Quanten-Leuchten: Sensationeller Durchbruch beim Warp-Antrieb

Darstellung des Warp-Antriebs

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. 

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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. 

Die Erde krümmt den Raum wie bei einem Trampolin

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. 

Formel des Unruh-Effekts

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.”

Unruh-Effekt auf atomarer Ebene

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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Wie man aus Versehen eine Warp-Blase erschafft

Forscher haben versehentlich eine Warp-Blase erschaffen. Heißt das, dass wir bald schon wie die Enterprise durch das Universum düsen können? Oder sind wir davon immer noch weit entfernt?

Es gibt so viel im Kosmos zu entdecken. Einfach mal zu fremden Exoplaneten düsen, andere Galaxien erkunden oder sogar bis zum Urknall zurückreisen. Was für eine schöne Vorstellung. Die Herausforderung an der Sache: All diese Ziele sind sehr weit weg – entweder räumlich oder zeitlich. Wenn man sich jetzt in ein Raumschiff setzen würde, wäre man bis zum nächsten Exoplaneten mehrere Jahrtausende unterwegs. Und das ist in einem Menschenleben niemals zu schaffen. Oder doch?

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Wie die Enterprise das Universum durchstreift 

Die Besatzung des Raumschiffs Enterprise hat dieses Problem der fehlenden Zeit nicht, weil die USS Enterprise mit Warp Speed durchs All düsen kann. Um das zu verstehen, müssen wir uns vor Augen führen, dass Raum und Zeit gedehnt und gestaucht werden können. Das ist sehr schwer vorstellbar, weil wir weder den Raum noch die Zeit wirklich sehen können – geschweige denn uns vorstellen können, dass sie gestaucht werden könnten. 

So funktioniert eine Warp-Blase

Zur Vereinfachung stellen wir uns einfach mal die Erde und die Sonne vor – beide dellen Raum und Zeit um sich herum ein. In der Delle, die etwa die Sonne erzeugt, kugelt die Erde um sie herum. Dieses Eindellen kann man sich am besten mit einer Art Trampolin vorstellen, auf dem sich diese Himmelskörper befinden. Steht etwa ein Mensch auf einem Trampolin, erzeugt er in diesem eine Delle. Dieses Prinzip der Beeinflussung von Raum und Zeit könnte man sich 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. 

Was passiert in einer Warp-Blase?

Im Prinzip wird in Reiserichtung die Zeit und der Raum komprimiert und am Zielort wieder expandiert. Das Raumschiff befindet sich einer Warp-Blase, innerhalb derer die Raumzeit manipuliert wird. Das Schiff kann in dieser Warp-Blase das Ziel erreichen, ohne sich besonders schnell zu bewegen. Das ist eine geniale Idee, denn innerhalb der Warp-Blase würden auf die Crew des Raumschiffs keine G-Kräfte wirken und die Einstein-Gesetze würden auch nicht verletzt werden, da das Raumschiff nicht schneller als Lichtgeschwindigkeit reist, sondern eben nur die Raumzeit drumherum manipuliert wird. Das Prinzip einer solchen Warp-Blase war aber bis jetzt nur Science-Fiction und Captain Kirk und Co vorbehalten.

Bis jetzt. 

Mit Warp-Antrieb durch das Universum – ist das bald möglich?

Einem Forscherteam rund um Dr. Harold White vom Limitless Space Institute ist es wohl gelungen, eine echte Warp-Blase zu erschaffen. Aus Versehen. Was einem eben so aus Versehen passiert. Dr. Harold White sagt dazu: “Um keine Missverständnisse aufkommen zu lassen, will ich das ganz klar sagen, unsere Entdeckung ist kein Analog-Modell zur Vorstellung einer Warp-Blase. Es handelt sich um eine echte, wenn auch extrem winzige und sehr schwache Warp-Blase.”

Idee der Warp-Blase schon seit den 90er Jahren

Aber immer der Reihe nach, wie ist das gelungen? Eigentlich experimentierte das Forscherteam mit Metallplatten, um mehr über den Casimir-Effekt herauszufinden. Das ist ein Effekt auf Quantenebene, also auf sehr kleiner Ebene, der bewirkt, dass auf zwei parallele, leitfähige Platten im Vakuum eine Kraft wirkt, die beide zusammendrückt. Woher diese Kraft genau stammt, ist ziemlich rätselhaft. Deswegen mussten Quantenphysiker annehmen, dass es bislang noch unbekannte Teilchen geben müsste, sogenannte virtuelle Teilchen, die das verursachen. 

Dieser Casimir-Effekt könnte sehr interessant sein für die Nanotechnologie innerhalb von Mikrosystemen, also zum Beispiel Mikrochips. Während der Experimente zum Casimir-Effekt entdeckten die Forscher überraschenderweise eine Struktur auf Nanoebene, die negative Energieeigenschaften aufweist und den Voraussetzungen der Theorie des mexikanischen Forschers Miguel Alcubierre entspricht. Er war einer der ersten, der schon 1994 die Idee einer Warp-Blase wissenschaftlich untermauert hatte und zu dem Ergebnis kam, dass für eine Warp-Blase ein Treibstoff mit negativer Energiedichte erforderlich wäre, den man auch als exotische Materie bezeichnet. Und nicht nur die negative Energie entspricht den Vorhersagen von Miguel Alcubierre, sondern auch auch die ringförmige Struktur der Mini-Warp-Blase. 

Mini-Warp-Blase als Grundstein für mehr?

Bedeutet das, dass wir jetzt bald wie die Enterprise ans andere Ende der Galaxis fliegen können? So schnell wird es wohl nicht gehen, denn die entdeckte Mini-Warp-Blase ist natürlich viel zu klein, um sie zur Beförderung eines Raumschiffs zu verwenden. Dafür bräuchte man noch viel viel mehr exotische Materie. Aber Dr. White und seine Kollegen haben ein Konzept für ein sehr kleines Warp-Raumschiff entwickelt, das sich durch die Erschaffung einer eigenen Warp-Blase von einem Ort zum anderen fortbewegen könnte. 

Diese Mini-Enterprise soll dann aus einer Kugel mit einem Durchmesser von einem Mikrometer bestehen, die sich im Inneren eines Zylinders mit einem Durchmesser von vier Mikrometern befindet. Wenn das klappt, sind wir wieder einen Schritt näher dran an der Erschaffung größerer Warp-Blasen. Man kann jedenfalls sagen, dass es nun konkrete Forschungsergebnisse gibt, deren Vertiefung uns am Ende zur Entwicklung eines funktionalen Warp-Antriebs führen könnte – und das wäre doch wirklich genial, oder? 

Alles Wichtige über die neue Warp-Blase erfahrt ihr im folgenden Video:


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