Warpantrieb

Ein Schiff schneller als das Licht tragen, indem man den Raum selbst bewegt: was es bräuchte und die Sicht von innen

Ein Gedankenspiel: Die Physik erlaubt es auf dem Papier, gesehen hat es noch niemand. Alles folgt der heutigen Theorie.

Schritt für Schritt

Den Raum bewegen, nicht das Schiff

Die Geschwindigkeitsgrenze der Relativitätstheorie gilt für Dinge, die sich durch den Raum bewegen. Gegen die Bewegung des Raums selbst sagt sie nichts: ferne Galaxien entfernen sich schneller als das Licht, weil der Raum zwischen ihnen weiterwächst. Alcubierres Idee ist, ein kleines Stück davon absichtlich geschehen zu lassen und ein Schiff darin mitzunehmen.

Die Blase ist ein Gebiet flachen Raums mit einer Wand ringsum, in der der Raum vorn gestaucht und hinten gedehnt wird. Das Schiff ruht in der Mitte, wie ein Surfer, den eine Welle trägt. Die Besatzung wäre im freien Fall im flachen Raum: kein Schub, keine Zeitdehnung, die Uhren gehen wie draußen.

Es ist eine Lösung der Einstein-Gleichungen, keine Maschine. Das Diagramm in der Ecke gehört zur Lösung selbst: wie schnell der Raum entlang der Reiserichtung gedehnt (über der Linie) oder gestaucht (darunter) wird. Das Bild zeigt, was ein Beobachter hinter der Blase sähe, während sie mit doppelter Lichtgeschwindigkeit davonjagt: eine Scheibe verzerrten Himmels voraus, die schrumpft.

Was die Wand hält

Um die Wand zu halten, braucht man Materie negativer Energie rings um die Blase, am meisten an ihren Seiten. 1997 fanden Pfenning und Ford, dass eine Blase, die ein Schiff in zehn Jahren durch die Milchstraße trägt, etwa −10⁶⁴ kg braucht, weit mehr, als das beobachtbare Universum enthält.

Alcubierres Formel für die Energie hat überall ein Minuszeichen: dieselbe Art exotischer Materie, die ein Wurmloch offen hält. Sie ist null entlang der Reiserichtung und am größten in der Wand um die Mitte des Schiffs, dem violetten Ring. Der Ring ist gezeichnet.

1997 wandten Michael Pfenning und Larry Ford die Grenzen, die die Quantentheorie negativer Energie setzt, auf die Blase an. Sie fanden, dass ihre Wand nur einige hundert Planck-Längen dick sein könnte, und die Energie für eine Blase, groß genug, ein Schiff weit zu tragen, etwa −10⁶⁴ kg: etwa hundert Milliarden Mal die Masse des beobachtbaren Universums, etwa 10⁵³ kg.

Spätere Entwürfe senkten die Rechnung. Van Den Broecks von 1999 braucht weniger als drei Sonnen für eine Blase, die etwas so Kleines wie ein Atom trägt. 2021 zeigten Bobrick und Martire, dass Blasen langsamer als das Licht aus gewöhnlicher Materie gebaut werden können, und Lentz schlug eine schnellere vor, die nur positive Energie braucht, was andere bestreiten. Keine ist billig, und keine ist unumstritten.

Wie eines gebaut würde

Auf dem Papier wird ein Warp-Antrieb in drei Schritten gebaut: sehr viel negative Energie erzeugen, sie zu einer dünnen Wand rund um das Schiff formen und sie vor dem Schiff einschalten. Niemand weiß, wie man einen davon macht. Der Ring hier ist gezeichnet.

1. Negative Energie erzeugen. Die einzige, die wir machen können, ist winzig: Der Casimir-Effekt ergibt etwa −4 × 10⁻⁴ Joule pro Kubikmeter zwischen Platten im Abstand von einem Mikrometer, und gequetschtes Licht macht kurze Pulse. Die von Ford und Roman gefundenen Grenzen erlauben nur so viel für so kurze Zeit. Die Blase braucht etwa −10⁶⁴ Kilogramm.

