Der Mikro-Warpantrieb

Adrian Mann

Von John G. Cramer; Original: The Micro-Warp Drive, ursprünglich verfaßt am 15. August 1999 und veröffentlicht in der Februarausgabe 2000 des Analog Science Fiction & Fact Magazine.

Übersetzt von Cernunnos (das Titelbild von Adrian Mann wurde vom Übersetzer als „Symbolbild“ eingefügt).

 

Ein kürzlicher Durchbruch hat das Konzept eines „Warpantriebs“ einen weiteren Schritt auf dem Weg von einer fiktiven Requisite für die Science Fiction zu einem gut fundierten physikalischen Konzept befördert, das vielleicht eines Tages verwirklicht werden könnte. Diese Verbesserung des Alcubierre-Warpantriebs wurde von Chris Van Den Broeck entwickelt, einem Theoretiker über die Allgemeine Relativitätstheorie an der Katholischen Universität von Löwen in Belgien. Er hat scheinbar unüberwindliche Probleme mit dem Entwurf des Alcubierre-Warpantriebs beseitigt. Seine Verbesserung bedient sich topologischer Gymnastik, um das Innere der Warp-Blase groß zu halten, während deren äußere Oberfläche sehr klein gemacht wird. Aber bevor ich Van Den Broecks Arbeit beschreibe, werde ich das Konzept des Alcubierre-Warpantriebs selbst zusammenfassen, das erstmals in meiner Kolumne #81 in der Novemberausgabe 1996 von Analog vorkam.

Bis 1994 war ein „Warpantrieb“ einer der Mythen der Science Fiction, ein gummiwissenschaftliches Konzept, das hauptsächlich verwendet wurde, um Helden von Weltraumopern mit Überlichtgeschwindigkeit von einem Sternsystem zum anderen flitzen zu lassen und dabei die Handlung voranzutreiben. Diejenigen, die mit den Gesetzen der Physik vertraut sind, sahen den Warpantrieb als eine offenkundige Verletzung der Prinzipien der Speziellen Relativitätstheorie, der Energieerhaltung und der Physik, wie wir sie kennen. Er wurde als exzessiver, aber vielleicht notwendiger Gebrauch der literarischen Freiheit von SF-Autoren toleriert.

Der Status des Warp-Antriebs änderte sich 1994 dramatisch, als Dr. Miguel Alcubierre einen Artikel mit dem Titel „The Warp Drive: hyper-fast travel within general relativity“ [„Der Warpantrieb: hyperschnelles Reisen im Rahmen der Allgemeinen Relativitätstheorie“] im Journal Classical and Quantum Gravity veröffentlichte. Alcubierre ist ein theoretischer Physiker aus Mexiko, der 1994 an der University of Wales arbeitete und sich nun am Albert-Einstein-Institut in Potsdam, Deutschland, befindet. Ebenfalls ein Fan der SF, war er von der SF-Tradition erfüllt und wandte seine Expertise in Physik den Überlegungen darüber zu, wie ein Warpantrieb innerhalb der Einschränkungen der Allgemeinen Relativitätstheorie, unseres gegenwärtigen „Standardmodells“ der Schwerkraft, konstruiert werden könnte. Alcubierre konstruierte eine „Metrik“, eine mathematische Spezifikation der Krümmung der Raumzeit, die all die Eigenschaften eines SF-Warpantriebs einschließlich der Fähigkeit zum überlichtschnellen Flug hatte. Überraschenderweise ist Alcubierres Warpantriebsmetrik eine Lösung von Einsteins Gleichungen zur Allgemeinen Relativitätstheorie und ist völlig mit ihnen konsistent. Dem Warpantrieb der Science Fiction war eine konsistente theoretische und mathematische Grundlage gegeben worden.

