4. Negative Energie

Eine weitere interessante Idee ist die Möglichkeit negativer Masse oder negativer Energiedichte und die Annahme, daß eine negative Masse eine negative Trägheit aufweist. Unter der Voraussetzung, dass diese Annahme korrekt ist, sollte es möglich sein, eine negative und positive Masse nebeneinander zu plazieren und eine sich selbst erhaltende Beschleunigung beider Massen zu erzeugen. Dieser Antrieb würde sowohl die Sätze von der Erhaltung der Trägheit als auch von der Erhaltung der Energie nicht verletzen.Obgleich die Idee der negativen Masse bereits seit den späten fünfziger Jahren existiert, besteht bisher auch in der neueren Quantenphysik keine Sicherheit, ob negative Energie existiert oder existieren kann.Es gibt Vorschläge, daß ein Zusammenhang zwischen negativer Masse und Wurmlöchern besteht. Wurmlöcher, auch Einstein-Rosen-Brücke genannt, sind bisher nur theoretisch postulierte Abkürzungen zwischen zwei Orten und Zeiten innerhalb der Raumzeit. Falls Wurmlöcher real sind, sollten sich die Effekte mit Teleskopen ausfindig machen lassen.Der in Teil 2 beschriebene Casimir-Effekt stellt bereits jetzt eine Möglichkeit dar, gleichzeitig negative und positive Energie zu erzeugen, wenn auch nur in geringer Menge. Wir erinnern uns: Zwischen zwei ebenen Platten mit einem Spaltabstand unter der Wellenlänge des Lichts (im Versuch einige Mikrometer) entsteht eine Anziehung. Die Kraft ist erklärbar durch die Nullpunkt-Energie, der niedrigste Energiezustand des Raums. Auf der Innenseite der Platten entstehen nur sehr kurzwellige Photonen (Lichtteilchen), während auf der Außenseite das gesamte Wellenspektrum auf die Platten einwirkt, also eine resultierende Kraft auf die Platten ausübt. Die Gesamtenergie des Raums einschließlich Platten ist null. Somit ist die Energie zwischen den Platten negativ, außerhalb positiv.

 

 

WENN negative Masse existiert und wir die technischen Fähigkeiten entwickeln können, negative Masse zu erzeugen und diese zu kontrollieren, ließe sich die Schwerkraft kontrollieren; ein neuartiger Raumantrieb wäre verwirklichbar.

 

 

4a Alcubierres Warp-Antrieb - "Warp"-Blase

Ein sehr bekanntes theoretisches Konzept basierend auf der Verwendung positiver und negativer Masse ist der Warp-Antrieb von Miguel Alcubierre, erstmals vorgestellt 1994.

Alcubierre, M., The Warp Drive: Hyper-Fast Travel Within General Relativity, Classical and Quantum Gravity, Ausg. 11, Mai 1994, S. L73-L77 

Kontraktions-/Expansions-Blase ("Warp"-Blase)

 

Nach der Speziellen Relativitätstheorie kann sich nichts schneller als Licht bewegen.

Die Beschränkung gilt jedoch nur für Materie und Energie (Wellen), nicht für den Raum selbst. Die Allgemeine Relativitätstheorie erlaubt als symmetrische Theorie ein Zusammenziehen des Raums, spürbar als Schwerkraft, als auch die Expansion des Raums, wie in der überlichtschnellen Expansion des Universums wärend des des Urknalls (Big Bang) geschehen.

Die Expansion des Raums schuf während des Urknalls eine Art künstlicher Geschwindigkeit.Entsprechend würde Alcubierres Warp-Antrieb die Raumzeit vor dem Raumschiff zusammenziehen und die Raumzeit hinter dem Raufahrzeug entsprechend expandieren.

Das Resultat der Raumkrümmung ist ein "Schrumpfen" der Distanz zum Ziel; der Abflugort bzw. der Zeitpunkt des Abflugs würde sich nach "hinten" verschieben. Das Raumschiff würde innerhalb der Warp-"Blase" auf dieser Raum-Verzerrungswelle durch den Weltraum surfen.