2. Zu einer Wand formen. Alcubierres Formel legt die Materie in eine Hülle um das Schiff: keine entlang der Flugrichtung, am meisten an den Seiten, mit glatter Wand. Pfenning und Ford fanden, die Wand dürfte nur einige hundert Planck-Längen dick sein, etwa 10⁻³³ Meter, dünner als jede Materie, die wir herstellen können.

3. Vor dem Schiff einschalten. Das Schiff kann der Wand vor sich kein Signal senden, kann die Blase also nicht von innen starten. Krasnikow schlug 1995 vor, ein langsameres Schiff könnte die Route unterwegs vorbereiten und eine Röhre veränderten Raums hinter sich lassen, sodass spätere Fahrten entlang ihr schnell wären.

Nichts davon gibt es als Maschine. Jeder Schritt ist, was die Mathematik verlangt, keine Technik. Der Ring aus negativer Energie im Bild und die Route voraus sind gezeichnet.

In der Blase

Im Inneren würden Sie nichts spüren. Das Schiff ruht im flachen Raum: kein Schub, keine Zeitdehnung, die Uhren gehen wie überall sonst. Was sich ändert, ist der Himmel. Dreht man den Antrieb hoch, rücken die Sterne voraus zusammen, werden heller und blau.

In der Mitte ist der Raum flach und ruht. Nichts schiebt Sie, wenn die Blase schneller wird, denn Sie beschleunigen nicht; die Wand der Blase bewegt sich. Ihre Uhr zeigt die Zeit, die die aller anderen zeigt.

Nur das einfallende Licht zeigt, was geschieht. Es muss die Wand durchqueren, wo der Raum fließt, und kommt verschoben heraus: Licht von voraus wird in der Frequenz um 1 plus die Geschwindigkeit angehoben, Licht von hinten um 1 minus die Geschwindigkeit gesenkt. Jeder Strahl hier wird durch die Warp-Geometrie verfolgt.

Die Tönungen sind ein einfacher Ersatz für verschobene Farben, und die Helligkeit folgt dem Dopplerfaktor. Das Schiff selbst in der Mitte ist nicht gezeichnet.

Was das Schiff sieht

Clark, Hiscock und Larson verfolgten 1999 Licht durch die Blase, und Thomas Müller und Kollegen in Stuttgart drehten später Filme der Sicht. Jenseits der Lichtgeschwindigkeit erscheinen die Sterne der vorderen Hälfte näher an der Reiserichtung, als sie wirklich sind, und werden zu ihr hin heller und blauer.

Hinter dem Schiff fällt der Dopplerfaktor, 1 minus die Geschwindigkeit, bei Lichtgeschwindigkeit auf null, und darüber hinaus öffnet sich um genau hinten ein Kegel, aus dem überhaupt kein Licht ankommt. Sein Halbwinkel ist der Winkel, dessen Kosinus 1 durch die Geschwindigkeit ist: 60° bei doppelter Lichtgeschwindigkeit, mehr, je schneller das Schiff fliegt.

Der Kegel ist ein Horizont, wie der Mach-Kegel hinter einem Überschallflugzeug: was in ihm liegt, wird von seinem eigenen Licht überholt. Direkt nach hinten sähe die Besatzung nur Dunkel, mit ein paar schwachen roten Sternen gegen seinen Rand.

Was ein Beobachter sieht

Von außen ist eine Warpblase kaum sichtbar: kein Leuchten, keine Wand zu sehen. Von hinten zeigt sie sich als Scheibe verzerrten Himmels voraus, die schrumpft, während die Blase davonjagt; von der Seite würden Sie nichts bemerken, bis sie vorbei ist.

Licht von weit voraus liegenden Sternen durchquert die Wand der Blase, bevor es Sie erreicht, und die Wand lenkt es um Dutzende Grad ab und verschiebt seine Farbe. Was Sie sehen, ist eine Scheibe Himmel, die in Wahrheit von einem weiten Streifen des Firmaments stammt, zusammengedrängt in einen kleinen Kreis um die Reiserichtung: je weiter die Blase, desto kleiner die Scheibe. Die Kamera ruht hier im Raum, hinter der Blase.

Die Blase bewegt sich schneller, als irgendein Licht sie zeigen könnte: ihr Bild erreichte Sie erst, nachdem sie vorbei ist. Wer in ihrem Weg stünde, würde überholt, bevor er sie kommen sähe, wie der Überschallknall einem Überschallflugzeug folgt.

