ワープ係数

昨年 9 月、数百人の科学者、エンジニア、宇宙愛好家がヒューストンのダウンタウンにあるハイアット ホテルに集まり、100 Year Starship の 2 回目の公開会議を開催しました。このグループは元宇宙飛行士のメイ ジェミソンが運営し、DARPA の資金援助を受けています。その使命は、「今後 100 年以内に、人類が太陽系外の別の恒星へ旅行できるようにする」ことです。

会議出席者の大半にとって、有人宇宙探査の進歩はいらだたしいほど遅い。過去数十年間に数十億ドルが費やされたにもかかわらず、宇宙機関の能力は 1960 年代と比べてそれほど向上していない。むしろ低下しているかもしれない。100 Year Starship は、有望な技術を特定して開発することで恒星間旅行のプロセスを加速させることを目指している。

数日間にわたって、参加者は臓器再生や宇宙船内での組織化された宗教など、珍しいテーマのシンポジウムに参加することができた。最も期待されていたプレゼンテーションの 1 つは、NASA のハロルド「ソニー」ホワイトによる「ワープ フィールド メカニクス 102」と題されたプレゼンテーションだった。NASA で 9 年間勤務しているホワイトは、ハイアットのすぐ近くにあるジョンソン宇宙センター (JSC) で先進的な推進プログラムを運営している。彼は最近、他の 5 人とともに、NASA の 16 年間の「宇宙推進システム ロードマップ」の共同執筆者となった。これは、宇宙旅行の将来に対する NASA の目標を概説したものである。この計画では、改良された化学ロケットから反物質や原子力エンジンなどの遠い将来に渡るシステムまで、あらゆる種類の推進プロジェクトが求められている。ホワイトの研究分野は、おそらくその中でも最も遠い将来、ワープ ドライブである。

簡単に言えば、ワープ ドライブは光速を超える移動を可能にする。ほとんどの人は、それは不可能だと考えている。アインシュタインの一般相対性理論に明らかに反するからだ。ホワイト氏はそうではないと言う。シンポジウムで 30 分間、彼は潜在的なワープ ドライブの物理について概説し、アルクビエレ バブルやハイパースペース振動などについて参加者に説明した。彼は、実際のワープ ドライブへの道を開く可能性のある理論的結果を最近計算したこと、そしてイーグルワークスと名付けた NASA の研究所で物理テストを開始していることを説明した。

言うまでもなく、ワープ ドライブが機能すれば宇宙旅行に多大な影響が及ぶ。ワープ ドライブは、地球の軌道だけでなく太陽系全体から探検家を解放する。地球に最も近い恒星系であるアルファ ケンタウリまで 75,000 年かかる代わりに、ワープ ドライブを装備した宇宙飛行士なら 2 週間で旅ができるとホワイト氏は言う。

シャトル計画の終了を受け、低軌道飛行における民間企業の役割が増大していることから、NASA は、月というかなり限られた境界をはるかに超えた、遠距離の大胆な探査に再び焦点を当てると発表した。しかし、これらの目標を達成するには、新しい推進システムを開発する必要がある。より速いほど良い。100 年スターシップの集会の数日後、NASA のチャールズ ボールデン長官はホワイト氏の発言に同調した。「近いうちにワープ速度に到達したい」と同氏は述べた。「光速よりも速く進みたい。火星で止まりたくはない」

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「ワープ ドライブ」という表現が初めて一般に使われたのは、ジーン ロッデンベリーがスタートレックを開始した 1966 年です。その後 30 年間、ワープは SF の最も長く続くシリーズの 1 つでのみ概念として存在していました。その後、物理学者のミゲル アルクビエレが、この番組のエピソードを観ました。当時、彼は一般相対性理論の大学院研究を行っており、ワープ ドライブを物理的に実現可能にするには何が必要か自問しました。彼は 1994 年に物理学の概要をまとめた論文を発表しました。