Zur Vervollständigung sei noch ein Spezialfall der Antriebs von Alcubierre genannt, der Krashnikov-Schlauch. Die ursprünglich von Krashnikov vorgeschlagene Raum-Zeit-Metrik zweier Raumzeit-Dimensionen vermeidet die kausale Trennung des Raumfahrers innerhalb einer geschlossenen Warp-Blase von seiner Umgebung durch Schaffung eines Rings flacher Raumzeit um das Raumschiff. Die Erweiterung des Konzepts zu einem Warp-Antrieb erlaubt jedoch den überlichtschnellen Flug nur in eine Richtung innerhalb des Schlauchs. Abflug- und Ankunftsort sind also identisch.Everett, Allen E., Roman, Thomas A., Superluminal Subway: The Krashnikov Tube, Physical Rewiev D, Ausg. 56, Nr. 4, Februar 1997

 

 

4a Alcubierres Warp-Antrieb - Wahrnehmung

Hypothetisches Raumfahrzeug, Darstellung: Les Bossinas

 

Von einem außenstehenden Beobachter betrachtet würde sich das Raumschiff bewegen. Die Raumfahrer innerhalb der Blase von Kontraktion und Expansion des Raums würden keine Kraft spüren. Für außenstehende Beobachter wäre ein solches Raumschiff übrigens unsichtbar! Die Raum-Blase wäre so winzig, dass wir selbst den Vorbeiflug eines einhundert Meter langen Raumschiffs im Abstand einer Armlänge nicht wahrnehmen könnten.

Da der Raum selbst nicht den Beschränkungen der Lichtgeschwindigkeit unterliegt, kann sich das Raumschiff schneller als Licht bewegen! Die Geschwindigkeit hängt von der Stärke der Raumverzerrung ab und könnte bei ausreichender Energie/Masse gegen unendlich streben.

Durch die Verzerrung des Raums kommt auch der Effekt der relativistischen Zeitdehnung nicht zum Tragen (bekannt als Zwillingsparadoxon). Der Zeitverlauf innerhalb und außerhalb der Raum-"Blase" ist identisch.

 

Blick aus dem Cockpit eines hypothetischen Raumfahrzeugs mit einem Antriebssystem basierend auf negativer Energie: Bei 80% Lichtgeschwindigkeit wären die Sterne auf den vorderen Horizont gekrümmt sichtbar. Das Licht erführe eine deutliche Blauverschiebung. Darstellung: Les Bossinas

 

Wie geht die Kontraktion bzw. Expansion des Raums vor bzw. hinter dem Raumschiff vor sich? Zur Expansion ist negative Schwerkraft notwendig bzw. negative Trägheit, verursacht durch negative Masse. Für die Kontraktion hinter dem Raumschiff benötigen wir die gleiche positive Masse.Eine gute populärwissenschaftliche Beschreibung des Antriebs findet sich auf der englischsprachigen Seite von Wikipedia:

www.en.wikipedia.org/wiki/Alcubierre_drive

 

 

4a Alcubierres Warp-Antrieb - Weiterentwicklung

1997 wurde die Theorie von Michael Pfennig und Larry Ford widerlegt, die zeigten, dass zur Realisierung von Alcubierres Raumantrieb die etwa 100 Milliarden-fache negative Energie notwendig wäre, als Masse im sichtbaren Universum vorhanden ist!Pfennig, John Michael, Ford, Lawrence H. (Berater),Quantum Inequality Restrictions on Negative Energy Densities in Curved Spacetimes, Doktorarbeit der TUFTS University, Medford, Massachussetts, 1997

 

Van Den Broecks LösungDie Rettung der Idee kam in Form eines Tricks: Der Raum wird in eine mikroskopisch kleine Blase gekrümmt. Dennoch kann die "Raumblase" makroskopisch grosse Objekte wie ein Raumschiff aufnehmen.Chris Van Den Broeck, A ´Warp Drive´With More Reasonable Totable Energy Requirements,Classical Quantum Gravity, Ausg. 16 1999, S. 3973-3979

 

 

Basierend auf den Ergebnissen von Pfennig und Ford legte Van Den Broeck dar, dass diese Raumgeometrie jeweils nur mehrere Sonnenmassen an negativer Masse bzw. positiver Energie benötigt. Die Funktion der Wegverkürzung von Alcubierres Warp-Antrieb bleibt vollständig erhalten.

