Принцип работы варп двигателя. Реально ли создать варп-двигатели

С тех пор, как Зефрам Кокрейн изобрел двигатель искривления, стали использоваться две шкалы искривления. Основная шкала Кокрейна была разработана этим великим человеком для первого испытательного полета на корабле «Феникс». Это была относительно линейная шкала, где скорость корабля была пропорциональна кубу варп-фактора. Эта шкала использовалась около 2-х столетий. Формула для расчета скорости была такой:

где V -скорость корабля, с -скорость света, W -варп-фактор.

К 2300 году все больше и больше людей становились недовольными этой шкалой искривления. Хотя очень удобно использовать эту формулу для перевода в единицы скоростей света, но эта формула была очень неудобна инженерам и специалистам, так как им приходилось учитывать состояние подпространства (которое в разных местах космоса неодинаково). Например, если звездолет находился в пределах гравитационного искажения, то ему требовалось больше энергии, чтобы достичь скорости Варп 5, чем в нормальном «спокойном» пространстве. Инженерный департамент требовал ввести новую шкалу, но капитаны кораблей не соглашались с этим требованием. Командование звездного флота, которое в основном состояло из бывших капитанов, не согласилось с требованием инженеров.

Но после того как в 2309 году USS Wilmington был разрушен ионным штормом, командование изменило свое мнение. Этот звездолет попал в ионный шторм, и необходимо было срочно покинуть это место. Капитан Lamarr приказал включить скорость Варп 7. Этот звездолет мог двигаться с такой скоростью, но в нормальных условиях, а не в условиях ионного шторма. Поэтому когда он разогнался до Варп 7, двигатели были сильно перегружены, и ядро искривителя разрушилось, уничтожив звездолет. Конечно причиной взрыва корабля были и другие факторы, такие как поломка в коммуникационной системе звездолета, но Звездный флот не хотел, чтобы такая ситуация повторилась. Поэтому была предложена новая шкала, которая назвалась фамилиями создателей шкалы: шкала Terrance-Neltorr (Terrance-Neltorr Graduated), сокращенно TNG (не путать с сокращенным названием сериала STAR TREK: Next Generation). В этой шкале варп-фактор показывает уровень напряженности полей подпространства, которые создаст и выдержит звездолет, двигаясь с этим варп-фактором. Фактическая скорость корабля зависит от состояния подпространства, через которое двигается звездолет. Поэтому если капитан прикажет лететь со скоростью Варп 7, то где бы он ни был: в открытом космосе, в звездной системе или в ионном шторме, он может не опасаться, что будут перегружены двигатели корабля. С помощью новой шкалы было достигнуто множество технических улучшений. Звездный флот провел быструю оценку других шкал искривления, но в 2312 году была принята шкала TNG. При идеальном состоянии подпространства, в открытом космосе, до варп-фактора 9, формула по расчету скорости выглядит следующим образом:

V/c=W 10/3

Эта формула похожа на формулу при расчете шкалы Кокрейна. Выше варп-фактора 9 формула становиться более сложной. Приблизительный вариант выглядит так:

V/c = W [{(10/3)+a*(-Ln(10-W))^n}+f1*((W-9)^5)+f2*((W-9)^11)]

где a — плотность поля подпространства, n — электромагнитный поток f1 и f2 индексы преломления и отражения. При идеальных условиях a = 0.00264320, n = 2.87926700, f1=0.06274120 и f2=0.32574600.

Хотя шкала TNG показала, что она очень удобна в использовании, но недавний прогресс при разработке ядра искривителя ставит вопрос о практичности использования этой шкалы. В 2312 году казалось, что маловероятно, что звездолеты будут летать на скорости выше, чем Варп 9,9. Но современные корабли могут летать со скоростью более Варп 9,97. А в следующие двадцать лет скорость кораблей будет Варп 9,999 и выше. Инженеров устраивает эта шкала, но вскоре эта шкала не будет устраивать командование кораблем, особенно при критических ситуациях. Пока капитан будет говорить, с какой скоростью лететь (Варп 9,999563742346), корабль будет уже уничтожен.

