Спросите Итана: какие научные эксперименты смогут открыть нам дверь в будущее? +17



Коллаборация ALPHA ближе всех подошла к измерению поведения нейтральной антиматерии в гравитационном поле. Результаты могут открыть нам путь к удивительным новым технологиям

Мечты о мгновенной передаче сообщений, межзвёздных кораблях и возможности путешествовать во времени — это скрепы научной фантастики. Во многих смыслах они представляют величайшие надежды человечества, однако основываются на технологиях, выходящих за рамки известного сегодняшней науке. И всё же, с учётом экспериментов, идущих на переднем крае открытий, возможно, что новая дверь откроется в любую минуту. Если нам повезёт — что нас ждёт сразу за горизонтом? Именно это хочет знать читатель Игорь Жбанов:

Если нам повезёт, какие научные эксперименты, планируемые на ближайшие лет двадцать, могут открыть нам новые способы создания научно-фантастических технологий?

Существует много фантастических возможностей, способных поменять нашу реальность к концу XXI века.


Всем когда-либо придуманным ракетам требуется какое-то топливо, но если сделать двигатель на тёмной материи, новое топливо можно будет находить, просто передвигаясь по Галактике

Тёмная материя (ТМ) может стать неограниченным источником топлива, которое не надо будет таскать с собой. Одной из величайших загадок науки является вопрос природы ТМ. Благодаря непрямым измерениям мы знаем о её существовании и о её огромном количестве. Если собрать всю ТМ, присутствующую в такой крупной галактике, как наша, её окажется в пять раз больше, чем нормальной материи (на основе атомов). Она почти наверняка состоит из частиц со следующими свойствами:

• у них есть масса,
• у них нет электрического или цветного заряда,
• они взаимодействуют гравитационно,
• и до какой-то степени они должны сталкиваться сами с собой и с нормальной материей.

Из знаменитого уравнения Эйнштейна E = mc2 мы знаем, что в ТМ хранится огромная энергия: в пять раз больше, чем во всей обычной материи. Если Вселенная будет к нам благосклонна, мы, возможно, сумеем её использовать.


Распределение массы в скоплении галактик Abell 370, построенное на основе гравитационного линзирования, демонстрирует два крупных рассеянных гало массы, соответствующей ТМ и двум сталкивающимся скоплениям. Вокруг и внутри каждой галактики, скопления и массивного набора обычной материи существует в 5 раз больше ТМ.

Множество экспериментов ищут столкновения ТМ как с нормальной, так и с самой собой. Всего существует два типа частиц: фермионы (с полуцелыми спинами) и бозоны (с целыми спинами). Если ТМ состоит из бозонов, то она, скорее всего, сама себе античастица, что означает, что если вы сможете поймать пару частиц ТМ и заставить их взаимодействовать друг с другом, они аннигилируют. А если они аннигилируют, они выдадут чистую энергию. Иначе говоря, это будет бесплатный и неограниченный источник энергии, который есть везде, куда бы вы ни отправились. А поскольку он есть везде, вам даже не надо нести его с собой на пути по Вселенной. Поэтому, в случае экспериментов, ищущих ТМ, итоговой мечтой является неограниченная и бесплатная энергия.


Варп-поле из «Звёздного пути», укорачивающее пространство впереди и удлиняющее сзади

У антиматерии может быть отрицательная масса, что означает, что она может стать ключом к созданию варп-двигателя. Если вы хотите путешествовать к звёздам, обычная энергия и источники топлива не дадут вам путешествовать слишком далеко. Или, буквально говоря, они не дадут вам путешествовать слишком быстро: вы всегда будете ограничены скоростью света. Ближайшая солнцеподобная звезда с планетами, потенциально пригодными для жизни, Тау Кита, находится в 12 световых годах от нас, что означает, что на простое путешествие туда и отправку информации об этом обратно уйдёт не меньше целого поколения. Но если бы мы могли сжимать пространство перед нами в путешествии по межзвёздному пространству, одновременно расширяя пространство за нами, мы могли бы добраться туда гораздо быстрее. На этой идее основан варп-двигатель, который в 1994 году поставил на надёжные физические рельсы астрофизик Мигель Алькубьерре.


