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Warp - Schneller als Licht

"Wir reisen heute schneller, als es im
normalen Raum möglich ist"
Mr. Spock in  der Classic-Episode "Naked Time"




Cochram
Cefram Cochrane

In nur wenigen Tagen rauscht die "Enterprise" von einem Sternsystem zum anderen, und durchmisst dabei Wegstrecken, für die das Licht mehrere Jahre benötigen würde. Möglich wurde dies (zumindest im Star Trek-Universum) durch den genialen Zefram Cochrane, der den sogenannten Warp-Antrieb erfand.
Das Prinzip des Warp-Antriebes ist eine Verzerrung des Raum-Zeit-Gefüges (to warp = verzerren) um das Raumschiff herum.

Viele gestandene Physiker können jedoch heute über diese Art der Fortbewegung nur milde lächeln. Für sie gilt es seit der Ausarbeitung der Relativitätstheorie durch Albert Einstein als erwiesen: Nichts und niemand kann schneller als das Licht sein! Nach Einsteins Theorie, die inzwischen auch vielfach experimentell überprüft wurde, ist die Lichtgeschwindigkeit von 300.000 km/s eine natürliche Geschwindigkeitsbarriere. Je schneller ein Objekt wird, desto größer wird auch seine Masse, und es wird immer mehr Beschleunigungsenergie benötigt. In der Nähe der Lichtgeschwindigkeit geht die Masse und damit auch die benötigte Beschleunigungsenergie gegen einen unendlich großen Wert.

Einstein
Albert Einstein

Und dennoch: 1994 entdeckte Miguel Alcubierre Moya an der Universität von Wales ein Schlupfloch in Einsteins Theorie, welches darauf beruht, dass man ein wenig schummelt. Es ist zwar richtig, dass wir das Licht nicht überholen können, wenn wir ihm ein faires Rennen liefern, aber wer sagt, dass man immer fair sein muss. Wenn die Raum-Zeit verzerrt wird, könnten wir den Weg abkürzen, und die Lichtsignale hätten das Nachsehen. Eine solche Abkürzung liefert die von Moya entdeckte Lösung der Einsteinschen Feldgleichungen. Sie beschreibt eine Raum-Zeit-Blase um das Raumschiff herum, die ein Raumschiff mit beliebig hoher Geschwindigkeit transportiert, indem sie die vor der Blase liegende Raum-Zeit verkürzt und hinter der Blase ausdehnt. Dadurch wird die Entfernung bis zum Zielort vor dem Raumschiff verringert, während sich gleichzeitig die Entfernung vom Startpunkt hinter der Warpblase erhöht.

Der so konstruierte Warp-Antrieb unterscheidet sich jedoch in einigen Punkten vom Warp-Antrieb der Enterprise. Captain Picards Befehl "Energie" wäre wirkungslos, da sich die Warp-Blase nicht vom Raumschiff aus beeinflussen läßt. Die Besatzung wäre auf Hilfestellung von außen angewiesen. Außerdem werden die Sterne nicht, wie aus vielen Star Trek-Filmszenen bekannt, als langgezogene Streifen wahrgenommen, sondern die Sterne vor dem Raumschiff rücken mit zunehmender Geschwindigkeit immer näher zusammen und verfärben sich ins Bläuliche.

Enterprise
Die "Enterprise im Warp-Flug"

Das alles sind doch schon erstaunlich konkrete Vorstellungen der heutigen "Warp-Ingenieure". Werden wir also bald den ersten realen Flug mit Warp-Geschwindigkeit erleben? Wohl eher nicht. Zur Erzeugung der Warp-Blase werden gewaltige Mengen negativer Energie benötigt. Negative Energie? Ja, es gibt sie tatsächlich. Ihre Effekte wurden sogar schon im Labor nachgewiesen. Diese äußerst seltsame Weniger-als-Nichts-Energie stellt man sich am besten als geborgte Energie vor, ähnlich wie ein überzogenes Konto auch sozusagen negatives Geld aufweist. Es gibt sogar schon Vorstellungen, wie negative Energie zu erzeugen wäre. Die Berechnungen der Wissenschaftler ergaben allerdings, dass eine Warp-Blase mit einem Durchmesser von 200 Metern eine negative Energiemenge benötigt, welche dem 10-Milliardenfachen der Masse des bekannten Universums entspricht.

