Рассмотрим концепцию космического корабля, разгоняемого до большой скорости, достаточной, чтобы долететь до ближайших звёзд за несколько десятилетий. Для разгона корабля используется портал – иначе говоря, «червоточина», размещаемая на борту корабля.
Введение
Полёт к ближайшим звёздам вполне реален, если двигаться достаточно долго с постоянным ускорением. Например, если корабль движется с постоянным ускорением в 1g – это ускорение свободного падения на поверхности Земли, то меньше чем за год он разгонится примерно до половины скорости света. А этого вполне достаточно, чтобы долететь до Альфы Центавра приблизительно за 10 лет.
Современные реактивные двигатели способны обеспечить такое ускорение. Правда, ненадолго.
Проблема возникает с запасами топлива космического корабля. Если хранить их на борту, то придётся разгонять и топливо тоже. А это потребует ещё больше топлива. В результате, если нам нужно лететь год или два с ускорением около 1g, то потребуется так много топлива, что проект звездолёта становится нереалистичным.
Но что, если топливо с собой не брать? И ранее учёными предлагался проект звездолёта в виде зеркального паруса, разгоняемого лучом лазера. Впервые это предложил в 1966 году венгерский физик Дьёрдь Маркс. Однако у этого проекта были проблемы с тем, что на больших расстояниях лазерный луч слишком сильно рассеивается, из-за чего теряет эффективность. Так, например, когда лазером определяли расстояние от Земли до Луны, то пятно лазера на Луне имело диаметр около 3 километров. Поэтому парусник получилось бы ускорять лишь пока луч не сильно расфокусирован: на довольно короткой дистанции – а это бы потребовало такой большой мощности луча, что тот бы просто сжёг корабль.
Вдобавок, лазерный парусник получилось бы лишь ускорить. Он практически не смог бы маневрировать, и не смог бы затормозить. Невозможность возврата означала, что парусник должен был как-то иначе передать результаты исследований на Землю. Только на расстоянии в несколько световых лет это сделать проблематично. А будучи ускорен до большой скорости – парусник слишком быстро пролетел бы мимо исследуемой звёздной системы, мало что успев сделать.
Дальше будет рассмотрено, как портал развивает идею межзвёздного парусника, решая при этом ряд проблем.
Знакомство с порталом
Для краткости будет использоваться терминология из фантастики. Портал связывает между собой две области пространства коротким путём. Врата (gate) – это или вход, или выход портала. Другие названия портала: «мост», «червоточина», «кротовая нора». На Хабре уже есть хорошая статья про червоточины: Как создать червоточину в пространстве: три сложных и маловероятных варианта. Из той статьи следует, что для создания портала нужна отрицательная масса. Казалось бы, на этом обсуждение порталов можно и закончить: потому что как масса может быть отрицательной? Но здесь возникает интересная теория, которую предложил физик Анатолий Григорьевич Шкловский (ссылки на его теорию – в конце статьи): он предположил, что частицы с отрицательной массой – это обычные составляющие вещества. Так, например, согласно его теории, π±мезон состоит из кварка с положительной и кварка с отрицательной массой. Для краткости частицы с отрицательной массой он предложил называть «теневыми».
Теневые частицы принципиально отличаются от античастиц, у которых противоположна не масса, а заряд. Антивещество – это своеобразный близнец обычного вещества. Предположительно, если бы мы взглянули на галактику из антивещества с большого расстояния, то вряд ли бы отличили её от галактики из обычного вещества. А вот свойства материи с отрицательной массой принципиально отличаются от свойств материи с положительной. Например, одинаково заряженные теневые частицы притягиваются друг к другу. А так как эта сила притяжения, по сути – кулоновская, то она намного сильнее гравитации. И создать очень плотный объект из частиц отрицательной массы, порождающий червоточину, по всей видимости, намного проще, чем из частиц положительной массы собрать гравитацией чёрную дыру. При этом этот объект будет иметь электрический заряд, что позволит управлять его положением, а также передавать с него движение на другие объекты.