Решение Алькубьерре для теории относительности, позволяющее двигаться сходным с варп-двигателем образом. Это решение требует отрицательной массы

Чтобы создать нужную конфигурацию пространства-времени, требуемую для варп-двигателя, необходимы две вещи: огромное количество энергии и существование отрицательной массы. Эта отрицательная масса, наличие которой лишь предполагается, нужна для деформации пространства-времени особым образом, необходимым для реализации варп-двигателя. Мы пока ещё не измеряли массу частиц антиматерии; падают они в гравитационном поле «вверх» или «вниз», нам ещё предстоит проверить в эксперименте. Эксперимент ALPHA на ЦЕРН сейчас проводится в целях измерения воздействия гравитации на антиматерию и поведения антиматерии в гравитационном поле. Если окажется, что она в гравитационном поле падает «вверх», мы можем получить нужную нам отрицательную массу, и варп-двигатель окажется возможным.


Инструмент Virtual IronBird для модуля центрифуг (Centrifuge Accommodations Module, CAM) на МКС — один из способов создания искусственной гравитации, но ему требуется много энергии, и он позволяет создавать только определённую силу центростремительного типа. Настоящая искусственная гравитация потребовала бы манипуляций с отрицательной массой

Также отрицательная масса позволила бы нам создать искусственную гравитацию. Эта возможность существования отрицательной массы во Вселенной — позволила бы нам создавать искусственное гравитационное поле так, как сейчас у нас не получается. Существование положительного и отрицательного заряда в электромагнетизме позволяет нам создавать проводники, благодаря которым мы можем манипулировать электрическом полем между ними и закрываться от электрического поля вне их. Гравитация, насколько мы сейчас понимаем, обладает только одним типом заряда: положительной массой. Однако существование отрицательной массы позволило бы нам создать окружение с по-настоящему нулевой гравитацией, если мы сможем настроить его правильно, а также дало бы нам возможность создать поле искусственной гравитации любой мощности между двумя системами с положительной и отрицательной массой.


Идея о путешествии назад во времени сегодня относится к научной фантастике. Однако, если в нашей Вселенной могут существовать замкнутые временные петли, это будет не просто возможно, а даже неизбежно

Вращающаяся Вселенная могла бы позволить нам путешествовать назад во времени. Путешествие во времени не просто возможно, оно неизбежно — по направлению вперёд. Когда пространство и время объединены в единую ткань пространства-времени, должна произойти серьёзная встряска известной нам сегодня физики, чтобы разрешить путешествия назад во времени. Довольно легко вернуться в отправную точку в пространстве; Земля делает это, возвращаясь в начальную точку орбиты вокруг Солнца, но при этом значительно продвинувшись во времени (на год). Замкнутой пространственной петли достичь легко. А вот чтобы вернуться на исходную точку во времени, потребуется что-то необычное — замкнутых временных петель в нашей расширяющейся и заполненной материей Вселенной нет. Если, конечно, Вселенная не вращается.


Для появления замкнутых временных петель вращения одной галактики недостаточно, нужно, чтобы вращалась вся Вселенная

Во вращающейся Вселенной существует точное решение, при котором, если плотность материи и космологическая константа (она же — тёмная энергия) имеют определённые значения, то во Вселенной будут существовать замкнутые временные петли. Пока что мы ограничили глобальное вращение Вселенной, но не исключили его полностью. Если окажется, что Вселенная вращается с определённой скоростью, идеально балансирующей требования плотности материи и космологической константы, тогда будет вполне возможно отправиться назад во времени и прибыть в отправную точку не только в пространстве, но и во времени. Глубокие обзоры больших областей неба, по типу готовящихся экспериментов WFIRST и LSST, могут обнаружить такое вращение, если оно существует.


