Star Trek-style naar de sterren: zo’n warp drive is zo gek nog niet

Ruimtereizen á la Star Trek komt langzaam binnen handbereik. De Warp Drive uit de film blijkt zo onrealistisch nog niet. Hoe we binnenkort mogelijk net als Kirk en Spock tussen de sterren reizen.

Deze week ging de nieuwe Star Trek, Star Trek: Into Darkness in première. In die film, zoals in eigenlijk alle Star Trek-films en series, spelen ruimteschepen die sneller vliegen dan het licht een grote rol. Op die manier krijgen de mensen en buitenaardse wezens uit dat fictieve universum het voor elkaar om in korte tijd enorme afstanden te overbruggen.

Wie zich de ophef over de neutrino’s die sneller zouden vliegen dan het licht nog kan herinneren, weet inmiddels één ding zeker: sneller reizen dan het licht is onmogelijk. En dus zal nooit iemand á la Star Trek door de ruimte zoeven. Toch?

Dat blijkt niet helemaal waar. Bijna twintig jaar geleden (in 1994) ontdekte de Mexicaanse fysicus Miguel Alcubierre namelijk een veelbelovende maas in de ijzeren wetten van Einsteins relativiteitstheorie. Daardoor werd sneller reizen dan het licht ineens wel mogelijk – althans: in theorie. Zijn truc? Als je niet sneller dan het licht door de ruimte mag reizen, waarom laat je de ruimte dan niet sneller dan het licht om jóu heen reizen?

Om te begrijpen waarom dat idee interstellair reizen voor het eerst wetenschappelijk op de kaart zette, doen we een stapje terug. Want waarom mag je ook al weer niet sneller dan het licht reizen? Het simpele antwoord: Einstein heeft dat ooit gepostuleerd in zijn inmiddels meerdere malen bewezen relativiteitstheorie. Maar het ingewikkeldere antwoord is een stuk leuker – en inzichtelijker.

Wij zijn gemaakt van licht

Laten we eens de vergelijking maken met de geluidssnelheid – die kunnen we wél doorbreken, denk maar aan de knal als een straaljager door de geluidsbarrière gaat. Dus waarom zouden we de lichtbarrière niet aan gruzelementen kunnen vliegen?

Als het aan Alcubierre ligt, reizen we binnenkort met dit soort Star Trek schepen door de ruimte.

Het antwoord schuilt in wat licht eigenlijk is. Licht is in feite niets meer dan elektromagnetische straling. Maar alles dat we voelen, horen en zien wordt gestuurd door dat soort straling. De botsing van de moleculen in onze hand met bijvoorbeeld die op je tafel – waardoor je de tafel ‘voelt’ – wordt gestuurd door elektromagnetische krachten. En hetzelfde geldt voor je gehoor – een botsing van luchtmoleculen op je trommelvlies, in gang gezet door andere moleculen die op elkaar botsten en zo ‘geluid’ maakten.

Wanneer we dus beginnen te reizen met snelheden vergelijkbaar met de snelheid van datgene dat onze informatievoorziening verzorgt, gebeuren er vreemde dingen. Dingen die Einstein in zijn speciale relativiteitstheorie uitvoerig beschreef.

Maar nog belangrijker is dat de kracht die onze lichamen en ruimteschepen bij elkaar houdt óók elektromagnetisch is. Wanneer je dus sneller probeert te reizen dan het licht, probeer je in feite een barrière te verbreken die is opgebouwd uit hetzelfde spul als waaruit wij zelf bestaan. Dat is net zoiets als wanneer een straaljager gemaakt van geluid door de geluidsbarrière zou willen vliegen. Je kunt op je klompen aanvoelen dat dat niet kan.

Uitzetten en inkrimpen

Dat is dan ook wat de ingeving van Alcubierre zo briljant maakt. Hij verbreekt met zijn aanzet tot een heuse Warp Drive expliciet niet de regels van Einsteins relativiteitstheorie. Door de ruimte om ons heen te laten bewegen, in plaats van onszelf door de ruimte, lost hij in één klap een hoop problemen op.

Ruimte heeft immers geen massa – en bestaat dus ook niet uit de elektromagnetische componenten waaruit wij zijn opgebouwd. Er is dus niets dat bij voorbaat stelt dat de ruimte zélf niet ‘sneller dan het licht’ mag ‘bewegen’. Sterker nog: we weten al lang dat de ruimte een zeer flexibel goedje is.

Jarenlang onderzoek in de kosmologie heeft ons geleerd dat het universum uitdijt en ooit begon in één punt. Sommige kosmologen menen zelfs dat het universum vlak na de oerknal tijdens de zogeheten inflatieperiode met snelheden groter dan de lichtsnelheden aan omvang won. Weer anderen denken dat de ruimte ooit ook weer zal krimpen, tijdens de catastrofale omkering van de oerknal die sommigen de onheilspellende naam big crunch hebben meegegeven.

