Cześć!
Sezon ogórkowy nie zawsze oznacza same ogórki, jak widzicie. Polecam wziąć jakiegoś małosolniaka do ręki i czytać, bo dziś jest o czym. Zawsze jest, ale dziś będzie wakacyjnie i mniej naukowo. Możemy się rozmarzyć o... podróżach szybszych od prędkości światła! Tak, tak, Star Trek i te sprawy.
Gwoli ścisłości, miało być o pianie kwantowej, ale się rozmyśliłem. Dam waszym szarym komórkom trochę luzu i zaczerpnę temat rodem z science-fiction. Jak się jednak okazuje, nie tak daleko mu do prawdziwej nauki... Ale po kolei.
1. Kto to wymyślił, skąd to Warp Drive i z czym to się je (akurat to ostatnie wiadomo - z małosolniakiem ;))
'Warp' znaczy po angielsku 'odkształcać'. Od razu ciśnie się na usta: 'przecież to ze Star Treka. Zakrzywiali czasoprzestrzeń i poruszali się szybciej od światła'. Po co czytać posta? Czy nie lepiej włączyć sobie kapitana Picarda, Spocka i spółkę zobaczyć silnik warp na własne oczy?
W serialu Star Trek napęd warp przedstawia się trochę inaczej niż ten, nad którym pracuje NASA. Co proszę?! A, tak. NASA wzięła sobie do serca obliczenia niejakiego Miguela Alcubierra i bada przestrzenie warp. Wspomniany Meksykanin z kolei, inspirował się literaturą science fiction i postanowił zobaczyć, czy da się, chociaż na papierze, w obliczeniach, skonstruować napęd zakrzywiający czasoprzestrzeń. I udało się, ale o tym trochę później.
Tymczasem, w odległej galaktyce... :) - czyli na szklanym ekranie, napęd warp wygląda bardzo efektownie: sercem napędu jest rdzeń warp, w nim antymateria i materia w sposób kontrolowany anihiluje się i dostarcza energii, która służy do produkcji wysokoenergetycznej plazmy. Potem plazma, przez cewki warp, jest pompowana do gondoli, gdzie mieści się mechanizm generujący pole. Nie pole sąsiada, tylko pole warp.
Powiem tylko tyle: abstrakcja. Podstawy naukowe tego napędu są na tyle prawdziwe, jak długo autorzy serialu posługują się naukowymi nazwami. Bo tylko one są w tym silniku naukowe, takie coś nigdy by nie zadziałało.
Co innego Modus Operandi takiego napędu: zakrzywianie czasoprzestrzeni w taki sposób, że przed statkiem jest ona 'zgniatana', a za nim rozszerzana. I właśnie tym (zgniataniem i rozszerzaniem ;)) zajmują się teraz panowie z NASA.
2. NASA Klasa bawi się w Star Trek.
Napęd warp pozwala podróżować szybciej od światła. Zarówno w serialu Star Trek, jak i w rzeczywistości. W serialach i filmach science-fiction akcja rozgrywałaby się bardzo długo, gdyby np. z Ziemi do najbliższej gwiazdy podróżowałoby się 3 lata, z prędkością światła. Nudy! Dlatego zaisntniała potrzeba stworzenia czegoś wykraczającego poza ramy standardowych ograniczeń prędkości. Zarówno pisarze jak i inżynierowie marzyli o złamaniu zakazu przekraczania prędkości światła, stąd wspomniany Star Trek (i nie tylko, oczywiście), oraz...
Meksykański fizyk Miguel Alcubierre, zainspirowany literaturą, chciał, aby napęd warp stał się rzeczywistością. I teraz uwaga: w tym momencie następuje rozbieżność między literaturą saj-faj a nauką. Pozostaje tylko nazwa. Alcubierre opracował pole warp posługując się matematycznym językiem ogólnej teorii względności. Czyli - przedstawił prawdziwe rozwiązania teorii Einsteina, które pozwalają na podróż szybciej niż 'c'.
NASA uważa, że ta teoria nie jest taką bujda, na jaką mogłaby wyglądać. Eagleworks Laboratories próbują stworzyć i testować pola warp! A jeśli NASA się tym zajmuje - cóż, musi to być prawdziwe. Przecież, nawet gdyby NASA stwierdziła, że muchomory nie są trujące, cóż - musielibyśmy je jeść ;)
3. Czy pola warp można zaorać? ;)
Pola warp to specyficzne obszary w czasoprzestrzeni, które są w pewien szczególny sposób 'zagięte', tak samo, jak masa zagina czasoprzestrzeń. Pola warp nie naruszają ograniczenia co do prędkości światła, ponieważ 'c' odnosi się do obiektów (masy, energii, informacji) podróżujących przez przestrzeń. Lecz nie do samej przestrzeni! Według OTW nie ma ograniczenia co do prędkości względnej dla dwóch odrębnych wycinków czasoprzestrzeni. Tak samo, jak rozszerzające się brzegi Wszechświata mogą poruszać się szybciej od światła (bo porusza się sama przestrzeń; dlatego też światło z brzegów nigdy do nas nie dotrze i nie zobaczymy ich z Ziemi)... Albo w wypadku, gdy odległe galaktyki oddalają się od siebie szybciej od światła, nawet jeśli są nieruchome względem swojego bliskiego otoczenia - podobnie wycinek czterowymiarowej czasoprzestrzeni może złamać ogólnokosmiczne ograniczenie prędkości.