Wenn theoretische Physiker die Allgemeine Relativitätstheorie benutzen, besteht ihre normale Prozedur darin, mit irgendeiner Verteilung massiver Objekte zu beginnen und die Metrik zu berechnen, die die Raumzeitkrümmung beschreibt, die solch eine Verteilung produzieren würde. Alcubierre kehrte diese Prozedur um. Ohne sich darum zu sorgen, wie sie geformt werden könnte, konstruierte er eine Metrik, die ein Volumen eines flachen [= ungekrümmten; d. Ü.] Raumes, das vielleicht ein Raumschiff enthält, mit Überlichtgeschwindigkeit transportieren könnte. Dies wurde dadurch erreicht, daß das Volumen von flachem Raum in eine „Blase“ stark gekrümmten Raumes plaziert wird, worauf der Raum vor der Blase vernichtet und neuer Raum dahinter geschaffen wird. Effektiv wird die Warp-Blase durch Schaffung und Vernichtung von Raum vorangetrieben, als ob ein örtlicher Urknall hinter dem Heck des Raumschiffs stattfinden würde, während ein örtlicher „Big Crunch“ davor stattfände.

Wie schafft es Alcubierres Metrik, ein Objekt schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zu bewegen? Steht das nicht in direktem Widerspruch zu Einsteins Spezieller Relativitätstheorie? In Wirklichkeit nicht. Die Allgemeine Relativitätstheorie behandelt die Spezielle Relativitätstheorie als eine eingeschränkte Subtheorie, die örtlich für jede Raumregion zutrifft, die ausreichend klein ist, daß ihre Krümmung vernachlässigt werden kann. Die Allgemeine Relativitätstheorie verbietet überlichtschnelle Reisen oder Kommunikation nicht, aber sie verlangt, daß die örtlichen Einschränkungen der Speziellen Relativitätstheorie gelten. In anderen Worten: die Lichtgeschwindigkeit ist die örtliche Geschwindigkeitsgrenze, aber der breitere Kontext der Allgemeinen Relativitätstheorie kann Wege zur Umgehung dieses örtlichen Gesetzes bieten. Ein Beispiel dafür ist ein Wurmloch (siehe meine AV-Kolumnen Analog 6/89 und 5/90), das zwei weit voneinander entfernte Orte im Weltraum verbindet, sagen wir, fünf Lichtjahre auseinander. Ein Objekt könnte ein paar Minuten brauchen, um sich mit geringer Geschwindigkeit durch ein Wurmloch zu bewegen, und auf dem ganzen Weg die örtliche Geschwindigkeitsgrenze einhalten. Durch Passieren des Wurmlochs ist das Objekt jedoch fünf Lichtjahre in wenigen Minuten gereist und hat dabei eine effektive Geschwindigkeit produziert, die das Millionenfache der Lichtgeschwindigkeit beträgt.

Ein weiteres Beispiel für ein überlichtschnelles Phänomen ist die Ausdehnung des Universums selbst. Während sich das Universum ausdehnt, wird neuer Raum zwischen jeglichen zwei voneinander getrennten Objekten geschaffen. Die Objekte mögen sich jeweils in ihrer eigenen Raumzeit in Ruhe befinden, aber trotzdem kann der Abstand zwischen ihnen mit einer Rate wachsen, die viel größer ist als die Lichtgeschwindigkeit. Dem gegenwärtigen Standardmodell der Kosmologie zufolge weicht der Großteil des Universums mit Überlichtgeschwindigkeit zurück und ist daher völlig von uns isoliert.

Alcubierres Metrik verwendet eine analoge Ausdehnung des Raumes, um die Warp-Blase voranzutreiben. Nachdem jedoch das Schiff innerhalb der Blase sich in seinem örtlichen Raum in Ruhe befindet, werden die Insassen keine Beschleunigungskräfte spüren, wenn sich die Vorwärtsgeschwindigkeit der Blase ändert, noch werden sie die „üblichen“ relativistischen Effekte der Massenzunahme und der Zeitdilatation erfahren. Wenn ein Schiff mit Alcubierre-Warpantrieb 100 Lichtjahre mit hundertfacher Lichtgeschwindigkeit fliegt, dann dauert die Reise sowohl für die Insassen als auch für äußere Beobachter ein Jahr, nicht mehr und nicht weniger.

