Three ways to travel faster than light (and why physics says they are impossible)

Nobody took the idea of warp drive seriously until 1994, when a theoretical physicist Miguel Alcubierre proposed a method that could, within the realm of known physics, warp space to travel faster than light.

Alcubierres Entdeckung versetzte die theoretischen Physiker in helle Aufregung. Könnte FTL-Reisen möglich sein?

Sogar die NASA interessierte sich dafür.

Angenommen, ich möchte etwas „Einfaches“ tun, wie eine Robotersonde zu Alpha Centauri schicken, um es zu untersuchen und Bericht zu erstatten. Alpha Centauri ist etwa 4,37 Lichtjahre entfernt. Sagen wir der Einfachheit halber vier. Ein Lichtstrahl braucht also 4 Jahre, um von der Erde dorthin zu gelangen. Wenn ich mich nicht schneller als das Licht bewegen kann, dauert eine Hin- und Rückreise mindestens 8 Jahre! Und das bei Lichtgeschwindigkeit, ohne die Zeit zu berücksichtigen, die man braucht, um auf diese Geschwindigkeit zu beschleunigen und bei Alpha Centauri abzubremsen. Unsere bisher schnellste Sonde, die 2018 gestartete Parker Solar Probe der NASA, wird nur eine Höchstgeschwindigkeit von 200 Kilometern pro Sekunde erreichen. Die Lichtgeschwindigkeit ist 1500 Mal schneller!

Eine Sonde auch nur in die Nähe dieser Geschwindigkeit zu bringen, wäre beeindruckend, aber wenn ich schneller als das Licht sein kann, vielleicht sogar viel schneller, könnte ich die Zeit für die Hin- und Rückreise auf Monate oder sogar weniger reduzieren.

Eine solche Möglichkeit wurde in der Physikgemeinschaft bereits Jahrzehnte zuvor mit der Erforschung von sogenannten „Wurmlöchern“ in Erwägung gezogen. Wie bei Alcubierres Idee handelt es sich bei Wurmlöchern um eine Verzerrung des Raums, aber statt einer Blase, die ein Schiff mit sich führt, sind sie Durchgänge durch den Raum, die einen in viel kürzerer Zeit von einem Punkt zu einem anderen bringen können als eine Fahrt durch den normalen Raum, wie eine Hochgeschwindigkeits-Eisenbahn.

Wurmlöcher wurden 1916 entdeckt, nur ein Jahr nachdem Einstein seine Allgemeine Relativitätstheorie der Schwerkraft veröffentlicht hatte. Verglichen mit der Warp-Antriebstheorie sind sie zwar uralt, aber kaum weniger exotisch.

Wurmlöcher kommen auch in Star Trek vor, aber mit Ausnahme des von Außerirdischen konstruierten Wurmlochs in DS9 gelten sie als unstabil. In der Sci-Fi-Franchise Stargate, die eher in der nahen Zukunft angesiedelt ist, sind sie jedoch das übliche Mittel, um zu anderen Sternen und Galaxien zu reisen.

Für diejenigen unter uns, die sich eine zukünftige Menschheit vorstellen können, die mit FTL-Geschwindigkeit zu den Sternen reist, stellt sich die brennende Frage: Was wird wohl eher Realität werden? Warp-Antrieb wie der Alcubierre-Antrieb oder Stargates?

Lassen Sie uns die Unterschiede betrachten:

Der Alcubierre-Antrieb verformt den Raum so, dass alles, was sich innerhalb seiner Blase befindet, nicht durch ein Antriebsmittel, sondern durch die Kompression des Raums selbst beschleunigt wird. Das ist wie eine Miniaturform der Expansion des Universums, nur in umgekehrter Richtung und lokal in der Blase. Da er den Raum verzerrt und sich nicht durch den Raum bewegt, kann er schneller als das Licht sein.

In den letzten 26 Jahren wurde eine Vielzahl von Kritikpunkten an Alcubierres Idee veröffentlicht: Er wird ein Universum voller Energie benötigen. Sie wird eine intensive Strahlung erzeugen, die sowohl das, was sich innerhalb der Warpblase befindet, als auch das, was sich vor ihr befindet, zerstört. Sie wird es unmöglich machen, sie zu kontrollieren, weil man keine Nachrichten vom hinteren Teil des Schiffes zum vorderen schicken kann, ohne die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten. Es wird eine Blase benötigt, die so dünn ist, dass sie außerhalb der bekannten Physik liegt.

Allerdings schienen all diese Probleme ingenieurtechnisch oder zumindest potenziell lösbar zu sein. Ein kluger Ingenieur in der Zukunft könnte sicher Wege finden, sie zu umgehen. Eine intelligentere Blase herstellen, die weniger Energie benötigt. Alcubierre-Warpblasen verwenden, um Nachrichten an den vorderen Teil des Schiffes zu senden. Vielleicht könnte man einen Schutz gegen die Strahlung entwickeln oder sie irgendwie ablenken oder absaugen. Und wer sagt, dass wir nicht eine superdünne Blase herstellen können? Aber vielleicht sind Wurmlöcher der einfachere Weg zu den Sternen.

