Какие научные эксперименты откроют нам дверь в будущее?
Сотрудничество ALPHA провело самый точный эксперимент из всех по измерению поведения нейтрального антивещества в гравитационном поле. В зависимости от результатов, это может открыть двери для невероятных новых технологий. Многие научно-фантастические технологии надолго (или навсегда) останутся в области художественной литературы, если только физика не изменится. Но ведь многие эксперименты могут проверить и это?
Мечта о мгновенной коммуникации, межзвездных космических кораблях и способности перемещаться во времени – избитые штампы научной фантастики. Во многом, они представляют величайшие надежды человечества, и все же полагаются на технологии, которые выходят за рамки того, что известно в настоящее время. Тем не менее, постоянно проводятся и разрабатываются новые эксперименты. Если нам повезет, что мы можем найти за горизонтом? Итан Зигель с Medium.com отвечает на следующий вопрос:
«При условии, что нам повезет, какие научные эксперименты, которые будут проводиться в ближайшие несколько десятилетий, могут открыть перед нами научно-фантастические возможности?».
Существует несколько фантастических возможностей, которые могут перетряхнуть нашу реальность к концу 21 века.
Любые ракеты, которые когда-либо создавались, требуют топлива. Но если бы мы создали двигатель на темной материи, новое топливо можно было бы найти буквально на каждом шагу, ведущем через галактику
Темная материя может быть неограниченным источником топлива, который нам не нужно носить с собой. Одна из самых больших тайн в науке – это, собственно, природа темной материи. Мы знаем, что она существует, благодаря косвенным наблюдениям, и мы знаем, что ее много. Если суммировать всю обычную материю в большой галактике, окажется, что темной материи в пять раз больше. И она почти наверняка состоит из частиц с некоторыми общими свойствами:
- у них есть масса
- у них нет электрического или цветного заряда
- они взаимодействуют гравитационно
- они должны, на определенном уровне, сталкиваться между собой и/или с обычной материей
Из знаменитой формулы Эйнштейна E = mc2 мы узнали, что в темной материи содержится огромное количество энергии: в пять раз больше, чем во всей обычной материи в сумме. Если Вселенная будет к нам добра, мы могли бы попытаться извлечь ее.
Распределение массы скопления Abell 370, реконструированное с помощью гравитационного линзирования, показывает два больших, диффузных гало массы, соответствующих темной материи двух сливающихся скоплений. Возле и внутри любого скопления обычного вещества существует в пять раз больше темной материи
В рамках многих экспериментов ведется поиск столкновений темной материи как с обычной материей, так и с самой собой. В общем, существует два типа частиц: фермионы (с полуцелым спином) и бозоны (с целым спином). Если темная материя является бозоном, это означает, что это, скорее всего, ее собственная античастица, а значит, если взять две частицы темной материи и заставить их взаимодействовать между собой, они взаимно уничтожатся. И если они уничтожатся, то произведут чистую энергию. Другими словами, это свободный, неограниченный источник энергии, который имеется повсюду и вдоволь. И его даже не нужно брать с собой, если вы решитесь пересечь Вселенную. Поэтому, когда вы слышите об экспериментах по поиску темной материи, неограниченная, свободная энергия – это наша конечная, желанная цель.
Иллюстрация варп-поля из «Стар Трека», которое сокращает пространство перед собой, удлиняя пространство за собой
Антиматерия может иметь отрицательную массу, что означает, что она может быть ключом к варп-двигателю. Если вы хотите путешествовать к звездам, обычные источники энергии и топлива доставят вас только от забора и до обеда. Или же они будут двигаться не быстрее скорости света. Ближайшая звезда типа Солнца с потенциально обитаемыми мирами, Тау Кита, находится примерно в 12 световых годах от нас. То есть, одно только путешествие туда и обратно займет, по крайней мере, полжизни. Но если бы мы могли сжимать пространство перед собой, путешествуя по межзвездному пространству, одновременно расширяя его позади, мы могли бы добраться туда намного быстрее. Именно такая идея пришла в голову астрофизику Мигелю Алькубьерре в 1994 году, который впоследствии оформил ее по канонам строгой науки.
