1IXS Enterprise, ein vorgeschlagenes Warpschiff von Harold G. White von NASA Eagleworks (Render von Mark Rademaker)

Politech

Sind wir wirklich kurz davor, einen Warp-Antrieb zu haben, um unsere eigenen zu nennen?

Paradoxerweise sind wir beide näher und weiter vom Zoomen durch die Galaxie entfernt, als Sie vielleicht denken ...

Warp-Laufwerke sind ebenso ein Science-Fiction-Klischee wie populärwissenschaftliche Artikel, die zunächst darauf hinweisen, wie Cliché-Warp-Laufwerke in Science-Fiction sind. Obwohl es sich um nichts anderes als um raffinierte pseudowissenschaftliche Plotgeräte handelt, sind sie möglicherweise überraschend plausibel, und es gibt Mitarbeiter der NASA, die an einem ehrlichen Demonstrator der grundlegenden Physik arbeiten, mit der wir einen kleinen Prototyp entwerfen werden. Es ist eine Größenordnung komplizierter als die Raketenforschung. Es wird also eine Weile dauern, bis es soweit ist.

Im Grunde genommen verbiegt ein Warp-Antrieb das Gewebe aus Zeit und Raum um ein Objekt und biegt dieses Feld, um es so schnell oder schneller als die Lichtgeschwindigkeit nach vorne zu schieben. In Science-Fiction lautet ein häufiges Zitat, dass sich das Universum nicht durch das Universum bewegt, sondern um Sie herum, aber das ist nicht ganz richtig. Du erschaffst deine eigene kleine, unendlich bewegliche Blase im Universum und nutzt sie, um dir einen Schub zu geben, wie einen Flughafensteg, um zu einem weit entfernten Terminal zu gelangen, anstatt sie nur mit deinen Sachen zu bescheißen.

Das Universum und alle seine Gesetze werden gleich bleiben. Und innerhalb Ihrer sich bewegenden Blase ist die Situation ähnlich. Aber die Blase selbst, die nicht aus Materie, sondern aus Raum besteht, kann in jede Richtung bewegt werden, ohne dass die Trägheitsmasse Grenzen setzt. Um das vorherige Gleichnis zu erweitern: Wenn Sie nach ausreichend Training auf einem Fahrsteig laufen würden, könnten Sie übermenschliche Geschwindigkeiten erreichen, aber Ihre Beine würden Sie nicht schneller bewegen, als es die menschlichen Gelenke und Muskeln zulassen. Sie haben gerade den Boden unter Ihren Füßen in Bewegung gesetzt, um einen kumulativen Schub zu erhalten, ohne die Grenzen der Natur zu überschreiten.

Warp-Laufwerke könnten zu einer echten Technologie im Leben der heutigen Kleinkinder werden, da wir, gestärkt von dem, was wir über unser Wissen über die allgemeine und spezielle Relativitätstheorie und über viel mehr Rechenleistung bestätigt haben, jetzt einen Eindruck davon bekommen, wie es sein könnte, manipuliert zu werden das Gewebe von Zeit und Raum. Bevor wir jedoch auf die Details eingehen, sollten wir zunächst darüber sprechen, warum wir einen Warp-Antrieb bauen möchten und wie genau man Zeit und Raum biegen kann, damit er funktioniert.

Einfach ausgedrückt, der Raum ist mit unglaublich großen Entfernungen verbunden, auch wenn wir versuchen, ihn an der kosmischen Geschwindigkeitsbegrenzung zu überqueren, dh der Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum. Oder wie Douglas Adams uns im Per Anhalter durch die Galaxis gelehrt hat ...

Der Raum ist groß. Sehr groß. Sie werden nicht glauben, wie gewaltig, gewaltig, umwerfend groß es ist. Du denkst vielleicht, es ist ein langer Weg bis zur Apotheke, aber das sind nur Erdnüsse für den Weltraum.

