ワープ航法

空間そのものを動かして船を光より速く運ぶこと：何が必要か、そして中からの眺め

仮説です。物理学の上では可能ですが、実際に見た人はいません。表示はすべて現在の理論に基づきます。

ステップごとに

船ではなく空間を動かす

相対性理論の速度制限は、空間の中を動くものに対するものです。空間そのものが動くことには何も言っていません。遠い銀河が光より速く遠ざかるのは、その間の空間が増え続けるからです。アルクビエレの考えは、その小さな一部をわざと起こし、その中に船を乗せて運ぶことです。

バブルは、まわりに壁のある平らな空間の領域で、その壁では空間が前で縮み、後ろで伸びています。船は真ん中で静止しています。波に運ばれるサーファーのように。乗員は平らな空間で自由落下していることになります。押される感じも時間の遅れもなく、時計は外と同じに進みます。

これはアインシュタイン方程式の解であって、機械ではありません。隅のグラフは解そのものです。進行方向に沿って空間がどれだけ速く伸びているか（線の上）、縮んでいるか（線の下）。絵は、バブルが光速の2倍で飛び去るときに、その後ろにいる観測者が見るものです。前方にゆがんだ空の円盤があり、遠ざかるにつれて小さくなります。

壁を支えるもの

壁を支えるには、バブルのまわり全体に、とくに両側に、負のエネルギーの物質が必要です。1997年にフェンニングとフォードは、船を10年で天の川銀河の端から端まで運ぶバブルには約−10⁶⁴ kgが要ることを見つけました。観測可能な宇宙が含む量よりずっと多いのです。

アルクビエレのエネルギーの式は、至るところにマイナス符号があります。ワームホールを開いたままにするのと同じ種類のエキゾチック物質です。進行方向に沿ってはゼロで、船の中ほどのまわりの壁、つまり紫のリングで最大です。リングは描いたものです。

1997年にマイケル・フェンニングとラリー・フォードは、量子論が負のエネルギーに課す限界をバブルに当てはめました。壁の厚さは数百プランク長にしかなれず、船を遠くへ運べる大きさのバブルのエネルギーは約−10⁶⁴ kgだと分かりました。観測可能な宇宙の質量、約10⁵³ kgの、およそ1000億倍です。

その後の設計は請求書を減らしました。ヴァン・デン・ブルックの1999年の設計は、原子ほど小さなものを運ぶバブルなら太陽3個分未満で済みます。2021年にボブリックとマルティアは、光より遅いバブルなら普通の物質で作れることを示し、レンツは正のエネルギーだけで済むより速いバブルを提案しましたが、他の人々は異を唱えています。安いものはなく、合意されたものもありません。

どう作られるか

紙の上では、ワープ航法は3つの段階で作られます。大量の負のエネルギーを作り、船のまわりに薄い壁の形にし、船の前方で動かす。そのどれも、どうやるのか誰も知りません。ここのリングは描いたものです。

1. 負のエネルギーを作る。私たちに作れる唯一のものはごく小さく、カシミール効果は1マイクロメートル離れた板のあいだで1立方メートルあたり約−4 × 10⁻⁴ジュール、圧縮された光は短いパルスを作ります。フォードとローマンが見つけた限界は、これだけをこの短い時間しか許しません。バブルには約−10⁶⁴キログラムが必要です。

2. 壁の形にする。アルクビエレの式は、物質を船のまわりの殻に置きます。進行方向の線上にはなく、側面に最も多く、滑らかな壁で。フェニングとフォードは、壁はわずか数百プランク長、約10⁻³³メートルの厚さでなければならないと見出しました。私たちが作れるどんな物質より薄いものです。

3. 船の前方で動かす。船は前方の壁に信号を送れないので、内側からバブルを始動できません。クラスニコフは1995年に、遅い船が進みながら航路を整え、後ろに変えられた空間の管を残せば、その後その管に沿った旅は速くなる、と示唆しました。

これらのどれも機械としては存在しません。どの段階も数学が求めるものであって、技術ではありません。絵の中の負のエネルギーのリングと前方の航路は描いたものです。

バブルの中

中では何も感じないでしょう。船は平らな空間で静止しています。押される感じも時間の遅れもなく、時計は他のどこでもと同じに進みます。変わるのは空です。ドライブを上げると、前方の星々が寄り集まり、明るくなり、青くなります。

中心では空間は平らで静止しています。バブルが加速しても何もあなたを押しません。あなたは加速していないからです。動くのはバブルの壁です。あなたの時計は、誰の時計とも同じ時間を刻みます。

何が起きているかを見せるのは、入ってくる光だけです。光は空間が流れている壁を横切らなければならず、ずれて出てきます。前方からの光は振動数が1足す速度だけ上がり、後方からの光は1引く速度だけ下がります。ここのすべての光線はワープの幾何をたどってあります。

