Борис Штерн «Быстрее скорости света на коте Шрёдингера»

Мифов будет две группы, однако всё связано с передвижением человека или каких-то предметов с большой скоростью. С такой скоростью, что это имеет отношение к полетам к звездам.

1. Миф. Новые законы физики позволят передвигаться быстрее скорости света

1.1. Подмиф. Warp drive

1.2. Полумиф. Кротовые норы

1.3. Смежный миф. Телепортация

Итак, первая группа мифов – перемещение со скоростью быстрее скорости света, что наука когда-нибудь позволит нам это делать. На самом деле это очень тяжелая вещь – как-то обосновать перемещение быстрее скорости света, потому что на страже этого стоит принцип причинности. Вот пример: представьте себе сверхсветовую дуэль. 

Два дуэлянта, между ними посередине секундант. Секундант выпускает световой сигнал, который со скоростью света приходит к дуэлянтам, и по получении сигнала они стреляют. Но пули сверхсветовые. Это могут быть какие-нибудь тахионы, какие-нибудь световые нейтрино, которых не существует, но допустим, такая сущность есть. Наблюдатель Н0, сидящий посередине, так всё и видит: они одновременно получают сигнал, одновременно стреляют и одновременно погибают от этих пуль. И оба получают премию Дарвина за полную бессмысленность своей смерти.

А теперь смотрите, у нас есть наблюдатель, который движется сюда с очень большой, околосветовой скоростью, и для него всё происходит иначе. Потому что скорость света для него и есть скорость света в обоих направлениях, о чем говорит нас специальная теория относительности. Но относительно него наблюдатель Н2 движется ему навстречу, а наблюдатель Н0 убегает назад. Что получается? Получается, что световой сигнал этот наблюдатель получает раньше. И всё было бы в порядке, если бы у них были досветовые пули, а со сверхсветовыми пулями получается, что этот наблюдатель видит, как пуля убивает первого дуэлянта еще до того, как тот получает световой сигнал от секунданта. Это совершенно точно – специальная теория относительности говорит нам именно это. И получается, что наблюдатель видит, что второй дуэлянт жив, а первый мертв. Наблюдатель Н2, который движется в противоположном направлении, видит обратное: первый дуэлянт жив, второй мертв. И это не иллюзия – вот что важно. Он может остановиться и проверить. Действительно, у одного дырка, у другого нет.

Это, грубо говоря, нарушение единственности истории Вселенной. Это один из вариантов нарушения принципа причинности. И это очень серьезная вещь – это то, что запрещает сверхсветовые движения. Грубо это можно перевести как единственность истории Вселенной. Также это отсутствие возможности путешествий в прошлое.

Это был общий принцип, запрещающий сверхсветовое движение, а теперь конкретные его воплощения.

Меня как-то пригласили выступить на каком-то радио по телефону. Я сразу начал с того, что сверхсветовое путешествие невозможно. А меня редактор сразу спрашивает: «А как же Warp drive? Все ведь об этом говорят. Это же научно, это NASA разрабатывает!» Что такое этот Warp drive? Есть общая теория относительности, которая говорит, что тяжелые тела искажают пространство. Пример: черная дыра. Если мы большой массив материи сильно сожмем, пространство будет искажено. Вполне нормальный мексиканский физик по фамилии Алькубьерре нашел такое решение: если взять 10?? граммов материи с отрицательной плотностью энергии (которая не существует) и совместить ее с обычной, а потом сжать в тонкую пленку, то пространство будет искажено так, что эта штука будет двигаться быстрее скорости света, а внутри будет плоское пространство. Наблюдатель может сидеть внутри, никуда не двигаться, и его вся вот эта штука будет нести с огромной скоростью.

Но здесь есть проблема. Знаете, что такое 10?? граммов? Это примерно 10?? масс Солнца, а это уже превышает массу всего, что мы видим в пределах горизонта Вселенной. 10?? галактик… Это невообразимая величина. И, кроме того, не существует материи с отрицательной плотностью энергии. И нет никаких оснований предполагать, что она существует. Зато есть основания утверждать, что такого быть не может.