Mit Lichtgeschwindigkeit zum Mond zu gelangen, würde 1,3 Sekunden dauern. Das Erreichen des nächsten Sterns würde 4,3 Jahre dauern und weniger als 100 Billionen Sterne auf Billionen im beobachtbaren Universum in Reichweite bringen, selbst wenn wir dieses kosmische Tempolimit erreichen können. Es gibt einen technischen Haken bei der Zeitdilatation, der jedoch für diese Diskussion nicht in Frage kommt. Wir müssen zuerst einen viel wichtigeren Haken in diesen Berechnungen ansprechen, das Problem, die Lichtgeschwindigkeit zu erreichen.

Warum können wir nicht schneller als mit Licht reisen?

Dieses Problem hat mit der Trägheitsmasse aus Newtons erstem Gesetz zu tun. Während wir die Masse umgangssprachlich als das betrachten, was etwas wiegt, sind Masse und Gewicht zwei sehr unterschiedliche Konzepte. Das Gewicht ist ein Maß dafür, wie viel Schwerkraft ein Objekt in Richtung des größten Körpers in einem System, in unserem Fall unseres Planeten, nach unten zieht. Masse ist dagegen der Widerstand eines Objekts, bewegt oder zum Stillstand gebracht zu werden. Wie das Erste Gesetz sagt, bleibt ein ruhender Körper in Ruhe, es sei denn, er wird von einer äußeren Kraft angegriffen. Was es in Ruhe hält, ist das, was wir Masse nennen, und es zu überwinden, erschwert die Raumfahrt.

Um diese Masse zu überwinden und schneller zu werden, braucht man immer mehr Energie. Wenn Sie in einem Auto fahren oder in einem Flugzeug fliegen, erhöht sich Ihre Trägheitsmasse in extrem kleinen Schritten. Selbst die Beschleunigung, die Sie benötigen, um eine konstante Umlaufbahn um die Erde zu erreichen, würde keinen großen Unterschied machen. Wenn Sie sich jedoch relativistischen Geschwindigkeiten oder einem nennenswerten Prozentsatz der Lichtgeschwindigkeit nähern, beginnt Ihre Trägheitsmasse zu wachsen, bis die Eigenschaften von Raum und Zeit verschwimmen und Ihnen mehr Masse statt Geschwindigkeit verleihen.

Je schneller Sie sich bewegen, desto langsamer ist die Zeit, die Sie vom Standpunkt eines Beobachters aus benötigen, desto weniger können Sie beschleunigen, da der externe Beobachter diese Zeit irgendwann für Sie anhalten würde. Schneller zu fahren wäre das Äquivalent zu einer Zeit, die man nicht rückwärts fahren kann. All diese zusätzlichen Kräfte gehen also nirgendwo hin und tragen zu Ihrem Widerstand gegen äußere Kräfte bei, d. H. Gegen Ihre Masse. Dies ist eine Manifestation des sogenannten Lorenz-Faktors, den wir hier wirklich vereinfachen mussten, um nicht viel von der allgemeinen und speziellen Relativitätstheorie abdecken zu müssen.

Berücksichtigen Sie dabei, dass selbst geladene subatomare Teilchen zu „schwer“ werden, um nach einem bestimmten Punkt die Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, und viel weniger Raumfahrzeuge, sodass die einzigen Dinge, die sich so schnell wie Licht fortbewegen können, überhaupt keine Masse haben können . Wenn wir nicht die kleinstmögliche Spezifikation dessen bekommen können, was als Materie angesehen werden kann, die sich so schnell wie leicht bewegt, versuchen Sie sich vorzustellen, Ihr interstellares Raumschiff so groß und schwer wie mehrere Flugzeugträger und mit Tausenden von Menschen an Bord zu beschleunigen, um der Geschwindigkeit von zu entsprechen Freie Elektronen, die durch die Zufuhr von Schwarzen Löchern und Supernovae ausgeschossen werden.