Показанная ниже таблица применима к идеальным областям подпространства. Но есть такие регионы космоса, где звездолет будет двигаться со скоростью значительно выше нормальной. Эти регионы получили прозвище «шоссе искривления (warp highways)» в честь древней системы перемещения. Они могут состоять из широких областей, включающие в себя множество звездных систем, но это может быть и узкий коридор, протяженностью тысячи световых лет. Эффект «шоссе искривления» изменяет скорость корабля на множитель, известный как число Кокрейна. Это число может резко меняться, при движения корабля из одного региона в другой. Пример одного «шоссе искривления», это то шоссе, которое существовало между Nimbus III и ядром галактики. В 2287 году USS Enterprise на скорости Варп 7 (по старой шкале), влетел в это шоссе, и за 6,8 часа достиг ядра галактики, пролетев 22 000 световых лет. Но явление «шоссе искривления» существует в течении определенного промежутка времени. Поэтому то «шоссе искривления» больше не существует, поэтому USS Voyager не смог использовать его, возвращаясь из Дельта квадранта. «Шоссе искривления» очень трудно обнаружить. USS Voyager смог преодолеть эту трудность с помощью своих астрометрических датчиков. «Шоссе искривления» сыграли значительную роль в расширении границ Федерации.

Тем не менее, существуют такие области подпространства, в которых скорость искривления значительно ниже обычной. Например, в области Xendi Sabu, скорость падает почти в два раза. Там число Кокрейна равно 0,55. Эти регионы получили прозвище «отмели искривления (Warp Shallows)», и они чаще встречаются, чем «шоссе искривления» и занимают большие области космоса.

Но существуют и такие области, в которых использование двигателей искривления невозможно. Там число Кокрейна падает до 0. Эти области называются «рифы искривления». К счастью эти области очень редки.

В самом начале XX столетия молодой служащий патентного бюро из города Берн потряс своей новой предложенной картиной окружающего мира. Клерка звали Альберт Эйнштейн, а его идея сегодня широко известна как Теория относительности. Дело в том, что на стыке веков в мире физики бытовало популярное мнение, что все секреты природы уже, в общем-то, известны, а ученым осталось всего лишь решить несколько незначительных задач.

Теория относительности буквально перевернула все представления о законах физики. Главным ее достижением стало нахождение точного отношения между пространством и временем. Благодаря Альберту Эйнштейну эти две величины теперь представлялись и представляются физикам, как четко связанные и взаимозависимые. Константой, связывающей время и пространство, стало постоянство скорости распространения света в вакууме. Однако та же самая утверждала, что является максимально возможной скоростью в природе. Поскольку фотоны являются безмассовыми квантовыми частицами, ни одна частица, обладающая положительной массой (а из них состоит окружающая нас материя) не сможет приблизиться к световой скорости. Ведь для этого разгона ей потребовалась бы бесконечная энергия, что по определению невозможно. Но ведь до самых ближайших к нам звезд несколько световых лет. А до многих из них сотни и тысячи Так что же, любой, даже максимально возможно быстрый космический аппарат, обречен тратить века на преодоление

Спасительная «варп-скорость»

Законы физики невозможно нарушить, но, оказывается, они, как и любые юридические законы, оставляют нам лазейки, позволяющие обойти их, перехитрить саму природу. И ответ кроется все в той же Теории относительности. Развивая свои идеи, Эйнштейну и некоторым его современникам удалось также обнаружить связь между пространством-временем и гравитацией. Кратко говоря, эта связь заключается в том, что гравитация искривляет время и пространство.

Так, возле объектов в космосе, обладающих чудовищным гравитационным влиянием, ход времени сильно замедляется, а само пространство буквально сжимается. Этому открытию и обязан своим появлением варп-двигатель - как популярный образ в научной фантастике второй половины XX века, а также в качестве перспективной идеи современных ученых. В пространстве невозможно двигаться быстрее скорости света, однако теоретически само пространство возможно деформировать так, чтобы оно сжималось между двумя объектами. Например, и желанной звездой. Варп-двигатель, таким образом, не смог бы быстро преодолевать далекие расстояния, однако при помощи специально создаваемого поля искривления мог бы сделать эти самые расстояния удивительно близкими. Конечно, пока это всего лишь фантазия, ничего подобного не существует в технологиях людей. Варп-двигатель больше известен благодаря сериалам вроде «Звездного пути», «Звездных врат», «Звездных войн» и подобных им. Ведь там он является важнейшим элементом фантастических историй, объясняющим саму их возможность.

Варп-двигатель НАСА

Однако подобная технология теоретически может быть осуществлена в будущем. Более того, исследования в этой области уже ведутся. Идея была впервые предложена в 1994 году физиком из Мексики Мигелем Алькубьерре. Собственно, именно он и предложил создать своеобразный пузырь, который будет окружать корабль и деформировать вокруг него пространство необходимым образом. Главной проблемой нынешних расчетов остается то, что варп-двигатель может потребовать слишком большую и пока недостижимую энергию для своей работы. Однако уже сегодня НАСА проводится множество экспериментов, призванных разрешить важные проблемы относительно возможностей и физических свойств явления.

