…Или защо трябва да изправим гравитацията срещу другите сили на вселената
Представете си, че искате да посетите най-близката до нас звезда – Проксима Кентавър. Тя е на „само“ 4,24 светлинни години разстояние.
Със сегашните ни най-бързи космически кораби, които развиват около 60 000 километра в час, бихме пътували приблизително 74 000 години. Очевидно имаме проблем.
Междузвездните пътувания изискват нещо радикално различно от конвенционалните ракети. Физиците от десетилетия фантазират за технология, която „огъва“ самото пространство-време, позволявайки ни да пътуваме ефективно по-бързо от светлината, без всъщност да нарушаваме законите на физиката.
Но има огромна пречка: енергията.
Класическият подход и неговият проблем
През 1994 година мексиканският физик Мигел Алкубиере предложи математически модел за такъв двигател. Идеята е елегантна: вместо да движиш кораба през пространството, ти „свиваш“ пространството пред кораба и го „разтягаш“ отзад.
Корабът остава неподвижен в собствения си „мехур“ от пространство-време, докато самият мехур се движи. Красиво на хартия, катастрофално в реалността.
Оригиналните изчисления на Алкубиере показаха, че за да създадеш такъв мехур с диаметър около 100 метра, ще ти трябва маса-енергия еквивалентна на цялата наблюдаема вселена.
По-късни оптимизации от Харолд Уайт в НАСА през 2011 година намалиха това до „само“ маса-енергията на планета Юпитер, чрез геометрия на мехура във формата на торус. Все още абсурдно непрактично.
Проблемът е фундаментален, но не и непреодолим – за да огънеш пространство-времето значително, според Алберт Айнщайн и неговата Обща теория на относителността от 1915 година, ти трябва огромна маса или енергия.
Няма начин да заобиколиш това… или има?
4-те фундаментални сили на Вселената
Преди да обясним новия подход, трябва да разберем основните „строителни блокове“ на вселената – четирите фундаментални сили.
Всичко във вселената, от атомите в тялото ви до галактиките в космоса, е управлявано от тези четири сили.
1. Гравитацията
Тя е силата, която ни държи на Земята, управлява орбитите на планетите и оформя самата структура на вселената. Въпреки че е най-слабата от всички сили, тя доминира на космически мащаби, защото е кумулативна – повече маса означава повече гравитация – и не може да бъде неутрализирана.
Гравитацията има безкраен обхват и винаги е привлекателна. Ако я вземем за базова единица с относителна сила 1, другите сили са просто невероятно по-мощни.
2. Електромагнитната сила
Тя е милион милиарда милиарда милиарда милиарда пъти по-силна от гравитацията! Електромагнитната сила също има безкраен обхват, но за разлика от гравитацията, тя може да привлича и да отблъсква, защото действа върху електрически заредени частици.
Именно тази сила е отговорна за химията, светлината, електричеството и дори „твърдостта“ на материята.
Когато седите на стол, всъщност електронните облаци на атомите ви се отблъскват от електронните облаци на атомите на стола с чудовищна сила.
Материята изглежда „твърда“, не защото атомите са плътни сфери – всъщност 99,9999999% от атома е „празен“. Ако ядрото е топка за тенис в центъра на футболен стадион, електронната обвивка е някъде при трибуните. Твърдостта идва от електромагнитното отблъскване между електронните облаци.
3. Силното ядрено взаимодействие
Това е най-мощната сила във вселената – милион милиарда милиарда милиарда милиарда милиарда пъти по-силна от гравитацията! Но тя е и „късогледа“ – действа само на разстояния около една хилядна от една милиардна от милиметъра, което е приблизително размерът на атомното ядро.
Силното ядрено взаимодействие държи протоните и неутроните заедно в атомното ядро. Без нея протоните, които всички са положително заредени, биха се разхвърляли от електромагнитно отблъскване.
4. Слабото ядрено взаимодействие
Тя е милион милиарди милиарда пъти по-силна от гравитацията, но все още по-слаба от другите две. Обхватът ѝ е още по-микроскопичен – около една милионна от размера на атомното ядро.
Слабата ядрена сила позволява на неутроните да се превръщат в протони и обратното, което прави възможен слънчевия синтез. Без нея Слънцето не би светило, а радиоактивният разпад, който е източникът на топлината в земното ядро, не би съществувал.
Гравитацията срещу енергията и метафората с плочата
За да разберем идеята за манипулация на гравитацията, помага следната аналогия. Представете си масивна бетонна плоча, лежаща на земята.
Под нея детонирате мощен взрив. Какво се случва?
За миг взривът повдига плочата нагоре. Но след като енергията от взрива се изчерпа, гравитацията – масата на плочата плюс притеглянето на Земята – я захлупва обратно надолу.