Только вот для решения Алькубьерре нужна отрицательная масса
Чтобы добиться правильной конфигурации пространства-времени, необходимой для разгона варп-двигателя, нужно выполнить два условия: колоссальное количество энергии и существование отрицательной массы. Эта отрицательная масса, о которой пока известно только на бумаге, нужна для правильного искривления пространства-времени, а значит и для варп-движения. Но мы никогда не измеряли массу частиц антиматерии; падают они «вниз» или «вверх» в гравитационном поле, это пока неизвестно. ЦЕРНовский эксперимент ALPHA в настоящее время измеряет гравитационные эффекты антиматерии и ее поведение в гравитационном поле. Если ответом будет падение «вверх» в гравитационном поле, мы просто получим свою отрицательную массу и соберем варп-двигатель.
Инструмент Virtual IronBird позволяет создать искусственную гравитацию, но требует кучу энергии и позволяет обеспечить только специфическую центростремительную силу. Истинная искусственная гравитация потребует отрицательной массы
Отрицательная масса также позволила бы нам создать искусственную гравитацию. Та же возможность – существования отрицательной массы во Вселенной – позволила бы нам создать искусственное гравитационное поле. Существование положительных и отрицательных зарядов в электромагнетизме позволяет нам создавать проводники, манипулировать электрическими полями и экранировать эти электрические поля. Гравитация, насколько мы сейчас понимаем, обладает только одним типом заряда: положительной массой. Существование же отрицательной массы позволило бы нам создать истинную среду с нулевой гравитацией и обеспечило бы нас возможность создавать искусственное гравитационное поле любой величины между двумя системами положительной и отрицательной массы.
Идея путешествий во времени постоянно всплывает в научной фантастике. Но если во Вселенной имеются закрытые времениподобные кривые, это не только возможно, но и неизбежно
Вращающаяся Вселенная могла бы позволить нам вернуться назад во времени. При этом, путешествие во времени не просто возможно, но и неизбежно… в направлении вперед. Поскольку пространство и время объединены тканью пространства-времени, потребуется существенная встряска известной нам физики, чтобы заставить время течь в обратном направлении. В пространстве вернуться в исходное положение достаточно просто: Земля сама делает это, когда совершает оборот вокруг Солнца, но при этом проходит существенное расстояние вперед во времени, то есть проходит время, примерно один год. «Замкнутую пространственно-подобную кривую» сделать легко. Однако чтобы вернуться к стартовой точке во времени, потребуется нечто необычное: «замкнутая времениподобная кривая» — это особенность, которой в нашей расширяющейся, наполненной материи Вселенной нет. Если только Вселенная не вращается.
Во Вселенной, которая вращается, существует точное решение, при котором плотность вещества и космологическая константа (она же темная энергия) имеют определенные значения, а Вселенная должна иметь замкнутые времениподобные кривые. До сих пор мы только накладывали ограничения на общее, глобальное вращение Вселенной, но не исключали его полностью. Если Вселенная будет вращаться с определенной скоростью, которая уравновешивается заданной плотностью вещества и космологической константой, будет абсолютно возможно отправиться назад во времени и вернуться в точное место, с которого вы начинали, не только в пространстве, но и в пространстве-времени. Крупномасштабные обследования структур глубокого космоса, которые смогут обеспечить наблюдения обсерваторий WFIRST или LSST, могут выявить такое вращение, если оно есть.
Концептуальное изображение спутника NASA WFIRST, который отправится в космос в 2024 году и обеспечит нам самые точные измерения темной энергии, а также совершит другие открытия
Всегда есть более экзотические возможности, чем позволяет наука – телепортация физических объектов, мгновенное перемещение между разомкнутыми местоположениями (червоточины) или коммуникации быстрее скорости света — но для этого потребуются куда более сложные танцы с бубнами, чем проведение простого эксперимента с двумя возможными исходами. Тем не менее, мы продолжаем искать. Наука – это не история с одним концом. Это продолжающийся детектив, где каждое открытие, каждая точка данных и каждый эксперимент неизбежно приводят к более глубоким вопросам в будущем. На протяжении этого пути важно держать разум открытым.