На днях специалисты NASA осуществили успешное тестирование нового революционного метода космических путешествий, позволяющего достичь нереально высоких скоростей. Эксперименты впервые проводились в глубоком вакууме, что соответствует условиям космического пространства.

Команда ученых из США, Китая и Великобритании занималась разработкой варп-двигателя для космических ракет более 15 лет, однако перспектива исследований была спорной, так как законы его работы не вписывались в существующие физические теории. Однако тесты, проведенные в лабораториях NASA, установили, что новый способ осуществления электромагнитного движения в космосе всё же реализовать возможно.

Технология основывается на применении электромагнитного привода. Основная идея – преобразование электрической энергии в тягу без использования пропеллента (ракетного топлива). Однако в реалиях классической физики это невозможно, так как в данном случае нарушается фундаментальный закон сохранения импульса.

Если теория, выдвинутая учеными, действительно имеет право на жизнь, то её можно будет внедрить в разработке космических аппаратов уже в ближайшем будущем. Варп-двигатели обеспечат снижение стоимости космических полетов и повышение их скорости, дадут возможность путешествовать не только по Солнечной системе, но и за её пределы.

Представьте себе автомобиль, который способен доставить на Луну четырех пассажиров и их багаж примерно за четыре часа, или космическое путешествие нескольких поколений на скорости, составляющей всего одну десятую скорости света – достичь Альфы Центавра при этом можно менее чем за столетие. Варп-двигатели, без сомнения, изменят мир космических путешествий. Именно они сегодня являются главным козырем американской космической программы.

Пол Марч (Paul March), инженер, работающий над созданием варп-двигателей, отмечает:

«Моя работа в Eagleworks [лаборатории, занимающейся проведением испытаний варп-двигателей] является продолжением исследования фундаментальных проблем, препятствующих развитию пилотируемой космонавтики и ставших причиной приостановления лунной программы Аполлон. Если результаты исследований будут успешными, то мы получим эффективную технологию, которая позволит избавиться от ограничений, налагаемых ракетным уравнением [формула Циолковского, определяющая взаимосвязь между скоростью летательного аппарата и тягой ракетного двигателя]».

По мнению Марча, технология по-прежнему требует проведения значительного количества испытаний, которые убедят ученых в том, что она действительно не является результатом ошибки или совпадения. В настоящее время варп-двигатели проходят тестирование в Космическом центре Джонсона. Предполагается, что если такой двигатель будет создан, его можно будет установить на любом космическом корабле, причем энергию электромагнитный привод будет получать от компактной атомной электростанции, созданной специально для таких целей.

В романе И. А. Ефремова «Час Быка» земляне, основываясь на работах Рен Боза (персонаж романа «Туманность Андромеды ») и исследованиях найденного землянами корабля жителей туманности Андромеды, создали звездолёт прямого луча (ЗПЛ), принцип действия которого основан на варп-эффекте.

…было понято нуль-пространство, как граница между миром и антимиром, между миром Шакти и Тамасом, где взаимно уравновешены и нейтрализованы полярные точки пространства, времени и энергии. Нуль-пространство тоже скручено в спираль соответственно обоим мирам, <…> возникает возможность передвигаться в нем, почти мгновенно достигая любой точки нашей вселенной <…> звездолет прямого луча идет не по спиральному ходу света, а как бы поперек него, по продольной оси улитки, используя анизотропию пространства. Кроме того, звездолет в отношении времени как бы стоит на месте, а вся спираль мира вращается вокруг него.

Освоение движения по принципу прямого луча позволило землянам совершать дальние звёздные путешествия, в результате чего в развитии Земли и цивилизаций Великого Кольца наступила новая эра - Эра Встретившихся Рук (ЭВР). Впрочем, следуя из описания ЗПЛ в романе, можно предположить, что земляне используют не столько варп-движение, сколько нуль-транспортировку .

В романе Люди как боги

Звездолёты, использующие принцип работы, схожий с принципом работы варп-двигателя, описаны в романе Сергея Снегова «Люди как боги».

В сериале Звёздный путь

Технология

В общих чертах принцип работы варп-двигателей заключается в деформации пространства перед и позади звездолёта, позволяя тому двигаться быстрее скорости света. Пространство «сжимается» перед судном и «разворачивается» за ним. При этом само судно находится в своеобразном «пузыре», оставаясь защищённым от деформаций. Сам корабль внутри поля искажения фактически остаётся неподвижным, - перемещается само искажённое пространство, в котором он находится. (В целом это совпадает с ожидаемой картиной работы возможного реального варп-двигателя.)

