Ето защо не може да се направи варп двигател с помощта на антиматерия

В съвременната физика антиматерията се определя като материя, състояща се от античастици. Това са партньори на съответните частици в „обикновената“ материя и може да се разглеждат като материя с обратен заряд, четност и време. Антиматерията възниква при естествените процеси, като сблъсъците на космически лъчи и някои видове радиоактивен разпад. Няколко различни антиатоми също бяха успешно произведени при лабораторни експерименти.

Учените са произвели незначителни количества античастици в ускорителите, но като цяло по време на експериментите са били произведени само няколко нанограма антиматерия. Все още не са произведени макроскопични количества антиматерия. Причините са високата цена и сложността на производството и съхранението. Тоест сценарият на Дан Браун е все още далеч.

Сблъсъкът на всяка частица с нейната античастица води до тяхната взаимна анихилация, при което се получават високоенергийни фотони (гама лъчи) и неутрино. А понякога и по-малко масивни двойки частица-античастица. По-голямата част от общата енергия на анихилацията се отделя като йонизиращо излъчване. В присъствието на околната материя енергията на това лъчение се поглъща и се превръща в други форми на енергия, като топлина или светлина. Количеството на освободената енергия обикновено е пропорционално на общата маса на сблъскващите се материя и антиматерия, съгласно добре известното уравнение за еквивалентност на масата и енергията, E=mc².

Античастиците се свързват помежду си, за да образуват антиматерия, точно както обикновените частици се свързват помежду си, за да образуват обикновената материя. Например един позитрон (античастицата на електрона) и един антипротон (античастицата на протона) могат да образуват антиводороден атом. Антихелиевите ядра са произведени изкуствено, макар и трудно, и са най-сложните антиядра, наблюдавани досега. Физичните принципи показват възможността за съществуване на сложни атомни ядра от антиматерия, както и на антиатоми, съответстващи на известните ни химични елементи.

Съществуват убедителни доказателства, че наблюдаемата Вселена е съставена почти изцяло от обикновена материя, а не от смес от материя и антиматерия. Тази асиметрия на материята и антиматерията в наблюдаемата вселена е един от най-големите нерешени проблеми във физиката. Процесът, при който е възникнало това неравенство между частиците материя и антиматерия, се нарича бариогенеза.

Въпреки че експериментите с антиматерия се провеждат от почти 100 години, въпросът за нейната маса все още не е получил ясен отговор. Работата е там, че някои теоретици смятат, че антиматерията може да бъде огледален образ на материята във всичко, включително да притежава отрицателна маса. А материята с отрицателна маса би могла да се използва за създаване на варп задвижване (свръхсветлинно задвижване).

Варп двигателят

Варп двигателят, който използва изкривяване на пространството, за да постигне свръхсветлинна (по-голяма от скоростта на светлината) скорост можем да срещнем в множество научнофантастични произведения. На първо място това е „Стар Трек“. Но този уж фантастичен двигател е обект на непрекъснати физични изследвания. Общата концепция за „варп двигател“ е въведена от Джон У. Кембъл в романа му „Острови от космоса“ от 1957 г. След това е популяризирана в телевизионния сериал „Стар Трек“. Най-близкият му еквивалент в реалния живот е двигателят на Алкубиер. Това е теоретично решение на уравненията на полето на общата теория на относителността.

Първите стъпки

Самата идея за варп двигател (warp engine), предложена през 60-те години на ХХ в., е изключително несериозна, но и лесна от гледна точка на математиката. Само че един физик на име Мигел Алкубиере, уж забавлявайки се и отлагайки, докато пише докторската си дисертация, разработва някои много интересни детайли. Те могат да доведат до физически реалистична версия на варп двигател.