Warp Drive á la Star Trek

Dat de ruimte kon uitzetten en samentrekken, wist ook Alcubierre. Hij bedacht aan de hand daarvan een boeiende truc. Wat als je een soort stationair punt in de ruimtetijd zou kunnen maken – een zogeheten Warp Bubble of warpbel – waarbij de ruimte aan de voorkant zich enorm zou samenpersen en aan de achterkant weer zou uitdijen? Wanneer je op die manier beweegt, is het mogelijk om effectief sneller te gaan dan het licht, zonder dat je ooit de lichtsnelheid verbreekt.

Door de ruimte voor je in te krimpen en achter je te laten uitzetten, kun je net als in Star Trek in een Warp Bubble door de ruimte reizen, stelt fysicus Miguel Alcubierre

In je warpbel merk je in feite niks van de beweging, omdat je eigenlijk stil staat. Je voelt geen versnellingen en wanneer licht zich binnen de warpbel verplaatst, doet het dat even snel als altijd.

Op die manier moet het mogelijk zijn je razendsnel door de ruimte te bewegen – schattingen stellen dat je effectieve snelheid zo’n tienmaal de lichtsnelheid zou zijn. De meest optimistische schattingen doen daar overigens nog een schepje bovenop. Die stellen dat we onze meest nabije buurtster Alpha Centauri (afstand: 4,3 lichtjaar) met een Alcubierre-motor in een luttele twee weken zouden kunnen bereiken.

Nieuwe doorbraak

Na de publicatie van Alcubierres artikel The Warp Drive: Hyper-fast travel within general relativity kwam ook langzaam de eerste stroom van kritiek op gang. Allerlei bezwaren – sommige van nog exotischer aard dan het idee zelf – kwamen één voor één langs. Zo zou de warpbel bijvoorbeeld een zwart gat veroorzaken aan de voorste punt van de bel, zouden reizigers in de bel bestookt worden door schadelijke straling en zou het onmogelijk zijn een schip in een warpbel te besturen of af te remmen.

De twee belangrijkste bezwaren waren echter een stuk concreter. Allereerst is om een warpbel te maken exotische materie nodig waarvan het bestaan nog niet is bewezen. Ten tweede is voor het maken van een warpbel een hoeveelheid energie nodig die zo groot is dat hij te vergelijken is met de hoeveelheid die vrij zou komen wanneer we de gehele massa van de planeet Jupiter zouden omzetten in energie.

Net iets anders dan de Enterprise uit Star Trek: zo zou een schip aangedreven door een Warp Drive er volgens Alcubierre ongeveer uit zien

Daarmee leek destijds een einde gekomen aan de hoop dat we ooit een Alcubierre-motor zouden bouwen om door het universum te racen – totdat de Amerikaanse NASA-fysicus Harold White vorig jaar ineens met een oplossing kwam.

Waar de oorspronkelijke Alcubierre-motor bestond uit een soort rugby-bal omgeven door een platte hoepel aan exotische materie, daar berekende White dat wanneer je de hoepel vervormde tot een soort donut, ineens een stuk minder energie nodig was. De hoeveelheid massa die je dan moest omzetten om de benodigde energie voor de warpbel bij elkaar te sprokken, was niet langer zoveel als die van Jupiter, maar was vergelijkbaar met het gewicht van de Voyager 1-sonde (zo’n 700 kilogram). Dat getal bleek bovendien nog verder te drukken wanneer je de sterkte van de kromming van de ruimte met de tijd zou laten variëren.

Star Trek in het lab

Hoewel de door White beschreven theorie zorgt voor nieuwe hoop in de harten van sciencefictionliefhebbers over de hele wereld, wil de onderzoeker zelf niet te hard van stapel lopen. Hij is sinds vorig jaar bezig om eerst te sleutelen aan een zogeheten proof of concept – een experimenteel bewijs dat zijn idee ook praktisch bestaansrecht heeft.

Dat doet hij door te sleutelen aan een aangepaste versie van de zogeheten Michelson-Morley interferometer. In White’s versie zorgt dat voor een testopstelling waarbij de onderzoekers twee lasers afvuren – eentje door een vacuüm en een ander door de gewone ruimte.

Dat vacuüm is volgens de berekeningen van White een goede kandidaat om een warpbel in te laten ontstaan. Dat komt door het zogeheten Casimireffect, waaruit blijkt dat een vacuüm nooit echt leeg is, maar vol zit met allerlei elektromagnetische golven. Door deze handig te manipuleren, kan White – in theorie althans – negatieve energie opwekken; een exotisch goedje dat nodig is om de warpbel mee te maken.

Mochten we ooit door de ruimte gaan reizen á la Star Trek, dan loopt het hopelijk beter met ons af dan met dit schip in de nieuwe film Star Trek: Into Darkness.

White hoopt nu dat hem dat in het lab zal lukken – iets dat hij in zijn opstelling kan meten. Wanneer het laserlicht in het vacuumgedeelte van de opstelling door een warpbel reist, zal het voor een waarnemer immers lijken alsof die ene poot korter is dan de andere.

Mocht zijn proof of concept lukken, dan is straks dus zelfs de sky niet meer the limit. Wie weet reist de mensheid dan binnenkort wel net als Kirk en Spock tussen de sterren, op een missie om het universum en alle bijzondere bestemmingen die daarin schuilen nu eens écht te bezoeken.