Sluiproutes door het heelal


Sneller dan het geluid vliegen is geen probleem meer. Maar kunnen we ook sneller dan het licht ? Als we ooit serieuze ruimtereizen willen maken, zal dat wel moeten. Gelukkig wemelt het in het heelal van de wormgaten.

De Klingon Bird of Prey is een van de fraaiste
sterrenschepen uit Star Trek. Het schip vliegt
evenals de schepen van de Federatie met warpsnelheid
door het heelal. Doordat het een 'cloaking device'
(een energieveld dat het schip voor het oog, radar
en de meeste andere sensors onzichtbaar maakt) heeft,
is het een hinderlijke tegenstander voor de Enterprise.

Ze vielen. Plotseling was de hemel vol sterren. Ellie herkende de enorme stofspiraal waaruit schichten schoten als in een nachtelijke onweerswolk. Zwart gat, dacht ze. Ik val door de gebeurtenissenhorizon van een zwart gat. Een zwart gat zou heel vervelend zijn. De getijdenkrachten zijn daar zo groot dat ze tot een lange sliert spaghetti uiteen zou worden getrokken. Gelukkig gebeurde er niets. De doorzichtige wand vormde een tunnel. Aan het einde daarvan scheen een steeds heldere wordende, blauwwitte gloed. In nog geen kwartier hadden ze het bereikt en vlogen uit de tunnel. Ze waren in de ruimte. Voor hen hing een blauwwitte ster. Ellie herkende hem als Wega.

Zo beschrijft Carl Sagan de allereerste reis naar de sterren. Met de door hem geschreven en later verfilmde roman Contact waagde de Amerikaanse sterrenkundige zich op het terrein van de science-fiction. Ellie Arroway (in de film gespeeld door Jodie Foster) ontvangt een buitenaardse boodschap. Daarin wordt een reusachtige machine beschreven. Eenmaal gebouwd en in werking gesteld, wekt die machine een wormgat op. In korte tijd worden daarmee zeer grote afstanden in het heelal overbrugd. Hoe kort blijkt uit de tijd dat Ellie na al haar avonturen terugkeert op aarde. Haar 'val' heeft maar een fractie van een seconde geduurd. Dus reisde ze niet met gewone snelheid. Het wormgat werkte ook als tijdmachine, zodat de lichtsnelheid moest zijn overschreden.

Bestaat er een 'lichtmuur'?

Kan dat, het overschrijden van de lichtsnelheid? Toen ik daar voor het eerst over schreef (in KIJK, augustus 1980: 'Wordt de lichtbarrière doorbroken?'), gold de lichtsnelheid, ruwweg 300.000 kilometer per seconde, als een onoverkomelijke barrière. Net zomin als er een temperatuur onder het absolute nulpunt bestaat, is er geen snelheid mogelijk die de snelheid van het licht overtreft, stelden de natuurkundigen. De meesten beweren dat nog steeds. Maar in twintig jaar zijn er veel twijfelaars bijgekomen.

Vroeger, zo redeneren ze, geloofde men dat je niet sneller kon dan het geluid. Men sprak van een 'geluidsmuur', alsof het om een hindernis ging die geen mens of machine kon doorbreken. Maar in 1947 schoot testpiloot Chuck Yeager met zijn raketvliegtuig Bell XS-1 door de geluidsmuur zonder dat er iets met hem gebeurde. Tegenwoordig vliegen ook passagiers aan boord van de Concorde door de geluidsmuur zonder zich daarom te bekommeren. Bestaat er daarom wel een 'lichtmuur'? Of is dat ook een hindernis die zal worden geslecht? Als we ooit de ruimte willen veroveren, zal dat wel moeten.

Neem alleen al de ster Proxima Centauri. Die bevindt zich op een afstand van 4,3 lichtjaar. Zelfs met de lichtsnelheid duurt het 8,6 jaar voordat een ruimteschip het Alpha Centauri-stelsel bereikt heeft en op aarde terug is. En dat is dan de dichtstbijzijnde ster. Onze Melkweg, waarin de zon maar een van de circa 200 miljard sterren is, heeft een diameter van zo'n 100.000 lichtjaar. Een 'galactisch keizerrijk' is onmogelijk zolang we de lichtbarrière niet doorbreken.


Relativistische sterrenschepen

Met gewone rakettechniek duurt een enkele reis Alpha Centauri - het dichtstbijzijnde stersysteem op 4,3 lichtjaar afstand - zo'n 27.000 jaar. Want een lichtjaar (de afstand die het licht met een snelheid van bijna 300.000 kilometer per seconde in een jaar tijd overbrugt) komt overeen met een respectabele afstand van 9,46 biljoen km en harder dan 170.000 kilometer per uur gaan zelfs onze snelste ruimtevaartuigen niet. Om de reisduur te bekorten moet we minstens beschikken over een relativistisch sterrenschip, dat de snelheid van het licht benadert.

