Der Weg zum Warp-Antrieb?

Die Geschwindigkeitsbarriere
Im Weltmodell der speziellen Relativitätstheorie Albert Einsteins ist die Lichtgeschwindigkeit c mit ihren 299.792,458 km/s die Geschwindigkeitsbarriere: Je schneller ein Objekt wird, desto größer wird seine Masse. Damit erhöht sich auch die benötigte Energie, um das Objekt zu beschleunigen. Bei kleiner Geschwindigkeit ist dieser Effekt nicht spürbar, im Bereich der Lichtgeschwindigkeit werden die Masse und die nötige Energie zur Beschleunigung unendlich groß. Trotzdem: Die allgemeine Relativitätstheorie bietet möglicherweise ein Schlupfloch aus diesem relativistischen Gefängnis.

Die gekrümmte Raumzeit
Die allgemeine Relativitätstheorie schließt als Erweiterung der speziellen Relativitätstheorie die Schwerkraft in ihr Modell mit ein und versucht sie durch die Krümmung der Raumzeit zu erklären.
Die Raumzeit ist das vierdimensionale mathematische Modell, das die drei Raumdimensionen mit dem Zeitablauf eng verknüpft. Diese Raumzeit wird durch Massen gekrümmt und bestimmt wiederum durch ihre Krümmung, wie sich Massen bewegen.

Die Antriebstheorie
Eine Art Warp-Antrieb schlug der Physiker Miguel Alcubierre 1994 in Anlehnung an die Sciencefiction-Kultserie Star Trek vor: Wenn man den Raum vor einem Raumschiff zusammenziehen und dahinter ausdehnen könnte, wäre es prinzipiell möglich, ein entferntes Ziel mit beliebiger Geschwindigkeit anzusteuern. Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit wären möglich, da das Raumschiff innerhalb der Raumzeitverzerrung - also relativ zu seiner unmittelbaren Umgebung - ruhen würde. Diese Raumzeitverzerrung würde das Raumschiff in ihrem Inneren befördern - ähnlich der Warp-Blase mit Star-Trek-Physik.

Die Antriebspraxis
Wie kann man technisch die Raumzeit extrem verzerren? Dies ist nur ein Problem des Warp-Antriebs, und die Antwort ist unbekannt. Mit den gegenwärtigen technischen Möglichkeiten können weder Masse noch Energie so gehandhabt werden, dass sich die Raumzeit merklich krümmt. Zudem benötigt der Warp-Antrieb negative Masse oder eine entsprechende Menge negativer Energie. Negative Energie ist zwar den Physikern bekannt, beispielsweise im Zusammenhang mit dem Casimir-Effekt. Berechnungen ergaben allerdings, dass eine Warp-Blase à la Alcubierre wesentlich mehr Energie benötigt, als der bekannten Masse des Universums entspricht. Die Warp-Blase muss außerdem so konstruiert sein, dass ihre Wand eine fast verschwindende Dicke besitzt.

Wenn die Geometrie der Warp-Blase etwas verändert wird, kann die Energieanforderung drastisch verringert werden. Die Beträge der nötigen Energien liegen dann in der Größenordnung der Sonnenmasse, wie Chris van den Broeck vorrechnete. Er konstruierte dazu mathematisch eine Warp-Blase mit mikroskopisch kleiner Oberfläche und geräumigem Innenvolumen, das Platz für die Enterprise bieten würde. Wie man die Enterprise da hinein bekommt ist eine andere Frage, aber van den Broeck hat gezeigt, dass die energetischen Anforderungen des Warp-Antriebs zumindest prinzipiell drastisch reduziert werden können.

Mit seinem Antriebskonzept konnte und wollte Alubierre keine Bauanleitung für den Warp-Antrieb liefern. Er hat jedoch eine fruchtbare und immer noch andauernde wissenschaftliche Diskussion angestoßen über das, was bisher als absolut unmöglich galt.

