Wissenschaftler glauben, dass Reisen mit Lichtgeschwindigkeit möglich sind. Hier ist wie.

Ein funktionierender Warpantrieb würde es Menschen ermöglichen, im Handumdrehen die entlegensten Enden des Kosmos zu erreichen.

ICHEnde 2020,Der Physiker Harold „Sonny“ White, PhD, Forschungsdirektor des gemeinnützigen Limitless Space Institute, bemerkte etwas Seltsames – und Vertrautes – in einem kreisförmigen Muster von Datendiagrammen, die durch ein kürzlich durchgeführtes Experiment erstellt wurden.

White und sein Team im LSI-Labor in Houston führten Forschungen für die Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) durch und hatten diese speziellen Experimente durchgeführt, um die Energiedichten in Casimir-Hohlräumen zu untersuchen, den mysteriösen Räumen zwischen mikroskopisch kleinen Metallplatten im Vakuum. Das Datendiagramm zeigte Bereiche mit verminderter Energie zwischen den Platten, was dazu führte, dass sie aufeinander zu drückten, als ob sie versuchen würden, den Hohlraum zu füllen. Dies ist als negative Vakuumenergiedichte bekannt, ein Phänomen in der Quantenmechanik, das passenderweise Casimir-Effekt genannt wird. Es ist etwas, das Wissenschaftlern hilft, die komplizierte Physik mikroskaliger Strukturen zu verstehen, von der einige Forscher hoffen, dass sie auf praktischere Energieanwendungen wie Schaltkreise und elektromechanische Systeme angewendet werden kann.

Aber White bemerkte, dass das Muster der negativen Vakuumenergie zwischen den Platten und um die winzigen zylindrischen Säulen, die sie in den Raum eingefügt hatten, bekannt vorkam. Es spiegelte genau das Energiemuster wider, das von einer Art exotischer Materie erzeugt wird, von der einige Physiker glauben, dass sie interstellare Hochgeschwindigkeitsreisen ermöglichen könnte. „Wir haben dann mathematisch untersucht, was passiert, wenn wir unter den gleichen Bedingungen eine Ein-Mikrometer-Kugel in einem Vier-Mikrometer-Zylinder platzieren würden, und haben herausgefunden, dass diese Art von Struktur eine kleine nanoskalige Warp-Blase erzeugen könnte, die diesen zentralen Bereich umschließt.“ White erklärt.

Das ist richtig – eine Warp-Blase. Der wesentliche Bestandteil eines bislang fiktiven Warp-Antriebs, der seit Jahrzehnten die Obsession von Physikern, Ingenieuren und Science-Fiction-Fans ist. Der Warp-Antrieb ist natürlich der Stoff, aus dem die Star-Trek-Legende besteht, ein in einem Raumschiff eingeschlossenes Gerät, das den Sterblichen an Bord die Möglichkeit gibt, mit übermenschlicher Geschwindigkeit durch den Kosmos zu rasen. Für den Laien-Science-Fiction-Fan ist es eine „Black Box“ – ein bequemer, komplett erfundener Workaround, um den harten Realitäten interstellarer Reisen zu entgehen. Nach jahrzehntelangen Spekulationen, Forschungen und Experimenten glauben Wissenschaftler jedoch, dass ein Warp-Antrieb tatsächlich funktionieren könnte.

Um es zu betonen: Weiß hat nicht wirklich eine Warp-Blase erzeugt. Doch die Daten seiner Studie sorgten für ein Aha-Erlebnis: Erstmals zeigte sich eine baubare Warp-Blase erfolgsversprechend.