Концепция спутника НАСА WFIRST, который должен отправиться в космос в 2024-м и дать нам наиболее точные измерения тёмной энергии, а также обнаружить другие невероятные космические находки

Наука позволяет существовать и более экзотическим возможностям — телепортации физических объектов, мгновенному перемещению между разными точками (червоточины) или коммуникации быстрее света — но такие возможности требуют гораздо более серьёзных и сложных обходных путей, чем один простой эксперимент, выдающий неожиданные, но допустимые результаты. Однако мы обязаны искать такие возможности. Наука — это не история с конечной целью, где мы узнаем всё, что можно, и затем остановимся. Это продолжающийся детектив, где каждое открытие, каждая веха и каждый эксперимент неизбежно ведут к более глубоким вопросам на этом пути. Куда бы ни завела нас эта дорога, важно представлять себе эти возможности и то, что необходимо для их осуществления — на каждом шагу путешествия.

Итан Сигель – астрофизик, популяризатор науки, автор блога Starts With A Bang! Написал книги «За пределами галактики» [Beyond The Galaxy], и «Трекнология: наука Звёздного пути» [Treknology].

ЧаВо: если Вселенная расширяется, почему не расширяемся мы; почему возраст Вселенной не совпадает с радиусом наблюдаемой её части .

Вы можете помочь и перевести немного средств на развитие сайта



Комментарии (40):

  1. Tarson
    /#10616737 / +1

    Существует много фантастических возможностей, способных поменять нашу реальность к концу XXI века.

    Например, африканская женщина с двадцатью детьми.

    А вообще у нас до орбиты Марса киловатт бесплатной солнечной энергии на квадратный метр. Вот бы их научиться использовать для полетов, а не таскать на себе ракетное топливо.
    Это был бы супер-прорыв.

    • nathanael
      /#10616759 / +1

      Батарейка которая не взрывается и держит современный топовый смартфон полный день при полной загрузке тоже была бы неплохим шажком в будущее.

      • andrrrrr
        /#10616819 / +7

        уже есть, всё как просили, пользуйтесь на здоровье, и об удобстве переноски позаботились — ручки приделали.
        только на вас не угодишь, вам опять что-нибудь не понравится.
        image

        • balcora
          /#10618649

          Выделяет водород, нельзя использовать в помещении.

          • andrrrrr
            /#10622013

            видишь надпись "AGM"? это значит там гелевый электролит. и в отличие от классики "Более безопасная работа: при правильной зарядке батарей исключается возможность выделения газов и опасность взрыва."
            практически точно такие же акб стоят в бесперебойниках(только меньше размером и ёмкостью), в офисах и квартирах, в помещении. и про них пишут что их можно эксплуатировать в помещении.

            • Ugrum
              /#10622835

              при правильной зарядке батарей исключается возможность выделения газов и опасность взрыва.
              практически точно такие же акб стоят в бесперебойниках(только меньше размером и ёмкостью), в офисах и квартирах, в помещении

              Как взрываются базовые станции

            • balcora
              /#10624211

              первый раз вижу автомобильный вариант AGM, спасибо!

      • densss2
        /#10616867 / +1

        Мы тут говорим о реальных вещах, Вы же просите невозможного!

    • vdem
      /#10618645

      Эту энергию давно используют для полетов. Ионные двигатели топливо с собой не таскают, но приходится таскать рабочее тело, истечение которого и создает реактивную тягу.

    • HiMem-74
      /#10619807

      Кажется, em-Drive уже изобрели?

      PS: Кстати, что-то давненько не слышно о нем, вроде планировались полноценные испытания в космосе, кто в курсе?