Warp-Antrieb
Zu Deutsch - Verzerrungsantrieb. Die Raumzeit um das Raumschiff herum wird in der Wand der "Warp-Blase" extrem verzerrt. Dort wird der Raum vor dem Schiff zusammengezogen und hinter dem Schiff ausgedehnt. Die Warp-Blase transportiert das Schiff in beliebiger Geschwindigkeit.

Ist die Lichtgeschwindigkeit konstant?
Im Rahmen der allgemeinen Relativitätstheorie und der Physik des Vakuums ist die Lichtgeschwindigkeit c nicht konstant. Nahe einer Masse, insbes. nahe einem schwarzen Loch, verringert sich c (von einem entfernten Beobachter aus gesehen). Z. B. zwischen zwei parallelen Metallplatten in winzigem Abstand im Vakuum wird c größer.

Aus Sicht der Elektrodynamik hängt die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum mit der elektrischen Feldkonstante (Permitivität) ε0 und der magnetischen Feldkonstante (Permeabilität) µ0 zusammen wie c = 1/√(ε0 µ0). Lassen sich daher ε0 und µ0 verändern, so auch c.

Das Modell der gekrümmten Raumzeit ist weitgehend äquivalent zum Modell der ebenen Raumzeit, bei dem ε0 und µ0 von Ort zu Ort variieren. [siehe z. B. H. E. Puthoff: Polarizable-Vacuum (PV) representation of general relativity, http://xxx.lanl.gov/abs/gr-qc/9909037]

Negative Energie
Sie taucht in verschiedenen Theorien auf: beim Warp-Antrieb, bei Zeitreisen und bei Reisen durch Wurmlöcher. Taucht sie auch in der Praxis auf?

In der Physik Newtons kann der Nullpunkt der potentiellen Energie beliebig gewählt werden; nur die Energiedifferenzen sind dort wesentlich. Meistens wird einer Masse in unendlicher Entfernung z. B. zur Sonne die potentielle Energie null zugeschrieben. Setzt man diese Masse in die Nähe der Sonne, hat sie eine negative potentielle Energie.

Die spezielle Relativitätstheorie lässt den energetischen Nullpunkt nicht beliebig wählen. Selbst eine Masse m, die unendlich weit entfernt von anderen Massen ruht, besitzt mindestens die Energie E=mc².

Wenn wir aus einem Raumbereich so gut es irgendwie geht Materie und Strahlung entfernen, herrscht dort das Vakuum. Trotzdem ist dieses Vakuum nicht leer, wie die Quantentheorie zeigt. Es bleibt die so genannte Nullpunktenergie übrig, die z. B. die Nullpunktschwingungen der elektromagnetischen Strahlung enthält [siehe Vakuumenergie]. Addiert man die Energien der einzelnen Nullpunktschwingungen, ergibt sich eine gigantische Summe.

Unter bestimmten Bedingungen kann ein Bereich des Vakuums negative Energie besitzen, wie unter anderem der Casimir-Effekt zeigt: Zwischen zwei parallelen Metallplatten in winzigem Abstand im Vakuum ist die Energie etwas kleiner als außerhalb im "normalen" Vakuum. Im Vergleich zum Außenraum herrscht zwischen den Platten also negative Energie.

Aber: Nach der allgemeinen Relativitätstheorie hätte diese enorme Energie des Vakuums eine gigantische Schwerkraftwirkung auf das Universum als Ganzes zur Folge. Das Alter und die Ausdehnung des Universums wären anders, als aufgrund astrophysikalischer Beobachtungen und Modelle angenommen wird. Hier widersprechen sich zwei fundamentale physikalische Theorien.