Tja, also doch kein Flug mit Warp-Geschwindigkeit? Trösten wir uns mit den Worten Edit Keelers:

"Eines Tages werden wir in der Lage sein, über unvorstellbare Energien zu verfügen...Energien, die uns in Raumschiffen zu fremden Welten bringt. Der Mann, der dann die tiefen Weiten des Alls erreicht, wird auch Wege finden, den Millionen Hungernden seiner Welt zu helfen und sie von Krankheiten zu heilen. Das sind die Tage, für die es sich zu leben lohnt.
Bereite dich auf das Morgen vor!"
Edith Keeler in der Star Trek-Classsic-Episode "City on the Edge of Forever" ("Griff in die Geschichte")

Sturek
(August 2000)

Quellen:

Star Trek, Fakten und Infos
L. H. Ford, T. A. Roman "Wurmlöcher und Überlichtantriebe", Spektrum der Wissenschaft 3/2000

Nachtrag:

Warp - Neue Erkenntnisse

1999: Weniger als nichts

Als die Physiker Ford und Pfennig 1996 ihre für Sci-Fi-Enthusiasten ernüchternden Ergebnisse zu dem unvorstellbaren Energieverbrauch einer Warp-Blase nach dem Muster von Alcubierre veröffentlichten (s.oben), wollte Alcubierre nicht so schnell aufgeben. "Ford und Pfennig gehen von einem Raum aus, der zuvor nicht gekrümmt ist, und wir wissen noch zu wenig über die Quantengravitation. Vielleicht kann die ja helfen."
Und tatsächlich – die Berechnungen von Ford und Pfennig sollten nicht das letzte Wort in dieser Sache bleiben. Bereits 1999 konnte Chris van Den Broeck von der katholischen Universität Leuven zeigen, dass schon eine geringfügige Modifikation von Alcubierres Warp-Geometrie dazu führt, dass nur noch negative Energie benötigt wird, welche der "Kleinigkeit" von einigen Sonnenmassen entspricht. Ja in bestimmten Fällen genügen sogar nur wenige Grammäquivalente dieser merkwürdigen Weniger-als-nichts-Energie.
Diese Ergebnisse konnte van Den Broeck ereichen, indem er eine ebenso brilliante wie seltsame Idee in die Berechnung seiner Warp-Lösung einfließen ließ. Er beobachtete, dass die benötigte enorme Energiemenge zur Erzeugung der Warp-Blase nach Alcubierre von der verhältnismäßig großen Oberfläche bzw. dem Radius der Warp-Blase herrührte. Also kreierte er ein Modell der Warp-Blase mit einer verschwindend geringen äußeren Größe, kleiner als ein Atomkern, jedoch einem geräumigen Inneren, das Platz genug für die Enterprise bietet.
Dazu nutzte er eine Möglichkeit, die sich aus Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie ergibt. In gekrümmten Räumen kann das innere Volumen einer Kugel vom Radius R viel größer als 4/3 Pi R^3 sein. Da unser Vorstellungsvermögen versagt, wenn gekrümmte Räume ins Spiel kommen, kann zur Illustration die Scheibenwelt herangezogen werden. Betrachten wir eine Scheibe, die durch einen mikroskopisch kleinen Tunnel mit einer großen Blase verbunden ist. Der Tunnel hätte für Scheibenweltler nur einen winzigen Durchmesser. Dennoch könnten sie ohne die Oberfläche zu verlassen, in das gewaltige Innere der Blase gelangen.
Allerdings gibt es auch mit diesem Warp-Modell bedeutende Probleme. Vielleicht das wichtigste: Van Den Broeck: ": ...es ist unklar, wie das Raumschiff - ähnlich wie ein Schiffsmodell in eine Flasche - in die Warp-Blase zu kriegen ist."

Quellen: "The Micro-Warp-Drive" (van Den Broeck, 02.04.1999)

März 2002: Neuer Rückschlag

Der portugiesische Forscher Natario Miguel vom Instituto Superior Tecnico bewies mit seinen Berechnungen, dass Alcubierres Warp-Modell nicht funktioniert. Abgesehen vom Energieproblem (s. oben) halten schon die theoretischen Grundlagen Alcubierres einer ernsthaften Prüfung nicht stand. Er ließ eine virtuelle Blase durch den virtuellen Raum schießen und versuchte festzustellen, ob sich der Warp-Effekt, selbst wenn alle Voraussetzungen Alcubierres zuträfen, einstellen würde. Er tat es nicht! Abgesehen davon könne man nach Miguel nicht von einer Konstanz der erzeugten Raum-Zeit ausgehen.

Quellen: "Theoretisch unmöglich" von Thorsten Stegemann, Heise.de