"Reizen met de snelheid van het licht: dat is stilstaan in de tijd." redeneerde Albert Einstein bijna 95 jaar geleden. Toen hij in 1905 zijn Speciale Relativiteitstheorie openbaarde, beschreef hij de verschijnselen die zich voordoen als een ruimteschip met hoge snelheid van ons wegvlucht. Einsteins conclusies waren duidelijk. Bij zeer hoge snelheden vervormen ruimte en tijd. Achterblijvers zien een steeds sneller wegvluchtend ruimteschip in de lengterichting inkrimpen. Daarnaast zien ze de klokken aan boord van het ruimtevaartuig langzamer lopen - om bij het naderen van de lichtsnelheid nagenoeg tot stilstand te komen. Bij 87% van de lichtsnelheid - we hebben het dan over een snelheid van 261.000 km/s - is de tijdsduur voor de ruimtevaarders gehalveerd. Met andere woorden: in ons uur zijn de astronauten maar 30 minuten ouder geworden. Bij 99% van de lichtsnelheid is die tijdverkorting een factor 7 en bij 99,99% van de lichtsnelheid verloopt de tijd aan boord 71 maal trager dan op aarde: één uur op aarde duurt voor de reizigers dan minder dan een seconde! Vluchten over honderd lichtjaar afstand kunnen zo binnen 14 maanden worden uitgevoerd. En als we de lichtsnelheid nóg dichter benaderen, liggen zelfs melkwegstelsels op miljoenen lichtjaren afstand in het verschiet!

Het lijkt aantrekkelijk. Als we de relativiteitstheorie maar toepassen kunnen we in no-time door de ruimte reizen en net als in Star Trek onze hele Melkweg verkennen. En tóch is zoiets onmogelijk. Allereerst is er oneindig veel energie nodig om een zwaar voorwerp tot de lichtsnelheid te versnellen. Alleen massaloze deeltjes, zoals licht zelf, hebben die snelheid. Daarnaast voert de bemanning van zo'n vlucht een soort zelfmoordopdracht uit. Zij reizen in slechts enkele jaren naar andere melkwegstelsels, maar als zij terugkeren op aarde zijn daar miljoenen jaren verlopen. Want bij ons tikte de klok normaal door. En wie zegt dat de menselijke beschaving dan niet al lang ten onder is gegaan?


Carl Sagans verhaal was slechts een roman. Maar als sterrenkundige kon hij natuurlijk niet in het wilde weg speculeren. Hij wilde zijn fictieve ruimtereis zodanig beschrijven dat die niet in strijd zou zijn met enige bekende natuurwet. In 1984 stuurde Sagan zijn bijna voltooide manuscript daarom naar Kip Thorne, hoogleraar in de theoretische natuurkunde aan het California Institute of Technology in Pasadena. Misschien, vroeg Sagan, kon Thorne nagaan of zwarte gaten uitkomst boden? Als materie die door een zwart gat werd verzwolgen nu eens ergens anders tevoorschijn kwam in het heelal?

"Ik vond het leuk om Carls roman te lezen. Maar er was wel een probleem," herinnert Thorne zich. "Het zou niet praktisch zijn via een zwart gat naar een ander deel van het heelal te reizen. Alles dat in een zwart gat valt, wordt door intense straling vernietigd. Carl moest zijn verhaal veranderen." Tijdens een lange autorit kwam Thorne op een idee. Einsteins relativiteitstheorie laat sluiproutes toe voor reisjes sneller dan het licht. Met zijn medewerkers Michael Morris en Ulvi Yurtsever boog Thorne zich over mini-wormgaten die zich op elk ogenblik en op elke plaats kunnen voordoen in ons heelal. De Britse astrofysicus Stephen Hawking schat dat er quadriljoenen van zulke wormgaten ontstaan en weer verdwijnen. Omdat ze zo klein zijn, merken we daar niets van. Maar op een schaalgrootte van 10-33 centimeter en een tijdsduur van 10-43 seconde kan ons heelal er als één grote gatenkaas uitzien.

Wat moeten we doen om zo'n mini-wormgat te gebruiken? Allereerst moet het worden geïsoleerd uit een gebied waar de tijd-ruimte zodanig is gekromd dat daar regelmatig wormgaten ontstaan. Is dat gebeurd, dan moet het wormgat met zijn gebruikelijke doorsnede van 10-33 cm zodanig worden vergroot dat het geschikt is voor het vervoer van materieel en levende wezens. De methode die daarvoor kan worden gebruikt is het plaatsen van een perfect geleidende, ronde, elektrisch geladen plaat aan beide openingen van het wormgat. Een quantumproces dat bekend staat als het Casimir-effect (genoemd naar de Nederlandse natuurkundige Hendrik Casimir) zorgt er dan voor dat er negatieve energie tussen de beide platen ontstaat. Zo is er geen point of no return als bij een val in een zwart gat. Ook krimpt het wormgat niet meer in.

