Левитация и антигравитация — всё, что об этом всерьёз известно на сегодняшний день

Изучаю популярный поп-культурный образ и делюсь научпоп находками: от поездов на магнитной подушке до пинцетов, способных захватить атом.

Как же. Фантасты. Любят. Летать. Нет, серьёзно! Самый простой способ «сделать будущее»? Убрать колёса у мотоциклов! У танков! У кораблей! У ящиков! Да что говорить, даже детские люльки не обошла сия участь. Грогу не даст соврать. Но как это, по их мнению, должно работать? И как это работает в настоящем мире?

В реальности левитация — это компенсация силы тяжести, тянущая объект вниз другими силами: магнитными, электромагнитными, акустическими или оптическими. В результате объект зависает (парит) в пространстве, не касаясь поверхности. А вот чтобы сдвинуть его куда-то вбок, потребуется третья сила, например, внешние двигатели или дополнительное усилие «левитатора».

Но, используя левитацию, мы уже избавились от силы трения, значительно повысив КПД любого устройства с подвижными элементами и упростив передвижение. И это не просто «бонус».

Лендспидеры и летающие дроны — это прикольно, но в реальном мире эффект от изобретения полноценной левитации был бы сравним с изобретением колеса: полное, тотальное «перерождение» промышленности, повышение эффективности всех видов двигателей и увеличение их срока службы в разы за счёт отсутствия износа трением. А также появление принципиально новых устройств: от новых типов транспорта до доменных печей, левитирующих или сжимающих металлы.

И, что самое интересное, первый шаг к этому человечество уже сделало — поезд тронулся, в буквальном смысле, но об этом ниже в материале.

С антигравитацией всё ещё более фантастично — это именно что преодоление фундаментального закона Вселенной. Мы буквально создаём силу, направленную против гравитационного притяжения (а ведь все тела во Вселенной притягиваются!), без использования «уловок» в виде реактивной тяги (ракеты), аэродинамики (самолёты) или орбитальной скорости (спутники). Мы не компенсируем, а игнорируем, блокируем или извращаем гравитацию. Ну и попутно ломаем Общую Теорию Относительности и несколько законов физики.

Реальный мир — скучный. По крайней мере, если у тебя нет двух высших, энтузиазма и лаборатории с финансированием под рукой. А происходящее на экране должно увлекать и демонстрировать мир будущего.

Поэтому большинство научно-фантастических игр и фильмов вообще не заморачиваются с тем, чтобы как-то обосновывать левитирующую технику и игры с гравитацией. Да и некоторым жанрам, например, множеству футуристичных гонок, оно и не нужно. Главное — выглядит круто!

Другое дело — большие проработанные вселенные, в которых манипуляция гравитацией — это основа сеттинга. В Mass Effect «маленькой деталью», изменившей, по сути, всё, стало существование нулевого элемента — крайне редкой и опасной в добыче руды. Она появляется при взрыве сверхновой, когда её энергия воздействует на твёрдые материалы, например, поверхность планет и крупные астероиды.

Подав на нулевой элемент ток, можно создать поле тёмной энергии, влияющее на массу предметов внутри: положительный заряд их «утяжеляет», а отрицательный, напротив, — уменьшает массу.

Так, цивилизации в Mass Effect научились создавать искусственную гравитацию, высокопрочные материалы, принципиально новое оружие и, конечно же, открыли сверхсветовые путешествия. Проще сказать, в какую сферу нулевой элемент не проник.

Забавно, что существование нулевого элемента всерьёз рассматривал Менделеев, но в несколько ином ключе.

Судя по механизму возникновения (взрыв сверхновой), «нулевым элементом» в реальности могло бы стать вещество, содержащее стабильные трансурановые ядра, неизвестные нынешней науке. Вот только сама возможность «манипуляции гравитацией» и тёмной энергией реально существующему урану и его изотопам, как и другим сверхтяжёлым элементам, не присуща.

Что касается самой тёмной энергии, в настоящий момент физики подозревают, что именно она ответственна за расширение («расталкивание») нашей Вселенной, создавая отрицательное давление, но её сила настолько незаметна в масштабах отдельных планет, что ни о какой манипуляции гравитацией речи быть не может.