То есть мы берем несуществующую сущность, причем берем ее в таком количестве, в каком ее взять неоткуда, потому что она превышает массу обозримой Вселенной, и получаем вот этот самый Warp drive, про который говорят фантасты. Я не знаю, по-моему, какая-то терминология на этот счет есть в “Star trek”. Но даже если эту штуку сделать, то непонятно, как туда попасть, как ею рулить и, главное, как потом из нее выбраться. Потому что, судя по всему, это будет находиться под каким-то горизонтом событий, то есть потеряется причинная связь с окружающей Вселенной. Таким образом, это интересный мысленный эксперимент с теорией относительности, но он опять же не имеет никакого отношения к реальности.

Еще одна вещь – кротовые норы. Вообще говоря, вполне возможно, реальная вещь. Например, если вселенные ветвятся и образуются разные вселенные (дочерняя, материнская), то между ними образуется перемычка в виде кротовой норы, которая потом испаряется. Это вполне легальное решение общей теории относительности.

Как путешествовать с помощью кротовых нор? Фактически это две черные дыры: в одну прыгаем, из другой выскакиваем. Они могут соединять разные вселенные, они могут соединять очень далекие области пространства, и тогда мы сокращаем этот путь и напрямую очень быстро, буквально за секунды перескакиваем между ними.

В чем проблема? В том, что «талия» на самом деле очень и очень узкая, и плотность материи там близка к планковской, то есть это 10 в девять-какой-то степени граммов на см?, и там вся информация теряется, там вообще квантовое пространство. А если бы не было квантовой механики, то это была бы просто бесконечная плотность и бесконечно узкое горло. Но ученые ищут лазейки. Один из этих ученых – знаменитый Кип Торн, который писал сценарий для «Интерстеллар» и только что получил Нобелевскую премию. Второй – наш Игорь Новиков. Вот они вместе там много чего наработали. В принципе можно сделать проходимую кротовую нору, если существует так называемая фантомная материя. Что это такое? С плотностью энергии у нее все в порядке – она положительная, но у нее совершенно гигантское натяжение. Это натяжение превышает по абсолютной величине ту плотность энергии, которая у него есть. Вообразить себе такое очень сложно, но почему бы и нет, в конце концов? Оно нарушает какие-то принципы, но эти принципы не столь фундаментальные, как, например, закон сохранения энергии. То есть скорее всего фантомной материи нет, но почему бы нам ее не придумать. Я ни одного дурного слова в адрес Торна и Новикова сказать не хочу – это интересная деятельность, а кротовые норы – совершенно легальное явление в ОТО.

Однако дальше начинаются другие проблемы: опять нарушается причинность. Если эти две черные дыры, являющиеся входами в кротовую нору, движутся относительно друг друга, то на самом деле получается машина времени. На пальцах это объяснить довольно сложно, но это точно установленный факт. Можно нырнуть в кротовую нору, вернуться в прошлое и убить своего дедушку еще до того, как он родил твоего отца. То есть опять нарушение причинности, а это очень серьезный грех для любой теории. Но допустим есть эти кротовые норы, реально проходимые. Тогда что это реально такое? Это черная дыра с массой не менее 100 млн солнечных, иначе тебя разорвет приливными силам, когда ты туда будешь прыгать. То есть она должна быть гигантской, сверхмассивной. Такие черные дыры есть только в центрах галактик. Таким образом, кротовые норы – это интересный объект для изучения, но как транспортное средство не годится вообще никуда и наука нам с этим ничем не поможет. И вообще со всеми искажениями пространства человек должен оперировать колоссальными массами во многие миллионы солнц. Я думаю, человек этому не научится никогда.

Дальше знаменитая телепортация. Вы слышали недавно, наверное, такую новость, что китайцы телепортировали фотон с Земли на спутник. А если можно телепортировать фотоны, то нельзя ли точно так же телепортировать человека? С Земли на спутник. Или к Альфа Центавра куда-нибудь. Вот у меня на слайде кадр из “Star trek”, там это вовсю используется, и вообще это вовсю используется во всей научной фантастике – телепортация классических объектов.