  2. kauri_39
    /#10616893 / -2

    Научно-фантастические технологии нам откроются при изучении свойств пространства-времени. Пока оно для нас является абстракцией, происходящей из ОТО. Как реальность мы воспринимаем его как пустоту, вакуум. Но пустота не может искривляться и на что-либо влиять. Искривляется метрика (абстракция) пространства-времени (абстракции). Абстракции описывают проявления свойств пространства-времени в локальных и в космологических масштабах, но не объясняют сущность процессов, лежащих в основе наблюдаемых проявлений.
    Поэтому ближе к реальности понимание пространства в квантовой теории поля. Там оно является энергетически плотной средой, и описываемые в ОТО перемены свойств пространства-времени можно выразить как перемены плотности этой среды. Например, гравполем вокруг тел является движение и расширение среды к телам, материя которых постоянно поглощает образующие среду элементы (кванты пространства). А причиной космологического расширения является повсеместное наполнение среды её новыми элементами — до значения плотности, соответствующего космологической постоянной.
    Однако для физиков, видимо, сложно выразить абстракции ОТО через абстракции КТП. Для этого нужна особая математика. Была попытка у Верлинде, но о её развитии что-то не говорят. А его описание пространства и гравитации избавляют Вселенную от тёмной материи. Поэтому большинство физиков продолжает верить в существование тёмной материи, и продолжаются поиски представляющих её частиц.

  3. SergeyMax
    /#10616897 / +1

    Самый реальный вариант: прилетят инопланетяне, и привезут доки на варп-двигатель.

    • tBlackCat
      /#10616937

      Ага — на клингонском :)

      Интересная и некорректная фраза в статье:

      > Довольно легко вернуться в отправную точку в пространстве; Земля делает это, возвращаясь в начальную точку орбиты вокруг Солнца…

      Некорректность в том, что это относительное событие локальной системы. Но рассматривать надо в более обобщённом виде, учитывая движение самого Солнца, движение нашей галактики и т.д.

      > Всем когда-либо придуманным ракетам требуется какое-то топливо

      Интересно как стойко игнорируются в популярных статьях вопросы защиты от космического излучения и ограниченность скорости прохождения сигналов в системах слежения и прочих электрических цепях. А ещё ведь требуется время на обработку, анализ и выработку решений, что сильно ограничивает скорость передвижения космических кораблей ради соблюдения безопасности.
      Это первое, что на поверхности лежит.

      • Andy_Big
        /#10616967

        Ага — на клингонском :)
        Это как раз не проблема, уже даже гугл его знает :)

        • tBlackCat
          /#10616971

          Язык Гугл знает, но приспособить ихние технологии скорее всего не получится. Не тот уровень развития промышленности у нас.

          • Andy_Big
            /#10616981

            Это уже другой проблем, я отвечал только на вопрос о языке :)

            • tBlackCat
              /#10616983

              Согласен, не будем засорять комментарии.

      • SergeyMax
        /#10616987 / +1

        ограниченность скорости прохождения сигналов в системах слежения и прочих электрических цепях. А ещё ведь требуется время на обработку, анализ и выработку решений

        — Весь город оббегал, а плашек 3/8" нет! А ещё трамвай собираются пустить!

    • wazzard
      /#10618651 / +1

      А вдруг мы будем первыми, кто придумает варп-двигатель…

    • andrey_aksamentov
      /#10622099

      Если инопланетяне прилетят в Чертаново, эти доки у них отожмут.

  4. xcont
    /#10616921

    Темная материя, отрицательная масса, путешествия во времени… про телепортацию забыли написать.

  5. muhaa
    /#10617005 / +1

    Немного скепсиса.
    Если судить по Википедии, серьезных надежд на антигравитационные свойства антиматерии нет: en.wikipedia.org/wiki/Gravitational_interaction_of_antimatter
    Кроме того, сейчас физики могут поймать нейтрино, свободный пробег в воде для которого составляет 100 световых лет, но пока они не могут поймать частицы темной материи. Довольно сложно вообразить как можно использовать в качестве источника энергии столь неуловимую субстанцию.

    • wych-elm
      /#10617259

      Версия с наличием отрицательной массы (не только у антивещества) все еще жива также и потому, что вездесущую темную материю никак не могут поймать. А вдруг у нее — отрицательная масса, тогда ее и не может быть вблизи гравитирующих масс обычной материи.

      • wych-elm
        /#10618493

        Если у темной материи — отрицательная масса и такой материи больше чем обычной, то она должна концентрироваться за пределами галактик, что также может объяснить ячеистую структуру галактических скоплений окружающих ячейки с «пустотой» внегалактического пространства.