Авторы Mass Effect, по сути, собрали вместе все типичные псевдонаучные «обоснуи» для игр с гравитацией: управление массой (посредством электрических зарядов), генерация гравитационных полей (как универсальный инструмент реальности); влияние «энергии вакуума» (читай тёмной материи), а также существование экзотической материи (нулевого элемента) как источника всего перечисленного.

Другие сеттинги обычно не столь яростно обосновывают подобные технологии.

Так, в Star Wars большинство транспортных средств (в том числе кресло Йоды и люлька малыша Йоды!), работает на репульсорных двигателях (или репульсорах).

Они создаются на специальных автоматических заводах вблизи чёрных дыр, из субъядерных «узлов» пространства-времени. В процессе работы репульсорный двигатель создаёт поле, противодействующее гравитации, что позволяет парить над землёй.

Но у этого устройства есть нюанс, о котором знают, пожалуй, только тру-фанаты Вселенной Звёздных Войн — репульсоры не работают в невесомости (точнее, вне гравитационных «колодцев» планет). Им требуется «масса», от которой можно отталкиваться: планета или массивный космический объект. Если их нет — переходят на обычные двигатели.

Питаются репульсоры от ядерных реакторов и других источников энергии, а самые мощные из них способны как вывести технику на низкую орбиту или ускорить её, так и безопасно «посадить» крупные суда на поверхность планеты. Причём в последнем случае они работают всегда, а не только в момент посадки — масса «Звёздных разрушителей» Империи столь велика, что посадочные опоры без помощи репульсоров просто разрушатся под весом корабля.

В реальности, конечно, никаких лендспидеров и уж тем более «Звёздных разрушителей» мы пока не изобрели. Более того, на сегодняшний момент мы не нашли способов создать отрицательную гравитацию или хотя бы как-то повлиять на гравитационные поля напрямую.

Вообще вопросы антигравитации тесно связаны с исследованиями элементарных частиц. А с ними у нас отношения «сложные» — подобные фундаментальные исследования требуют миллиардных вложений и самого совершенного оборудования.

Вот только раз уж нам нужна антигравитация, стоит обратить внимание на другое «анти» — антиматерию. Жутко дорогая штука — за грамм учёным придётся отвалить безумные 60 триллионов долларов. Как они ещё не разорились? Всё просто: в год на Большом Адронном Коллайдере удаётся произвести всего 1 нанограмм, то есть 0,000000001 грамма.

Логично предположить, что столь дорогое вещество должно иметь совсем уж волшебные свойства. Вот только даже античастицы водорода «играют по правилам», притягиваясь к обычной материи, как частицы обычного водорода.

Забавно, да? Взаимодействие 1 килограмма антиматерии и 1 килограмма материи вызовет взрыв силой 43 мегатонны. Для сравнения, Царь-Бомба обладала мощностью в 57 мегатонн. Но при этом антиматерия послушно «падает», подчиняясь Великой Гравитации.

А ведь гравитационная природа античастиц долгое время была спором у учёных: будут ли эти «зеркала атомного мира» хоть в чём-то похожими на свои обычные аналоги или будут идти наперекор во всём?

Но зато у нас есть довольно похожая технология, пусть и куда более примитивная — за счёт избыточного давления сжатого воздуха суда на воздушной подушке способы левитировать над поверхностью, не касаясь земли, и передвигаться с помощью воздушных винтов в задней части конструкции. Этакий «спидер дома».

Вообще, летающие байки имеют большинство уважающих себя научно-фантастических вселенных. В серии Destiny их роль выполняют Sparrow («Воробей»), подозрительно похожие внешне на спидеры из Star Wars. «Обоснуй» довольно лаконичный — неизвестная гравитационно-энергетическая технология Золотого века.

В Warhammer 40,000 «лендспидеры» получили своё название в честь Архкана Ленда, техноархеолога, который потратил долгие годы на поиск и расшифровку антигравитационной технологии, которую Империум использовал для создания различных модификаций транспорта — от быстрых уколов противника на «Тайфунах» до тяжёлых штурмовых «Бурь».

В основе технологии лежит «грав-двигатель», но так в мрачной тьме далёкого будущего есть только война, а сами двигатели — реликт Тёмной Эры Технологий, узнать точный принцип действия не получится. И вообще — ересь. Фрагмент статьи одобрен Адептус Механикус.