Алкубиере осъзнал, че ако се допусне съществуването на отрицателна маса/енергия, тя би могла да изкриви пространство-времето по твърде специфичен начин. Двата вида маса/енергия, положителна и отрицателна, биха могли да се съберат в такава конфигурация, че пространството „пред“ космическия кораб да се огъне и по същество да се свие, докато пространството „зад“ космическия кораб да бъде обратно извито, така че да се разшири. Пространството между тях ще бъде плоско и мехурчесто, което ще позволи на кораба вътре да оцелее.

Ако във Вселената съществуваше някакъв вид отрицателна енергия, която можеше да бъде контролирана, тогава този вид изкривено пространство-време, сега известно като метриката на Алкубиере, можеше да бъде създаден в реалния живот. Единственият проблем, разбира се, е, че всички известни частици и полета, дори на теория, имат само един вид маса/енергия: положителна, и следователно всички те изкривяват пространство-времето по един и същи начин. За да бъде реализиран физически един варп двигател, е необходима някаква „екзотична материя“ с отрицателна маса/енергия.

Свръхсветлинните двигатели

За разлика от някои други измислени технологии за ускоряване на светлината, като например скоковия двигател, варп двигателят не позволява мигновено пътуване между две точки, а предполага измеримо време, което е от значение за концепцията. За разлика от хиперпространството, космическите кораби, движещи се с варп скорост, продължават да взаимодействат с обектите в „нормалното пространство“. Построяването на такъв двигател не изисква нищо повече от това да се получи „отрицателна енергия“ или материя с отрицателна маса.

Хората са мечтали за нещо подобно на варп двигател още преди общата теория на относителността на Айнщайн. През XIX век, когато математиците започват да се занимават с нови видове геометрия, далеч надхвърлящи въображението на Евклид и неговите наследници. През по-голямата част от историята на математиката пространството можеше да съдържа до три измерения и всяко измерение можеше да бъде представено правилно чрез набор от декартови „решетъчни линии“, където успоредните линии винаги продължават до безкрайността и никога не се пресичат.

Математическите модели

Това започна да се променя, когато математиците по същото време започнаха да разглеждат две нови възможности. Това е, че може да има „допълнителни“ пространствени измерения извън трите, които познаваме. Както и че пространството може да не е плоско, а извито.

Тези прозрения имат редица непосредствени дълбоки последици. Сумата от ъглите на един триъгълник може да бъде по-малка или по-голяма от 180°, в зависимост от това дали пространството е отрицателно или положително извито. Паралелните линии не само могат да останат завинаги равноотдалечени, но и да се разминават или сближават в зависимост от това дали пространството е положително или отрицателно извито.

Можем дори да си представим екстремни варианти на изкривено пространство-време. В този случай две точки, които биха били далеч една от друга в обикновеното декартово/евклидово пространство, биха се слепили. Ако случаят е такъв, това би позволило почти мигновено да се пътува едновременно между тези две на пръв поглед несвързани точки, просто като се възползваме от „прекия път“, станал възможен благодарение на нагънатото пространство. Този пряк път, „дупка“ в пространството, се нарича „червеева дупка„.

Червеивите дупки

Първият открит вид решение на уравненията на Айнщайн е червеева дупка на Шварцшилд. За нея се предполага, че присъства в метриката на Шварцшилд, описваща вечна черна дупка. Но беше установено, че тя се свива твърде бързо, за да се премине през нея от единия до другия край. Смяташе се, че червеевите дупки, които могат да бъдат пресичани и в двете посоки, известни като проходими червееви дупки, са възможни само ако за стабилизирането им се използва въпросната екзотична материя с отрицателна плътност на енергията.

През 1916 г., няколко месеца след като Шварцшилд публикува своето решение, Лудвиг Флам открива теоретичната възможност за „мост“ между две точки в пространството. Това е червеева дупка или тунел, който свързва две отдалечени точки по един къс и пряк път. Това е преоткрито и от Алберт Айнщайн и неговия колега Натан Розен, които публикуват резултата си през 1935 г.

