Вдоль струны на звездолете? Или перспективы использования струнных теорий в фантастике

По просьбе писательницы-фантаста Ксении Лазоревой.

Что такое "космические струны"? Чем они отличаются от "суперструн"? Иможно ли вдоль струны путешествовать по Вселенной?

В далеком 2010-ом году в замечательном журнале "Популярная Механика" вышла статья с крайне оптимистичными взглядами на возможность сверхсветовых путешествий влоль космических струн. Журналисты как в воду глядели! Статья вышла в августовском номере, а уже в октябре того же года мир потрясли новые сообщения о косвенных доказательствах существования космических струн, основанных на наблюдении за квазарами.

Но вот правдоподобны ли сделанные фантастические допущения, и насколько правомерны далекоидущие выводы?

Пора разобраться!

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ:

Во-первых, все описанные в статье объекты и теории на данный момент имеют статус гипотетических. То есть, НИ ОДНА из многочисленных струнных теорий НЕ ПОДТВЕРЖДЕНА экспериментально. НИ ОДИН из предсказанных теориями объектов НЕ ОБНАРУЖЕН. Хотя попытки не прекращаются. Более того, появлялись сообщения о возможном наблюдении космической струны. Однако, информация не подтвердилась.

Во-вторых, приведенные здесь объекты и теории рассматривались фантастом, для фантастов и с точки зрения фантастики. Ссылки на предложенные далее возможные практические применения в НАУЧНЫХ или технических трудах НЕПРАВОМЕРНЫ.

КУДА НАС СТРУНЫ ЗАВЕДУТ?

Для начала разберемся с терминологией. (Большинство терминов − выделены жирным − кликабельны)​

​Что такое квантовая струна [англ. string]? Нехитрое определение гласит: это бесконечно тонкие одномерные объекты длиной порядка 10⁻³⁵ (!) метра. Запомните величину, это важно! Это примерно в сто квадриллионов раз меньше, чем величины, на которых пытались искать структуру кварка − и не нашли.

Теория утверждает: колебания этих объектов (мы все еще о квантовых струнах) производят все многообразие элементарных частиц. Каким образом? Характер колебаний (определяется амплитудой, периодом и частотой, если кто запамятовал) струны задает свойства материи, такие как электрический заряд и масса.

Например. Чем больше частота − тем больше энергия, накопленная в колебании. Со школьной скамьи мы помним: E=mc². Соответственно, чем больше энергия, тем больше масса частицы в наблюдаемом мире.

Струны всех типов могут быть открытыми либо замкнутыми.

Открытая струна (это гениально просто, и для нас окажется важным) имеет свободные концы. Замкнутая струна соответственно их не имеет.

​И те, и другие могут взаимодействовать. Всего взаимодействий насчитали пять. (Но вдруг у кого получится больше?)

1. Открытая струна может разорваться на две открытых.

2. Замкнутая струна может сойтись во внутренней точке и расщепиться на две замкнутых.

3. Замкнутая струна может разорваться и стать открытой.

4. В точке касания две открытые струны могут обменяться сегментами.

5. Открытая струна может потерять сегмент в виде замкнутой струны.

А теперь умножаем количество взаимодействий на два, потому что обратные перестройки тоже возможны.

Мы добрались до классификации струн по типам. (Крепитесь! Скоро − полеты и практика!) Зачем она нам потребуется? А вот как раз чтобы уяснить, чем космические струны отличаются от квантовых, и разобраться, чем квантовые − друг от друга. Долой путаницу в терминологии и масштабах! Итак....

Типы струн:

В случае, когда мультилокальный квантовый функционал струны (это такая заковыристая функция, которая является суперпозицией всех возможных конфигураций струн) зависит только от бозонных переменных, струна является бозонной.

Когда только от фермионных − фермионной.

Если сразу от тех и других − струна оказывается суперсимметричной. Такой гибрид бульдога с носорогом и называют суперструной.

Кстати, самые реалистичные струнные теории суперсимметрию включают в обязательном порядке, за что названы суперструнными. Набор предсказанных суперструнными теориями частиц и их взаимодействий (при относительно низких энергиях) недурно воспроизводит стандартную модель в физике элементарных частиц.

Космическая струна − объект более экзотический. Вдумайтесь: гипотетическое следствие гипотетической теории....​

​Определение: гипотетический реликтовый (такие возникли вскоре после Большого взрыва, то есть, более тринадцати миллиардов лет назад) астрономический объект. Представляет собой (внимание:) одномерную складку пространства-времени.