Das Schiff in der Mitte ist nicht gezeichnet, ebenso wenig ein Eigenleuchten der Wand, falls sie eines hätte: gezeigt wird nur, was die Gleichungen mit dem Sternenlicht tun.

Kein Lenken, kein Halten

1995 wies Sergei Krasnikow darauf hin, dass nichts, was das Schiff sendet, die Front der Blase schneller als das Licht erreichen kann, sodass die Besatzung die Wand weder erzeugen noch lenken noch anhalten kann. Alles an der Wand müsste vor dem Schiff eingerichtet sein, bevor es kommt.

Clark, Hiscock und Larson fanden die beiden hier gezeichneten Kegel: voraus einen, in den das Schiff kein Signal senden kann, und hinten den, aus dem kein Licht zu ihm gelangen kann. Jeder hat einen Halbwinkel, dessen Kosinus 1 durch die Geschwindigkeit ist.

Ein Schiff in einer Warpblase könnte also am Ziel nicht anhalten, es sei denn, Maschinerie, die schon dort ist, täte es. Krasnikows eigene Antwort war eine Röhre verformten Raums, im Voraus entlang der Route verlegt. Das sind Ideen, keine Entwürfe.

Zwei weitere Probleme

Wird die Blase aus flachem Raum eingeschaltet, sagen Rechnungen, dass sich Quanteneffekte an ihrer vorderen Wand ohne Grenze anhäufen und sie zerstören. Und ein Weg, schneller als das Licht zu reisen, kann auch ein Weg zurück in der Zeit sein.

Finazzi, Liberati und Barceló zeigten 2009, dass eine Überlichtblase, die aus flachem Raum entsteht, an ihrer vorderen Wand einen Horizont bekommt und dass die Energie der Quantenfelder dort exponentiell mit der Zeit wächst. Ihr Ergebnis behandelt die Gravitation klassisch und die Materie quantenmechanisch, eine vollständige Theorie der Quantengravitation könnte also abweichen.

Allen Everett zeigte 1996, dass eine einfache Änderung am Modell einem Schiff erlaubt, eine Schleife zu fliegen, die es heimbringt, bevor es aufbrach. Wie das Wurmloch ist eine Überlichtblase eine Zeitmaschine ebenso wie ein Antrieb.

Die Chronologieschutz-Vermutung von Stephen Hawking besagt, dass die Natur die Bildung solcher Schleifen stets verhindert. Ob sie für Warpblasen gilt, ist nicht bekannt. Das gezeichnete pulsierende Leuchten an der vorderen Wand steht für die sich anstauende Energie; es ist gezeichnet.

Hat jemand einen gebaut?

Nein. Ein NASA-Team unter Harold White suchte 2011 und 2012 mit einem Laserinterferometer nach einem winzigen Warpfeld und fand kein überzeugendes Zeichen. Ein Warpantrieb bleibt in den Gleichungen und wartet auf die negative Energie, die er bräuchte.

Im Johnson Space Center der NASA bauten White und Richard Juday ein Interferometer, um nach einer Verzerrung des Raums durch einen winzigen Ring aus Keramikkondensatoren zu suchen. Die Ergebnisse waren nicht eindeutig, und eine Analyse von 2014 argumentierte, die Verzerrungen, die ein solcher Aufbau erzeugen kann, seien viel zu klein, als dass er sie sehen könnte.

Die Allgemeine Relativitätstheorie erlaubt die Form der Blase; was fehlt, ist die Materie. Kein bekannter Stoff hat negative Energie in den nötigen Mengen, und die Quantentheorie erlaubt nur winzige Mengen, wie beim Casimir-Effekt, für kurze Zeit.

Die Idee leistet dennoch nützliche Arbeit. Sie zeigt, was die Relativitätstheorie erlaubt und verbietet, und hat Physiker gedrängt zu fragen, welche der Regeln über Energie die Natur wirklich einhält. Blasen langsamer als das Licht aus gewöhnlicher Materie werden heute untersucht, um zu erfahren, was sie über die Gravitation sagen, nicht als Antriebe.