Der Kern der Warp-Technologie Die Wissenschaft ist überraschend fundiert. Auch wenn die spezifische Mechanik eines tatsächlichen Geräts noch nicht vollständig geklärt ist, deutet die Rechnung auf eine Machbarkeit hin. Kurz gesagt: Ein realer Warp-Antrieb würde enorme Energiemengen, die in Form von Masse vorliegen können, verbrauchen, um genügend Anziehungskraft zu erzeugen, um die Raumzeit auf kontrollierte Weise zu verzerren und es einem Schiff zu ermöglichen, innerhalb einer selbst erzeugten Blase voranzutreiben das selbst kann sich im Wesentlichen mit jeder Geschwindigkeit fortbewegen. Warp-Antriebe tauchten jahrzehntelang zeitweise in der Fiktion auf, bevor der Star-Trek-Schöpfer Gene Roddenberry 1966 einen solchen in die USS Enterprise einbaute. Doch Miguel Alcubierre, Ph.D., ein mexikanischer theoretischer Physiker und bekennender Star-Trek-Enthusiast, verlieh der Idee mit seinem Einsatz die Realität veröffentlichte 1994 einen Artikel, in dem er spekulierte, dass ein solcher Antrieb mathematisch möglich sei. Es war die erste ernsthafte Auseinandersetzung mit der Machbarkeit eines Warp-Antriebs und sorgte weltweit für Schlagzeilen. Sein Durchbruch inspirierte weitere Wissenschaftler dazu, die theoretischen Aspekte des Warp-Antriebs in konkrete, praktische Anwendungen umzuwandeln.

„Ich habe eine ‚Geometrie‘ für den Weltraum vorgeschlagen, die aus der Ferne gesehen eine überlichtschnelle Reise ermöglicht, indem sie im Wesentlichen den Raum hinter dem Objekt, das wir bewegen wollen, erweitert und ihn vor ihm zusammenzieht“, sagt Alcubierre. „Dadurch entsteht eine ‚Blase‘ aus verzerrtem Raum, in der sich ein Objekt – beispielsweise ein Raumschiff – befinden könnte.“

Physiker neigen dazu, relativ zu sprechen. Wenn Alcubierre die schlaue Bezeichnung „aus der Ferne gesehen“ einfügt, könnte es so klingen, als würde er das galaktische Äquivalent einer optischen Täuschung beschreiben – ein Effekt, der vielleicht dem Vorbeifahren an einem Lastwagen ähnelt, der auf der Autobahn in die entgegengesetzte Richtung fährt, wenn man beide 60 ist Meilen pro Stunde. Fühlt sich sicher wie ein 20-Dollar-Schein an, nicht wahr? Aber die A-zu-B-Geschwindigkeit ist real; Der Warp-Effekt verkürzt lediglich den buchstäblichen Abstand zwischen zwei Punkten. Genau genommen bewegen Sie sich nicht schneller als das Licht. Innerhalb der Blase sieht alles relativ normal aus und das Licht bewegt sich schneller als Sie, wie es sollte. Außerhalb der Blase schleppen Sie jedoch die Post.

Alcubierres Vorschlag hatte eine der anfänglichen Hürden beim Erreichen von Warpgeschwindigkeiten gelöst: Die Idee selbst steht im Widerspruch zu Einsteins seit langem akzeptierter allgemeiner Relativitätstheorie, die besagt, dass sich nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen kann, was den Weltraum selbst jedoch nicht ausschließt schneller reisen. Tatsächlich spekulieren Wissenschaftler, dass dieselben Prinzipien die schnelle Expansion des Universums nach dem Urknall erklären.

Während Alcubierre zu dem Schluss kam, dass Warp-Geschwindigkeit tatsächlich möglich sei, stellte er auch fest, dass eine enorme Energiemenge erforderlich wäre, um die Warp-Blase aufrechtzuerhalten. Er stellte die Theorie auf, dass negative Energie – der Stoff, auf den Whites Experimente mit Casimir-Hohlräumen hindeuteten – eine Lösung sein könnte. Das einzige Problem ist, dass noch niemand bewiesen hat, dass negative Energie real ist. Es ist das Unobtanium unserer Raumfahrtvorstellungen, von dessen Existenz nur Forscher glauben. Theoretisch könnte diese unbekannte Materie jedoch so stark sein, dass zukünftige Entwickler von Warpantrieben sie kanalisieren könnten, um die Raumzeit um sie herum zu kontrahieren. In Konzeptzeichnungen warpfähiger Raumfahrzeuge umgeben riesige Materialringe, die diese Energiequelle enthalten, einen zentralen Rumpf. Wenn es aktiviert ist, verzerrt es die Raumzeit um das gesamte Schiff. Je intensiver die Verzerrung ist, desto schneller wird die Verzugsbewegung erreicht.