Вообще, вспомнить можно много примеров: гравипушка из Half-Life, которая манипулирует «энергетическим полем нулевого уровня»; грави-лифты и летающие платформы в Halo; ховерборды из «Назад в будущее»; поле Хольцмана из «Дюны» и парящие горы из сверхпроводника анобтаниума в мире «Аватара» Кэмерона. Тысячи их, говоря языком Двача.

Вот только большинство этих эффектов либо не объясняются вовсе, либо имеют под собой «таинственную энергию/поле/минерал» или неизвестный закон физики. Иначе говоря, работают по принципу Чёрного ящика. В нашем, реальном мире, всё намного сложнее, но зато интереснее.

Фундаментальные силы крайне неохотно поддаются науке и промышленности. Мы научились перемещаться на другие континенты за считанные часы, засорили орбиту космическим мусором и начали исследовать, пусть и лениво, океаническое дно, но «взламывать реальность» придётся ещё долго.

В настоящее время есть несколько научных направлений, в которых учёные активно изучают механизмы левитации: акустика, оптика и магнетизм. Но в каждом из них есть свои «затыки», которые приходится преодолевать для масштабирования технологии до промышленного и коммерческого уровня. Вот, например, прототип системы магнитной левитации, которая способна перемещать платформы с точностью до 10 микрон.

Но в видео выше всё же левитирует не сам объект, а его платформа. А ведь даже если научиться без проблем левитировать предметы весом в пару килограмм, потенциал применения технологии огромен: работа с веществами высокой чистоты, их дополнительная очистка и проведение химических опытов «в полной изоляции», без контакта с контейнером; сверхточная работа с электроникой в условиях абсолютной стерильности и манипуляция отдельными атомами для их изучения.

В случае с акустической левитацией мы буквально «орём» ультразвуком на небольшой объект особым образом. Источник ультразвука создаёт волну, которую отражатель, выставленный правильным образом, возвращает обратно. А так как звук — это волна, то прямая и отражённая волны накладываются друг на друга, создавая этакое «море звука» и формируя зоны минимального и максимального давления, зафиксированные в пространстве. Если туда поместить лёгкий объект, тот «свалится в ямку» с низким давлением, а энергия звука уравновесит силу тяжести.

Способ старый — первые прототипы собирались ещё в начале XX века, но со временем учёные научились не только «подвешивать», но и двигать в воздухе предметы. Проблема только в том, что размер этих объектов редко когда может превышать длину волны, ограничиваясь несколькими миллиметрами, а слишком интенсивное воздействие звука может нагреть сам предмет и воздух в зоне действия захвата.

В силу малой зрелищности технология не нашла отражения в кино и играх. А ведь в реальности с её помощью возможны хирургические операции с минимальным «кромсанием» пациента — акустические пинцеты могли бы, например, перемещать микрокапсулы с веществом для точечной химической терапии, извлекать мельчайшие осколки из организма пациента.

Вот здесь, например, пластиковая сфера диаметром 3 миллиметра перемещается в желатиновом образце, имитирующем кровеносные сосуды в мягких тканях.

А может, «спустимся» ещё ниже? Элементарную частицу нельзя взять в руки пинцетом. И даже звуковая волна оказывается слишком «громоздкой» для подобной задачи. Потому учёным пришлось «увеличивать масштаб», обратив внимания на свет. Точнее на фотоны.

Каждый из них переносит порцию энергии, обладая импульсом, а значит, можно «выстреливать» этими импульсами в другие тела и при должном усердии и серии точных вычислений стабилизировать тем самым тело в пространстве. Очень маленькое тело, например, отдельную клетку крови.

Сорок лет назад американский физик Артур Эшкин так и поступил, изобретя оптический пинцет.

Вот иллюстрация работы оптического пинцета по описанию выше.

«Зажимая» таким образом элементарные частицы, можно узнать много интересного. Например, в 2018 году физики измерили действующую на отдельный атом силу тяжести, а в 2020 даже смогли наблюдать охлаждённое лазером атомное облако.

…а вот наблюдать подобную технологию в играх и кино как-то не приходится. Опять же, в силу крайне малой зрелищности и «не киношных» отраслей применения. Но! Именно благодаря возможности «рассматривать» атомы, вполне возможно, цивилизации в Mass Effect смогли изучить квантовые технологии и научились вмешиваться в гены, а сенатор Армстронг смог сказать своё легендарное «Наномашины, сынок», ведь собрать последние можно, лишь манипулируя материей на молекулярном уровне.