Покажем это математически. Частица в вакууме, имеющая заряд Q, создаёт вокруг себя напряжённость электрического поля, равную
Разместим эту частицу в начале координат, и справа от неё, на расстоянии r разместим частицу с отрицательной массой m=-|m| и зарядом q, причём знаки заряда у обеих частиц совпадают, и для определённости, пусть будут положительными.
На правую частицу действует сила 
, из-за чего она движется с ускорением 
Спроецируем вектора на ось x, и посмотрим, куда будет направлено ускорение. Вектор r направлен вправо – он будет положительным. Сила F тоже оказывается положительной и направлена вправо. Однако, когда мы вычисляем ускорение, то делим на отрицательную массу – в результате вектор ускорения будет направлен противоположно силе, и направлен к началу координат. Получаем, что частица q будет ускоряться по направлению к началу координат – то есть, к частице Q. Иначе говоря, частицы с отрицательной массой и одинаковым зарядом притягиваются.
Теперь рассмотрим движение в гравитационном поле. Напряжённость гравитационного поля, создаваемого частицей с массой M, равна:
На другую частицу, с массой m, находящейся в этом гравитационном поле, будет действовать сила 
, под действием которой, в силу постулата равенства инерционной и гравитационной масс, частица будет двигаться с ускорением 
. Проделав несложные выкладки, получаем:
То есть, направление ускорения частицы не зависит от массы этой частицы, в том числе, не зависит от знака массы этой частицы. Направление ускорения полностью определяется знаком массы источника гравитации. Если источник гравитации имеет положительную массу – к нему будут ускоряться частицы, и не важно, какой у них знак массы. Если источник гравитации имеет отрицательную массу – он будет отталкивать от себя частицы, опять же, не различая их знак массы.
Из-за этого материя с отрицательной массой не может под действием гравитации собраться в плотный объект. Зато электрические силы очень эффективно ионизированное теневое вещество стягивают вместе.
Интересно, что на систему из двух частиц, одна из которых имеет положительную, а вторая – отрицательную массу, действуют силы как притяжения, так и отталкивания. В своих статьях Шкловский показывает, что такая система из двух кварков будет совершать колебания, так как на эту систему будут оказывать влияние и другие силы.
Прохождение частицы через портал
Теперь, для понимания того, как будет работать ускорение звездолёта, покажем, что при прохождении частицы через портал – врата портала меняют свой импульс.
Рассмотрим расположенную на одной оси систему из частицы и двух врат. Пусть частица влетает в первые врата – врата входа, и вылетает из вторых врат – врат выхода. Заранее развернём врата выхода так, чтобы частица, вылетая из них, меняла направление своего движения на противоположное. При этом, очевидно, меняется импульс частицы.
Однако если меняется импульс частицы, то из закона сохранения импульса следует, что в нашей системе что-то ещё, кроме частицы, тоже должно изменить импульс, чтобы сумма импульсов осталась неизменной. А в нашей системе ничего, кроме частицы и двух врат нет. Следовательно, при прохождении частицы через портал, импульс портала изменится. То есть, врата портала швырнёт в сторону.
Врат у нас всё-таки два, и хоть их суммарный импульс изменился, но остаётся вопрос, как именно изменился импульс каждых из врат. Здесь можно рассмотреть следующую гипотезу. Спроецируем тот путь, которым связаны врата, на нашу вселенную. Когда частица проходит по этому пути, то её проекция движется со сверхсветовой скоростью – как тахион. Поэтому прохождение частицы сквозь портал можно рассмотреть как соударение частицы с первыми вратами, превращение её в тахион, соударение тахиона со вторыми вратами, и превращение в обычную частицу. При этом мы условились, что направление вылета частицы из вторых врат мы можем задать по своему усмотрению. В результате мы знаем направление, по которому тахион отскочит от первых врат – это направление в сторону вторых врат, и знаем направление, в котором частица полетит после удара тахиона о вторые врата. Это должно помочь рассчитать изменение импульса врат.
Причём с точки зрения самой частицы никаким тахионом она не является, а со сверхсветовой скоростью движется лишь её проекция на нашу вселенную. И эта проекция с нашей вселенной не взаимодействует.