To ciężka praca, oranie tego pola warp! ;) Ale staram się, jak mogę :)
Innym przykładem złamania prędkości światła jest wnętrze czarnej dziury. Centralny punkt - osobliwość grawitacyjna (obiekt punktowy o ekstremalnej gęstości) zagina czasoprzestrzeń i powoduje, że porusza się ona szybciej od światła, unosząc materię i wszystko inne ze sobą. Czasoprzestrzeń wokół czarnej dziury jest opisana za pomocą równań pola Einsteina dla otoczenia punktu o ekstremalnie wysokiej dodatniej energii; masa i energia mówią nam, jak powinna zaginać się owa czasoprzestrzeń (czasoprzestrzeń to, czasoprzestrzeń tamto, trudno mi znaleźć zamiennik tego słowa; czterowymiarowa tkanka rzeczywistości? słowo na 'cz', które tak lubił Einstein? coś, co mierzą razem zegarek i linijka? ogłaszam konkurs na synonim słowa 'czasoprzestrzeń' :)). A co zrobił Alcubierre? Zastosował niezły trick.
4. Czasoprzestrzenna sztuczka Alcubierre'a.
Wracając trochę do poprzedniego akapitu: meksykański fizyk w niesamowity sposób wymyśla z kapelusza rozwiązanie równania dla zagiętej czasoprzestrzeni wokół czarnej dziury bez wpływu masy i energii! Alcubierre - Einstein 1-0. Do ładnej, gładkiej czasoprzestrzeni wstawił 'bąbel' tkanki rzeczywistości o niezwykle zakrzywionej geometrii, bez otaczającej go czarnodziurowej masy i energii. Tak jakby wyciągnął go z jej środka i umieścił gdzieś na spokojnych rubieżach Galaktyki, dawno, dawno temu ;) Mało tego. Umieścił w środku bąbla statek kosmiczny. Bąbel zaginał czasoprzestrzeń tak, że rozszerzał ją za nim a ściskał przed nim. Nasz kochany bąbel ;)
W rezultacie - bąbel jest pchany i ciągnięty przez samą czasoprzestrzeń! Limitem prędkości jest tylko stopień zakrzywienia, intensywność pola warp. Bo, jak już wiemy, limit prędkości światła odnosi się do obiektów, a nie samej czasoprzestrzeni. Taka sztuczka. Statek kosmiczny w środku nie odczuwa żadnego przyspieszenia! Można porównać to do deski surfingowej, która generuje własną falę. Fala porusza się względem oceanu z prędkością większą od c, ale my nie poruszamy się względem fali.
5. Przepraszam bardzo, czy tak można? A także problemy techniczne odnośnie napędu warp.
Czy można wymyślić sobie rozwiązanie opisu czasoprzestrzeni i rozwiązać równania Einsteina od tyłu tak, aby zobaczyć, jaki będzie potrzebny rozkład masy i energii na początku? I który da nasze rozwiązanie? Czy można odpowiadać, zanim usłyszy się pytanie? :) Można. Nie wiadomo tylko, czy rozkład masy i energii będzie fizycznie poprawny. Czyli - nie wiadomo, czy pytanie będzie logiczne.
Okazuje się, że do napędu warp konieczny jest pierścień negatywnej energii, który będzie otaczał statek i stworzy ów bąbel. Niestety, prawdopodobnie nigdy nie będziemy w stanie wytworzyć negatywnej energii w odpowiednich skalach. Możemy stworzyć negatywne ciśnienie - efekt Casimira (w skrócie: między dwoma płytkami obojętnymi elektrycznie i uzyskanej tam próżni występuje negatywne ciśnienie związane z tworzeniem się i znikaniem (anihilacją) cząstek wirtualnych - efekt fluktuacji kwantowych; ciśnienie takiej 'próżni' - okazuje się, że próżnia jest wypełniona cząstkami wirtualnymi - jest większe na zewnątrz płytek niż wewnątrz, ponieważ jest ich tam więcej), ale jest to bardzo mała skala. W skalach makroskopowych, czyli naszego napędu, prawdopodobnie konieczna będzie... negatywna masa. Czy masa może być ujemna?! To temat na inną historię. Jest to bardzo hipotetyczna koncepcja, być może negatywna masa nie istnieje.
Inaczej mówiąc: do stworzenia napędu Alcubierre'a konieczne jest użycie tzw. materii egzotycznej, mającej ujemną masę, albo skorzystanie z innego źródła zakrzywienia czasoprzestrzeni, przeciwnego do tego wywoływanego przez zwykłą materię.