Зато магнитная левитация затмевает собой все остальные отрасли по зрелищности и «промышленности» и существует довольно давно.

Ведь киберпанк-то рядом! В буквальном, кстати, смысле. В Cyberpunk 2077 крупные города США связывала межконтинентальная маглевная система (англ. Transcontinental Maglev System) — система подземных электромагнитных железных дорог. Правда, после корпоративных войн и других потрясений, маглев вышел из строя, но его «остатки» всё ещё функционируют в сохранившем условную независимость Найт-Сити. Именно с поездки на МОСТ (Макросистема общественного скоростного транспорта) начинается трейлер игры, показанный на E3 2018.

Так вот, если кто-нибудь хочет проехаться на таком вот чуде — самое время отправляться в Китай. Шанхайский маглев там успешно функционирует уже больше двадцати лет, за скромные 50 юаней (чуть больше 500 рублей) предлагая маршрут длиной в 30 километров, который вы преодолеете за 8 минут 10 секунд при максимальной скорости в 300 километров в час.

Работает транспорт следующим образом: внутри нижней части вагона установлены электромагниты, обхватывающие стальную балку-рельсу по бокам и по нижней кромке. При подаче тока электромагниты притягиваются к рельсу, и поезд «зависает» в воздух примерно в сантиметре от поверхности рельсы. Двигается же конструкция за счёт линейного двигателя, который «цепляется» за магнитное поле рельс, утягивая за собой поезд.

Вот только магнитное поле крайне капризно, а при уменьшении зазора сила притяжения растёт. Зазеваешься — и поезд «прилипнет» к балке. Поэтому система обратной связи постоянно регулирует ток в электромагнитах: датчики измеряют зазор с точности до долей миллиметра, причём делают это тысячи раз в секунду. Сигнал поступает в систему управления, и контроллер уменьшает или увеличивает ток, чтобы сохранить поезд в правильном положении.

Левитация в таком случае возможна с нулевой скорости — поезд «поднимается» сразу после подачи тока, а колёса, которые можно заметить на некоторых видео, используются только в качестве страховки.

Эта система получила название EMS (Electromagnetic Suspension) — электромагнитная подвеска. Для неё не нужны сверхпроводники, но возникают ограничения в геометрии пути и необходимость постоянного контроля автоматикой.

А вот японцы из компании JR Central пошли своим путём и представили другой тип маглева, основанный на сверхпроводящих магнитах. Если в системе EMS поезд «притягивается» к путям, то маглев на EDS (Electrodynamic Suspension), электродинамической подвеске, наоборот, «отталкивается» от них.

Сверхпроводящие магниты, встроенные в поезд, охлаждаются жидким азотом, получая свойства сверхпроводников. В школьном курсе многие слышали про такую категорию материалов — они, если упростить, «выталкивают» из себя чужое магнитное поле, заставляя левитировать либо себя, либо отталкивающий материал.

После охлаждения сверхпроводящих магнитов в дело вступают направляющие поезда — встроенные в рельсы проводящие катушки выставлены полюсами попеременно (N-S-N-S…) и когда поезд по ним движется, а движется он сначала на своих колёсах, между поездом и рельсами возникает сильное магнитное поле, которое и отталкивает объекты друг от друга из-за свойств сверхпроводника.

Полноценная левитация появляется только на скорости выше 100-150 километров в час — поезд сначала отрывается от поверхности, а зазор постепенно стабилизируется на расстоянии 8-10 сантиметров. Выше подняться он не может — силы отталкивания не хватит. Сойти с пути тоже не получится, так как в дело вступают магнитные вихри, которые «фиксируют» поезд в наиболее устойчивом магнитном положении (эффект пиннинга).

Всё бы хорошо, да только обе технологии мало того, что финансово затратны, так ещё и требуют особой инфраструктуры: куда дольше создаются, не могут ехать по обычным путям, требуют постоянного питания и особого обслуживания (например, подачи жидкого азота). А требование в виде мощных магнитов или сверхпроводниках делает невыгодным строительство дальних магистралей. А ещё они очень шумные.

Хотя что Япония, что Китай не отбрасывают затею и постепенно строят новые маршруты маглевов.

Ну, как пела Алла Пугачёва, «А знаешь, всё ещё будет».