Alcubierres Veröffentlichung regte eine Welle der Aktivität unter Theoretikern der Allgemeinen Relativitätstheorie an, die die Konsequenzen der neuen Idee untersuchten. Es wurde sowohl von ihm selbst als auch von anderen herausgefunden, daß es bei Alcubierres ursprünglicher Warpantriebsidee eine Anzahl schwerwiegender Probleme gab. Sie verletzte die starken, dominanten und schwachen Energiebedingungen der Allgemeinen Relativitätstheorie. Die Nettoenergie der Warp-Blase war, wie sich herausstellte, extrem groß und negativ. Zum Beispiel würde eine Warp-Blase mit einem Radius von 100 Metern, die ein Raumschiff von annehmbarer Größe enthalten könnte, eine negative Nettoenergie haben, die von ungefähr zehnfacher Größe der gesamten (positiven) Energie des sichtbaren Universums war. Ein weiteres Problem war, daß die Wände der Blase so dünn sein müßten, daß sie nicht aus Materie konstruiert sein konnten, nicht einmal mit „kollabierter Materie“ von nuklearer Dichte. Man fand auch heraus, daß der Großteil der Warp-Blase von einem beträchtlichen Teil des äußeren Bereichs mit negativer Energie getrennt wäre. Daher könnte der Oberflächenteil der Blase nicht mitgeführt werden und würde ständig von außen erzeugt werden müssen. Der Antrieb konnte nicht eigenständig oder vom Schiff aus betrieben sein. Diese Probleme sind so überwältigend erschienen, daß die neuere Aufmerksamkeit sich auf Alternativen wie die Krasnikow-Röhre (siehe meine Kolumne #86 in der Septemberausgabe 1997 von Analog) konzentriert hat, die weniger Probleme bei der Umsetzung und Kontrolle bieten könnte.

Nun jedoch hat Dr. Van Den Broeck eine Verbesserung von Alcubierres Konzept vorgeschlagen, die viele von dessen Problemen zu lösen scheint. Van Den Broeck beobachtete, daß der Großteil der unerwünschten Effekte von Alcubierres Antrieb sich mit dem Volumen oder der Oberfläche der Warp-Blase skaliert. Daher besteht seine einfache Lösung darin, den Radius der Warp-Blase so klein zu machen, daß die Probleme verschwinden. Hierfür bedient er sich eines weiteren Tricks aus der Allgemeinen Relativitätstheorie. Das Innenvolumen eines Raumbereichs, der von einer geschlossenen Oberfläche umgrenzt wird, kann wegen der Raumkrümmung viel größer gemacht werden, als das flache Raumvolumen, das von seiner Oberfläche umschlossen wird. Im gekrümmten Raum kann das Innenvolumen einer Sphäre mit einem Radius von R viel größer gemacht werden als 4/3pR3.

Die neue Metrik der Van-Den-Broeck/Alcubierre-Warpblase ist wie eine Zielscheibe mit einem schwarzen Zentrum (Region 1), das von drei konzentrischen Ringen umgeben ist (Regionen 2 – 4). Die zentrale Sphäre in Region 1 ist flacher Raum, der groß genug ist, um ein Raumschiff zu enthalten. Region 2 ist eine sphärische Schale, die verzerrten Raum enthält, der das große Innenvolumen von Region 1 mit einer äußeren Region verbindet, die im Radius um einen Faktor von 1/a kleiner ist. Region 3 ist eine Übergangsregion aus flachem Raum, eine sphärische Schale mit einem viel kleineren Volumen als Region 1. Region 4 ist eine sphärische Schale, die Alcubierres Warp-Blase ist, aber nun mit einem sehr kleinen Radius. Van Den Broeck macht den Radius von Region 1 ungefähr 100 Meter groß und setzt a mit 1034 fest, sodaß die Region 4 nur einen Radius von etwa 3 x 10-32 Metern hat. Mit einem so kleinen Radius würde die Warp-Blase, wenn sie sich mit zehnfacher Lichtgeschwindigkeit bewegt, nur etwa 0,06 Gramm negative Masseenergie brauchen. Selbst wenn sie mit hundertfacher Lichtgeschwindigkeit fliegt, würde sie nur etwa 56 Kilogramm an negativer Masseenergie erfordern. Region 2, wo das Volumen des Raums von innen nach außen komprimiert wird, erfordert ebenfalls eine gewisse Menge an negativer Masseenergie, aber Van Den Broeck berechnet, daß es nur etwa 4 Gramm sind. Diese kleinen Mengen an negativer Energie beseitigen viele der Probleme von Alcubierres ursprünglichem Konzept.