Однако, при том, что длина космических струн может исчисляться десятками парсек (1 пк = 30,8568 трлн км = 3,2616 светового года, и это еще − самые короткие), диаметр этих струн порядка 10⁻³¹ метра. Не 10⁻³⁵, конечно, но все еще на чертову уйму порядков меньше диаметра атомного ядра.

1 сантиметр сей тончайшей нити имеет удельную массу в десять триллионов килотонн (10²² грамм, для любителей степеней). То есть, тысяча км космической струны (это примерно расстояние от Москвы до Самары по дорогам или до Ижевска − по прямой) будет иметь уже массу Земли. (Струна ОЧЕНЬ тонкая. Диаметр атома водорода почти в секстиллион − единица с двадцатью одним нулем − раз больше!!)

Для чего вся эта цифирь?

Для того чтобы наглядно предстваить масштабы и плотность. (Она чудовищна. Но если я просто скажу "чудовищна", вы же мне не поверите?) А заодно попытаться вообразить, каким образом можно впихнуть в этот чудовищно плотный, сверхтонкий и вообще одномерный объект целый, трехмерный, с живым (или − не очень, но это уже придирки и мелочи) экипажем на борту, космический корабль? Да так, чтобы по окончании путешествия невредимым извлечь?

Между тем, космические струны живут собственной жизнью. Как и микроскопические квантовые собратья, изгибаются, перехлёстываются и рвутся. Оборванные концы струн тут же соединяются, образуя замкнутые куски.

А ведь еще струну надо догнать: такие летят сквозь Вселенную со скоростью, близкой к световой. И почему-то не спрашивают людей, в какую сторону тех подбросить.

А до того − засечь.

Впрочем, поиск как раз − меньшая из проблем.

Увидеть космическую струну, понятно, нельзя, но она, как любой кошмарно, невообразимо массивный объект создает «гравитационную линзу». То есть, свет от источников, находящихся за струной, должен её огибать.

В 2003 − 2005 гг. даже появился ряд публикаций (потом все отрицали), утверждавших: изображение галактикки CSL-1 (6-7 млрд световых лет от нас) можно интерпретировать как факт открытия космической струны. А в 2010-ом космическую струну предполагали уже на фоне еще более далеких и древних квазаров.

Но! На основании отсутствия видимых эффектов гравитационного линзирования, а также того, что столь тяжелый объект как космическая струна обязан вызывать гравитационные возмущения, по силе сопоставимые с таковыми от пролетающей мимо черной дыры, можно с уверенностью заявить: в окрестностях Солнечной системы космических струн НЕТ. А если вдруг объявятся − звездец придет и Солнцу, и всей системе.

С другой стороны, когда подобные мелочи останавливали фантастов?))))

Уже почти! Остался посдедний рывок! Но перед полетами и практикой еще пара слов о теории струн в целом.

Почему всего пара? Потому что даже энциклопедическая статья занимает объем.... В общем, статья тут, многочисленные ссылки на первоисточники, учебники, научные труды и монографии (внизу страницы) прилагаются .

ИЗБРАННЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ СТРУННОЙ ТЕОРИИ

Отобраны с высокой колокольни интереса приспособления к сверхсветовым полетам и наплевательства на высшую математику.

В чем оновное отличие теории струн от концепций, описывающих, скажем, физику элементарных частиц? (Помимо гипотетического статуса и масштаба объектов исследования, конечно).

Теория струн изучает динамику взаимодействия не точечных частиц (вроде бозонов, фермионов, электронов и примеры), а одномерных протяженных объектов, собственно − квантовых струн. Эта теория сочетает идеи квантовой механики с теорией относительности. (Эйнштейн от такого вандализма в гробу волчком вертится!)

Хорошо бы, на этой базе построить теорию квантовой гравитации. Ждем умельцев.

Для тех, кто в танке: теория струн основана на гипотизе, что все элементарные частицы (и античастицы), а также их фундаментальные взаимодействия возникают в результате колебаний и взаимодействий чертовски маленьких квантовых струн на масштабах порядка планковской длины. (10⁻³⁵!!)

Другая наиважнейшая особенность теории струн в том, что геометрия пространства-времени в ней не фундаментальна, а появляется на больших расстояниях или при слабой связи. На микроскопических же расстояниях предполагается многомерность Вселенной. Например, теория бозонных струн может быть построена только в 26-мерном пространстве-времени, теория суперструн − в 10-мерном.

Но мы-то, согласно специальной теории относительности, живем в четырехмерном (три пространственных + временное измерение) пространстве-времени! Куда подевались остальные измерения?

Адепты струнных теория преполагают два механизма сокрытия: компактификация и локализация.