Natürlich ist es nicht so einfach. Der Physiker José Natário, PhD, Professor am Instituto Superior Técnico in Lissabon, schrieb 2001 seine eigene einflussreiche Arbeit über die mathematische Machbarkeit von Warp-Antrieben. Er macht sich jedoch Sorgen über praktische Rätsel, wie etwa die benötigte Energiemenge. „Dazu muss man in der Lage sein, die Raumzeit ziemlich stark zu krümmen“, sagt er. „Wir sprechen von etwas, das viel, viel stärker wäre als die Sonne.“

Alcubierre ist ebenfalls skeptisch, dass seine theoretischen Ideen jemals zur Entwicklung eines funktionierenden Warp-Antriebs genutzt werden könnten. „Damit sich eine etwa 100 Meter breite Blase genau mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt, müsste etwa die 100-fache Masse des Planeten Jupiter in negative Energie umgewandelt werden, was natürlich absurd klingt“, sagt er. Nach diesem Maßstab, so kommt er zu dem Schluss, sei ein Warp-Antrieb sehr unwahrscheinlich.

Physiker lieben a allerdings eine Herausforderung. In den 29 Jahren, seit Alcubierre seine Arbeit veröffentlichte, haben andere Wissenschaftler mit den Implikationen der Arbeit gerungen, indem sie alternative Ansätze für die Energieerzeugung mithilfe besser zugänglicher Energiequellen entwickelten, schräge Einstiegspunkte für das Problem fanden und als Antwort Ideen hin und her schlugen zu den Papieren des anderen. Sie verwenden Analogien zu Trampolinen, Tischdecken, Bowlingkugeln, Luftballons, Förderbändern und Musik, um die Physik zu erklären.

Sie haben sogar ihren eigenen Wortschatz. Es handelt sich nicht um eine Reise mit Überlichtgeschwindigkeit; Es ist superluminales Reisen, danke. Dann gibt es noch das Nichtphysische und das Physische – also die entscheidende Unterscheidung zwischen theoretischer Spekulation und etwas, das tatsächlich konstruiert werden kann. (Profi-Tipp: Wir streben hier eine physische Darstellung an, Leute.) Star Trek wird zwar oft erwähnt, aber nie Star Wars. Selbst der ungepflegtste Nerf-Hirte weiß, dass die Schiffe in Star Wars Hyperantriebe verwenden, die Treibstoff verbrauchen, und keine Warp-Antriebe, die keine Antriebstechnologie verwenden, sondern stattdessen auf Warping angewiesen sind. Sie sind sich auch nicht sicher, was Details angeht, etwa was die Passagiere erleben würden, wie die Schwerkraft an Bord ist, da man Schiffsladungen voller Energie mit sich herumträgt, und was passieren würde, wenn beispielsweise jemand während des Warpings aus dem Schiff springen würde. (Eine spekulative Vermutung: Nichts Gutes.)

Solche Forschung wird normalerweise nicht von akademischen Institutionen oder den DARPAs und NASAs der Welt finanziert, daher findet ein Großteil dieser Arbeit in der Freizeit der Wissenschaftler statt. Einer dieser Wissenschaftler und Star Trek-Enthusiasten ist der Physiker Erik Lentz, PhD. Lentz, jetzt Forscher am Pacific Northwest National Laboratory in Richland, Washington, arbeitete als Postdoktorand an der Universität Göttingen in Deutschland, als er in den ersten, isolierten Tagen der Pandemie über die Idee nachdachte, mit Überlichtgeschwindigkeit zu reisen. Im Jahr 2021 veröffentlichte er einen Artikel, in dem er argumentierte, dass Warp-Antriebe mithilfe positiver Energiequellen erzeugt werden könnten, anstatt der negativen Energie, die Alcubierres Warp-Antrieb zu erfordern schien.

„Es gibt eine Reihe von Eintrittsbarrieren, um tatsächlich einen Warp-Antrieb bauen zu können“, sagt Lentz. „Die negative Energie war am offensichtlichsten, also habe ich versucht, diese Barriere niederzureißen.“

Er erforschte eine neue Klasse von Lösungen in Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie und konzentrierte sich dabei auf den sogenannten Zustand schwacher Energie, der, wie er erklärt, die Positivität der Energie in der Raumzeit verfolgt. Er stieß auf eine „Solitonenlösung“ – eine Welle, die ihre Form beibehält und sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegt – die sowohl die Herausforderung des Energieniveaus erfüllen als auch schneller als Licht reisen könnte. Eine solche Warp-Blase könnte sich mit Hilfe bekannter Energiequellen fortbewegen, obwohl die Nutzung dieser Energiequellen in der benötigten Menge noch immer weit außerhalb unserer Möglichkeiten liegt. Der nächste Schritt könnte darin bestehen, den Energiebedarf für einen Warp-Antrieb auf die Reichweite eines Kernfusionsreaktors zu bringen.