色合いはずれた色の簡単な代用で、明るさはドップラー係数に従います。中心の船そのものは描いてありません。

船が見るもの

クラーク、ヒスコック、ラーソンは1999年に光がバブルを通る道筋をたどり、トーマス・ミュラーとシュトゥットガルトの同僚たちがのちにその眺めの映像を作りました。光速を超えると、前半分の星々は実際よりも進行方向に近く見え、そちらに向かって明るく青くなります。

船の後ろでは、ドップラー係数、1引く速度が、光速でゼロになり、それを超えると真後ろのまわりに、光がまったく届かない円錐が開きます。その半角は、余弦が1割る速度である角です。光速の2倍で60°、船が速いほど大きくなります。

円錐は地平面です。超音速機の後ろのマッハ円錐のように、その中にあるものは自分の光に追い抜かれます。真後ろを見ると、乗員には暗闇しか見えず、縁のほうにかすかな赤い星がいくつか見えるだけでしょう。

観測者が見るもの

外から見ると、ワープバブルはほとんど見えません。輝きも、見える壁もありません。後ろからは、前方にゆがんだ空の円盤として現れ、バブルが遠ざかるにつれて縮みます。横からは、通り過ぎるまで何も気づかないでしょう。

はるか前方の星々の光は、あなたに届く前にバブルの壁を横切り、壁はそれを何十度も曲げて色をずらします。あなたが見るのは、実際には天球の広い帯から来た空が、進行方向のまわりの小さな円に詰め込まれた円盤です。バブルが遠いほど円盤は小さくなります。ここでカメラは空間に対して静止していて、バブルの後ろにいます。

バブルは、どんな光もそれを映せないほど速く動きます。その像は、バブルが通り過ぎたあとにしかあなたに届きません。その進路にいる人は、来るのを見る前に追い越されるでしょう。超音速機のあとから衝撃音が来るように。

真ん中の船は描いてありませんし、壁自身の輝きも（あるとしても）描いてありません。方程式が星の光にすることだけが示されています。

操縦も停止もできない

1995年にセルゲイ・クラスニコフは、船が送るどんなものも光より速くバブルの前方には届かないので、乗員は壁を作ることも操縦することも止めることもできないと指摘しました。壁についてのすべては、船が来る前に、船の前方に用意されていなければなりません。

クラーク、ヒスコック、ラーソンは、ここに描いた2つの円錐を見つけました。前方には船が信号を送れないもの、後方には光が船に届かないものです。どちらも、半角の余弦が1割る速度です。

ですからワープバブルの中の船は、すでにそこにある機械がやってくれない限り、目的地で止まれません。クラスニコフ自身の答えは、航路に沿って前もって敷かれた、ゆがめた空間のトンネルでした。これらは考えであって、設計ではありません。

さらに2つの問題

バブルが平らな空間からつけられた場合、計算によれば、量子効果がその前の壁に限りなくたまって、それを壊します。そして光より速く行く方法は、過去へ戻る方法でもありえます。

フィナッツィ、リベラーティ、バルセロは2009年に、平らな空間からつくられた超光速のバブルは前の壁に地平面を持ち、そこでは量子場のエネルギーが時間とともに指数関数的に増えることを示しました。彼らの結果は重力を古典的に、物質を量子的に扱うので、量子重力の完全な理論では違ってくるかもしれません。

アレン・エヴェレットは1996年に、モデルに簡単な変更を加えると、船が出発する前に家へ戻ってくる周回ができることを示しました。ワームホールと同じく、超光速のバブルは推進装置であると同時にタイムマシンでもあります。

スティーヴン・ホーキングの時間順序保護仮説は、自然がそのような周回の生じるのをつねに防ぐと言います。それがワープバブルにも成り立つかどうかは分かっていません。前の壁に描いた脈打つ輝きは、たまるエネルギーを表しています。それは描いたものです。

誰か作った人はいますか？

いいえ。ハロルド・ホワイトが率いるNASAのチームは、2011年と2012年にレーザー干渉計で小さなワープ場を探し、説得力のある兆候を見つけませんでした。ワープ航法は方程式の中にとどまり、必要な負のエネルギーを待っています。

NASAのジョンソン宇宙センターで、ホワイトとリチャード・ジュデイは、セラミックコンデンサーの小さなリングから生じる空間のゆがみを探す干渉計を作りました。結果は決定的ではなく、2014年の分析は、そうした装置が起こせるゆがみは小さすぎて干渉計には見えないと論じました。

一般相対性理論はバブルの形を許します。足りないのは物質です。必要な量の負のエネルギーを持つ既知の物質はなく、量子論が許すのは、カシミール効果のような、ごく小さな量を短時間だけです。

この考えは今も役に立っています。相対性理論が何を許し何を禁じるかを示し、物理学者に、エネルギーについてのどの規則を自然が本当に守っているのかを問わせてきました。普通の物質でできた光より遅いバブルは、今では推進装置としてではなく、重力について語ることのために研究されています。