6. Problem czasu i przypuszczenia ochrony chronologii Hawkinga.
Każda maszyna poruszająca się szybciej od światła będzie maszyną... do podróży w czasie. Jednak zasada przypuszczenia ochrony chronologii S.Hawkinga stwierdza, że mechanika kwantowa zawsze będzie zapobiegać wydarzeniom, które mogą naruszyć zasadę przyczynowo-skutkową. Zabijanie własnych dziadków gdy są młodzi, itp. Innymi słowy, prawdopodobnie istnieje coś w głębszym związku teorii względności i mechaniki kwantowej - teorii wszystkiego - co zapobiega powstaniu napędu warp. Tak jakby prawa fizyki zabraniały skonstruowaniu takiego silnika... Inną katastrofą napędu warp mogłoby okazać się olbrzymie promieniowanie Hawkinga (to samo, którym emanują czarne dziury) wewnątrz naszego szkraba... to znaczy bąbla ;)
7. Energia ujemna i inne problemy.
Tej energii musiałoby być cholernie dużo. Tak trudno ją uzyskać, i jeszcze dużo?! Wolę swojego diesla. Dieslom mówimy tak! (no przecież ;)) Ale pobawmy się jeszcze w Star Trek.
Energii ujemnej potrzebowalibyśmy więcej, niż zwykłej energii w obserwowalnym Wszechświecie... Badania geometrii bąbla i kolejne obliczenia zmniejszyły masę ujemną do wielkości Jowisza (nadal mało praktyczne), potem Księżyca, a nawet asteroidy - przy pogrubieniu ścian pola warp.
To nie wszystko! Chłopaki naukowcy wykombinowały, że przy oscylacji pola warp udaje się wręcz 'zmiękczyć' (cokolwiek to znaczy) tkaninę czasoprzestrzeni, i, co za tym idzie, zmniejszyć niezbędną masę ujemną do paru kilogramów. Jednak wtedy, prawdopodobnie, dałyby o sobie znać efekty wyżej-wymiarowe - być może odkrylibyśmy wymiary wyższe niż nasze cztery. Dosłownie - hiperprzestrzenny napęd! :)
Nadal udzielamy odpowiedzi zanim zadano pytanie - czyli wymyślamy rozwiązania teorii względności i dopasowujemy warunki początkowe. Dlatego możemy ścieśnić bąbel warp i jednocześnie rozszerzyć jego wewnętrzną objętość - coś jak TARDIS z Dr Who, czyli technologia podróży w czasie i przestrzeni oraz zagiętych, właśnie większych wewnątrz niż na zewnątrz obiektów. Wtedy negatywna masa/energia liczy się w miligramach. Blisko? Można bliżej!
Jeśli bąbel jest odpowiednio mały, być może nie potrzebujemy materii egzotycznej. Manipulacja w skali kwantowej energii próżni (wspomniany efekt Casimira) może być wystarczająca.
8. Rozwiązaliśmy te problemy - i co dalej?
Optymistyczne informacje z punktu 7. zainspirowały Eagleworks Laboratory z NASA do poszukiwania pola warp. Co udało się osiągnąć?
Stworzono pole warp, jednakże przy pomocy energii dodatniej, nie ujemnej. Użyto interferometru Miechelsona, mniejszej wersji takiego, jakim wykryto fale grawitacyjne (więcej o nich tutaj). Chciano zmierzyć małe zmiany długości przestrzeni stworzone przez ich pole warp. Uzyskano bardzo obiecujące rezultaty. Okazało się jednak, że interpretacja wyników jest bardzo wieloznaczna i wcale nie wskazuje na sukces. Jednym słowem, nie możemy jeszcze przenieść olbrzymiego statku kosmicznego szybciej od światła. Ba, nawet ameba nie wchodzi jeszcze w rachubę. Czyli - kiedy będziemy warpować się po całej Galaktyce?!
9. Przyszłość napędu warp.
Skonstruowanie w pełni funkcjonalnego napędu warp zajęłoby nam prawdopodobnie kilka stuleci, minimalnie. Pewnikiem szybciej osiągniemy gwiazdy podróżując prędkościami podświetlnymi niż za pomocą wymarzonego napędu warp. Nawet silnik Kugelblitz na bazie czarnej dziury jest mniej problematyczny niż warp drive. Być może będziemy już cywilizacją międzygwiezdną, a na pewno międzyplanetarną, kiedy będzie możliwe dokonanie tak wielkich przełomów, jak te potrzebne do konstrukcji napędu warp. Jednak warto zauważyć, że wtedy motywacja będzie inna - być może będziemy chcieli (albo musieli) odwiedzać inne galaktyki, i prędkości podświetlne już nie wystarczą? Rozmarzyłem się. Spojrzeć w nocne niebo i powiedzieć 'o, tam gdzieś też żyją ludzie' - to zadanie dla naszych pra-pra-pra-pra(...)-wnuków. A my tymczasem - orajmy pole i jedzmy małosolniaki ;)
Aha, zapraszam na Patronite! To nie takie trudne założyć tam konto i wesprzeć klikanie w klawiaturę! :)
Oraz na Facebook fanpage; więcej nas, jest ciaśniej ale weselej! ^_^