Trotzdem haben wir uns eine Vielzahl von sehr plausiblen Mitteln ausgedacht, um massive Raumschiffe wirklich, wirklich schnell zum Laufen zu bringen. Wir könnten kleine nukleare Explosionen verwenden, um unser Raumschiff voranzutreiben, Sonnensegel, die von Lasern verstärkt werden, und es gibt sogar Ideen, um diese Schiffe mit Explosionen von enthaltener Antimaterie auf bis zu 50% der Lichtgeschwindigkeit oder 0,5 ° C zu bringen. In der Theorie. In der Praxis kommt jedoch ein technischer Haken ins Spiel, den wir beiseite legen und der das Zoomen im Sonnensystem und das Reisen zu anderen erst recht problematisch macht.

Weltraumstaub, der natürliche Feind des relativistischen Raumschiffs

Der Helix-Nebel, einer der erdnächsten planetarischen Nebel (NASA)

Der Weltraum ist voller Partikel, die wir als Gas und Staub in ausreichend großen Klumpen und in beträchtlichen Entfernungen sehen können. Obwohl ihre Dichte unendlich niedrig ist, gibt es immer noch viele dieser kosmischen Trümmer. Eine Kollision mit der Geschwindigkeit, die unser derzeit schnellstes Fahrzeug erreichen kann, ist keine große Sache. Der Versuch, sie bei 0,1 ° C im inneren Sonnensystem aus dem Weg zu schieben, wo sie ihre höchste Dichte haben und wo jedes Raumschiff, das wir von irgendwo näher an der Erde starten, als Jupiter es durchqueren muss, selbstmörderisch sein kann. Relativistische Schiffe würden mehr oder weniger in Vergessenheit geraten.

Denken Sie daran, in eine Mücke zu laufen. Sie werden es wahrscheinlich gar nicht bemerken. Aber wenn Sie dieser Mücke so schnell begegnen würden wie einem Raumschiff, das sich in der Erdumlaufbahn bewegt, würde sie wahrscheinlich direkt in Sie eindringen. Stellen Sie sich nun vor, Sie rennen länger als ein paar Minuten mit derselben Geschwindigkeit durch einen Schwarm von ihnen. Das wird mehr oder weniger das sein, was Ihr relativistisches Raumschiff erleben wird, und obwohl es kein unüberwindbares Problem ist, erfordern alle möglichen Lösungen Kompromisse, die sich auf lange Sicht wirklich summieren könnten.

Staubschilde können das Schlimmste des Bombardements auf der Reise absorbieren, tragen aber zur Masse bei. Die elektromagnetische Abschirmung könnte alles abwehren, erfordert jedoch mehr Energieerzeugung und damit Kraftstoff. Das Erfordernis, Schilde auszutauschen oder aufzutanken, um die Abschirmung funktionsfähig zu halten, würde die effektive Reichweite und Einsatzplanung des Fahrzeugs beeinträchtigen und möglicherweise mehrere, sehr unterschiedliche Architekturen für Missionen bedeuten, was die Skaleneffekte und die Standardisierung, die erforderlich sind, um sie effektiv auszuführen, erschwert möchte eines Tages wirklich durch die Galaxis fächern.

Obwohl dies in unserem Sonnensystem und auf Reisen zu benachbarten Sternen keine große Rolle spielt, möchten Sie sich letztendlich Warp-Laufwerke zulegen, wenn Sie ein standardisiertes Missionsprofil wünschen. Denken Sie an etwas, das dem ITS von SpaceX ähnelt, aber wirklich kosmisch ist. Sollte die NASA-Forschung Früchte tragen, wäre es ziemlich sicher zu wetten, dass Musk und Bezos im Wettbewerb stehen, um Kriegsschiffe zu bauen und Tickets für ein Leben voller Abenteuer zu verkaufen, die in einer Zeit-Raum-Blase durch die Galaxis segeln.

Also, wie genau könnten wir Newton betrügen?

Standbild eines Wurmlochs aus Christopher Nolans Interstellar (Warner Bros.)

