Наука и технологии

Телепортация

Мгновенное перемещение материального объекта на любые, в общем то, расстояния.

Идея привлекательная, но, к сожалению, не наблюдаемая в текущей реальности и не имеющая даже чисто математического описания.

Очень часто в этой связи вспоминают квантовую телепортацию состояния элементарной частицы в запутанной (когерентной) паре и концепт квантовой криптографии, при этом многим попадались заголовки вроде "Ученые телепортировали фотоны на десять метров" и им подобные. Это создает ложное представление о явлении и понятное желание экстраполировать данный эффект на макрообъекты.

Увы, сверхсветовое движение, имеющее место при описанном квантовом эффекте вообще не является телепортацией в обсуждаемом понимании, поскольку при его осуществлении не передается ни энергия, ни информация, ни материя. Это просто устоявшееся красивое название, придуманное для привлечения внимания прессы и прочих неспециалистов. Сверхсветовая трансляция квантового состояния элементарных частиц по фундаментальным причинам не может быть использована для обсуждаемых целей, поскольку это противоречит принципу неопределенности Гейзенберга и в физическом смысле выражается в том, что квантовое состояние частицы неизбежно будет изменено — разрушено действиями наблюдателя (измерительного прибора) как до, так и после передачи квантового состояния. Таким образом, понять как именно это состояние изменилось после его трансляции от другого члена запутанной пары — невозможно. "Ну и что" — возразит скептик. Ведь квантовое состояние все равно передалось со сверхсветовой скоростью. Это действительно так, однако фундаментальные законы физики запрещают не сверхсветовое движение, как таковое, а (и это малоизвестно в непрофессиональной среде) сверхсветовое движение материи и информации. Пример сверхсветового движения нематериальных объектов может быть приведен из менее специфической области, чем квантовая физика. Представьте, что вы выстрелили мощным лазером в Луну. В месте падения лазерного пучка образуется нечто вроде визуально наблюдаемого пятна — этакого солнечного зайчика, который при достаточной мощности лазера может вызывать не только отраженное свечение, но и вообще спекание реголита. Теперь представим что турель, на которой установлен лазер поворачивается с достаточной угловой скоростью. В результате описанное выше пятно может перемещаться по поверхности Луны почти сколь угодно быстро — в том числе быстрее скорости света. Но при таком движении опять таки не передается ни материя, ни информация.

Таким образом, телепортация материальных объектов в первом приближении эквивалента магии (в логике — просто как то происходит) и по идее вообще не должна рассматриваться в рамках научно-технического дискурса.

Искривление пространства

Как я уже писал — сюда следует отнести все идеи варп двигателя — от генератора т.н. "кротовых нор", открывающих, так сказать, короткий путь непосредственно к цели, до разного рода фантастических идей о двигателе, деформирующем пространство в области движения корабля.

Вне связи с тем, что никто даже отдаленно не знает как нечто подобное можно реализовать на практике — идея привлекательна тем, что в целом не противоречит известной физике (поскольку пространство действительно может деформироваться — например сильными гравитационными полями) что открывает невиданные просторы фантазии, проявления которой мы и наблюдаем в соответствующих произведения искусства — от Вахи до Звездных войн.

Движение в имматериуме, варп прыжки, проколы, переходы — как только не называют этот тип движения, объединяющий звездные империи и позволяющий колонистам покорить Галактику. Вроде бы — чистая победа.

К сожалению, победа эта не только крайне умозрительна, но и содержит в себе фатальную ошибку. Дело в том, что пространство отделено от времени только субъективно, а в физическом смысле представляет собой единую сущность — пресловутый пространственно-временной континуум. Тем самым, мы имеем парадокс — даже успешно деформировав пространство и сократив свой путь к звездам, мы, равным образом деформируем и время, что приведет к тому, что по путь через "кротовую нору" будет столько же долгим по часам наблюдателя, оставшегося на земле, как и путь межзвездного путешественника, пользующегося обычным, неискривленным пространством. Либо мы параллельно изобретем машину времени и нарушим причинность. Вот как эту проблематику описывает Стивен Хокинг в известной научно-популярной книге "Краткая история времени":

цитата

Теория относительности оставляет одно утешение, опять-таки касающееся парадокса близнецов: можно сделать так, что космическим странникам путешествие покажется намного короче, чем оставшимся на Земле. Но немного радости в том, чтобы, проведя в космическом рейсе несколько лет, обнаружить по возвращении, что все, кого вы оставили, умерли тысячелетия назад. И дабы подогреть естественный человеческий интерес к своим историям, фантасты вынуждены были предположить, что однажды мы научимся перемещаться быстрее света. Большинство из них, кажется, не осознает того, что возможность перемещаться быстрее света влечет за собой в соответствии с теорией относительности и возможность путешествий в прошлое.

Ключ к этой взаимосвязи в том, что согласно теории относительности не существует не только никакой единой для всех наблюдателей меры времени, но что при некоторых обстоятельствах нет нужды даже в том, чтобы наблюдатели были согласны относительно очередности событий. В частности, если два события А и В происходят так далеко друг от друга в пространстве, что ракета должна перемещаться быстрее света, чтобы поспеть от события А к событию В, тогда два наблюдателя, перемещающиеся с различными скоростями, могут не согласиться, что случилось раньше: событие А или событие В.

