Wir sind der Erforschung des Warp-Antriebs wieder einen Schritt näher gekommen. Wissenschaftler haben einen Durchbruch hinsichtlich des Quanten-Leuchtens gemacht.
Ihr alle kennt den Warp-Antrieb aus Star Trek. Zumindest dürfte euch das charakteristische Aussehen bekannt sein, sobald ein Raumschiff den Warp-Drive betätigt. Diese Optik des Warp-Antriebs, dieses ringförmige Glühen, entsteht durch den sogenannten Unruh-Effekt – und Wissenschaftler haben nun einen großen Durchbruch erzielt.
Wie funktioniert der Warp-Antrieb?
Aber immer der Reihe nach: Wie funktioniert überhaupt der Warp-Antrieb? Stellen wir uns zwei Himmelskörper vor, beispielsweise die Erde und den Mond – beide dellen Raum und Zeit um sich herum ein. Seit Albert Einstein wissen wir, dass Raum und Zeit nicht statisch sind, sondern gestaucht und gedehnt werden können. Je schwerer etwas ist, desto mehr krümmt es den Raum. Und genau auf diese Art und Weise krümmen auch die Erde und der Mond die Raumzeit. In der Delle, die die Erde erzeugt, kugelt der Mond herum. In der Raumzeitdelle des Mondes wiederum könnte man mondgebundene Sateliten oder Raumstationen platzieren, die dann den Mond umkreisen.
Dieses Eindellen kann man sich am besten mit einer Art Trampolin vorstellen, auf dem sich diese Himmelskörper befinden. Steht ein Mensch auf einem Trampolin, erzeugt er eine Delle. Dieses Prinzip der Beeinflussung von Raum und Zeit könnte man sich doch zunutze machen, um gigantische Strecken zu verkürzen. Und genau das tut der Warp-Antrieb aus Star Trek, ein bisschen wie ein Wurmloch, aber nicht ganz. Die USS Enterprise macht das Ganze wie folgt: in Reiserichtung wird die Zeit und der Raum komprimiert und am Zielort wieder expandiert. Das Raumschiff befindet sich einer sogenannten Warp-Blase, in der die Raumzeit manipuliert wird. Das Schiff kann in dieser Warp-Blase das Ziel erreichen, ohne sich besonders schnell zu bewegen. Also eine Art transportable Raumzeitkrümmungsvorrichtung. Innerhalb der Warp-Blase würden auf die Crew des Raumschiffs keine G-Kräfte wirken und die Gesetze der klassischen Physik würden auch nicht verletzt werden, da das Raumschiff selbst nicht schneller als Lichtgeschwindigkeit reist, sondern eben nur die Raumzeit drumherum manipuliert wird. Genial.
Einem Kurztrip nach Proxima Centauri steht aber leider noch im Wege, dass die allermeisten Aspekte des Warp-Antriebs technisch noch nicht umsetzbar sind. Bis jetzt. Forscher der Universität Waterloo in Kanada haben einen großen Durchbruch erzielt. Das hat etwas – und jetzt festhalten – mit dem Fulling-Davies-Unruh-Effekt zu tun.
Was ist der Unruh-Effekt?
Der Unruh-Effekt besagt Folgendes: Ein im Vakuum gleichmäßig beschleunigter Beobachter sieht anstelle des Vakuums ein Gas von Teilchen (wie Photonen, Elektronen, Positronen) mit einer Temperatur, die proportional zur Beschleunigung ist. Im Prinzip bezeichnet diese Formel das, was wir beim Warp-Drive bei Star Trek sehen oder auch in etwas weniger wissenschaftlich akkurater Form bei Star Wars, wenn der Hyperantrieb gestartet wird. Man könnte das Ganze auch etwas einfacher als Quantenleuchten bezeichnen. Klingt auch irgendwie romantischer.
Was bedeutet Quantenleuchten?
Quantenleuchten bedeutet im Prinzip einfach nur Folgendes: Ein Körper, zum Beispiel die USS Enterprise, der sich schnell durch das Vakuum des Weltraums bewegt, sollte als Folge der Beschleunigung eine warme Strahlung erzeugen. Diese Strahlung kommt durch Quantenwechselwirkungen und Fluktuationen im Raum zustande, also durch Effekte auf der allerkleinsten Ebene, der Quantenebene. Noch einfacher gesagt: Wenn ein Raumschiff auf Warp-Speed beschleunigt, dann fängt es zu leuchten an.