Ansatzpunkte:

Warp-Antrieb und Co.
Unser Mond ist in wenigen Tagen zu erreichen, die Planeten unseres Sonnensystems je nach Entfernung und Energieaufwand in Monaten oder Jahren. Reisen zu Nachbarsternen würden auch mit Fusions- oder Antimaterie-Antrieben Jahrzehnte dauern. Schnellere Raketen mildern das Zeitproblem etwas, trotzdem müssen riesige Mengen Treibstoff mitgeschleppt werden, Nachtanken ist nur hier und da möglich, flexible Flugbahnen sind unmöglich. Der wissenschaftliche Durchbruch in der Raumfahrttechnik ist daher wünschenswert. Dieser Durchbruch würde jenseits der heute prinzipiell machbaren Antriebe liegen und vielleicht teilweise den Wechsel unser physikalischen Grundannahmen fordern. Das solch ein Wechsel möglich ist, zeigt die Wissenschaftsgeschichte mehrfach.Falls die Lösung des Antriebsproblems existiert, werden wir sie nicht finden, wenn wir allzu konservativ denken.Welche Ansatzpunkte gibt es?

Auswahl einiger Ansatzpunkte
(nicht unbedingt unabhängig voneinander)

1. Allgemein.
Das Antriebssystem erzeugt den Vortrieb durch Wechselwirkung mit seiner unmittelbaren Umgebung (Spacedrive, Raumantrieb, Feldantrieb). Was aber ist die unmittelbare Umgebung im Vakuum des Weltraums? Zur Umgebung gehören unter anderem der Raum selbst (was auch immer das ist), wenige Atome oder Moleküle pro Kubikmeter, kosmische Strahlung, elektromagnetische und Schwerkraft-Felder sowie Vakuumenergie (Nullpunktenergie).

2. Vakuumenergie.
Der Antrieb wird durch Wechselwirkung mit den elektromagnetischen Nullpunktschwingungen des Vakuums (Vakuumenergie, Nullpunktenergie) erzeugt. Dass so etwas prinzipiell funktionieren könnte, haben Jordan Maclay und Robert Forward in ihrer theoretischen Arbeit A Gedanken Spacecraft that Operates Using the Quantum Vacuum (Dynamic Casimir Effect) gezeigt (in Foundations of Physics, Vol. 34, March 2004, pp. 477-500).

3. Masse als Vakuumeffekt.
Schwerkraft und Massenträgheit (Widerstand gegen Beschleunigung) werden beschrieben als Folge elektromagnetischer Kräfte zwischen den Ladungsträgern der Materie und der Nullpunktstrahlung des Vakuums (Vakuumenergie, Nullpunktenergie). Zu diesem Thema gibt es bereits einige viel versprechende wissenschaftliche Untersuchungen. Möglicherweise lassen sich Methoden finden, mit denen diese Wechselwirkungen - und damit Schwerkraft und Masse - beeinflusst werden können. (Ein anderer Ansatz, die Massenträgheit zu erklären, wird unter 4. gewählt.)

4. Das Mach′sche Prinzip.
Was ist die Ursache dafür, dass eine Masse einen Widerstand gegen ihre Beschleunigung erzeugt (Massenträgheit)? Anders herum: Kann die Masse in einem ansonsten absolut leeren Universum ihre Beschleunigung "spüren"? Wie sollte in einem ansonsten absolut leeren Universum die Geschwindigkeit oder Beschleunigung der Masse bestimmt werden? Anscheinend geht das nicht, weil kein Bezugspunkt vorhanden ist. Das Mach′sche Prinzip (Ernst Mach, 1838 - 1916) sieht die Beschleunigung einer Masse in Bezug auf die Gesamtheit aller anderen Massen im Universum. Die Ursache der Massenträgheit liegt demnach in irgendeiner Wechselwirkung der Masse mit allen anderen Massen (anders als unter 3.). In neueren Arbeiten versuchen James F. Woodward und T. Mahood, diese vage Vorstellung zu konkretisiert. Sie zeigen, wie die Schwerkraft sämtlicher Massen des Universums zu einer von der Beschleunigung abhängigen Kraft führen könnte. Woodward leitet daraus die Möglichkeit ab, die Trägheit einer Masse zu verändern und dadurch einen Antrieb zu konstruieren.