Jedoch würde es selbst mit diesen Verbesserungen immer noch schwerwiegende „ingenieurstechnische“ Probleme bei der Umsetzung des Konzepts geben. Erstens, obwohl das Innere der Warp-Blase recht geräumig sein mag, hat ihr Äußeres nur einen Radius von 3 x 10-32 Metern, viel kleiner als ein Proton und in der Größe nahe an der Planck-Länge (1,62 x 10-35 Meter). Dies ist nahe genug an der minimalen Längenskala des Universums, daß solch eine Größenverringerung aufgrund von Quanteneffekten zweifelhaft ist. Außerdem würde es, nachdem der Durchmesser der Warp-Blase um viele Größenordnungen kleiner ist als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts (etwa 4 x 10-7 Meter) keine Möglichkeit geben, aus dem Inneren der Blase hinauszusehen. Jeder Flug wäre ein Blindflug ohne Möglichkeit zu sehen oder zu steuern. Außerdem: während die Größenordnung der für die Bildung einer Warp-Blase bei Van den Broecks Warpantrieb annehmbarer wird, bleibt die Anforderung an die Energiedichte unphysikalisch groß.

Und wie könnten unsere Raumfahrer in die Blase hinein oder am Ende ihres Fluges wieder aus ihr heraus? Van Den Broecks Berechnungen deuten darauf hin, daß die Verlangsamung der Blase bis zum Beinahe-Halt es ermöglichen würde, sie zu jeder gewünschten Größe auszudehnen. Jedoch würde solch eine Ausdehnung die Wanddicke verringern, und es ist nicht klar, was geschehen würde, wenn die Wanddicke kleiner würde als die Planck-Länge. Van Den Broeck beendet seinen Artikel mit der Anmerkung, daß, während der erste Raumflug mit Warpantrieb immer noch weit entfernt bleibt, er mit dem neuen Szenario für eine Warp-Blase vielleicht etwas weniger unwahrscheinlich geworden ist.

Vom Standpunkt der Science Fiction ist allein schon die Anwendung der Allgemeinen Relativitätstheorie für die Schaffung eines Raumvolumens, das innen größer ist als außen, sehr reizvoll. Es würde zum Beispiel das Problem der Lagerung von Büchern für viele von uns lösen. Weiters kann ich es nicht erwarten, daß dieses Prinzip auf Flugzeugsitze angewandt wird!

Van Den Broecks Warpantrieb ist ein großes Volumen flachen Raums, das mit dem Normalraum durch eine winzige „Enge“ verbunden ist. Er ähnelt daher den geläufigeren Allgemeine-Relativitätstheorie-Topologien der Wurmlöcher oder „Babyuniversen“ und hat vielleicht ein ähnliches Verhalten. Dies erhebt die Frage, wie man die Enge daran hindert, sich ganz abzuschnüren und unsere Raumfahrer in ihrem eigenen neuen Universum zu isolieren, statt sie zu einem neuen Teil des alten Universums zu befördern.

Ich sollte auch anmerken, daß diese Berechnungen ohne ein richtiges Verständnis der unbekannten zukünftigen Theorie erstellt wurden, die wir „Quantengravitation“ nennen. Eine Warp-Blase mit einem Durchmesser nahe der Planck-Skala wird von Effekten und Korrekturen der Quantengravitation beeinflußt werden. Insbesondere beschrieb meine frühere Kolumne (Analog 12/99) die Möglichkeit, daß zusätzliche Raumdimensionen, die sich auf die Schwerkraft auswirken, in Schleifen von etwa einem Millimeter Durchmesser eingerollt sein könnten. Falls dies der Fall wäre, würde es die Allgemeine Relativitätstheorie im Millimeterbereich modifizieren und fast sicher Van Den Broecks Metrik unverwirklichbar machen.