Jetzt aber das Problem: Dieser Unruh-Effekt, das Quantenleuchten, war bislang rein theoretisch beschrieben worden. Um diesen Effekt auf atomarer Ebene zu beobachten, müsste ein Atom in weniger als einer Millionstel Sekunde auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Ziemlich schwierig, versucht mal ein Atom so schnell zu beschleunigen… Dieser Effekt ist verwandt mit der sogenannten Hawking-Strahlung bei Schwarzen Löchern. Barbara Šoda, Doktorandin der Physik an der University of Waterloo, die an der Forschung zum Unruh-Effekt beteiligt war, sagt: “Man geht davon aus, dass Schwarze Löcher nicht völlig schwarz sind. Wie Stephen Hawking entdeckte, sollten Schwarze Löcher stattdessen Strahlung aussenden. Das liegt daran, dass einem Schwarzen Loch zwar nichts anderes entkommen kann, wohl aber Quantenfluktuationen der Strahlung.”
Das ist also eine ganz ähnliche Quantenfluktuation wie diejenige, die bei der Beschleunigung mit Warp-Drive entstehen würde. Das Forscherteam der University of Waterloo hat nun herausgefunden, dass es einen Weg gibt, den Unruh-Effekt zu stimulieren, damit er unter weniger extremen Bedingungen direkt untersucht werden kann, also ein Mini-Warp-Leuchten zu erschaffen. Um das zu verstehen, müssen wir uns kurz den Unterschied zwischen klassischer Physik und Quantenmechanik ansehen.
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Während die klassische einsteinsche Physik wunderbar die großen Abläufe im Kosmos erklärt, die Einflüsse von Zeit und Raum, Ihr erinnert euch an die Raumzeitdelle, ist die Quantenmechanik die passende Theorie für die Abläufe im ganz Kleinen, auf Elementarteilchenebene. Oftmals stehen klassische Physik und Quantenmechanik im Widerspruch, da die Regeln der klassischen Physik für kleinste Teilchen nicht zu gelten scheinen. Es ist eine der großen Aufgaben der modernen Physik eine Verbindungstheorie zwischen einsteinscher Physik und Quantenmechanik zu finden und der Unruh-Effekt liegt genau an der Grenze zwischen den Quantengesetzen und der allgemeinen Relativitätstheorie.
Atome im Vakuum
Stellt euch mal ein Atom im Vakuum vor. Wie sich ein Atom im Vakuum verhält, hängt davon ab, ob wir die Situation durch die Brille der Quantenmechanik oder durch die Brille der einsteinschen Physik betrachten. Nach den Gesetzen der Quantenphysik müsste das Atom darauf warten, dass ein eintreffendes Photon, ein Lichtteilchen, sein elektromagnetisches Feld durchdringt und seine Elektronen zum Wackeln bringt. Dann wäre das Atom erleuchtet oder angeregt. Wenn wir die Relativitätstheorie, also die klassische Physik, berücksichtigen, gibt es eine Möglichkeit zu schummeln. Durch einfache Beschleunigung könnte ein Atom die kleinsten Erschütterungen im umgebenden elektromagnetischen Feld als Photonen mit niedriger Energie erleben und dadurch angeregt werden. Bislang gingen die Quantenphysiker aber davon aus, dass dieser Effekt, die Anregung des Atoms durch einfache Bewegung absolut vernachlässigbar sei und sich auf Quantenebene auf Dauer ausgleichen würde. Pustekuchen, genau das hat das Forscherteam der Uni Waterloo nun widerlegt. Sie fanden heraus, dass diese normalerweise vernachlässigbaren Bedingungen bei der Beschleunigung eines Atoms weitaus bedeutender werden und sich sogar als dominante Effekte durchsetzen können. Dafür haben sie ein Atom auf die richtige Art und Weise mit einem starken Laser gekitzelt. Und haben dadurch bewiesen, dass es möglich ist, diese Wechselwirkungen durch Bewegung zu nutzen, um bewegte Atome den Unruh-Effekt erleben zu lassen, ohne dass große Beschleunigungen erforderlich sind. Einfacher gesagt – für die Physik-Noobs: Sie haben es geschafft das Warp-Leuchten der USS Enterprise auf Atomebene zu stimulieren, ohne dabei wirklich Warpspeed erreichen zu müssen. Wahnsinn.
Und obwohl es super cool ist, dass wir einen Bestandteil des Warp-Speeds im Labor nachahmen konnten, ist das fazinierendste und wichtigste an der Entdeckung vermutlich, dass es ein Schritt hin zur Vereinheitlichung von klassischer Physik und Quantenmechanik ist. Der beteiligte Forscher Vivishek Sudhir sagt: “Seit über 40 Jahren werden Experimente dadurch behindert, dass die Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und Gravitation nicht erforscht werden kann. Wir haben hier eine praktikable Möglichkeit, diese Schnittstelle in einer Laborumgebung zu erforschen. Wenn wir einige dieser großen Fragen klären können, könnte das alles verändern.”
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