Ein fusionsbetriebenes Gerät könnte theoretisch in Jahren statt in Jahrzehnten oder Jahrtausenden von und zu Proxima Centauri, dem nächsten Stern der Erde, reisen und sich dann immer schneller fortbewegen, wenn die Energiequellen verbessert werden. Bei der derzeitigen konventionellen Raketentechnologie hingegen würde allein eine einfache Fahrt 50.000 Jahre dauern – vorausgesetzt natürlich, es gäbe einen unbegrenzten Treibstoffvorrat für diese Triebwerke.

Wie Alcubierres ursprüngliche These hatte auch Lentz‘ Artikel seismische Auswirkungen auf die Warp-Antriebsgemeinschaft und veranlasste eine weitere Gruppe von Wissenschaftlern, sich mit der Herausforderung zu befassen. Besonders produktiv waren der Physiker Alexey Bobrick und der Technologieunternehmer Gianni Martire. Im Jahr 2021 veröffentlichten sie eine Arbeit, in der sie die Theorie aufstellten, dass auf der Grundlage aktueller wissenschaftlicher Erkenntnisse eine Klasse unterschwelliger Warp-Antriebe entwickelt werden könnte, die sich mit nur einem Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit fortbewegen. Während in diesem Artikel im Wesentlichen argumentiert wurde, dass es durchaus akzeptabel sei, zu Fuß zu gehen, bevor man rennen könne, folgte Anfang des Jahres eine weitere Theorie, die beschreibt, wie ein simuliertes Schwarzes Loch, das mithilfe von Schallwellen und Glycerin erzeugt und mit einem Laserstrahl getestet wurde, verwendet werden könnte um das Ausmaß der Gravitationskraft zu ermitteln, die zur Verzerrung der Raumzeit erforderlich ist. Das Duo hat diesen Durchbruch in eine öffentliche App kodiert, von der sie hoffen, dass sie dazu beitragen wird, theoretische Ideen schneller in die Praxis umzusetzen. Obwohl das Team darauf wartet, dass die Technologie eine Peer-Review-Phase abschließt, bevor es Details veröffentlicht, handelt es sich bei der App im Wesentlichen um einen Simulator, der es Wissenschaftlern ermöglicht, ihre Warp-Geschwindigkeitsgleichungen einzugeben, um zu überprüfen, ob sie praktisch sind.

„Wenn jemand zum ersten Mal eine Warp-Metrik veröffentlicht, fragen sich die Leute: ‚Okay, ist Ihre Metrik physikalisch?‘“, sagt Martire. Die Antwort auf diese Frage – ob die Metrik praktisches Potenzial hat oder rein theoretisch ist – ist angesichts der Herausforderungen beim Testen dieser Hypothesen schwer zu finden. Diese Feststellung könnte sechs bis acht Monate dauern. „Jetzt können wir es Ihnen innerhalb von Sekunden sagen und es zeigt Ihnen visuell, wie weit Sie entfernt sind oder wie nah Sie dran sind“, sagt er.

Obwohl die App nützlich ist, wird sie die vorläufige Berechnung nur für zukünftige Forscher beschleunigen. Bevor wir jemals interstellare Reisen mit Turbolader erleben, bleiben Herausforderungen von Galaxiengröße bestehen. Alcubierre macht sich insbesondere Sorgen darüber, was in der Nähe der Wände der Warp-Blase passieren könnte. Die Raumverzerrung sei dort so heftig, stellt er fest, dass sie alles zerstören würde, was in die Nähe komme. „Wenn Sie mit etwas auf Ihrem Weg kollidieren, wäre das mit ziemlicher Sicherheit eine Katastrophe“, sagt er.

Natário denkt über noch praktischere Themen wie Lenken und Anhalten nach. „Es ist eine Blase aus dem Weltraum, die man durch den Weltraum schiebt“, sagt er. „Also müssten Sie dem Raum sagen, er solle vor Ihrem Raumschiff eine Kurve machen.“ Aber darin liegt das Problem: Sie können dem Raum vor Ihnen nicht signalisieren, dass er sich so verhält, wie Sie es möchten.