Когда рассуждают о компактификации, подразумевают следующее: дополнительные 6-7 измерений (это не неточность, а разночтения в разных вариантах теории) скручены, замкнуты на себя и настолько малы, что не могут быть обнаружены в экспериментах. Шестимерное разложение моделей достигается с помощью пространств Калаби − Яу (см. иллюстрацию слева).

Чтобы наглядно представить, как это работает, возьмем муравья, ползущего по садовому шлангу. Или по кабелю, если вы − житель мегаполиса и шланги в глаза не видели.

Издалека и шланг, и кабель представляются линией, имеющей всего одно измерение: длину. Увеличиваем масштаб.... Еще.... Больше, чтоб муравья разглядеть! Что видим? Насекомое ползает не только вдоль кабелешланга, но и вокруг! Истинное движение муравья не одномерно, хотя с расстояния казалось именнно таковым.

Вот и дополнительные измерения пространств Калаби − Яу доступны наблюдателю только с чрезвычайно (планковская длина, 10⁻³⁵ метра) близкого расстояния. То есть, практически не обнаруживаемы.

Альтернативный подход: локлизация. Но не дополнительных измерений, а уже самой нашей Вселенной.

Сторонники данного варианта убеждены: абсолютно все чстицы наблюдаемого мира локализованы на четырехмерном листе (бране, образовано от "мембраны") в многомерной мультивселенной. Более того, частицы свою брану покинуть не могут. Эта четырехмерная брана − и есть наблюдаемая часть мультивселенной.

Далее. Поскольку и мы сами, и вся наша техника состоим из этих частиц, заглянуть вовне мы не способны в принципе. Но способ обнаружить присутствие дополнительных измерений все же есть. Гравитация.

Будучи результатом искривления пространства-времени, гравитация не локализована на бране. Гравитоны (гипотетическая безмассовая частица-переносчик гравитационного взаимодействия) и микроскопические черные дыры выходить вовне могут. В наблюдаемом мире процесс будет выглядеть как внезапное исчезновение энергии и импульса, уносимых этими объектами.

Предполагается, что при высоких энергиях высшие размерности могут проявлться и во взаимоействиях элементарных частиц. Однако экспериментальные указния на такие проявления для сих пор отсутствуют.

Который из взглядов победит? Какой механизм окажется верным? Компактификация? Локализация? Оба сразу (например, в зависимости от обстоятельств, подобно дуальной природе света)? Или возможны еще более экзотические альтернативы (несмотря на многочисленные предположения фантастов, иных математических моделей на данный момент НЕТ)?

Лично я − за использование НУЖНОГО. (Мы о фантастике, помните?)

Нужна гравитация для связи с другими размерностями и бранами? Так вот же она! Потребовалось развернуть микроскопическое измерение в макрокосмосе? Энергией запастись не забудьте!

Главное не напутайте и не посылайте материальные объекты заглянуть вовне: согласно теории, не отправятся. А если все же изобрели хитроумный способ и умудрились, помните: дополнительные измерения − отнюдь не мосты Эйштейна-Розена (в простонродье: червоточины). Такие измерения не упрощают движение в четырехмерном пространстве-времени. Если повезет − запутывают. Если не очень − переносят черт-те куда в иные размерности без надежды на возвращение.

ЗВЕЗДОЛЕТЫ vs. СТРУНЫ

Так все-таки, возможно отправить звездолет в сверхсветовое путешествие вдоль космической струны или нет?

Теоретических запретов, кроме ограничений Специальной теории относительности на максимально достижимую скорость движения (СТО гласит буквально следующее: скорость света в вакууме является максимально достижимой скоростью распространения сигналов, а энергия частицы положительной массы при приближении к световой скорости стремится к бесконечности), вроде бы нет. Если предположить, что скорость света внутри струны или в ее окрестностях действительно больше привычных 299 792 458 м/с, теоретически (поскольку вероятность успеха не нулевая) фокус может удасться.

Путешествовать же подобным образом на практике я не советую.

Почему? Отвлечемся ненадолго от космических полетов будущего и взглянем на день сегодняшний.

Как мне объясняли ведущие специалисты РКК "Энергия", надежным космический аппарат (автоматический, пилотируемый корабль, ракета-носитель и т.д.) считается в том случае, если теоретическая (расчетная) вероятность провала (поломки, аварии) не превышает одного-двух шансов из тысячи. То есть находится в пределах 0,1 − 0,2%. Но даже настолько надежная техника, как мы знаем, сбоя не исключает! Ракеты падают, шаттлы взрываются....

