Warpantriebe: Physiker geben Chancen auf eine schnellere als leichte Raumfahrt einen Schub

Von Mario Borunda, Oklahoma State University

Der der Erde am nächsten gelegene Stern ist Proxima Centauri. Es ist ungefähr 4,25 Lichtjahre entfernt oder ungefähr 25 Billionen Meilen (40 Billionen km). Das schnellste Raumschiff aller Zeiten, die jetzt im Weltraum befindliche Parker Solar Probe, wird eine Höchstgeschwindigkeit von 450.000 Meilen (724.000 km) pro Stunde erreichen. Es würde nur 20 Sekunden dauern, um mit dieser Geschwindigkeit von Los Angeles nach New York City zu gelangen, aber es würde etwa 6.633 Jahre dauern, bis die Sonnensonde das nächste benachbarte Sonnensystem der Erde erreicht hätte.

Wenn die Menschheit jemals leicht zwischen Sternen reisen will, müssen die Menschen schneller als das Licht gehen. Aber bisher ist schneller als Licht Reisen nur in Science-Fiction möglich.

In Isaac Asimovs Foundation-Serie kann die Menschheit mit Sprungantrieben von Planet zu Planet, von Stern zu Stern oder durch das Universum reisen. Als Kind habe ich so viele dieser Geschichten gelesen, wie ich in die Hände bekommen konnte. Ich bin jetzt theoretischer Physiker und studiere Nanotechnologie, aber ich bin immer noch fasziniert davon, wie die Menschheit eines Tages im Weltraum reisen könnte.

Einige Charaktere – wie die Astronauten in den Filmen “Interstellar” und “Thor” – benutzen Wurmlöcher, um in Sekunden zwischen Sonnensystemen zu reisen. Ein weiterer Ansatz, der “Star Trek” -Fans vertraut ist, ist die Warp-Antriebstechnologie. Warp-Antriebe sind theoretisch möglich, wenn auch noch weit hergeholt Technologie. Zwei kürzlich veröffentlichte Arbeiten machten im März Schlagzeilen, als Forscher behaupteten, eine der vielen Herausforderungen überwunden zu haben, die zwischen der Theorie der Warpantriebe und der Realität stehen.

Aber wie funktionieren diese theoretischen Warpantriebe wirklich? Und werden die Menschen bald den Sprung in die Warpgeschwindigkeit schaffen?

Kompression und Expansion

Das aktuelle Verständnis der Raumzeit durch Physiker beruht auf Albert Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie. Die Allgemeine Relativitätstheorie besagt, dass Raum und Zeit verschmolzen sind und dass nichts schneller als die Lichtgeschwindigkeit reisen kann. Die allgemeine Relativitätstheorie beschreibt auch, wie Masse und Energie raumzeitverzerrende Objekte wie Sterne und Schwarze Löcher die Raumzeit um sie herum krümmen. Diese Krümmung ist das, was Sie als Schwerkraft empfinden und warum sich viele Raumfahrthelden Sorgen machen, dass sie in einem Schwerkraftbrunnen “stecken bleiben” oder “hineinfallen”. Die frühen Science-Fiction-Autoren John Campbell und Asimov sahen in diesem Verziehen eine Möglichkeit, das Tempolimit zu umgehen.

Was wäre, wenn ein Raumschiff den Raum davor komprimieren und die Raumzeit dahinter erweitern könnte? “Star Trek” nahm diese Idee auf und nannte sie den Warpantrieb.

1994 zeigte Miguel Alcubierre, ein mexikanischer theoretischer Physiker, dass es mathematisch möglich ist, die Raumzeit vor dem Raumschiff zu komprimieren und hinter sich zu erweitern, innerhalb der Gesetze der Allgemeinen Relativitätstheorie. Also, was bedeutet das? Stellen Sie sich vor, der Abstand zwischen zwei Punkten beträgt 10 Meter (33 Fuß). Wenn Sie an Punkt A stehen und einen Meter pro Sekunde zurücklegen können, dauert es 10 Sekunden, um zu Punkt B zu gelangen. Wenn Sie sich dann mit Ihrer maximalen Geschwindigkeit von einem Meter pro Sekunde durch die Raumzeit bewegen, können Sie Punkt B in etwa einer Sekunde erreichen. Theoretisch widerspricht dieser Ansatz nicht den Relativitätsgesetzen, da Sie sich im Raum um Sie herum nicht schneller als das Licht bewegen. Alcubierre zeigte, dass der Warpantrieb aus “Star Trek” tatsächlich theoretisch möglich war.