  6. mistergrim
    /#10617019 / +2

    Она почти наверняка состоит из частиц со следующими свойствами:
    • у них есть масса,
    <…»
    • они взаимодействуют гравитационно


    Я не физик, но ведь это масло масляное, не?
    Дальше не читал, не могу уже Итана переваривать.

    • taujavarob
      /#10617165

      Я не физик, но ведь это масло масляное, не?

      Это современная физика.
      — Тут есть масса, но не гравитации, тут есть масса которая порождается полем Хигса, но это не вся масса а только часть массы.

      Тут есть гравитационная волна массы не имеющая.

      Тут есть ускоренно расширяющаяся Вселенная порождающая массу (и энергию) из ничего.

      Это современная физика.

  7. arheops
    /#10617187

    Да фигня вопрос. Если будет отрицательная маса у антипротона, то мы, конечно сможем 100500 тонн над головой подвесить, чтоб получить невесомость, ага. Только энергии нам на них не хватит. Никак. А если жахнет — весело всем будет.

  8. Dfag2
    /#10617423

    Мы пока ещё не измеряли массу частиц антиматерии; падают они в гравитационном поле «вверх» или «вниз», нам ещё предстоит проверить в эксперименте.

    А разве, исходя из теории, они не будут падать исключительно "вниз"? Да, сила из-за минуса будет направлена "вверх", но ускорение то из-за него же будет противоположно силе, т.е. "вниз".

  9. andrey_aksamentov
    /#10617463

    «это скрепы научной фантастики» пожалуйста, не пишите так больше.

  10. erwins22
    /#10617513

    В принципе сейчас даже не известно куда двигается электрон в гравитационном поле — вверх или вниз (протон и нейтрон точно вниз). Любое тело из материи (с нулевым электрическим зарядом) точно вниз причем в точном соответствии с ОТО.

    С антиматерией тоже неизвестно.

    Из вполне разумных предположений, из ОТО следует, что любая масса притягивается, но проверить мы это можем только на эксперименте.
    В реальности ставиться множество подобных экспериментов проверяющих довольно экзотические теории в НАДЕЖДЕ быть усыпанными премиями. Например электрический заряд и масса фотона.

  11. dumndum
    /#10617559

    Интересно, если темная материя аннигилирует сама с собой с выделением энергии, почему эту энергию еще не обнаружили. Вокруг галактик же предполагают огромные количества тм.

    • erwins22
      /#10618179

      Есть несколько вариантов.
      1. Частицы слишком тяжелы, тогда их мало и вероятность зафиксировать аннигиляцию мала.
      2. Частицы слишком легкие, тогда энергия излучения будет слишком мала что бы ее зафиксировать.
      3. Частицы практически не взаимодействуют, тогда их не обнаружишь.
      4. Частицы представляют собой ферми газ, тогда он может образовывать почти нулевую вероятность столкновения.


      101. ТМ нет.

  12. wsf
    /#10618113

    О, Итан наконец-то новые картинки к статьям приделал :)

    • Ugrum
      /#10618401

      Старые стёрлись до дыр.

  13. kirass
    /#10618655

    Величина напряженности поля Хиггса — постоянная величина, близкая к нулю. И это значение решающее. Будь оно хоть немного другим, тогда бы не было физических структур Вселенной.
    Гарри Клифф
    «Мы не знаем, что такое тёмная энергия, но лучшее предположение, что это энергия самогo пустого пространства, энергия вакуума. Используя старую добрую квантовую механику, чтобы выяснить силу тёмной энергии, мы получаем совершенно удивительный результат. Тёмная энергия должна быть в 10 в степени 120 раз сильнее значения, что мы наблюдаем в астрономии. Это единица и 120 нулей после. Число настолько огромное, что невозможно представить его в голове. Мы часто говорим «астрономическое» о больших числах. Но даже оно тут не подойдёт. Это число больше, чем любое в астрономии. Оно в тысячу триллионов триллионов триллионов раз больше, чем число атомов во Вселенной. „