Seine Meinung? Superluminale Reisen sind unmöglich. „Man braucht diese enormen Verformungen, von denen wir keine Ahnung haben, wie wir sie erreichen können“, sagt Natário. „Also ja, es wurden viele Anstrengungen unternommen und diese seltsamen Lösungen untersucht, aber das ist alles immer noch völlig theoretisch, abstrakt und sehr, sehr, sehr, sehr weit davon entfernt, auch nur annähernd einen praktischen Warp-Antrieb zu erreichen.“ Das ist „sehr“ hoch vier, wohlgemerkt – jeder vernichtende Schlag treibt uns exponentiell quälend weiter und weiter von unserem ersehnten Leben im Superluminal weg.

Letztlich die Verfolgung Die Entwicklung eines realisierbaren interstellaren Hochgeschwindigkeitstransports weist auch auf eine dringendere terrestrische Herausforderung hin: Wie die wissenschaftliche Gemeinschaft überhaupt mit ultralangfristigen Herausforderungen umgeht. Der größte Teil der bisherigen Forschung stammt von Eigeninitiativen ohne direkte Finanzierung oder durch zufällige Entdeckungen, die bei der Erforschung oft unabhängiger Forschungsarbeiten gemacht wurden, wie beispielsweise Dr. Whites Arbeit über Casimir-Hohlräume.

Viele Wissenschaftler argumentieren, dass wir uns in einer jahrzehntelangen Phase der Stagnation in der physikalischen Forschung befinden und dass der Warp-Antrieb – trotz seines epischen Zeithorizonts, bevor die erste Forschung zu galaxienumspannenden Abenteuern führt – in gewisser Weise ein Sinnbild für diese Stagnation ist. Sabine Hossenfelder, wissenschaftliche Mitarbeiterin am Frankfurt Institute for Advanced Studies und Schöpferin des YouTube-Kanals Science Without the Gobbledygook, stellte in einem Blogbeitrag aus dem Jahr 2020 fest, dass sich die physikalische Forschung von häufigen, anhaltenden physikalischen Experimenten zu exorbitanten Geldspritzen auf relativ wenige bewegt hat Geräte. Sie schreibt, dass mit weniger Experimenten zufällige Entdeckungen immer unwahrscheinlicher werden. Ohne diese Entdeckungen wird der technische Fortschritt, der nötig ist, um Experimente wirtschaftlich rentabel zu halten, nie zustande kommen.

Auf die Frage, ob dies auch für den Warp-Antrieb gelte, sieht Hossenfelder einen schwachen, aber plausiblen Zusammenhang. „Warp-Antriebe sind eine Idee, die in den nächsten etwa 1.000 Jahren keine Anwendung finden wird“, sagt sie. „Sie spielen also auf die eine oder andere Weise keine große Rolle. Aber wenn es um die Finanzierung geht, sieht man einige Überschneidungen bei den Problemen.“

Trotz aller Fortschritte bleibt der Horizont für einen Warp-Antrieb also noch in schmerzlicher Ferne. Das hat die beteiligten Wissenschaftler jedoch nicht beunruhigt. Als White vor einigen Jahren in Frankreich unterrichtete, besuchte er mit seiner Frau das Straßburger Münster. Während er den 466 Fuß hohen Turm bewunderte, war er beeindruckt von der Tatsache, dass der Bau im Jahr 1015 begann, aber erst 1439 abgeschlossen wurde – eine Zeitspanne von 424 Jahren. Diejenigen, die den Keller bauten, hatten keine Chance, das fertige Produkt jemals zu sehen, aber sie wussten, dass sie ihren Teil dazu beitragen mussten, künftigen Generationen zu helfen. „Ich habe keine Kristallkugel“, sagt White. „Ich weiß nicht, was die Zukunft bringt. Aber ich weiß, was ich jetzt tun muss.“

Eric Adams ist ein Autor und Fotograf, der sich auf Technologie, Transport, Wissenschaft, Reisen und andere Themen für eine Vielzahl von Medien konzentriert, darunter Wired, The Drive, Gear Patrol, Men's Health, Popular Science, Forbes und andere.

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