Ein Wurmloch ist wie ein Tunnel, nur mit einer Dimension mehr als üblich. Es besteht aus zwei kugelförmigen Öffnungen, die im Raum voneinander getrennt sind. Im Gegensatz zu den Darstellungen in Stargate und Star Trek ist die Öffnung keine zweidimensionale Scheibe, sondern eine Kugel, die man aus jeder Richtung betreten kann. Die beiden Kugeln sind durch eine Öffnung verbunden, die als „Hals“ bezeichnet wird und die Oberfläche einer Kugel darstellt, die außerhalb des normalen Raums existiert. Diese Kugel ist vergleichbar mit einer kreisförmigen Verbindung zwischen zwei Rohren, allerdings in einer weiteren Dimension.

Wenn man in eine Kugel eintritt, geht man nicht durch einen gewöhnlichen Tunnel. Vielmehr betritt man einen verzerrten Raum, in dem die Richtung, in der man sich bewegt, außerhalb des normalen Raums gekrümmt wird, anstatt durch die Kugel hindurch und auf der anderen Seite wieder herauszukommen. Die Krümmung bewirkt, dass Sie durch die Kehle hindurchgehen und auf der anderen Seite wieder herauskommen. Man sieht die „Wände“ des Tunnels nie, weil die Wände dreidimensional sind, und man verbringt die ganze Zeit „auf“ der Wand, wie eine Ameise, die in einer Sanduhr krabbelt. (Man kann sogar ein Signal in einer geraden Linie von innen nach außen senden, das dann im Kreis läuft und zu einem zurückkommt). Es ist schwer zu visualisieren, was wahrscheinlich der Grund dafür ist, dass Science Fiction es selten richtig hinbekommt.

Frühe Wurmlochlösungen zu Einsteins Gleichungen, einschließlich derjenigen, die Einstein selbst in den 1930er Jahren entdeckte, konnten nicht durchquert werden, weil der „Schlund“ des Wurmlochs schneller abgeklemmt wurde, als selbst das Licht durchreisen konnte. Erst 1973 entdeckte Homer Ellis in Einsteins Gleichungen ein „durchquerbares“ Wurmloch, eines, durch das man tatsächlich reisen konnte.

Wie der Warp-Antrieb würde sich auch der Bau eines Wurmlochs als Herausforderung erweisen. Um eine so große Verzerrung der Raumzeit zu erzeugen, müsste man zwei Schwarze Löcher (eines für jedes Ende) miteinander verbinden. Dazu muss man die beiden Singularitäten der schwarzen Löcher verschmelzen, während die schwarzen Löcher selbst getrennt bleiben. Dann muss man die verschmolzene Singularität von einem Punkt zu einer kugelförmigen Öffnung aufblasen.

Die Quantentheorie könnte dabei durch die „Verschränkung“ helfen, bei der Objekte über eine Entfernung miteinander verbunden werden können. Andere haben vorgeschlagen, dass natürlich vorkommende Quantenwurmlöcher im Vakuum des Raums in einem subatomaren Bereich, dem so genannten Quantenschaum, entstehen und dazu angeregt werden könnten, sich zu vergrößern, um etwas durchzulassen. Bislang hat sich keiner dieser Mechanismen als physikalisch möglich erwiesen, und zwar in der Größe, die erforderlich ist, damit etwas Klassisches wie eine Sonde hindurchpasst. Wurmlöcher erweisen sich als schwierig.

Eine dritte Methode, die ich in der Science-Fiction noch nicht gesehen habe, ist die Krasnikov-Röhre. Diese Idee wurde 1995 als Alternative zum Alcubierre-Antrieb vorgeschlagen. Darin würde ein Schiff den Raum verzerren, während es mit Unterlichtgeschwindigkeit von einem Stern zum anderen fliegt. Anstatt die Reise wie ein Wurmloch zu verkürzen, ist die Röhre eine Zeitmaschine.

Sehen wir uns an, wie sie funktioniert:

Angenommen, meine Roboter-Raumsonde fliegt mit 99 % der Lichtgeschwindigkeit zu Alpha Centauri. 4 Lichtjahre mit dieser Geschwindigkeit sind für uns 4,04 Jahre, aber für die Sonde sind es nur 7 Monate. Der Grund dafür hat mit der Relativitätstheorie und dem Zwillingsparadoxon zu tun. Sie sehen dieses Prinzip in der Ender-Buchreihe von Orson Scott Card. Ender und seine Schwester reisen so viel, dass sie Tausende von Jahren in Erdzeit leben.

Die Krasnikov-Röhre ist so konzipiert, dass sie die Zeit hinter der Sonde verzerrt, damit die Menschen auf der Erde nicht so lange auf die Rückkehr der Sonde warten müssen. Sobald die Sonde ihr Ziel erreicht hat und zur Rückkehr bereit ist, tritt sie in die Röhre ein und reist auf dem gleichen Weg zurück, auf dem sie gekommen ist. Der einzige Unterschied ist, dass die Zeit während der Reise rückwärts läuft. Das hat den Effekt, dass sie kurz nach ihrem Abflug wieder ankommt!