Действительно есть квантовый эффект, который называется – в шутку – квантовой телепортацией. Почему в шутку? Потому что ни о какой телепортации здесь речи не идет. Это на самом деле корреляция. Если есть квантовая система, два запутанных фотона… «Запутанный» что значит? Они вместе рождены, у них должен быть нулевой суммарный спин. Это потрясающая вещь на самом деле. Эти фотоны разлетелись на тысячи километров, и если один экспериментатор регистрирует продольную поляризацию положительную, то другой в тысяче километров обязательно зарегистрирует отрицательную, и наоборот. То есть они всегда обязательно антикоррелированы. Причем это может быть тысяча километров, это могут быть миллионы километров, но всё происходит мгновенно: здесь так, там так. Причем здесь не определено, что будет так. Нет никаких скрытых параметров, которые мы не знаем. То есть фотоны родились, не зная о своей ориентации, просто сумма всегда равна нулю, и если здесь ориентация одна, там другая – это мгновенно передается. Но здесь нет передачи информации. Никаких принципов причинности не нарушается, ничего не нарушается, то есть это чисто только корреляция, и она всё равно поразительна. Она говорит о том, что вот эта гигантская система – это действительно одна система, которая может мгновенно меняться. Это говорит о нелокальности квантовой механики и это сворачивает мозги – если вы сейчас ничего не поняли, значит, всё правильно. Потому что Фейнман говорил, что квантовую механику не понимает никто, просто многие умеют ей пользоваться.

Но теперь все-таки допустим, что есть квантовая телепортация и тогда, может, все-таки и человека можно телепортировать? По этому поводу есть еще один интересный миф: кот Шредингера. Это хороший миф вроде мифов Древней Греции или библейских мифов, которые прочно вошли в нашу культуру. И миф о коте Шредингера тоже вошел в культуру. Сейчас уже обсуждают, что диссертационное дело Мединского – он одновременно есть и одновременно его и нету.

Это очень хорошие люди: Стивен Хокинг – замечательный физик, все знают, кто это такой, и Юрий Мильнер, наш соотечественник. Он окончил МГУ, проходил аспирантуру в ФИАНе, разбогател, сделал Mail.ru, с тех пор уехал и из своих средств премирует прекрасных физиков и дает деньги на разные проекты. И вот здесь на фото он объявляет о том, что выделил деньги на проект так называемого Звездного паруса, нанозонда. То, что он держит в руках, это чип, нанозонд, который предполагается отправить к Альфа Центавра. Как отправить? Он весит 1 грамм. Можно привязать к нему парус 16 м? и весом тоже в 1 грамм, светить на него с Земли системой лазеров мощностью 50 гигаватт. Парус в миллионах километров, массив лазеров у нас на Земле, 50 гигаватт, то есть вся Красноярская ГЭС, на него светит и ускоряет давлением света. Лазеры фазируемые – это значит, что можно управлять лучом, фокусироваться и так далее. Ускорение 30.000 g, то есть этот граммовый парус должен держать примерно 30 кг, которые будет весить этот чип.

Зонд ускоряется, через 20 лет прилетает к Проксима Центавра. Парус превращается в линзу Френеля. А дальше двухваттный передатчик отправляет на Землю всю нужную информацию. Чтобы вы понимали: в Вояджере-1 находится 20-ваттный передатчик, он в 2000 раз ближе и передает пару сотен бит в секунду. А здесь в 10 миллионов раз сложнее передать, а они хотят действовать с двухваттным передатчиком с непонятно какой антенной.