Енергията е краен импулс. Тя може да бъде мощна, но се изчерпва. Гравитацията, която идва от масата, е постоянна. Тя действа непрекъснато, неуморимо, завинаги. Това виждаме навсякъде във вселената.
В Земята ядрото се нагрява от радиоактивен разпад и от остатъчна топлина от образуването на планетата преди милиарди години.
Тази топлина бавно изтича – Земята се охлажда с около 50-100 градуса на милиард години. В крайна сметка, след милиарди години, цялото ядро ще стане твърдо. Гравитацията печели.
В звездите картината е подобна. Докато звездата „гори“ чрез термоядрен синтез, има равновесие: налягането навън от синтеза балансира гравитацията навътре. Когато „горивото“ свърши, енергията спира и гравитацията побеждава. Звездата колабира.
За по-малки звезди като Слънцето колабсът спира на етап „бяло джудже“, където електронното налягане от електромагнитната сила успява да издържи на гравитацията. За масивни звезди с около 8 до 20 слънчеви маси след супернова се образува неутронна звезда.
Гравитацията е толкова силна, че притиска атомите, докато електроните се „вливат“ в протоните. Остават само неутрони с плътност около един 1 000 000 000 тона на кубичен сантиметър! Неутронното налягане от силната ядрена сила спира колапса.
За свръхмасивни звезди с над 20-25 слънчеви маси дори неутронното налягане не е достатъчно. Гравитацията побеждава тотално и се образува черна дупка. Материята колабира до сингулярност.
Виждате ли шаблона?
В дългосрочен план гравитацията винаги печели, защото енергията се разсейва, а гравитацията е вечна.
Парадоксът: Гравитацията е слаба, но е шефа на макрокосмоса
Тук идва интересното. На различни нива на реалността различни сили доминират. На атомно и молекулярно ниво, където живеят химията и биологията, електромагнитната сила доминира напълно. Гравитацията между два атома е пренебрежимо слаба.
Цялата химия, биология, твърдостта на материята – всичко е електромагнетизъм. Вътре в атомното ядро силната ядрена сила командва безусловно, а гравитацията е абсолютно ирелевантна.
Но на космически мащаб, когато говорим за планети, звезди и галактики, гравитацията доминира. Защо този парадокс? Как най-слабата сила управлява вселената?
Отговорът е тройствен. Първо, гравитацията е кумулативна – всяка частица маса допринася и ефектът се събира. Второ, другите сили се неутрализират: положителни и отрицателни заряди се компенсират на големи мащаби, а ядрените сили имат микроскопичен обхват. Трето, гравитацията има безкраен обхват и не може да бъде екранирана. Резултатът е, че гравитацията оформя архитектурата на космоса – къде стои какво, как се движи, кой с кого взаимодейства. Структурно гравитацията командва на сто процента.
Новата идея: Изправи силите една срещу друга
И ето къде идва новият подход за междузвeздни пътувания.
Ако гравитацията е най-слабата сила, защо се опитваме да я манипулираме директно с огромни количества маса-енергия?
Защо не използваме по-силните сили – електромагнитната или ядрените – за да манипулираме локално гравитацията?
Първата концепция е квантова поляризация на вакуума.
Квантовият вакуум не е празен – той кипи от „виртуални частици“, които постоянно се появяват и изчезват.
Ако създадеш свръхинтензивни, прецизно конфигурирани електромагнитни полета, може би би могъл да „поляризираш“ вакуума по начин, който модифицира локалната гравитация. Аналогията е като да използваш силен магнит, за да изкривиш как желязните стърготини се разпределят.
Втората концепция включва антиматерия като енергиен източник.
Антиматерията е реална – всяка частица има античастица. Електронът има позитрон, протонът има антипротон. Когато материя и антиматерия се срещнат, те анихилират се напълно, превръщайки се в енергия със сто процента ефективност, точно както Айнщайн предсказа в уравнението му „енергия равна на маса по скоростта на светлината на квадрат“ (Е=М*C2).
Това прави антиматерията най-мощното теоретично гориво.
Хибридният подход би работил така:
Първо генерираш антиматерия, което е много трудно с днешна технология, но теоретично възможно (в ЦЕРН го правят с антипротонно забавяне).
После анихилираш я контролирано с обикновена материя. Енергията от анихилацията я насочваш чрез свръхмощни електромагнитни полета в специфична геометрия.
Тази геометрия, съчетана с квантовите ефекти, локално огъва пространството. Вместо да „буташ“ с най-слабата сила чрез огромна маса (това е наистина чудовищен проблем), ти използваш най-силните сили за локална манипулация т.е. за управление на вектора на движение.