Wie würden sie es machen? Indem man genug Energie um das Fahrzeug herum in die richtige Form bringt, ist diese Form entscheidend. Als erster Vorschlag, der darlegte, wie man eine Warp-Blase erzeugen könnte, erforderte der Alcubierre-Antrieb - benannt nach seinem Schöpfer, dem mexikanischen Physiker Miguel Alcubierre - weit mehr als die Energie von buchstäblich allem, was im Universum existiert, um Energie zu erzeugen. Es brauchte nicht nur massive Energiestöße nach außen in alle Richtungen, sondern musste sich auch davor hüten, auf dem Raumschiff, das es erzeugte, zusammenzubrechen.

Ein weiterer Blick der Physiker Richard Obousy und Gerald Cleaver nutzte den Casimir-Effekt oder Quantenfluktuationen in elektromagnetischen Feldern und stellte fest, dass sie die negative Energie, die der Warp-Antrieb benötigte, weitaus effizienter erzeugen konnten als Alcubierres Vorschlag. Warp-Antriebe brauchten demnach die Energie, jedes Atom, aus dem der Saturn besteht, für jeden Kubikmeter des Volumens Ihres Raumschiffs zu verdampfen. Das war viel, viel besser als die Nutzung der Kraft eines Universums, aber auch ziemlich unbrauchbar.

Schließlich beschloss ein Physiker namens Harold White von der NASA, einige kleine Experimente mit Lasern in kontrollierten Umgebungen durchzuführen, um herauszufinden, welche stabilen Formen er erzeugen könnte, wenn er Zeit und Raum auf der Skala eines Labortisches biegt. Seine Offenbarung? Wenn Sie die Form mithilfe eines Energierings um das Fahrzeug in eine variable Blase verwandeln, könnte der Energiebedarf auf nur 67,8 Exajoule gesenkt werden. Das sind ungefähr 69% der jährlichen Energieerzeugung in Amerika, was immer noch eine Menge Strom ist, aber im Bereich der Plausibilität liegt.

Leider gibt es einen Haken. Der White-Scale-Warp-Antrieb verwendet einen ringförmigen Kondensator, der ein elektromagnetisches Feld erzeugt und theoretisch einen so signifikanten Casimir-Effekt auslöst, dass sich der Raum um diesen Kondensator biegt. Dieser Effekt wird dadurch verursacht, dass das Feld mit sogenannten virtuellen Partikeln interagiert, spontan auftretende Partikel / Antipartikel-Paare im Grundgerüst des Weltraums. Es klingt erstaunlich, als würden Materie und Energie aus dem Nichts gezogen, aber das ist eigentlich nicht das, was passiert.

Wie Sie vielleicht vermutet haben, in einem Universum zu leben, in dem die Dinge bei einem blendenden Gammastrahlenblitz nicht zu 100% spontan explodieren, sind diese Quanteneffekte auf Makroebene vernachlässigbar. Sie müssen sein, weil sich diese Quanteninstabilitäten ausgleichen, was zu keinem Nettogewinn an Energie oder Masse für das Universum führt. Außer wenn ihr Lebenszyklus durch ein Schwarzes Loch oder ein stark genug elektromagnetisches Feld gestört wird.

Der Gedanke ist, dass durch Erzeugen eines ausreichend starken Feldes um das Fahrzeug herum diese Quantenfluktuationen einen Hohlraum im Raum erzeugen würden, der das Fahrzeug und seine Insassen enthält. Wenn Sie die Form des Feldes durch Ändern der Schwingungen der ringförmigen Kondensatoren ändern, ändern Sie die Form dieses Hohlraums und bewegen ihn in die gewünschte Richtung. Und hier liegt der Haken. Die Konzepte von White sowie Obousy und Cleaver sind im Grunde genommen ein und dasselbe. Sie sind sich nicht einig über die Stärke des Effekts, aber diese Meinungsverschiedenheit betrifft einige ziemlich grundlegende physikalische Aspekte.

Das Problem mit dem Warp-Laufwerks-Design von White

Harold White manipuliert Warpfelder (NASA)

Was White sagt, ist, dass das Rig, das er geschaffen hat, um das Verziehen mit einem sehr präzisen Laser zu erkennen, zeigt, dass der Effekt viel größer ist als gedacht. Viele Wissenschaftler sind jedoch der Ansicht, dass die von ihm veröffentlichten Informationen nicht ausreichen, um seine Experimente zu wiederholen, und werfen einige rote Fahnen auf, ob seine Laser die richtigen Werkzeuge für den Job sind. Wie bereits erwähnt, muss der Casimir-Effekt ziemlich strenge Grenzen haben, da wir nicht in einem Universum leben, in dem ständig zufällige Explosionen auftreten.

