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

Politech

Sind wir wirklich kurz davor, einen Warp-Antrieb zu haben, um uns selbst zu nennen?

Paradoxerweise sind wir beide näher und weiter davon entfernt, durch die Galaxie zu zoomen, als Sie vielleicht denken ...

Warp-Laufwerke sind ebenso ein Science-Fiction-Klischee wie populärwissenschaftliche Artikel, in denen zunächst darauf hingewiesen wird, wie klischeehaft Warp-Laufwerke in Science-Fiction sind. Aber obwohl sie nicht mehr als raffinierte pseudowissenschaftliche Plotgeräte zu sein scheinen, sind sie vielleicht überraschend plausibel, und es gibt Leute bei der NASA, die an einem ehrlichen Demonstrator der grundlegenden Physik arbeiten, mit der wir einen kleinen Prototyp entwerfen werden. Schauen Sie, es ist eine Größenordnung komplizierter als die Raketenwissenschaft, also wird es eine Weile dauern, bis es passiert.

Grundsätzlich beugt ein Warp-Antrieb die Struktur von Zeit und Raum um ein Objekt und biegt dann dieses Feld, um es so schnell oder schneller als die Lichtgeschwindigkeit nach vorne zu schieben. In Science-Fiction wird häufig zitiert, 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 wenn du einen Flughafenweg benutzt, um zu einem weit entfernten Terminal zu gelangen, anstatt sie nur mit deinen Sachen zu hacken.

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

Warp-Laufwerke könnten zu Lebzeiten heutiger Kleinkinder zu einer echten Technologie werden, da wir aufgrund unserer bestätigten Kenntnisse über die allgemeine und spezielle Relativitätstheorie und viel mehr Rechenleistung jetzt Einblicke in die Manipulationsmöglichkeiten erhalten 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 beinhaltet unglaublich große Entfernungen, selbst wenn wir versuchen, ihn mit 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 groß, gewaltig und umwerfend groß es ist. Ich meine, Sie denken vielleicht, es ist ein langer Weg zum Chemiker, aber das sind nur Erdnüsse in 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 Sterne der Billionen auf Billionen im beobachtbaren Universum in Reichweite eines menschlichen Lebens bringen, selbst wenn wir dieses kosmische Tempolimit erreichen könnten. 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 umgangssprachlich Masse 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 nach unten zum größten Körper in einem System zieht, das in unserem Fall unser Planet ist. Masse hingegen ist 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, eine äußere Kraft wirkt auf ihn ein. Was es in Ruhe hält, nennen wir Masse, und seine Überwindung erschwert die Raumfahrt.

Um diese Masse zu überwinden und schneller zu werden, benötigen Sie 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 stabile Umlaufbahn um die Erde aufrechtzuerhalten, würde keinen großen Unterschied machen. Wenn Sie sich jedoch relativistischen Geschwindigkeiten oder einem nennenswerten Prozentsatz der Lichtgeschwindigkeit nähern, beginnt Ihre Trägheitsmasse zu wachsen, bis sich die Eigenschaften von Raum und Zeit verschwören, um Ihnen mehr Masse anstelle von Geschwindigkeit zu geben.

Denn je schneller Sie sich bewegen, desto langsamer fließt die Zeit für Sie vom Standpunkt eines Beobachters aus, desto weniger können Sie beschleunigen, da der externe Beobachter irgendwann sehen würde, dass diese Zeit für Sie angehalten wird. Schneller zu fahren wäre das Äquivalent dazu, die Zeit in umgekehrter Richtung zu erzwingen, was unmöglich ist, sodass all diese zusätzliche Energie nirgendwohin führt und Ihren Widerstand gegen äußere Kräfte, dh Ihre Masse, erhöht. 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.

Bedenken Sie vor diesem Hintergrund, dass selbst geladene subatomare Teilchen nach einem bestimmten Punkt zu „schwer“ werden, um die Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, geschweige denn Raumfahrzeuge. Daher können die einzigen Dinge, die sich so schnell wie Licht bewegen können, überhaupt keine Masse haben . Wenn wir nicht die kleinstmöglichen Angaben darüber machen können, was als Materie angesehen werden kann, die sich so schnell wie Licht bewegt, stellen Sie sich vor, Sie beschleunigen Ihr interstellares Raumschiff so groß und schwer wie mehrere Flugzeugträger und mit Tausenden von Menschen an Bord, um die Geschwindigkeit von zu erreichen freie Elektronen, die durch Fütterung von Schwarzen Löchern und Supernovae herausgeschossen werden.