Допустим, к примеру, что событие А — это финиш заключительного стометрового забега на Олимпийских играх 2012 г ., а событие В — открытие 100004-го Конгресса альфы Центавра. Допустим, что для наблюдателя на Земле событие А предшествует событию В. Скажем, событие В происходит годом позже — в 2013 г . по времени Земли. Так как Земля и альфа Центавра разделены расстоянием около четырех световых лет, эти два события удовлетворяют вышеупомянутому критерию: хотя А случается прежде В, чтобы поспеть от А к В, вы должны перемещаться быстрее света. В таких обстоятельствах наблюдателю на альфе Центавра, удаляющемуся от Земли с околосветовой скоростью, казалось бы, что события имеют обратный порядок: событие В происходит раньше события А. Этот наблюдатель утверждал бы, что, перемещаясь быстрее света, можно поспеть от события В к событию А. Следовательно, обладай вы способностью обгонять свет, смогли бы вернуться обратно от А к В до начала забега и сделать ставку, зная наверняка, кто победит!

Здесь возникает проблема, связанная с преодолением светового барьера. Теория относительности утверждает, что по мере приближения к скорости света для ускорения космического корабля требуется все больше и больше энергии. Тому есть экспериментальные подтверждения, полученные не для космических кораблей, а для элементарных частиц, разгоняемых на ускорителях, которыми располагают, например, Национальная лаборатория имени Ферми в США или Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН). Нам удается ускорять частицы до 99,99% скорости света, но не перескочить световой барьер, сколько бы ни наращивалась мощность установки. Так и с космическими кораблями: независимо от мощности ракеты они не могут разгоняться выше скорости света. И поскольку путешествие в прошлое возможно только при перемещении быстрее света, это, казалось бы, исключает и скоростные космические перелеты, и путешествия назад во времени.

Тут, однако, возможен некий обходной маневр. Можно было бы попробовать деформировать пространство-время так, чтобы открылся короткий путь из А в В. Один из способов состоит в том, чтобы создать из А и В так называемую кротовую нору. Как ясно из самого термина, кротовая нора — это тонкая пространственно-временная трубка, которая может соединять две далекие друг от друга области почти плоского пространства. Здесь прослеживается отдаленное сходство с той ситуацией, когда вы находитесь у подножия высокого горного хребта. Чтобы попасть на другую сторону, нужно долго взбираться наверх, а затем спускаться. Но этого не потребуется, если толщу скальной породы пронизывает гигантский горизонтальный тоннель. Предположим, что можно создать или найти кротовую нору, ведущую из нашей Солнечной системы к альфе Центавра. Протяженность такой норы могла бы составлять всего несколько миллионов километров, хотя в обычном пространстве расстояние между Землей и альфой Центавра составляет около сорока миллионов миллионов километров. Если бы мы передали через кротовую нору известие об итогах стометрового забега, наше сообщение успело бы достичь цели задолго до открытия конгресса. Но тогда наблюдатель, летящий к Земле, тоже нашел бы кротовую нору, которая позволила бы ему добраться до Земли с открытия конгресса на альфе Центавра перед началом забега. Так что кротовые норы, подобно любым другим способам сверхсветового перемещения, позволили бы путешествовать в прошлое."

Прочие умозрительные концепции

Нет им числа. В прошлой статье я перечислил некоторые из них: двигатели дизъюнкции, двигатели на эффекте отрицательной массы, диодное зеркало, двигатели на изменении фундаментальных постоянных. Эти концепции объединяет нечто общее — их авторы, стараясь оставаться в рамках известного математического описания природы континуума, привлекают для формулирования своих идей чисто математические абстракции — в реальности не известные либо требующие т.н. сингулярностей — т.е. бесконечно больших или бесконечно малых значений тех или иных физических характеристик.

Скажем, никто не знает и даже не может себе представить что такое отрицательная масса (хотя математически она может быть описана), каковы свойства гипотетического объекта, обладающего подобными характеристиками, и возможно ли вообще привести его к подобному состоянию. Для того, чтобы размышления в направлении одного из таких концептов могли быть продолжены — под него должна быть обнаружена и описана соответствующая физика.

Кстати, выше я уже говорил, что варп двигатель, в целом, является частным случаем такой концепции, поскольку, скажем, для помещения корабля в поле деформированного пространства, требуется возможность манипуляции энергией с отрицательными значениями. Что это за фокус и с чем его едят представить пока ни у кого не получилось. Равным образом, и для всех вышеперечисленных идей в свою очередь справедливы выводы, сделанные для варп-двигателя в отношении сверхсветового движения.

Все сказанное, меж тем, не означает полной невозможности такого или какого то иного принципиально неизвестного пока типа передвижения в пространстве. Научный поиск в этом отношении возможен — надо только понимать, что пока речь идет скорее о игре ума, ценной не конкретными проектами и идеями, а направлением мысли.