アルクビエレは宇宙に泡を思い描いた。泡の前方では時空が収縮し、泡の後方では時空が膨張する（ビッグバンのように）。変形によって宇宙船は、周囲の乱気流にもかかわらず、波に乗っているかのように滑らかに進む。原理的にはワープ泡は任意の速度で移動できる。アインシュタインの理論の光速制限は時空内にのみ適用され、時空自体の歪みには適用されない。泡の中では時空は変化せず、宇宙飛行士は無傷であるとアルクビエレは予測した。

ワープドライブは、探検家を地球の軌道からだけでなく、太陽系全体から解放するでしょう。

アインシュタインの一般相対性理論の方程式は、物質が空間を曲げる仕組みを解明するという一方向への解決は非常に難しいが、逆方向への解決はかなり簡単である。アルクビエレはそれを用いて、ワープバブルを作り出すために必要な物質の分布を決定した。問題は、その解が負のエネルギーと呼ばれる、よくわからない物質形態を必要としていたことだ。

最も基本的な定義では、重力は 2 つの物体間の引力です。どんなに小さな物体でも、周囲の物質に何らかの引力を発揮します。アインシュタインの洞察は、この力が時空の曲率であるというものでした。しかし、負のエネルギーは重力的に反発します。負のエネルギーは時空を引き寄せるのではなく、時空を押し広げます。大まかに言えば、アルクビエレのモデルが機能するには、宇宙船の背後の時空を拡張するために負のエネルギーが必要でした。

負のエネルギーを計測した人は誰もいないが、量子力学ではそれが存在すると予測されており、科学者は研究室でそれを作り出すことができるはずだ。それを生み出す方法の 1 つはカシミール効果である。非常に接近して配置された 2 つの平行な導電板は、少量の負のエネルギーを生み出すはずだ。アルクビエレのモデルが破綻したのは、膨大な量の負のエネルギーが必要だった点である。これは、ほとんどの科学者が生み出せると見積もっている量よりも桁違いに多い。

ホワイト氏は、その制限を回避する方法を見つけたと語る。コンピューターシミュレーションで、ホワイト氏はワープフィールドの強度と形状を変えてみた。理論上は、アルクビエレが予測した数百万倍の負のエネルギーでワープバブルを生成できるとホワイト氏は判断した。おそらく、宇宙船にワープバブル生成装置を搭載できるほどの少ないエネルギーでワープバブルを生成できるだろう。「この発見は、非現実的だったものを、実現可能なものに変えるものだ」とホワイト氏は語る。

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ジョンソン宇宙センターは、ヒューストンからガルベストン湾に続くラグーンのそばに広がっている。宇宙飛行士の訓練を目的とした施設ではあるが、郊外の大学キャンパスのような雰囲気がある。私が訪れた日、ホワイト氏はイーグルワークスが入っている低層の廊下、オフィス、研究室が入り組んだビル 15 で私を迎えてくれた。彼はイーグルワークスのエンブレムが刺繍されたポロシャツを着ている。エンブレムには、未来的な宇宙船の上を舞い上がる鷲が描かれている。
ホワイト氏は推進部門でキャリアをスタートさせたわけではない。機械工学を学び、2000年からJSCで契約社員として働き、2004年にロボット工学グループの一員としてNASAに入社した。最終的にはプラズマ物理学の博士号取得を目指しながら、国際宇宙ステーションのロボットアームの指揮を執った。推進部門に責任を移したのは2009年になってからだった。推進部門は長年の関心事であり、そもそもNASAで働くようになった理由でもある。

「ソニーはとてもユニークな人物です」と、JSC エンジニアリング部門の推進システム部門を率いる上司のジョン・アップルホワイトは言う。「彼は間違いなく先見の明があるが、エンジニアでもある。彼は自分のビジョンを有用なエンジニアリング製品に変えることができるのです」。アップルホワイトのグループに加わった頃、ホワイトは先進的な推進力に特化した独自の研究室を開設する許可を求めた。彼はイーグルワークスという名前を思いつき、有名なロッキード・マーティンのスカンクワークスを愛国的にアレンジし、NASA に自分の仕様に合わせてロゴを作成させた。そして仕事に取りかかった。