Somit könnten zusätzliche Raumdimensionen den Weg zu überlichtschneller Raumfahrt versperren. Unser Universum ist gewiß ein interessantes, und es wird interessanter, so wie wir es voller verstehen.

Verweise:

Allgemeine Relativitätstheorie:

  1. W. Misner, K. S. Thorne, und J. A. Wheeler, Gravitation, W.H. Freeman (1973).

Alcubierre-Warpantrieb:

Miguel Alcubierre, Classical and Quantum Gravity, v. 11, L73-L77, (1994).

Mikro-Warpantrieb:

C. Van Den Broeck, Vorabruck hep-ph/9805217 , LANL Archive, (April 2, 1999).

*   *   *

Anhang des Übersetzers:

Winchell Chung von Atomic Rockets schreibt im Unterabschnitt Existing Drives seines Abschnitts über FTL Starships, wo ich den Link zum obigen Artikel gefunden habe (Übersetzung von mir):

„Mehr am Rand befindet sich Burkhard Heim und seine Theorie von allem. Falls die Theorie die Realität beschreibt, könnte sie uns eine Form des überlichtschnellen Fluges geben, zu der es ohne Aufpreis ein auf künstlicher Gravitation beruhendes Antriebssystem dazugibt. Ihr könnt das Thesenpapier und die erweiterte Version hier lesen.“

Hier ist die deutsche Version des von Chung oben verlinkten englischen Wiki-Artikels über Burkhard Heim. Zum englischen Wiki-Artikel über die Heim-Theorie gibt es leider keine deutsche Version, und der dritte Link führt zu einer zweisprachigen (deutsch-englischen) Seite über die Heim’sche Theorie. Der Link „Thesenpapier“ führt zum englischsprachigen Artikel „Heim Quantum Theory for Space Propulsion Physics“ von Walter Dröscher und Jochem Häuser (PDF, 11 Seiten) und unter „erweiterte Version hier“ findet man „Physical Principles of Advanced Space Propulsion Based on Heim’s Field Theory“, ebenfalls von Dröscher und Häuser (PDF, 21 Seiten).

In Wie die NASA ihren allerersten Warpantrieb bauen könnte von George Dvorsky vom November 2012 wird eine weitere Konzeptverbesserung des Physikers Harold White zum Alcubierre’schen Warpantrieb vorgestellt, mit der die erschreckend großen Energieanforderungen durch eine Veränderung der Geometrie des Warpantriebs und eine Oszillation der Warp-Blase auf einen winzigen Bruchteil davon verringert werden könnte. Hier ist Harold White mit einem modernen Renderbild des ursprünglichen Warpschiffkonzepts von Matthew Jeffries aus der Mitte der 1960er Jahre zu sehen (Matthew Jeffries ist derjenige, der das Raumschiff Enterprise entworfen hat und nach dem die Jeffries-Röhren in Star Trek benannt sind):

harold-white-matthew-jeffries-warp-speed-ship-design-sixties-652x289

Siehe auch Der Woodward-Antrieb: Mit „seltsamem Schub“ in die Zukunft? von Deep Roots, worin ein übersetzter Wikipedia-Artikel über den Woodward-Effekt enthalten ist, demzufolge dieser Effekt – sofern er bestätigt werden kann – für die Erzeugung exotischer Materie mit negativer Energiedichte genutzt werden könnte, die man für die Schaffung passierbarer Wurmlöcher und die Verzerrung der Raumzeit um ein Raumschiff für einen Warpantrieb gemäß der Alcubierre-Metrik verwenden könnte.

Neu: Das aktualisierte Warpantriebs-Raumschiffkonzept der NASA sieht aus wie zum Leben erweckte Science Fiction

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