Новая физика

Самоочевидно, что текущее научное описание природы Вселенной и ее законов не полно. Высоковероятно, что Новая физика может быть и будет сформулирована, а текущие базовые физические концепции, опирающиеся соответственно на ОТО/СТО и Квантовую теорию поля, окажутся ее приближениями для энергий или иных физических характеристик, доступных нашему текущему описанию — ровно также как физика Ньютона является частным приближением СТО. Эта физика должна будет в рамках единой концепции описать все четыре фундаментальных взаимодействия, объединив тем самым теорию относительности с квантовой теорией поля, а также описать т.н. сингулярности, возникающие в предельных состояниях в рамках этих теорий (в частности Космологическую сингулярность, неизбежно возникающую как любое решение ОТО) и ряд противоречий квантовой физики, вроде асимметрии антивещества.

Само по себе — непонятно как это поможет нам в решении нашей частной задачи межзвездных путешествий даже теоретически, поскольку то самое текущее приближение, в рамках которого сформулированы известные ограничения на сверхсветовое движение, описывает практически весь наблюдаемый мир — уровни энергий вплоть до взрывов Сверхновых и столкновений Галактик, расстояния в десятки гигапарсек, время в миллиарды лет. Как может в решении реальной прикладной задачи нам помочь физика, описывающая энергии и состояния, при которых, скажем, вся материя вселенной представляла собой ...гм..весьма экзотическую геометрию, понять довольно затруднительно, но это точно будет посложнее, чем подвесить на форштевне звездного скитальца черную дыру — для придания ему ускорения

При этом часто приходится встречать взгляды на Новую физику, имеющие несколько иной характер. Мол что если все что мы знаем о природе пространства/времени и физических законах это не столько частное приближение более фундаментальных физических свойств Вселенной, сколько ...просто по большей части неверно. Этот взгляд в общем то имеет право на существование и принципиально не опровергается. Может быть. Может, что скорость света непостоянна, может, что она зависит от местного объема гравитирующей массы, может вообще вся система теорий, описывающая пространство и гравитацию или квантово-механические свойства элементарных частиц — в принципе ошибочна. Посмотрим — на что такие взгляды могут опереться...И , кроме рассуждений общефилософского свойства и (иногда) математических описаний этих концепций не увидим ничего. Само по себе это не страшно, ведь и ОТО, например, является таким описанием и была сформулирована ровно таким же образом, как математическая репрезентация взглядов конкретного ученого о природе гравитации, не противоречащая наблюдаемым фактам — не более. Проблема только в том, что на текущий момент абсолютно все альтернативные концепции не продемонстрировали вообще никакой предсказательной силы — в отличие от ОТО/СТО, которые еще и сами формулировали методики, которыми они могут быть проверены . ОТО предсказала гравитационное линзирование — которое и было обнаружено несколько лет спустя, орбитальные эффекты вроде прецессии перигелия Меркурия, замедление времени в гравитационном колодце и еще с десяток эффектов, эксперименты и наблюдения которых позволили подтвердить выводы ОТО с высочайшей точностью. Эти эксперименты ставятся до сих пор — что говорить, если любое устройство, имеющее GPS чип, проводит десяток натурных экспериментов по проверке ОТО ежеминутно, поскольку эффект замедления времени учтен в формуле расчета местоположения абонента в тех значениях, что постулированы теорией. Без такого учета точность GPS приемника была бы на порядок ниже.

Ровно также обстоят дела со Стандартной Моделью — имея ряд нерешенных и четко обозначенных проблем, она тем не менее на текущий момент с наилучшей точностью описывает результаты наблюдений и экспериментов и при этом демонстрирует впечатляющую предсказательную силу. В частности — последние эксперименты на БАКе дали кучу материала по работе со Стандартной моделью (от бозона Хиггса до топ кварка и ряда других теоретически предсказанных частиц — причем именно в границах предсказанных энергий), но не подтвердили ни одно из предположений альтернативных теорий — ни микроскопических черных дыр, ни лептонокварков, ни суперсимметричных частиц..Вообще ничего. Таким образом, лично у меня неизбежно возникает вопрос доверия к этим альтернативным (а тем более к еще более альтернативным) теориям, в активе которых только абстрактная математика, плюс критика и никакого созидательного научного потенциала. В отличие от.

Все вышеприведенные данные выглядят не слишком оптимистично для чересчур торопливых потенциальных межзвездных путешественников, что однако не накладывает какого то запрета на межзвездные путешествия вообще. Как обстоят дела с концепциями, не пытающимися химичить с фундаментальной физикой, я попробую описать в следующей статье.

Изучаем «Союз»: подготовка, сборка, взлёт! :

»

Изучаем «Союз»: выход на орбиту, стыковка с МКС :

»

Изучаем «Союз»: отстыковка, посадка :

»

Фильмы переведены на русский язык группой "Альфа Центавра" — http://vk.com/thesaganseries

Мы — группа энтузиастов, занимающаяся переводами западных научных роликов, а также созданием своих собственных. Нашей целью является популяризация науки и развитие научной мысли у всех окружающих нас людей.

На ютуб-канале коллег есть еще много интересного — https://www.youtube.com/user/threedaysfaq/