Всё, что движется. Прогулки по беспокойной Вселенной от космических орбит до квантовых полей - Алексей Михайлович Семихатов

Несколько таких свойств разной степени «строгости» выполнены для всех известных нам видов материи, но не вполне ясно, могут ли они (и какие именно из них) претендовать на роль незыблемых принципов. Современная ситуация, пожалуй, такова: примеры экзотической материи существуют на бумаге – возникают в теоретических моделях наряду с обычными видами материи, не нарушая при этом известных фундаментальных принципов.

Как бы то ни было, можно оценить количество отрицательной энергии, содержащейся в стенках пузыря: оно зависит от полезного объема пузыря и очень критически – от толщины стенок. До какой степени можно распоряжаться толщиной стенок, понятно не вполне; если они «квантовые» – т. е. если экзотическая материя существует только на очень малых масштабах, а потому стенки чрезвычайно тонкие, – то требуемое количество энергии превышает всю массу наблюдаемой Вселенной, причем на порядки. Такая оценка содержалась уже в оригинальной работе Алькубьерре – изобретателя метрики, на которой должен быть основан этот способ сверхсветового передвижения; в ней же было дано название «ворп-драйв» (warp drive), с явным указанием на сериал «Звездный путь» как на источник (не метрики, которая появилась именно в работе Алькубьерре, а названия). Предпринимались попытки уменьшить требуемое количество отрицательной энергии: обосновать возможность более толстых стенок и несколько изменить метрику, описывающую пузырь. Оптимистичные оценки – несколько масс Солнца. Но только не будем забывать, что речь идет об энергии, которая получается умножением массы Солнца на квадрат скорости света, а это много; и требуется, чтобы вся она была со знаком минус. Масштаб этой энергии, но со знаком плюс, виден на примере «менее продвинутого» транспортного средства – доброй старой фотонно-аннигиляционной ракеты (прогулка 5). В предположении, что набрать одно Солнце антивещества все-таки проще, чем эквивалентное количество экзотической материи[147], мы могли бы не дожидаться завершения работ по созданию ворп-драйва, а отправиться в путь на фотонной ракете, взяв с собой в дорогу анти-Солнце из «просто антиматерии» и еще одно просто-Солнце в виде примерно Солнца в качестве топлива для фотонно-аннигиляционного двигателя. Тогда мы шутя летали бы почти куда угодно: из таблицы 5.3 можно заключить, что даже с двигателем, коэффициент полезного действия которого составляет 1 % (что выглядит как намного более реалистичная оценка, чем 100 %), мы привезли бы в галактику Андромеды (!) пару триллионов тонн полезного груза (которые наверняка были бы крайне необходимы для обустройства там). И это – всего за двадцать лет в дороге и без экзотических форм материи, а только с использованием антивещества. Правда, из-за количества лет, прошедших на Земле, возвращаться большого смысла не имеет, даже если где-то в районе Андромеды найдется готовая новая ракета для обратного пути; чем несомненно хорош ворп-драйв, так это отсутствием замедления времени. Оправдывает ли это расходы на добывание экзотических форм материи, я оставляю на усмотрение читателей.

Да, и даже при бесперебойном обеспечении экзотической материей остается небольшая проблема управления ворп-драйвом: экипажу в какой-то момент захочется остановиться, а для этого понадобится как-то перераспределить ту самую экзотическую материю. Потребуется послать к ней какой-то сигнал; но экипаж обнаружит, что до передней части стенки пузыря сигналы не доходят. Даже свет, который они туда направят, «застрянет», остановившись где-то внутри стенки, но определенно не выйдя наружу: экипаж увидит там горизонт. Управление путешествием заметно усложняется: или им придется использовать маленькие алькубьерровские пузырьки для передачи сигналов внутри своего большого пузыря, или, скорее, всю экзотическую материю потребуется заранее распределить вдоль пути требуемым образом. Для чего сначала надо там побывать, а затем обеспечить надзор за состоянием и сохранностью этого недешевого ресурса.

*****

Пустая кривизна. Эйнштейн представил окончательный, логически безупречный вид своих уравнений (без лямбды, разумеется) 25 ноября 1915 г., а меньше месяца спустя у него в руках уже было их точное решение – пришедшее письмом с Восточного фронта и описывающее, как устроена метрика вокруг притягивающего центра. Без сомнения, радовала возможность точно (а не приближенно, как делал сам Эйнштейн, вычисляя перед тем поворот орбиты Меркурия) решить сложные уравнения. Основная трудность с ними в том, что «кривизна не складывается»: если два тела создают кривизну, то нельзя найти сначала кривизну, создаваемую одним телом, потом другим, а потом их сложить. В теории Ньютона было не так: отдельно посчитанные силы притяжения со стороны Солнца и со стороны Луны просто складывались. У Ньютона, как мы помним, проблемы с точным решением, описывающим движение тел под действием взаимного притяжения, начинались с трех тел; точное решение можно записать только для задачи двух тел. В случае уравнений Эйнштейна точно решается только задача одного тела. Мы просто не знаем, как формулами описать метрику пространства-времени, например, при наличии двух близких друг к другу черных дыр. А вот черная дыра в полном одиночестве – точное решение задачи одного тела – и появилась впервые в письме, полученном Эйнштейном 22 декабря 1915 г. от Карла Шварцшильда.

Незадолго перед тем, в ноябре, во время своего отпуска с фронта Шварцшильд присутствовал на лекции Эйнштейна и затем за пару недель «создал» черную дыру[148]. Впрочем, звучное название «черная дыра» придумал Уилер только полстолетия спустя, а в конце 1910-х и в последующие годы решение Шварцшильда привлекало к себе сдержанное внимание, и не все его свойства были поняты сразу. Прежде всего бросались в глаза особенности приближения к горизонту, как они виделись со стороны далекого внешнего наблюдателя («болельщиков»); понимание, что падающий наблюдатель не обнаружит на горизонте ничего специального – собственно говоря, вообще ничего – и бодро пролетит через него, пришло сильно не сразу. Эйнштейну вообще определенно не нравилась идея черных дыр в качестве астрофизических объектов. Закон природы, выраженный в уравнениях Эйнштейна, и найденное математически проявление этого закона – решение Шварцшильда – опережали наблюдения. Тем не менее неочевидные в исходной формулировке свойства этого решения постепенно прояснялись, включая и тот факт, что у черной дыры есть внутренность, откуда нельзя выбраться, но нет ничего похожего на твердую границу или «стенку». Все, что мы говорили про невращающуюся черную дыру на предыдущей прогулке, относилось к черной дыре Шварцшильда. Вращающуюся черную дыру как другое (и заметно более сложное) точное решение уравнений Эйнштейна много позже, в 1963 г., нашел Керр.

Черная дыра – не тело. Это область в пространстве

Несколько парадоксально при этом, что черные дыры как решения уравнений Эйнштейна – это решения без материи: таблица энергии-движения-сил в правой части состоит из одних нулей: пустота, нет ничего. Мы помним, что кривизна – это 20