5. Warp-Antrieb.
Selbst in etablierten Wissenschaftskreisen wird der Warp-Antrieb inzwischen ernsthaft diskutiert. Miguel Alcubierre von der Universität Wales stellte 1994 in Anlehnung an die Sciencefiction-Kultserie Star Trek das physikalische Prinzip des Warp-Antriebs vor. Dazu betrachtete er eine spezielle blasenartige Verzerrung der Raumzeit. Wegen der extremen Raumzeit-Stauchung in Bewegungsrichtung und Ausdehnung in Gegenrichtung, könnte sich das Innere der Blase relativ zum Außenraum schneller als das Licht bewegen - falls die energetischen Anforderungen drastisch verringert werden können

6. Negative Masse.
Negative Masse ist nicht dasselbe wie Antimaterie, denn auch Antimaterie besitzt positive Masse. Negative Masse ist die Eigenschaft einer hypothetischen Form der Materie, deren träge und schwere Masse negativ sind. (Die träge Masse charakterisiert den Widerstand gegen Beschleunigung und die schwere Masse die Fähigkeit, andere Massen anzuziehen oder von ihnen angezogen zu werden.) Entdeckt wurde diese Form der Materie bisher nicht. Während eine positive Masse alle anderen Massen anzieht, stößt eine negative Masse alle anderen Massen ab. Wenn der Impuls p normaler (positiver) Masse m mit der Geschwindigkeit v gleich mv ist, ist der Impuls negativer Masse gleich -mv und die kinetische Energie -½mv². Es wird noch merkwürdiger: Negative Masse beschleunigt entgegen der Richtung, der auf sie wirkenden Kraft F, a=-m/F! Aus Materie mit diesen Eigenschaften könnten wir einen Antrieb konstruieren: Bringen wir eine negative Masse in die Nähe eines Raumschiffs mit positiver Masse, beschleunigen beide Massen stetig in dieselbe Richtung. Sind beide Massen vom Betrag her gleich, sind auch ihre Beschleunigungen gleich, so dass ihr Abstand konstant ist. Aufgrund des negativen Vorzeichens der einen Masse bleiben der Gesamtimpuls und die Gesamtenergie trotzdem konstant null, Impuls und Energie bleiben also erhalten. Ob negative Masse jemals entdeckt wird, bleibt abzuwarten.

Mehr zur Vakuumenergie

Mehr über negative Energie

Negative Energy, Wormholes and Warp Drive
erschienen im Scientific American, January 2000
http://www.physics.hku.hk/~tboyce/sf/topics/wormhole/wormhole.html

The warp drive: hyper-fast travel within general relativity
Class. Quantum Grav., Vol. 11, (1994), Letter to the Editor, L73-L77
http://arXiv.org/abs/gr-qc/0009013
http://www.astro.cf.ac.uk/groups/relativity/papers/abstracts/miguel94a.html

Quantum effects in the Alcubierre warp drive spacetime
Classical and Quantum Gravity, vol. 14, L183-L188 (1997)
http://arXiv.org/abs/gr-qc/9707024

Warp drive and causality
Allen E. Everett
Physical Review D, vol. 53, 7365-7368, (1996)
http://www.if.ufrj.br/~mbr/warp/etc/prd53_7365.pdf

Hyper-fast travel without negative energy
http://arXiv.org/abs/gr-qc/9903068

A Gedanken Spacecraft that Operates Using the Quantum Vacuum
(Dynamic Casimir Effect), Pdf-File
http://www.quantumfields.com/gedanken%20spacecraft.pdf

Zusammenhang zwischen Vakuumenergie und Masse
Tiefer gehende Artikel, California Institute for Physics and Astrophysics
http://www.calphysics.org/research.html

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