ホワイトは私を彼のオフィスへ案内した。そこは、月の水を探している同僚と共用のオフィスで、それから私を廊下のイーグルワークスへ連れて行った。歩きながら、彼は研究所開設の試みについて話してくれた。彼はそれを「人類の宇宙探査に役立つ先進的な推進力の方法を模索する長く困難なプロセス」と形容した。彼は少し間延びした口調で話すが、それは南部で長年過ごしたこと、最初はアラバマの大学で、その後 13 年間テキサスで過ごしたことによるものだ。

ホワイト氏は私を施設に案内し、その中心にある特徴である量子真空プラズマスラスタ（QVPT）に案内してくれた。この装置は、コアの周りにワイヤーがきつく巻かれた大きな赤いベルベットのドーナツのようで、ワープドライブとともにイーグルワークスが進めている2つの取り組みのうちの1つである。これも秘密だ。私がそれについて尋ねると、ホワイト氏は、この技術はワープドライブよりも進んでいるということ以外は何も明かせないと言う。彼が書いた2011年のNASAレポートによると、この装置は燃料源として空間の量子ゆらぎを使用するため、QVPTで推進する宇宙船には推進剤が必要ないという。

ホワイトのワープ実験は部屋の奥の隅にひっそりと設置されている。ヘリウムネオンレーザーが、ビームスプリッターと市販の白黒 CCD カメラとともに、格子状の穴があけられた小さなテーブルにボルトで固定されている。これはホワイト ジュデイ ワープ フィールド干渉計で、ホワイトは自分と、ホワイトの CCD データの分析を手伝っている JSC の退職社員リチャード ジュデイにちなんで名付けた。レーザー光の半分はリング (ホワイトのテスト装置) を通過し、残りの半分は通過しない。リングが効果を及ぼさない場合、ホワイトは CCD で 1 種類の信号が現れることを期待する。空間を歪ませる場合、「干渉パターンはまったく異なるものになる」とホワイトは言う。

装置のスイッチを入れると、ホワイトのセットアップは映画のように完璧だ。レーザーは真っ赤に輝き、2 本のビームがライトセーバーのように交差する。リングの中にはチタン酸バリウム製のセラミック コンデンサが 4 つあり、ホワイトはこれを 23,000 ボルトに充電する。ホワイトは過去 1 年半をかけてこの実験を設計しており、コンデンサは「非常に大きな位置エネルギーを確立する」と述べている。しかし、時空を歪めるのに必要な負のエネルギーをどうやって作り出すのかと尋ねると、ホワイトは答えをはぐらかした。「それは... 話せることは話せますが、話せないことは話せません」と彼は言う。ホワイトは、詳細を明かすことを禁じる秘密保持契約を結んでいると説明する。誰と契約しているのかと尋ねると、ホワイトは「いろいろなことを話したいという人が来ます。それ以上詳しくは話せません」と言う。

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ワープ旅行の理論は、時空を変形させて動く泡を作るという直感的なものだとはいえ、いくつかの大きな障害がある。ホワイトがアルクビエレが必要とした負のエネルギーの量を大幅に減らすことができたとしても、科学者が作り出せる量をはるかに超える量になる可能性があると、タフツ大学の理論物理学者で、過去30年間に負のエネルギーに関する論文を何十本も発表してきたローレンス・フォードは言う。フォードと他の物理学者たちは、ある場所に一定時間存在できる負のエネルギーの量には、単なる工学上の課題ではなく、根本的な物理的限界があると述べている。

もう一つの課題は、光より速く移動するワープ バブルを作成するために、科学者は宇宙船の前方を含む周囲に負のエネルギーを分散させる必要があることです。ホワイト氏はこれは問題ではないと考えています。私がこのことについて尋ねると、彼は「必要な条件を作り出す装置がある」ためワープ ドライブが機能すると漠然と答えます。しかし、宇宙船の前方にそのような条件を作り出すことは、光より速く移動する負のエネルギーの分散を生成することを意味し、一般相対性理論に反します。