Trotzdem haben wir uns eine Vielzahl sehr plausibler Mittel überlegt, um massive Raumschiffe wirklich, wirklich schnell zum Laufen zu bringen. Wir könnten kleine nukleare Explosionen verwenden, um unser Raumschiff zu schieben, Sonnensegel, die durch Laser verstärkt werden, und es gibt sogar Ideen für die Verwendung von Antimaterie-Explosionen, um diese Schiffe 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 macht das Zoomen im Sonnensystem, geschweige denn das Reisen zu anderen, wirklich problematisch.

Weltraumstaub, der natürliche Feind des relativistischen Raumfahrzeugs

Der Helixnebel, einer der der Erde am nächsten gelegenen planetarischen Nebel (NASA)

Der Raum ist voller Partikel, die wir als Gas und Staub in ausreichend großen Klumpen und in beträchtlichen Entfernungen sehen können. Während ihre Dichte unendlich niedrig ist, ist noch viel von diesen kosmischen Trümmern da draußen. Es ist keine große Sache, mit der Geschwindigkeit zusammenzustoßen, die unser derzeit schnellstes Fahrzeug erreichen kann. Der Versuch, sie bei 0,1 ° C im inneren Sonnensystem aus dem Weg zu räumen, wo sie ihre maximale Dichte erreichen und wo jedes Raumschiff, das wir von einem Ort starten, der näher an der Erde liegt als Jupiter, durchqueren muss, kann Selbstmord sein. Relativistische Schiffe würden mehr oder weniger in Vergessenheit geraten.

Denken Sie daran, in eine Mücke zu gehen. Sie würden es wahrscheinlich nicht einmal bemerken. Aber wenn Sie auf diese Mücke stoßen würden, die so schnell ist wie ein Raumschiff, das sich in der Erdumlaufbahn bewegt, würde sie wahrscheinlich direkt durch Sie stechen. Stellen Sie sich nun vor, Sie würden länger als ein paar Minuten mit derselben Geschwindigkeit durch einen Schwarm von ihnen rennen. 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 könnten das schlimmste Bombardement während der Reise absorbieren, aber sie fügen Masse hinzu. Elektromagnetische Abschirmung könnte alles abweisen, erfordert jedoch mehr Energieerzeugung und damit Kraftstoff. Die Notwendigkeit, Schilde auszutauschen oder zu tanken, um die Abschirmung aufrechtzuerhalten, würde sich auf die effektive Reichweite und Missionsplanung des Fahrzeugs auswirken und kann mehrere, sehr unterschiedliche Architekturen für Missionen bedeuten, was die Skaleneffekte und die Standardisierung erschwert, die erforderlich sind, um sie effektiv durchzuführen, wenn wir sie durchführen Ich möchte eines Tages wirklich durch die Galaxie fächern.

Während dies in unserem Sonnensystem und bei Reisen zu benachbarten Sternen keine große Sache ist, möchten Sie sich letztendlich Warp-Antriebe zulegen, wenn Sie ein standardisiertes Missionsprofil wünschen. Denken Sie an etwas, das dem ITS von SpaceX sehr ähnlich ist, aber auf einer wirklich kosmischen Skala. Sollte die NASA-Forschung Früchte tragen, wäre es ziemlich sicher zu wetten, dass Musk und Bezos miteinander konkurrieren werden, um Warpschiffe zu bauen und Tickets für ein Leben voller Abenteuer zu verkaufen, die in einer Zeit-Raum-Blase durch die Galaxie segeln.

Also, wie genau könnten wir Newton betrügen?

Immer noch ein Wurmloch aus Christopher Nolans Interstellar (Warner Bros.)

Wie würden sie es machen? Indem Sie genug Energie um das Fahrzeug herum in die richtige Form bringen, ist diese Form entscheidend. Der Alcubierre-Antrieb - benannt nach seinem Schöpfer, dem mexikanischen Physiker Miguel Alcubierre - war der erste Vorschlag, der darlegte, was nötig wäre, um eine Warp-Blase zu erzeugen. Er benötigte weit mehr als die Energie von buchstäblich allem, was im Universum existiert, um an die Macht zu kommen. Es brauchte nicht nur massive Energiestöße nach außen in alle Richtungen, sondern musste auch verhindern, dass es auf dem Raumschiff, das es erzeugte, zurückfiel.