Межзвёздный парусник
Как мы только что выяснили – мы можем изменить импульс врат, посылая частицы через портал. Если мы развернём врата выхода так, что частицы будут менять импульс на противоположный, то врата начнут ускоряться, отражая назад частицы – точно так же, как это сделал бы лазерный парусник, отражая назад фотоны.
Но, в отличие от лазерного парусника, портал позволяет сохранить плотность ускоряющего луча на любом расстоянии, хоть на десятки световых лет от входных врат. У нас исчезает проблема расфокусировки луча.
Это настолько важное преимущество, что даже если бы мы не могли повернуть сами врата выхода, и частицы вылетали бы из них под тем же углом, что и влетали – мы бы всё равно смогли сделать звездолёт. В самом деле, достаточно у врат выхода разместить зеркало, отражающее частицы назад, и жёстко связать это зеркало с вратами выхода, как мы тоже получим портальный парусник.
То, что повернув врата выхода, мы можем сами эти врата использовать как зеркало – это лишь полезное дополнение к основной функции портала: доставить ускоряющий луч к звездолёту без потерь на расфокусировку.
Портал решает и другие проблемы. Мы можем маневрировать, ускорять, замедлять звездолёт, просто поворачивая либо его врата, либо отражатель, о который будут ударяться частицы при выходе из врат.
Врата дадут канал связи со звездолётом в режиме реального времени. Это позволит им управлять с Земли, и получать результаты его наблюдений даже на межзвёздных расстояниях.
Ускоряющий луч
Использовать лазер в лазерном паруснике предполагалось, так как нам было нужно ускорять звездолёт как можно дольше. А лазерный луч – это луч частиц с наименьшим рассеиванием. Однако у фотонов есть серьёзный недостаток: они переносят слишком малый импульс.
Нагляднее всего продемонстрировать эту проблему на следующем примере. Как уже упоминалось в начале статьи, современные двигатели вполне обеспечивают ускорение, необходимое для достижения половины скорости света за приемлемое время. Однако эти двигатели очень прожорливы, и топлива им хватает ненадолго. Поэтому одна из проблем конструирования космического корабля – это экономия реактивной массы.
Так как импульс равен произведению массы на скорость, то имея на борту определённое количество реактивной массы, мы тем эффективнее её потратим – чем с большей скоростью её запустим. Тем больший импульс тогда добавится кораблю.
Следовательно, чем ближе скорость реактивной струи к скорости света – тем эффективнее расход топлива. И в этом смысле фотоны выглядят идеальной реактивной тягой, так как скорость фотонов равна скорости света. Однако, если мы посмотрим на современные космические корабли, то вряд ли найдём те, у которых двигатели представляют собой какие-нибудь светодиодные панели, или рентгеновские излучатели. Зачастую космические аппараты используют ионные двигатели, а вовсе не излучатели фотонов. По той простой причине, что фотоны переносят слишком малый импульс. Мы пока не умеем делать настолько мощные компактные лампы, что ускорение от них будет сопоставимо с ускорением от ионного двигателя.
Лазер для межзвёздного парусника был попыткой как можно дольше ускорять звездолёт, но при нашем уровне технологий – это не самый лучший ускоритель. Ионы, разогнанные до высокой скорости, подойдут намного больше, так как переносят больший импульс. Причём, если мы сможем поворачивать врата, то сможем отражать назад даже очень высокоэнергетичные ионы, разогнанные почти до скорости света.
Следовательно, ускорителем портального парусника будет не лазер, а ускоритель частиц – что упростит достижение ускорения в 1g.
Для ускорения звездолёта можно задействовать множество излучателей. Для этого мы делаем портальный парус состоящим из множества сегментов, и в центре каждого из сегментов находится отдельный портал. В звездолёте эти сегменты мы можем расположить плотно, что уменьшит массу корабля. А вот на Земле мы можем их разнести далеко, и направить в каждый сегмент луч от отдельного ускорителя.
Прибытие
Скорее всего, первые звездолёты будут очень малы. Однако, если мы научимся портал расширять, то, долетев до другой звёздной системы – мы расширим портал, и через него сможем запустить другие исследовательские корабли. Для расширения портала, скорее всего, понадобится поместить в него побольше отрицательной массы.
