы сковываем человеческий дух, — написал однажды Стивен Хоукинг. — Речь же идет о том, чтобы картографировать неведомое в мироздании». Тень невозможного, несбыточного все так же упрямо ложится на нашу человеческую, земную жизнь, на комнату, в которой каждый из нас просиживает большую часть жизни, на ковер под ногами, но так ли уж важно, что «душе из этой тени, что ложится на ковер, не подняться — nevermore»? (Э. По, пер. B.C. Жаботинского)