Третата концепция е наистина смела и достига на ръба на фантастиката, макар, че теоретично физиката изпреварва с векове инженерството – микрочерни дупки като гравитационни котви.
Създаваш микроскопична черна дупка, което е теоретично възможно с достатъчно енергия, и я „храниш“ с анихилация на антиматерия и материя. Черната дупка естествено огъва пространството.
Ако можеш да я контролираш с магнитни или гравитационни полета, би могъл да я използваш като гравитационна котва за манипулация на пространство-времето.
Проблемът тук е, че микроскопична черна дупка би изпарила почти мигновено чрез ефекта, предсказан от Стивън Хокинг през 1974 година. Колкото по-малка е дупката, толкова по-бързо изпарява. Трябва постоянно да я „храниш“, за да не изчезне.
Реалистичният поглед
Няма потвърден механизъм в съвременната физика за директна манипулация на гравитацията чрез електромагнитни или ядрени сили. Нямаме работеща теория за квантова гравитация.
В екстремни среди като неутронни звезди и пулсари с магнитни полета от 100 000 000 000 тесла не виждаме антигравитационни ефекти. Може би не мерим, гледаме или слушаме където и каквото трябва, с инструменти, които още нямаме, но да – това е спекулативно, но историята помни много такива примери.
Физиците търсят обединение на всички сили. Ако те са обединени на фундаментално ниво, трябва да има механизми за взаимодействие, които не виждаме още.
1. Първо, науката не е свършила
Преди 100 години не знаехме за квантовата механика, черните дупки експериментално, тъмната материя и енергия, гравитационните вълни.
Кой знае какво ще открием за взаимодействията между силите в следващите сто години?
2. Силите са обединени на фундаментално ниво
Физиците търсят „Теория на всичко„, обединение на всички сили.
Ако те са обединени, трябва да има механизми за взаимодействие на ниво, което не виждаме още.
3. Може би не измерваме правилно
Преди детекцията на гравитационни вълни през 2015 година в гравитационната обсерватория LIGO хората казваха: „Не ги виждаме, може да не съществуват.“.
Само 2 години по-късно откривателиет спечелиха Нобелова награда за Физика (2017 година).
Оказа се, че просто не знаехме как да ги измерим. Може би има гравитационни аномалии около силни електромагнитни полета, но са твърде слаби за нашите инструменти, са на погрешен мащаб или не търсим на правилното място.
4. Историята на „лудите“ идеи
Много абсурдни идеи се оказаха верни. Континенталният дрейф на Алфред Вегенер от 1912 година – всички му се присмяха, а петдесет години по-късно се оказа прав.
Черните дупки – дори Айнщайн мислеше, че са математически артефакт. Кварките – хората казваха „Абсурдно! Никога няма да ги видим!“ Гравитационните вълни – 100+ години между теорията от 1905 и детекцията през 2015.
Вместо заключение
За да превърнем тази идея в наука, са необходими математически модел, експериментална верификация и връзка със съществуваща теория за квантова гравитация, която да е потвърдена (има съответните теории, елегантни поне като тази, макар, че личното ми его я дефинира като елегантна признавам).
За да превърнем тази идея от спекулация в наука, са необходими много неща от математически модел, през експериментална верификация с връзка със съществуваща теория и интеграция с теорията на струните, квантовата LGQ гравитация или друга квантово-гравитационна рамка.
При производството на антиматерия днес правим пикограми в ЦЕРН (0,000000000000001 кг), а трябват килограми.
При свръхпроводящите магнити днес достигаме стотици тесла, но може да са нужни много повече.
Контролът на микрочерни дупки изисква технологии, които дори не можем да си представим.
Не мога да докажа, че идеята е вярна, защото няма модел и данни.
Не мога да докажа, че е грешна, защото нямаме доказателства за това.
Може би след 100, 200 или 500 години някой млад физик ще прочете тази идея и ще каже:
„Чакайте…сега, след като имаме квантовата гравитация, това всъщност работи!“
Или ще каже:
„Интересно, но напълно грешно.“
Единственият начин да открием нови неща е да се осмеляваме да мислим отвъд границите на текущото знание. Лично аз мразя ограниченията на видимата природа, защото те са като мрежа, опъната под небето, между човека и идеите. Накратко – тясна рамка.
И ако някой ден човечеството наистина пътува между звездите, няма да е с класически ракети. Ще е с нещо радикално различно, нещо, което днес изглежда невъзможно.
Нещо, точно като тази идея…
Статията представлява спекулативна научна хипотеза и не претендира за установена научна истина. Читателите се насърчават да изследват темата самостоятелно и критично.