Само че през 1962 г. Джон Арчибалд Уилър и Робърт У. Фулър публикуват статия, в която показват, че този тип червеева дупка е нестабилна, ако свързва две части на една и съща Вселена. Както и че тя би се стеснила твърде бързо, за да може светлината (или която и да е частица, движеща се по-бавно от светлината), влизаща в нея от едната външна област, да има време да влезе в другата външна област.

Айнщайн и другите

Според общата теория на относителността гравитационният колапс на достатъчно компактна маса образува сингулярна черна дупка на Шварцшилд. В теорията на гравитацията на Айнщайн-Картен-Шяма-Кибъл обаче той образува регулярния мост на Айнщайн-Розен. Това е червеева дупка, която свързва черна дупка в единия край с бяла дупка в другия. Бялата дупка е хипотетичен физически обект във Вселената, в чиято област не може да влезе нищо. Бялата дупка е времевата противоположност на черната дупка и се определя от същите уравнения на общата теория на относителността като черните дупки. Повечето физици смятат, че съществуването на бели дупки в природата е невъзможно.

Въпреки че червейните дупки на Шварцшилд не са проходими в нито една от двете посоки, тяхното съществуване вдъхнови Кип Торн да мисли за проходими червейни дупки. Те трябва да бъдат създадени чрез затягане на „гърлото“ на червейната дупка на Шварцшилд. Теоретично това може да стане с помощта на въпросната екзотична материя (материя, притежаваща отрицателна маса/енергия).

До неотдавна много физици и любители на научната фантастика се надяваха, че именно антиматерията ще бъде тази екзотичната материя, която ще ни помогне да построим изкривяващ пространството космически кораб. Или да запазим червеева дупка, за да можем да прескочим през нея от една точка в пространството до друга.

Накъде пада антиматерията

Доклад, публикуван наскоро в списание Nature от учени, работещи в европейската лаборатория ЦЕРН, разсея надеждите на любителите на научната фантастика. Без съмнение антиматерията пада по същия начин.

За целите на експеримента учените поставят около 100 атома антиводород, създадени във фабриката за антиматерия на ЦЕРН, в магнитен контейнер. След това бавно изключват магнитите за 20 секунди и броят колко атома се издигат нагоре и колко се спускат надолу. Под действието на гравитацията повечето атоми се спускат надолу.

При това измерване стана ясно, че антиводородните атоми изпитват гравитационна сила надолу, сравнима с тази, която изпитват водородните атоми. Само че около 75% от нормалната гравитация. Грешката на измерването е около 20%, което всъщност означава, че материята и антиматерията изпитват една и съща гравитационна сила. Този експеримент показа, че антиматерията не пада нагоре.

Този резултат е в съответствие с прогнозите, направени с помощта на общата теория на относителността на Айнщайн. А тя е водещата научна теория за гравитацията. В ОТО принципът на слабата еквивалентност изисква всички маси да реагират на гравитацията по един и същи начин, независимо от вътрешната им структура.

Законите на природата

Този резултат е впечатляващо измерване, което потвърждава разбирането ни за природните закони. Разбира се, той ще разочарова мнозина. Резултат, който не отговаря на очакванията, би изисквал сериозно преразглеждане на нашето разбиране за физиката. По думите на д-р Джефри Хангст от ALPHA Collaboration

„Щеше да е много по-хубаво, ако антиматерията беше паднала нагоре“.

Уви, това не се случи.

И още, заради това умря още една фантастична мечта: изкуствената гравитация, работеща без въртене и ускорение. Ако антиматерията наистина имаше отрицателен гравитационен ефект, тогава, като просто бихме могли да направим пода на космическия кораб от обикновена материя, а тавана му – от антиматерия. Така бихме могли да създадем космически кораб със собствена вградена автоматична система за изкуствена гравитация. Но тъй като антиматерията се държи с гравитацията по същия начин като обикновената материя, единствените възможности за създаване на изкуствена гравитация в космически кораб са или постоянно линейно ускорение, или въртене на цилиндъра около оста му. Както както във филма „2001: Космическа одисея“. Или както в цилиндъра на О’Нийл.