 

 

4a Alcubierres Warp-Antrieb - Herausforderungen

Ad astra per aspera, der Weg zu den Sternen bleibt mühevoll.

Neben diesen Lichtblicken bestehen nach wie vor Schattenseiten. Die ungelösten "Fußangeln" seien nicht verschwiegen. Wie schaltet man negative und positive Energien um das Raumschiff an und ab? Es ist nicht möglich ein Raumschiff in eine von außen erzeugt Blase hineinzubringen. Die Raumkrümmung wäre extrem stark und würde das Raumschiff bis in den atomaren Bereich zerstören!

 

Wie handhabt man negative Masse?

Die Energiedichte innerhalb der Warp-Blase ist extrem hoch. Enthält die Theorie einen Fehler? Wenn nein, wie wirkt sich dies aus? Bei Verstärkung der Verzerrung bzw. erhöhter Geschwindigkeit des Raumschiffs wird die Blasenwand dünner als die Planck-Länge. Die Planck-Länge bezeichnet die kleinste Distanz (ca. 10-35 m) bzw. die kürzeste Zeit (ca. 10-43 s), innerhalb derer die uns bekannte Kontinuums-Physik ihre Gültigkeit behält. Die Blasenwand würde sozusagen unser bekanntes Raum-Zeit-Geschehen verlassen. Unterhalb der Planck-Länge besäße ein Objekt auf Grund der Unschärferelation eine so hohe Masse bzw. Energie, daß das Objekt in ein Schwarzes Loch kollabieren würde. Die Beschreibung durch eine umfassende Theorie der Quantengravitation steht noch aus (s. Teil 1 Vereinheitlichungstheorie, Grand Unification Theory GUT).

 

 

4b Wurmlöcher

In der Science-Fiction Literatur und in Filmen sind Wurmlöcher sehr populär. Meist benutzen Reisende Wurmlöcher als Tor, als Raum-Zeit-Verbindung zwischen weit entfernten Orten nd manchmal auch als eine Art Zeitmaschine.und manchmal auch als eine Art Zeitmaschine.

Physikalisch gesehen sind Wurmlöcher eine mathematische Lösung der Gleichungen der Allgemeinen Relativitätstheorie (Einstein-Rosen-Brücke), die zwei Bereiche der Raumzeit miteinander verbinden.

Jedoch existieren nach den bisher bekannten Modellen keine stabilen Wurmlöcher, insbesondere keine Wurmlöcher die unbeschadet ein Raumschiff passieren lassen würden. Es gibt seit einigen Jahren verschiedene Ideen, wie mit Hilfe negativer Energie stabile und ausreichend große Wurmlöcher zu schaffen wären.

Hypothetischer Blick in ein Wurmloch

 

Dennoch sind eine Reihe weiterer fundamentaler Probleme nicht gelöst, wie die unrealistisch hohe Menge an negativer Energie, die Verletzung der Kausalität (Zeitreisen) oder die Verletzung des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik, Zunahme der Entropie ("Unordnung") eines Systems.

 

 

5. Ist der Flug zu den Sternen möglich?

Die Entwicklung von Methoden zur künstlichen Kontrolle der Raumzeit, der Nutzbarmachung der Nullpunktenergie oder negativer und positiver Energie sind derzeit noch ausnehmend spekulativ, beruhen aber auf physikalisch durchdachten Konzepten.

Derzeit fehlen noch Antworten auf fundamentale Fragen, die sich erst mit einer umfassenden quantenmechanischen Theorie der Schwerkraft, einer Vereinheitlichungstheorie wie der Superstringtheorie lösen lassen.Die benötigten Energien sind zwar nach heutigem Kenntnisstand endlich, jedoch so extrem hoch, dass nur eine sehr fortgeschrittene Zivilisation in der Lage sein könnte, diese zu handhaben.

Die Früchte der interstellaren Raumfahrt hängen hoch. Dank neuester Erkenntnisse scheinen dennoch reelle Chancen zu bestehen, eines Tages den Weg zu den Sternen zu ebnen!

Autor: Gerd Rauenbusch

 

 

 

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