Летать к Чёрным дырам мы пока не научились, как и не нашли зашифрованный архив на Марсе (пожалуйста, не надо). Пока нам банально не хватает знаний о фундаментальных силах, чтобы хоть как-то на них воздействовать.

Что касается управления гравитацией, здесь всё очень просто! Мы пока не умеем экранировать её. Да что уж тут говорить, мы даже не до конца понимаем, откуда именно берётся гравитация — чем больше мы изучаем квантовую физику и фундаментальные частицы, тем больше подробностей узнаём с каждым годом. Так что до «выключения» гравитации пока далеко.

Для упрощения восприятия я перейду на научно-рофловый язык.

Вспомним закон Всемирного тяготения, согласно которому на все материальные объекты во Вселенной действует сила взаимного притяжения. И в обычной ситуации всё нормально: две массы, расстояние между ними. Увеличиваем расстояние в два раза — сила падает в четыре. G — константа.

Сами объекты, кстати, притягивают друг друга с одинаковой силой F. Так что теперь можете хвастаться всем, что вы давите на Землю с такой же силой, как и она на вас! Просто массы слегка разнятся…

Так вот, мы просто берём закон Всемирного Тяготения…

И ХОБА!

У нас есть антигравитация! F становится отрицательной, из-за чего тела уже не притягиваются, а отталкиваются! Полетели! Всего-то нужно найти тело с отрицательной массой.

Вот только его, насколько сейчас известно, не существует во Вселенной. Учёные ни разу не находили ни следа отрицательной материи. И да, антиматерия ≠ материя с отрицательной массой, это учёные уже выяснили.

Чтобы было понятно, насколько это «ломающая» Общую Теорию Относительности и наш мозг вещь, просто приведу буквально один пример, опустив уравнения.

Итак, у нас есть два объекта. Один имеет положительную массу, второй — отрицательную. Масса есть масса, так что гравитационное притяжение между ними будет, пусть и со знаком минус, так что они будут «отталкиваться» друг от друга. Запомнили: результатом их взаимодействия будет -F. Но! Так как гравитационное притяжение — это сила (формула на изображении выше), в дело вступает второй закон Ньютона: F = ma. Переворачиваем его и получаем, что ускорение обоих тел высчитывается по формуле a = F/m. F — это как раз их гравитационное отталкивание, так что в уравнение появляется знак минус.

И вот тут начинается лютый замес. Допустим, первый объект у нас имеет положительную массу, а второй — отрицательную. Подставляем обе массы в уравнение и получаем абсурдную картину.

Если у них одинаковая масса, а никаких других сил вокруг нет (что, в целом, почти невозможно), они начинают «догонялки». Причём, наращивая темпы игры: имея одинаковое ускорение, они НИКОГДА не догонят друг друга. Но при этом они будут бесконечно ускоряться, пока… Ну, не нарушится устоявшаяся система? И при этом ускорение будет браться буквально из ниоткуда!

Это явление так и назвали — убегающее движение. Конечно, гоняются эти бедолаги только в уравнениях математики — отрицательную массу пока никто не находил, и, учитывая её поведение, едва ли это возможно. Зачем я это расписал? Чтобы показать, насколько парадоксальна сама суть антигравитации, как сильно она ломает физику мира и насколько мы далеко не то что от неё, но и от попыток понять, что такое гравитация в принципе.

Но я не унываю. Развитие нейросетей и квантовых компьютеров, вполне вероятно, если не раскроет нам все тайны Вселенной, то, по крайней мере, позволит существенно расширить границы нашего познания. Уже сейчас специализированные нейронные сети помогают в десятки раз быстрее обрабатывать данные, получаемые в ходе наблюдений за звёздами, в то время как другие модели нейросетей позволили смоделировать множество химических соединений, которые потом удалось успешно повторить в лабораторных условиях.

Скорость научно-технического прогресса растёт. И, что важнее, сам этот прогресс становится крайне непредсказуемой штукой. Квантовая передача информации, коммерческие запуски ракет, нейроинтерфейсы и чтение мыслей — всё это было фантастикой ещё тридцать лет назад. А сейчас, кажется, что вот-вот произойдёт настоящее чудо.

Автор, например, с нетерпением ждёт появления капсул виртуальной реальности и передовых методов борьбы с остеохондрозом. А каких технологий будущего ожидаете вы? Чего боитесь и чего ждёте в первую очередь? Делитесь в комментариях.

#funpay #лонг