Tijdtunnels

Het fantastische van een wormgat is dat het kan functioneren als een tijdmachine. Uit Einsteins speciale relativiteitstheorie kennen we het verschijnsel van een reiziger die met grote snelheid van de aarde vertrekt. Bij terugkomst loopt zijn horloge achter ten opzichte van de klokken op aarde. Hij is jonger geworden dan zijn tweelingbroer. Stel nu dat het ene uiteinde van een wormgat op zijn plaats wordt gehouden. Het andere wordt versneld tot een snelheid dichtbij de lichtsnelheid. De bewegende opening van het wormgat veroudert nu langzamer dan de opening die op zijn plaats blijft. Als de voortbewogen opening weer tot stilstand is gebracht, ontstaat een situatie waarin de tijd aan beide zijden van het wormgat verschilt. Het wormgat is dus een tijdtunnel geworden. Wat aan de voortbewogen opening naar binnen gaat, komt aan de andere kant in het verleden terecht. En wat er in de onbewogen kant wordt gestopt, duikt aan het andere uiteinde in de toekomst op. Maak je gebruik van een wormgat, dan omzeil je dus de lichtbarrière!

Het Bajoraanse wormgat vormt in de Star Trek-
serie Deep Space 9 een tunnel door de
ruimte. Het is een kortere weg om nog sneller dan
via warpspeed van de ruimte bij de planeet Bajor
naar het 90.000 lichtjaar verderop gelegen gamma-
kwadrant in de Melkweg te reizen en weer terug te
komen.

"Wormgaten behoren tot de speculatieve fysica," reageert Matt Visser, hoogleraar natuurkunde aan de Washington-universiteit in St. Louis. "Er is nog geen concrete aanwijzing dat ze bestaan. Ze worden beschreven door de gewone natuurkunde, zonder dat er nieuwe natuurkundige principes of twijfelachtige theorieën voor nodig zijn. En in de wetenschap geldt nu eenmaal een merkwaardige, informele regel. Als iets mogelijk is, zal de natuur dat ook verwezenlijken. Is het niet hier, dan wel ergens anders."

Toch moet er natuurlijk nog wel het een en ander worden overwonnen. "Om de monding van een wormgat open te houden, moet je hem met een materiaal bekleden dat de wanden uit elkaar drukt," mijmert Kip Thorne. "Daarvoor heb je materie nodig die een enorme negatieve druk teweegbrengt. Voor een zes kilometer brede opening is dat een druk van 1032 kilogram per vierkante centimeter. Die vind je normaal alleen in het binnenste van een neutronenster. Je kunt ook uitrekenen dat die materie een 1017 maal grotere trekvastheid moet hebben dan een staaf staal. En zulk exotisch spul kennen we tot nu toe niet."

De USS Enterprise uit Star Trek maakt zoals bekend gebruik van een warp-drive, een aandrijfsysteem dat de lichtsnelheid overschrijdt door gebruik te maken van ruimtekromming.

De USS Enterprise NCC-1701 was het schip
van Captain James T. Kirk. Zijn missie: to boldly
go where no man has gone before. Kirk en zijn
bemanning zouden nooit van ster naar ster kunnen
zijn gegaan als de Enterprise niet sneller vloog
dan het licht en de communicatie met de thuisbasis
niet ogenblikkelijk via de 'subruimte' was verlopen.

"Ik keek eens naar Star Trek en bedacht dat dit niet eens zo gek zou zijn," vertelt natuurkundige Miguel Alcubierre van de universiteit van Wales in Cardiff. "Het enige dat je hoeft te doen is de lokale tijd-ruimte achter een ruimteschip uit te breiden en voor het schip in te laten krimpen. Zo wordt het schip van de aarde weggeduwd en naar een verre ster toe getrokken door de vier dimensies van tijd en ruimte zelf."

Het principe van de ruimtekromming volgens de
makers van Star Trek. Voor het sterrenschip
Enterprise wordt de tijdruimte ingekrompen en
erachter opgeblazen tot grotere proporties. Zo wordt
het sterrenschip weggestuwd van zijn vertrekpunt en
aangetrokken door zijn punt van bestemming. Het
principe van de ruimtekromming wordt momenteel
door natuurkundigen bestudeerd om te proberen de
'lichtbarrière' te doorbreken.