Портал можно установить и на поверхности другой планеты – проложить через него рельсы, и поездами везти колонистов. Так вполне возможно переселить большое количество людей на другую планету в другой звёздной системе. При этом, в отличие от перевозки людей космическими кораблями, устраняется угроза получения людьми большой дозы космической радиации по пути.
Реликтовые порталы
У звёзд, похожих по характеристикам на Солнце, выше вероятность наличия землеподобных планет. Однако такие звезды – редкость. Ближайшие к нам находятся на расстоянии 200-400 световых лет. Даже разогнавшись до околосветовой скорости, звездолёт будет лететь до них веками. А хотелось бы побыстрее. И для этого придётся как-то превысить скорость света. Было бы хорошо, если бы уже существовали порталы, связывающие нас с разными местами Вселенной. И в фантастике, нередко, вводится какая-то инопланетная цивилизация, построившая в прошлом обширную сеть порталов, которыми мы можем воспользоваться.
Но что, если сеть порталов действительно существует, только имеет естественное происхождение?
Событие Большого взрыва традиционно рассматривалось как появление большого количества частиц и античастиц, так что их суммарный заряд равнялся нулю. Физики инстинктивно полагали, что заряд из ниоткуда появиться не может. Только в этих рассуждениях был изъян: хоть суммарный заряд вселенной и был равен нулю, но вот суммарная энергия такой вселенной нулю не была равна.
Шкловский пошёл дальше этой модели. Он предположил, что и суммарная энергия Вселенной тоже равна нулю. А это значит, что кроме обычной материи возникла не просто антиматерия с противоположным зарядом, а теневая антиматерия.
Из этого следует интересный вывод. Так как на ранней стадии существования Вселенной была огромная плотность вещества, в том числе и теневого, то это значительно повышает вероятность самопроизвольного появления порталов в тот период. Судя по всему, оба выхода портала возникают в одной и той же точке пространства, после чего расходятся. За миллиарды лет те врата, которые возникли рядом, успели разойтись на огромные расстояния. И если их найти и расширить, то мы можем попасть в очень удалённые области нашей Вселенной.
Источники
Статьи Шкловского, посвящённые отрицательной массе
На всякий случай я сделал скриншоты этих статей, и привожу их здесь же под спойлерами. И так как это - не мои статьи, то задавать мне по ним вопросы бесполезно. Скриншоты я немного подчистил, чтобы убрать лишний мусор, но всё равно форматирование текста оставляет желать лучшего.
Был ли Большой взрыв в нашей наблюдаемой Вселенной?
Зеркало 2: скриншоты
Космологические следствия существования теневых частиц
Зеркало 1: livejournal (часть 1)
Зеркало 1: livejournal (часть 2)
Зеркало 2: скриншоты
Интервью Шкловского про отрицательную массу
Эти интервью на Youtube – просто вольный пересказ статей Шкловского, скриншоты которых есть выше.
Альтернативная теория элементарных частиц с частицами отрицательной массы это не фейк
Космологические последствия существования частиц отрицательной массы
Научно-популярные фильмы
Межзвёздный полёт через кротовую нору
Порталы не создают вечный двигатель, если телепортировать гравитацию
Этот фильм использует упрощенную модель порталов, однако интересен тем, что показывает, как численно рассчитать гравитационное поле в окрестностях портала.
Другие научные статьи
A. Einstein, N. Rosen “The Particle Problem in the General Theory of Relativity” – Одна из первых статей про порталы. Эта статья вводит понятие «мост Эйнштейна-Розена» – одну из разновидностей порталов.
G. Marx “Interstellar Vehicle Propelled By Terrestrial Laser Beam” – Первый проект межзвёздного парусника, разгоняемого лазером.
Michael S. Morris, Kip S. Thorne “Wormholes in spacetime and their use for interstellar travel: A tool for teaching general relativity” – Фундаментальная статья по порталам, приходящая к выводу, что для стабильного портала нужна материя с отрицательной массой.