Wenn wir die Menge an Energie, die wir benötigen, um sie für Warp-Reisen zu nutzen, wirklich um fast 39 Größenordnungen senken können, müssen einige sehr dringende und grundlegende Fragen zur Physik aufgeworfen werden. Und wenn Sie mit dem Gleichgewicht der virtuellen Partikel herumspielen, passieren einige sehr seltsame Dinge, die exotische Ausdrücke wie „Informationsparadox“ und „Monogamie der Verstrickung“ beinhalten und zu einer ganz besonderen Form von Strahlung führen, die von der Warp-Blase erzeugt wird und deren Bewohner betrifft. Ähnlich wie das, was wir denken, um den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs geschehen muss.

Es kann möglich sein, es mit den elektromagnetischen Feldern zu nutzen, die die Blase erzeugt haben, um eine Rückkopplungsschleife zu erzeugen, durch die das Warpschiff seine Energie aufnimmt, wenn es beschleunigt. Irgendwann würde diese Strahlung jedoch jeden Versuch, sie einzudämmen und zu verbrennen, überwältigen alles in der Warp-Blase. Selbst im besten Fall bedeutet die Verwendung eines Warp-Laufwerks einen ziemlich heiklen Spagat zwischen enormen Energien und Kräften, den Weiß noch nicht bewältigt hat. Aber denken Sie auch hier daran, dass er noch nicht so weit gekommen ist.

Physiker sind offen dafür, die Grenzen des Casimir-Effekts zu testen, müssen jedoch konkrete Ergebnisse in einem hochwirksamen Fachjournal veröffentlichen und unabhängig reproduzieren. Zum Glück für White, wenn er solche Ergebnisse vorweisen kann, konkurrieren Top-Publikationen um die Zeitung, und Dutzende internationaler Teams würden gerne damit beginnen, seine Experimente zu wiederholen. Es ist verlockend, seine kühnen Behauptungen und optimistischen Prognosen als aufmerksamkeitsstarke Frachtkultwissenschaft abzutun, aber angesichts der Implikationen dessen, was er versucht, wäre es für uns ein Nachteil, ihm keinen echten Schuss zu geben.

Aber selbst wenn es ihm nicht gelingt, ist es wichtig zu verstehen, wie man Raum und Zeit verzieht, um Energie zu erzeugen und letztendlich das Universum zu durchqueren. In nur zwei Jahrzehnten dachten wir, es sei entweder unmöglich oder erfordere tausende von Jahren an Forschung, ein vorläufiges Design zusammenzustellen, um das Phänomen herauszufinden, mit dem wir einen Warp-Antrieb antreiben können und wie man ihn am besten erzeugt. Obwohl dies keineswegs garantiert, dass wir in absehbarer Zeit einen Warp-Antrieb erhalten oder jemals völlig realistisch sein werden, sollten wir dies als ermutigenden Fortschritt ansehen.

Und in einer Zeit, in der wir an viel zu vielen wichtigen Fronten nach hinten gezogen zu sein scheinen, ist es wichtig, anzuhalten und darauf hinzuweisen, dass die Wissenschaft immer noch voranschreitet und mutige Ideen verfolgt, selbst solche, die tatsächlich ehrlich sind zur Güte Warpantrieb. Wir Menschen sind ein erfinderischer Haufen, doppelt so, wenn wir wirklich entschlossen sind, etwas zu erreichen, und selbst wenn wir scheitern, lernen wir genug, um entweder in Zukunft erfolgreich zu sein oder einen neuen Weg zu finden, wo wir hin wollen. Es wäre ein großer Fehler, Warp-Laufwerke auszuschließen, nur weil sie eine sehr knifflige Physik beinhalten.

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