В предложенном же способе путешествий напротив ничтожно малы шансы завершить миссию успешно. Да ни одно нормальное государство не отправит людей на верную смерть! Ни один коммерческий перевозчик − тем более.

С другой стороны, исследователи − народ ненормальный. А от случайностей вообще никто не застрахован.

Потому рассмотрим по порядку.

"Погонный метр такой [космической] струны должен тянуть на 1020 кг, и это еще консервативная оценка [1]".

Сантиметр имеет массу в десять триллионов килотонн. По сложной формуле из высшей математики (x100) получаем: метр струны тянет на квадриллион килотонн.

Аккуратней с количеством нулей, порядками и масштабами! Приставки микро- и макро- тоже различать неплохо бы.

"Однако тяготение такой исполинской массы полностью компенсируется столь же непомерным натяжением струны, создающим эффект антигравитации. Поэтому на струну не упадет даже пылинка, оказавшаяся в ее окрестности".

Теоретически, антигравитация запрещена как принципом эквивалентности сил гравитации и инерции, так и общей теорией относительности из-за отсуствия отрицательной массы, необходимой для создания отрицательной кривизны простраства. (Википедия)

Но даже если мы наплюем на теоретический запрет (Мало ли? Природа гравитации все еще на начальном этапе изучения!), что говорят ученые? Поните, как искали космические струны? По гравитационным линзам! А они наблюдаются при положительной гравитации, которая притягивая свет, отклоняет его от прямолинейной траектории.

"В то же время струна значительно деформирует окружающее пространство и придает ему коническую топологию".

Поскольку наблюдается положительное (именно оно, вероятно, и имелось в виду под "коническим") искривление пространства, ни о какой "антигравитации" или гравитационном отталкивании (что не одно и то же) речи не идет.

Гравитация космической струны положительна. Потому что масса этой струны положительна. И она (и мсса, и гравитация) чудовищна!

"Допустим, неподалеку от Солнца нашлась струна, идущая по направлению к Альтаиру".

Факт: космической струны там НЕТ. Почему? Смотрите выше!

Пожелание: лучше б и не появлялась! (Не прилетала, в смысле).

Обоснование:

Если струна относительно указанных звезд движется сравнительно медленно, она, обладя большей массой, захватит звезды (вместе с планетными системами) в свое гравитационное поле. Далее, подобно черной дыре, начнет перетягивать с них массу. В конечном итоге плнеты окажутся разрушены, звезды погаснут и − тоже будут разрушены.

Если струна движется относительно обеих звезд достаточно быстро (на привычной околосветовой скорости), проходя в окрестностях этих систем она вызовет столь сильные гравитационные возмущения, что планеты и спутники сойдут со стабильных орбит. Те, что окажутся в непосредственной близости от струны (не исключено: сами звезды), будут разодраны приливными силами и лишатся части массы.

Остальные? Будут выбиты с орбит, захвачены гравитационным полем струны, столкнутся, развалятся.... По обстоятельствам. Ну, или − предпочтениям автора.

В любом случае катстрофа космического масштаба злополучным звездным системам обеспечена.

"Поскольку скорость звездолета сильно не дотягивает до локальной световой, эффект замедления времени будет почти нулевым".

А как звездолет вообще струну догнал?!

Ладно. По условиям задачи, струна каким-то чудом неподвижна относительно Солнечной системы. (Не заблуждайтесь: неподвижных космических объектов вообще не существует!) И Альтаира. А еще одной чудесной магией приливные силы не уничтожили ни звездные системы, ни корабль отважных космонавтов....

Уже многовато допущений. Но дальше еще интересней!

Скорость звездолета, конечно, (по условиям, основанным не предположениях, которые большинство ученых считают, мягко говоря, не состоятельными) не дотягивает до локальной световой. Но локальная c перестала быть абсолютной величиной. А значит, и эффект замедления времени будет "почти нулевым" относительно локального пространства-времени. А что будет наблюдаться относительно Вселенной?

Но и это не все. Пусть данный эффект действительно удалось свести к нулю. Но остается еще гравитационное замедление времени!

Масса самой крохотной космической струны настолько велика, что единственными сопоставимыми объектами являются массивные черные дыры. Ну или звезды-сверхгиганты, которым не-дырами сиять тоже недолго осталось.

В столь огромном гравитационном потенциале эффект гравитационного замедления времени будет ощутим. Причем, чем ближе к струне − тем заметнее.

Впрочем, "отважных космонвтов" разорвет приливными силами еще на подлете. А если и нет, за время путешествия струна десять раз (в неизвестной мне, но явно положительной и оооочень большой степени) разорваться может. Или соединиться в точке разрыва и стать замкнутой.... А то − и несколькими!