Proxima Centauri hier kommen wir, richtig? Leider hatte Alcubierres Methode zur Komprimierung der Raumzeit ein Problem: Sie erfordert negative Energie oder negative Masse.

Ein negatives Energieproblem

Alcubierres Warpantrieb würde funktionieren, indem er eine Blase flacher Raumzeit um das Raumschiff erzeugt und die Raumzeit um diese Blase krümmt, um Entfernungen zu verringern. Der Warpantrieb würde entweder negative Masse – eine theoretisierte Art von Materie – oder einen Ring negativer Energiedichte benötigen, um zu funktionieren. Physiker haben nie negative Masse beobachtet, so dass negative Energie als einzige Option bleibt.

Um negative Energie zu erzeugen, würde ein Warpantrieb eine riesige Menge an Masse verwenden, um ein Ungleichgewicht zwischen Teilchen und Antiteilchen zu erzeugen. Wenn zum Beispiel ein Elektron und ein Antielektron in der Nähe des Warpantriebs erscheinen, würde eines der Teilchen von der Masse gefangen werden und dies führt zu einem Ungleichgewicht. Dieses Ungleichgewicht führt zu einer negativen Energiedichte. Alcubierres Warpantrieb würde diese negative Energie nutzen, um die Raumzeitblase zu erzeugen.

Aber damit ein Warpantrieb genug negative Energie erzeugen kann, bräuchte man viel Materie. Alcubierre schätzte, dass ein Warpantrieb mit einer 100-Meter-Blase die Masse des gesamten sichtbaren Universums erfordern würde.

1999 zeigte der Physiker Chris Van Den Broeck, dass die Ausdehnung des Volumens innerhalb der Blase bei konstanter Oberfläche den Energiebedarf erheblich auf etwa die Masse der Sonne reduzieren würde. Eine deutliche Verbesserung, aber immer noch weit über alle praktischen Möglichkeiten hinaus.

Eine Science-Fiction-Zukunft?

Zwei neuere Arbeiten – eine von Alexey Bobrick und Gianni Martire und eine andere von Erik Lentz – bieten Lösungen, die Warpantriebe der Realität näher zu bringen scheinen.

Bobrick und Martire erkannten, dass sie, indem sie die Raumzeit innerhalb der Blase auf eine bestimmte Weise modifizierten, die Notwendigkeit beseitigen konnten, negative Energie zu verwenden. Diese Lösung erzeugt jedoch keinen Warpantrieb, der schneller als das Licht gehen kann.

Unabhängig davon schlug Lentz auch eine Lösung vor, die keine negative Energie benötigt. Er verwendete einen anderen geometrischen Ansatz, um die Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie zu lösen, und auf diese Weise fand er heraus, dass ein Warpantrieb keine negative Energie verwenden müsste. Lentz’Lösung würde es der Blase ermöglichen, sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit zu bewegen.

Es ist wichtig darauf hinzuweisen, dass diese aufregenden Entwicklungen mathematische Modelle sind. Als Physiker werde ich Modellen erst dann voll vertrauen, wenn wir experimentelle Beweise haben. Doch die Wissenschaft der Warpantriebe kommt in Sicht. Als Science-Fiction-Fan begrüße ich all dieses innovative Denken. Mit den Worten von Captain Picard:

Dinge sind nur so lange unmöglich, bis sie es nicht sind.

Mario Borunda, Außerordentlicher Professor für Physik, Oklahoma State University

Dieser Artikel wurde aus dem Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.

Fazit: Wenn die Menschheit zwischen Sternen reisen will, müssen die Menschen schneller reisen als das Licht. Neue Forschungsergebnisse legen nahe, dass es möglich sein könnte, Warpantriebe zu bauen und das galaktische Tempolimit zu überschreiten.