Toen Alcubierre zijn idee in 1994 publiceerde, leek het heel aannemelijk. Oké, voor het krommen van de tijd-ruimte was weer negatieve zwaartekracht nodig. Maar omdat ook tijdens de opblaasfase van het heelal direct na de Big Bang 'iets' de materie versneld uiteenjoeg, was dat niet denkbeeldig. Totdat in 1997 Mitchell Pfenning en Larry Ford van de Tufts-universiteit in Massachusetts de poten onder Alcubierre's stoel vandaan zaagden. De twee natuurkundigen rekenden eens uit hoeveel energie nodig zou zijn om een deel van de tijd-ruimte op de vereiste wijze te krommen. Hoewel ze de haalbaarheid van Alcubierre's methode in theoretisch opzicht bevestigden, kwamen ze met de praktische eis dat er tien miljard maal meer energie voor nodig zou zijn dan in het heelal opgeslagen is.

Kromme ruimte

Een fikse streep door de rekening. Maar gelukkig is er weer een lichtpuntje, want in juni 1999 kreeg Alcubierre's warp-drive een onverwacht steuntje in de rug door de Britse sf-serie Dr. Who.

Dr. Who aan de 'console' die zijn TARDIS bestuurt.

Daarin is sprake van een TARDIS, oftewel een Time And Relative Dimension In Space, een tijd- en ruimte-reismachine die is ontworpen door de Time Lords van Gallifrey. Aan de buitenzijde ziet hij eruit als een ouderwetse, Engelse politie-telefooncel op straat. Maar binnenin is hij zo groot als een kleine stad.

De TARDIS, de tijd- en ruimte-reismachine van
Dr. Who. Aan de buitenkant een Engelse politie-
telefooncel, maar binnenin zo groot als een stad.

Chris Van Den Broeck, van het instituut voor theoretische natuurkunde van de Katholieke Universiteit van Leuven, denkt aan zoiets als een TARDIS. Maar dan in de vorm van een 'ballon' met een zeer groot inwendig volume en een slechts zeer klein oppervlak. Onderin de ballon is een 'plat' vlak, daar waar het knoopje zit. Je ziet alleen dit vlak en de wanden die omhooggaan. Maar de rest van de ruimte is er ook nog. "Denk eens aan een tweedimensionale wereld in een plat vlak," redeneert Van Den Broeck. "Stel je vervolgens een bel voor die aan zijn rand met dat platte vlak in verbinding is. De bewoners in de platte wereld zien aanvankelijk alleen het stukje waar die bel aan hun vlak vastzit. Dat uit zich als een kleine omtrek. Toch heeft de binnenkant van de bel een zeer groot oppervlak."

In onze echte wereld, zegt Van Den Broeck, moet je die tweedimensionale omtrekken als oppervlakken beschouwen, en oppervlakken als volumes. "Er kunnen dus gebieden in de ruimte zijn die van buitenaf heel klein lijken, maar een enorm inwendig volume hebben. Precies zoals een TARDIS."

Een voordeel van Van Den Broecks bellen is dat er maar heel weinig energie voor nodig is om ze te maken. Van Den Broeck rekent uit dat je met slechts één gram tijd-ruimte-krommend materiaal een bel om een sterrenschip kunt maken. En krom je de tijd-ruimte op de juiste wijze rond het schip, dan worden vertrek- en eindpunt weer naar elkaar toe gebracht, zodat het schip de warpsnelheid bereikt.

"Schitterend toch?" roept Alcubierre, die inmiddels voor het Max Planck Institut für Gravitationsphysik in Potsdam werkt. "Natuurlijk blijven er nog allerlei vragen. Maar het concept van sneller-dan-het-licht reizen staat nu weer op de agenda!"

In de Star Trek-film First Contact vliegt
dr. Zephram Cochrane in 2063 als eerste
sneller dan het licht.

Zal het er in de 21ste eeuw van komen? Want als de bedenkers van Star Trek met hun voorstuwingsmethode nu al op het goede spoor zitten, gaat het misschien ook wel als in First Contact, de bioscoopfilm uit 1996. Daarin bouwt dr. Zephram Cochrane in 2063 het eerste warp-ship op de top van een in een oude ICBM-silo opgestelde Titan V-raket.

De Phoenix van Cochrane was slechts een
ruw ontwerp, maar vertoont al de twee typische
motorgondels die de ruimtekromming opwekken
voor het bereiken van de warpsnelheid.

Het schip heet de Phoenix en haalt slechts 1,2 maal de lichtsnelheid. Maar als Cochrane ermee door ons zonnestelsel schiet, is het effect van de ruimtekromming onmiskenbaar. Het ruimtevaartuig wordt opgemerkt door een verkenningsschip van Vulcaniërs. Korte tijd later landen die op aarde en maken de mensheid deelgenoot van een hele federatie van planeten.


LITERATUUR INTERNET

Tekst: Carl Koppeschaar

Publicatie in KIJK, januari 2000

Foto's en iIllustraties: Scipubtech, Bob Semenoff, Raymond van der Meij, Paramount Picures/UPI

Laatst bijgewerkt: 23-03-2002