Не правда ли, заманчиво? Особенно, если нужна катастрофа по вине непреодолимой силы. Многообещающе! Тут главное со знанием дела и без лишних иллюзий подойти))))

А если скорость света выше обычной не в окрестностях, а только на протяжении самой струны????

Одномерной складки пространства. Шириной не более 10⁻³¹ метра.

Что можно втиснуть в такие размеры?

Пожалуй, информацию. Каким образом? Электроны явно великоваты. Придется копать глубже. Значительно глубже. До масштабов порядка планковской длины (запомнили уже? 10⁻³⁵ метра), чтоб с запасом. А это − масштабы квантовых струн.

Далее. Что передавать?

Очевидно − полезную информацию, изобретя что-то вроде трасгаллактического струнного Интернета. А почему нет? Цивилизованное галактическое сообщество будет таковым крайне довольно! Так почему не порадовать не мыслящих себя без контактиков-фэйсбуков сапиенсов??

Это первый вариант.

Вариант два: струнный телепорт. То бишь, передача на расстояние (посредством космической струны) полной информации о материальном объекте, вплоть до элементарных частиц их импульсов, взаимодействий и позиций.

Каким образом все это запихнуть в космическую струну? Разобрать до составляющих материю и энергию квантовых струн, отправить в пространство по длинному космическому "проводу" и − мольиться, чтоб по пути не произошел обрыв линии!

Хотя знаете, и от обычного-то телепорта (который только на молекулы-атомы-элементарные частицы материю расщепляет) гемора не оберешься.

А ну, как сборка произойдет с ошибкой? Корабль − в хлам. Экипаж − умрет.

Впрочем, все зависит от конкретной ошибки. Но вы ведь понимаете: чем больше число операций, тем выше вероятность ошибок. Мелкие и незаметные, они копятся, пока не обрушат систему. А то и вовсе − сразу критическая!

Если сборка проходит без ошибок, но недостаточно быстро, сквозь брешь в обшивке корабля воздух улетучивается в космическое пространство. Весь. Экипаж, понятно, умирает. Возможно (если повезло, и сам еще недособран), так и не успев понять, что произошло.

Ставим защиту?

Ok. Запраграммировали нехитрый алгоритм: сначала собираем корабль. Затем воздух и среду. И только потом приступаем к восстановлению живого экипажа.

А скорость сборки: из квантовых струн − элементарные частицы (их там, кстати, тоже несколько поколений), из частиц − атомы, из атомов − молекулы, из молекул − живые клетки (с протекающими в них электро-химическими процессами), из живых клеток − полноценные организмы.... Успеем ли собрать их достаточно быстро, чтобы химические реакции не прекратились? (Экипаж снова умрет).

А ведь есть еще проблема перемещения сознания (не доверяю я телепортам!): оригинал воссоздастся или − копия?

В чем суть? Когда мы "перемещаем" файл с одного диска компьютера на другой, на новом носителе записывается копия, а оригинал с прежнего места удаляется. Сознание и личность с биологической точки зрения − информация, записанная в клетках мозга.

Наивно предполагать, что с точки зрения передачи данных процесс телепорта принципиально отличен от простейшей перезаписи. И даже если для стороннего наблюдателя нет никакой разницы, для самого телепортируемого....

Однако теоретических запретов, я не вижу. Если кому-то очень надо/ нравится − дерзайте.

В общем-то, можно придумать еще. Но знаете? Мне лень! Подумаю, когда потребуется. Чего и вам желаю. А если выводы слишком пессимистичны, неутешительны и бескомпромиссны, скажу подругому. А на что вы рассчитывали?

(Это, кстати, был риторический вопрос!)

Любая НАУЧНАЯ теория не столько открывает новые возможности, сколько ставит новые рамки. Жесткие рамки. Но, если научиться играючи оперировать законами физики внутри этих рамок, возможно создать технологии поистине удивительные и фантастические.

И еще одно:

"Когда уважаемый, но пожилой учёный утверждает, что что-то возможно — он почти наверняка прав. Когда он утверждает, что что-то невозможно — он, весьма вероятно, ошибается".​

(Первый закон Артура Кларка)

P.S. Для тех, кому суперструн не хватило))))

Видеолекция Брайана Грина "Making sense of string theory". Емко, улекательно и наглядно, но 2005-й год. На английском, есть сабы.

______________________________

[1] Цитаты из статьи "Вдоль струны на звездолете: Полет вдоль космических струн" журнала "Популярная механика" №94, август 2010

#научнаяфантастика #Наука #Теорияструн #Теориясуперструн #Космическиеструны