ワープドライブが実現可能であると述べることで、ホワイト氏はタイムマシンも作れると述べている。

最後に、ワープ ドライブは概念上の問題を提起します。一般相対性理論では、光より速い移動は時間の中で移動するのと同じです。ワープ ドライブが実現可能であると述べることで、ホワイトはタイム マシンを作成できるとも述べています。

これらの障害は重大な疑問を生じさせる。「物理学の通常の理解では、ホワイト氏が実験で何かを発見するとは予想できないと思う」と、2011年に開催された100年宇宙船集会でエキゾチックな推進力について討論するパネルメンバーを務めたタフツ大学の物理学者ケン・オラム氏は言う。私の依頼でホワイト氏の論文2本を読んだミドルベリー大学の物理学者ノア・グラハム氏は、電子メールで「どちらの論文にも、これまでの研究の要約以外には有効な科学的根拠は見当たらない」と書いた。

現在メキシコ国立自治大学の物理学者であるアルクビエレ氏も懐疑的だ。「たとえ宇宙船の真ん中にいて、負のエネルギーを持っていたとしても、それを必要な場所に置くことはできない」と、メキシコシティの自宅から電話で語った。「いいアイデアだ。自分で書いたから気に入っている。しかし、長年見てきた一連の限界があり、それをどう修正すればよいのか分からない」

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ジョンソンの正門の左側には、サターン V ロケットが横たわっている。各段が切り離されていて、内部の一部が見えるようになっている。巨大なロケットだ。エンジンが多数あるうちの 1 つだけでも小型車ほどの大きさで、縦にするとフットボール競技場より数フィート長くなる。宇宙旅行の難しさを静かに証明している。また、このロケットは 40 年も前に作られたもので、NASA が人類を月に送る壮大な国家プロジェクトに参加していた時代はとうに過ぎ去っている。今日、JSC はかつて偉大さに触れたものの、その後軌道から外れてしまった場所のように感じられる。

推進力の飛躍的進歩は、JSC と NASA に新時代をもたらす可能性がある。そして、ある程度、その時代はすでに到来している。2007 年に打ち上げられた探査機ドーンは、イオン スラスタを使用して小惑星帯を探索している。2010 年には、日本のチームが、別の実験的な推進力であるソーラー セイルで駆動する初の惑星間探査機イカロスを配備した。そして 2016 年には、科学者らが ISS で、高推力推進用に設計されたプラズマ ベースのシステムである VASIMR をテストする予定である。これらのシステムは、将来、宇宙飛行士を火星に運ぶことができるようになるかもしれないが、それでも太陽系の外に宇宙飛行士を送ることはできない。それを実現するには、NASA はよりリスクの高いプロジェクトに取り組む必要があるとホワイト氏は言う。

ワープ ドライブは、NASA の推進力開発の中でも最も突飛なアイデアかもしれません。科学界全体は、ホワイト氏がワープ ドライブを開発することはできないと言っています。専門家は、ホワイト氏が自然法則や物理法則に反する研究をしていると言います。それでも、NASA はワープ ドライブの推進に尽力しています。「ホワイト氏が達成しようとしていることに対して、ホワイト氏はそれほど高いレベルの資金援助を受けていません」とアップルホワイト氏は言います。「彼の研究をさらに発展させたいという関心が、NASA の部署内には大いにあると思います。こうした理論的概念は、実現すれば、ゲーム チェンジャーとなるでしょう。」

1 月、ホワイト氏はワープ干渉計を梱包し、新しい施設に移した。イーグルワークスは最初の施設から手狭になっていた。新しい研究所は以前より広く、ホワイト氏は「免震構造」と熱く語る。つまり、振動から守られているということだ。しかし、新しい研究所の一番良いところは、おそらく最も説得力のあるところでもある。NASA がホワイト氏に割り当てたのは、アポロ計画のために建設された施設で、ニール・アームストロングとバズ・オルドリンを月面に送った施設と同じだ。

コンスタンティン・カカエスはニューアメリカ財団のシュワルツ研究員です。

この記事は、Popular Science Magazine の 2013 年 4 月号に掲載されました。