Я написал статью в «Троицком варианте» под названием «Двойка по физике Мильнеру с Хокингом». Что вы думаете? Мильнер мне позвонил. Говорит: «Мы не заслуживаем двойки. Вообще проект проработан». Во-первых, у них это всё рассматривал их замечательный экспертный совет, там куча нобелевских лауреатов. Хотя на самом деле тут нужны физики «от сохи», а не нобелевские лауреаты, не свадебные генералы. Вот основной тезис Мильнера: «Мы забежали вперед по времени, обогнали время, но технологии стремительно развиваются и нас догонят». Дальше он мне предложил, чтобы я взял интервью у Любина, главного идеолога данного проекта. Разговор был трудный. Я вычислил с помощью астрономов, что им нужно 20 млн фазируемых лазеров. «Не проблема. Мы это понимаем, сделаем. Всё будет». Я говорю: «У вас этот парус черт знает где, это световые минуты, а атмосфера дрожит с постоянной времени доли секунды. Как вы будете управлять этим?» – «Ну, мы разместим близкую мишень и по ней будем смотреть, как это всё делается». То есть настоящего управления, обратной связи у них нет – это всё тут же пойдет в разнос. Я говорю: «Вы никак не сможете передать сигнал». – «Сможем, там хорошее разрешение». Я оценил, значит, что ничего они не смогут.

Если они соберут, не дай бог, эти 20 миллионов лазеров, то парус сгорит из-за всяких нелинейно оптических эффектов. А если не сгорит, то порвется, потому что там противоречивые требования – с одной стороны идеальная прозрачность, с другой стороны прочность. Если и не порвется, то потеряется. Если не потерялся здесь, то потеряется там. И даже если не потеряется, то всё равно ничего не сможет передать, потому что это двухваттная фитюлька. Посчитайте там число фотонов на фоне зодиакального света звезды, гала звезды. Ну никак. Они говорят: «А мы пошлем их тысячи!» Тут сколько ни посылай… Если вероятность ноль, то если умножить ее на тысячу, она нулем и останется.

Вот на фото всё очень хорошие люди. Любин, которого я по мейлу тягал, Хокинг, Мильнер, и еще один знаменитый человек – Фримен Дайсон, который не так давно приезжал в Москву. Он вообще один из основателей квантовой электродинамики. Но душа поэта и фантазера в нем пересилила физика, и он замешан во всяких совершенно завиральных проектах, типа сферы Дайсона. И вот он здесь же.

А теперь идем в глубь времен: взрыволет. Еще один проект межзвездного космического корабля. И опять Дайсон. Не он первый его предложил, но он с энтузиазмом бросился в это дело с головой. Что это такое – огромная плита в миллионы тонн, за этой плитой взрываются многие тысячи водородных бомб, толкают ее, звездолет разгоняется. Проблема какая? Эта штука очень неэффективная: надо жуткое количество водородных бомб, жуткая плита, очень высокий порог по весу – его не сделаешь трехтонным, это должны быть миллионы тонн или хотя бы сотни тысяч. Сколько бомб ни бери, всё забьет унылая формула Циолковского, в которой все под логарифм. То есть мы увеличило число в 10 раз, немножко увеличилась скорость, увеличили еще в 10 раз, еще немножко увеличилась. То есть логарифм нам всё портит. И главное: бомбу-то взорвали (на самом деле водородная бомба примерно в 3 раза эффективнее атомной, термоядерный синтез эффективнее), но у нас всё летит в разные стороны в 4 ?. И на этом сразу теряется четверка по импульсу, а если перевести в единицы энергии, то это в квадрат надо возводить – проигрыш в затраченной энергии в 16 раз. То есть жутко неэффективно, жутко завирально.

Значит ли это, что вообще любые звездные перелеты – миф? Правильный ответ – нет, не значит. Но пока что это остается мифом не по техническим причинам, а по причинам нашей психологии. Межзвездный перелет – вполне реальная вещь, но за сотни лет. Вещь вполне реальная на обычной ядерной энергии, то есть обычный уран-235. Проблема в том, что кто будет работать ради потомков через 200 или даже 300 лет, когда зонд прилетит к Альфа Центавра? Вариантов запустить зонд и получить информацию при жизни нет. Мильнер вот пытался это профинансировать, но всё равно это не сработает.

Поэтому будущее межзвездных перелетов зависит от того, станет ли у нас больше альтруизма. Альтруизма по отношению к потомкам. Я целую книжку об этом написал: «Ковчег 47 Либра». Значит, еще раз – всё возможно. Если когда-нибудь зонд будет у соседних планет, это будет зонд на ядерном топливе. Его можно будет даже затормозить и спустить спускаемый аппарат, а в спускаемом аппарате могут быть споры, семена, что угодно. На этом у меня всё.