Максимальная скорость Энтерпрайза-D - 9,8 варп, что приблизительно равно 9000 скоростей света (на основании данных из 6 серии 1 сезона). Скорость в 1 варп равняется скорости света и растет экспоненциально. За день корабль на максимальной скорости способен преодолеть 24 световых года.

Прямым аналогом варп-перемещения Warhammer 40,000 является перемещение в фильме «Сквозь горизонт » с соответствующим эффектом при отсутствии «поля Геллера».

Во вселенной Mass Effect

Сверхсветовое движение в серии видеоигр Mass Effect осуществляется посредством так называемого «эффекта массы» - поля темной энергии, которое генерируется путем подачи электрического тока на ядро варп-двигателя. Ядро двигателя содержит в себе «нулевой элемент» - фантастический химический элемент, в котором отсутствует ядро. Согласно кодексу вселенной, нулевой элемент образуется при воздействии энергии вспышки сверхновой звезды на поверхность планет, астероидов и т. д. Когда на ядро двигателя с нулевым элементом подается электрический ток с отрицательным зарядом, образуется темная энергия, а масса объекта снижается. Космический корабль оказывается заключенным в поле темной энергии, в которое он как бы проваливается. Принцип действия поля «эффекта массы» очень схож с предполагаемым принципом действия Пузыря Алькубьерре . В результате, получается, что объект, будучи заключенным в поле «эффекта массы» способен преодолевать скорость света не нарушая при этом ОТО, так как в локальном «пузыре» скорость света увеличивается, а световой барьер не преодолевается. Однако, эта разновидность варп-двигателя лишь решает проблему, связанную со снижением массы корабля и заключением его в поле темной энергии. Для движения и создания реактивной тяги все еще нужны обычные маршевые двигатели. Они могут быть жидкостными химическими, ионными или, военными, антипротонными. Также, в качестве источника энергии для питания масс-ядра, на корабле должен присутствовать термоядерный реактор, обычно работающий на Гелии-3. Скорости кораблей во вселенной Mass Effect варьируются от 50 до 11000 скоростей света.

Отдельно от технологий сверхсветового перемещения на самих космических кораблях, в галактике Млечный Путь существует разветвленная система ретрансляторов массы - загадочных древних порталов, способных мгновенно перемещать объекты на расстояния в сотни или даже тысячи световых лет. Ретрансляторы массы работают по принципу парного взаимодействия: космический корабль может пройти через пару ретрансляторов мгновенно переместившись на расстояние, которое с помощью обычных сверхсветовых двигателей пришлось бы преодолевать многие месяцы или даже годы. Согласно кодексу игры, ретрансляторы массы являются мощнейшими из известных механизмов использующих «эффект массы» (темную энергию). Уничтожение ретранслятора массы способно полностью уничтожить планетарную систему в которой он находится, так как энергия взрыва ретранслятора сопоставима с энергией взрыва сверхновой звезды.

Варп-двигатель, или двигатель Алькубьерре, это гипотетическая технология, которая позволит кораблю, оснащённому таким двигателем, преодолевать межзвёздные расстояния со скоростями, превышающими скорость света. Хорошо известен в научной фантастике. Работа двигателя Алькубьерре возможа, как ожидают некоторые физики, благодаря общерелятивистским эффектам. Пространство перед кораблем сжимается, а позади него - расширяется, что позволяет ему буквально «пронзать» пространство, оставаясь на месте. Корабль не разгоняется - локально - даже до околосветовых скоростей, но тем не менее движется быстрее, чем плоская электромагнитная волна в вакууме. Например, вымышленный варп-двигатель в «Звёздном пути» работает именно так.

В августе 2008 года Министерство обороны США предложило десяткам научных групп заняться рассмотрением вопросов перспектив исследования совершенно новых аэрокосмических технологий, включая новые методы движения, взлета и скрытности. Среди представленных работ наиболее интересной значился 34-страничный доклад, подготовленный двумя учеными под заголовком « , темная энергия и манипуляция дополнительными измерениями». Документ был представлен перед военными 2 апреля 2010 года и лишь недавно был открыто опубликован Разведывательным управлением Министерства обороны США (DIA), сообщает издание Business Insider.

Доктор Гарольд «Сынок» Уайт продолжает свою работу в Космическом центре Джонсона, где он пытается . по-прежнему находится лишь на экспериментальной стадии, однако это совсем не означает, что мы с вами не можем представить то, как, вполне вероятно, будет выглядеть настоящий космический корабль «Энтерпрайз». Ниже предлагаем ознакомиться с концептами и набросками корабля, на котором человечество в далеком, а может и не совсем далеком будущем будет исследовать просторы нашей галактики, и, кто знает, возможно, и всей Вселенной.