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 erzeugen konnten, die der Warp-Antrieb weitaus effizienter benötigte als Alcubierres Vorschlag. Demnach brauchten Warp-Antriebe die Energie, jedes Atom, aus dem Saturn besteht, für jeden Kubikmeter des Volumens Ihres Raumfahrzeugs zu verdampfen, was viel, viel besser war als die 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 zu sehen, welche stabilen Formen er erzeugen kann, wenn er Zeit und Raum auf der Skala eines Labortischs biegt. Seine Offenbarung? Wenn Sie die Form mithilfe eines Energierings um das Fahrzeug herum zu einer variablen Blase machen, kann der Leistungsbedarf auf nur 67,8 Exajoule gesenkt werden. Das sind ungefähr 69% der jährlichen Energieerzeugung in Amerika, was immer noch eine Menge Energie ist, aber fest 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 ausreichend signifikanten Casimir-Effekt auslöst, um den Raum um diesen Kondensator herum zu biegen. Dieser Effekt wird durch die Wechselwirkung des Feldes mit sogenannten virtuellen Partikeln verursacht, spontan auftretenden Partikel / Antiteilchen-Paaren in der Grundstruktur des Raums. Es klingt irgendwie erstaunlich, als würden Materie und Energie aus dem Nichts gezogen, aber das ist eigentlich nicht das, was passiert.

Wie Sie vielleicht vermutet haben, indem Sie in einem Universum leben, in dem Dinge nicht dazu neigen, in einem blendenden Blitz von Gammastrahlen zu 100% effizient spontan zu explodieren, sind diese Quanteneffekte auf einer Makroskala vernachlässigbar. Sie müssen sein, weil diese Quanteninstabilitäten sich gegenseitig ausgleichen, was zu keinem Nettogewinn an Energie oder Masse für das Universum führt. Außer wenn ihr Lebenszyklus durch ein Schwarzes Loch oder ein ausreichend starkes elektromagnetisches Feld gestört wird.

Der Gedanke ist, dass durch die Erzeugung 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 von White, Obousy und Cleaver vorgestellten Konzepte sind im Grunde ein und dasselbe. Sie sind sich nur nicht einig über die Stärke des Effekts, aber diese Meinungsverschiedenheit betrifft einige ziemlich grundlegende Physik.

Das Problem mit dem Warpantriebsdesign von White

Harold White manipuliert Warpfelder (NASA)

Was White sagt, ist, dass das Rig, das er erstellt hat, um das Verziehen mit einem sehr präzisen Laser zu erkennen, zeigt, dass der Effekt viel größer ist als gedacht. Viele Wissenschaftler sagen jedoch, dass die von ihm veröffentlichten Informationen nicht ausreichen, um seine Experimente zu wiederholen, und einige rote Fahnen darüber aufwerfen, ob seine Laser die richtigen Werkzeuge für diesen 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 virtueller Partikel herumspielen, passieren einige sehr seltsame Dinge, die exotische Begriffe wie „Informationsparadoxon“ und „Monogamie der Verschränkung“ beinhalten, was zu einer ganz besonderen Form von Strahlung führt, die durch die Warpblase erzeugt wird und deren Bewohner beeinflusst. Ähnlich wie wir denken, muss es am Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs passieren.

Es mag möglich sein, es mit den elektromagnetischen Feldern zu nutzen, die die Blase erzeugt haben, um eine Rückkopplungsschleife zu erzeugen, durch die das Warpschiff seine Kraft beim Beschleunigen aufnehmen kann, aber irgendwann würde diese Strahlung jeden Versuch überwältigen, sie einzudämmen und zu verbrennen alles in der Warpblase. Selbst im besten Fall ist die Verwendung eines Warp-Antriebs ein ziemlich heikler Balanceakt mit enormen Energien und Kräften, den Weiß noch nicht angegangen ist. 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, aber sie müssen konkrete Ergebnisse in einem hochwirksamen, von Experten begutachteten Journal veröffentlichen und unabhängig reproduzieren. Zum Glück für Weiß würden Top-Publikationen um das Papier konkurrieren, wenn er solche Ergebnisse zeigen könnte, und Dutzende internationaler Teams würden gerne damit beginnen, seine Experimente zu wiederholen. Es ist verlockend, seine kühnen Behauptungen und seine optimistische Prognose als aufmerksamkeitsstarke Frachtkultwissenschaft abzulehnen, aber angesichts der Auswirkungen dessen, was er versucht, wäre es für uns ein schlechter Dienst, ihm keinen echten Schuss zu geben.

Aber selbst wenn er zu kurz kommt, ist der wichtige Aspekt, dass wir wirklich 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 erfordern Tausende von Jahren Forschung, um auch nur ein vorläufiges Design zusammenzustellen, und gingen auf das Phänomen ein, mit dem wir einen Warp-Antrieb antreiben können und wie man ihn am besten erzeugt. Dies garantiert zwar keineswegs, dass wir in absehbarer Zeit einen Warp-Antrieb erhalten oder jemals völlig realistisch sein werden, aber wir sollten dies als ermutigenden Fortschritt ansehen.

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

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