アルクビエレドライブ

アルクビエレ・ドライブ（[alkuˈβjere]）は、宇宙船が前方の空間を収縮させ、後方の空間を拡張することで、真空よりも低い（つまり、負の質量）設定可能なエネルギー密度場を作り出すことができるという仮定の下、見かけ上光より速い移動を実現できるという仮説上のワープドライブのアイデアである。^{[1] [2]}理論物理学者ミゲル・アルクビエレによって1994年に提唱されたアルクビエレ・ドライブは、アインシュタインの場の方程式の解に基づいている。それらの解は計量テンソルであるため、アルクビエレ・ドライブはアルクビエレ計量とも呼ばれる。

物体は通常の時空内では光速まで加速することはできない。その代わりに、アルクビエレ・ドライブは物体の周囲の空間を移動させ、物理法則に違反することなく、物体が通常の空間で光が到達するよりも速く目的地に到着するようにする。^[3]

アルクビエレが提案した測定基準はアインシュタインの場の方程式と一致しているが、そのような駆動装置の構築は必ずしも可能ではない。提案されたアルクビエレ駆動装置のメカニズムは負のエネルギー密度を意味し、したがってエキゾチック物質またはダークエネルギーの操作を必要とする。^[4]適切な特性を持つエキゾチック物質が存在できない場合、駆動装置を構築することはできない。しかし、元の論文の最後で^{[5] 、アルクビエレは（通過可能な}ワームホールを解析する物理学者によって展開された議論に従って）、平行板間の カシミール真空がアルクビエレ駆動装置の負のエネルギー要件を満たすことができると主張した[ ^{6 ] [7] 。}

もう一つの考えられる問題は、アルクビエレ計量はアインシュタインの方程式と整合しているものの、一般相対性理論は量子力学を取り入れていないということである。一部の物理学者は、量子重力理論（両方の理論を取り入れる）は一般相対性理論における逆方向の時間旅行を可能にする解（年代順守予想を参照）を排除し、アルクビエレ・ドライブを無効にすると主張する 議論を提示している。

1994年、ミゲル・アルクビエレは、宇宙船の前方の空間構造を収縮させ、後方の空間を膨張させる波を作り出すことで、空間の形状を変える方法を提案した。 ^{[5] [1] [2]次に、宇宙船は}ワープバブルと呼ばれる平坦な空間領域内でこの波に乗り、このバブル内では移動せず、代わりに駆動装置の作用により領域自体が移動するにつれて運ばれる。変形した時空に対する局所的な速度は光速以下になるが、宇宙船が移動できる速度は光速超えとなり、数日以内にプロキシマ・ケンタウリ^{を訪れるなどの恒星間飛行が可能になる。 [8]}

アルキュビエレ計量はワープドライブ時空を定義する。これはローレンツ多様体であり、一般相対性理論の文脈で解釈すると、以前は平坦だった時空にワープバブルが現れ、実質的に光速を超える速度で移動することを可能にする。バブルの内部は慣性参照フレームであり、居住者は適切な加速を経験しない。この輸送方法は、ワープバブルの内容物に対して光速を超える速度で移動する物体を含まない。つまり、ワープバブル内の光線は依然として常に船よりも速く移動する。バブル内の物体は（局所的に）光より速く移動していないため、アルキュビエレ計量の数学的定式化は相対性法則の従来の主張（つまり、質量を持つ物体は光速に到達または超えることができない）と一致しており、時間の遅れなどの従来の相対論的効果は、光速に近い速度での従来の運動の場合のようには適用されない。^[9]

アルクビエレ計量の拡張で体積要素の膨張を排除し、代わりに移動方向に沿った距離の変化に頼ったのは数学者ホセ・ナタリオの計量である。彼の計量では、時空は船首に向かって収縮し、動きに垂直な方向に膨張する。つまり、泡は実際には空間を「滑る」のであり、大まかに言えば「空間を押しのける」ことになる。^{[9] [10]}

アルクビエレ・ドライブは、必要なエネルギー量がもはや達成不可能なほど大きいとは考えられていないものの、一見困難な問題を抱えた仮説的な概念のままである。^[11]さらに、アレクセイ・ボブリックとジャンニ・マルティーレは、原理的には、正のエネルギーなど、現在人類に知られている物理原理に基づいて、亜光速で球対称のワープ・ドライブ時空を構築できると主張している。^[12]

一般相対性理論のADM 形式を用いると、時空は一定の座標時間tの空間的超曲面の葉理構造によって記述され、その計量は次の一般的な形式をとります。

${\displaystyle ds^{2}=-\left(\alpha^{2}-\beta_{i}\beta^{i}\right)\,dt^{2}+2\beta_{i}\,dx^{i}\,dt+\gamma_{ij}\,dx^{i}\,dx^{j},}$

どこ

• αは、近くの超曲面間の固有時間の間隔を与える経過関数である。
• β ^{i は}異なる超曲面上の空間座標系を関連付けるシフトベクトルであり、
• γ _{ij は}各超曲面上の正定値計量です。

アルクビエレが研究した特定の形式^[5]は次のように定義されます。

${\displaystyle {\begin{aligned}\alpha &=1,\\\beta ^{x}&=-v_{s}(t)f{\big (}r_{s}(t){\big )},\\\beta ^{y}&=\beta ^{z}=0,\\\gamma _{ij}&=\delta _{ij},\end{aligned}}}$

どこ

${\displaystyle {\begin{aligned}v_{s}(t)&={\frac {dx_{s}(t)}{dt}},\\r_{s}(t)&={\sqrt {{\big (}x-x_{s}(t){\big )}^{2}+y^{2}+z^{2}}},\\f(r_{s})&={\frac {\tanh {\big (}\sigma (r_{s}+R){\big )}-\tanh {\big (}\sigma (r_{s}-R){\big )}}{2\tanh(\sigma R)}},\end{aligned}}}$

任意のパラメータR > 0およびσ > 0の場合、アルクビエレの計量の特定の形式は次のように記述できます。

${\displaystyle ds^{2}=\left(v_{s}(t)^{2}f{\big (}r_{s}(t){\big )}^{2}-1\right)\,dt^{2}-2v_{s}(t)f{\big (}r_{s}(t){\big )}\,dx\,dt+dx^{2}+dy^{2}+dz^{2}.}$

この特定の形式の計量では、4 次元速度が超曲面に垂直な観測者によって測定されたエネルギー密度は次のように表されることがわかります。

${\displaystyle -{\frac {c^{4}}{8\pi G}}{\frac {v_{s}^{2}\left(y^{2}+z^{2}\right)}{4g^{2}r_{s}^{2}}}\left({\frac {df}{dr_{s}}}\right)^{2},}$

ここでgは計量テンソルの行列式です。

したがって、エネルギー密度が負であるため、光速よりも速く移動するにはエキゾチック物質が必要です。 ^[5]エキゾチック物質の存在は理論的には否定されていませんが、光速を超える移動などの偉業を成し遂げるのに十分なエキゾチック物質を生成して維持することは（そしてワームホールの「喉」を開いたままにすることは）非現実的であると考えられています。^[要出典]作家のロバート・ロウによると、一般相対性理論の文脈では、エキゾチック物質なしでワープドライブを構築することは不可能です。 ^[13]

オックスフォード大学の天体物理学者ジェイミー・ファーンズは、査読付き科学誌「アストロノミー＆アストロフィジックス」に発表した理論で、暗黒エネルギーと暗黒物質を単一の暗黒流体に統合し、 2030年頃にスクエア・キロメートル・アレイで検証できると期待されている。 ^[14]ファーンズは、アルバート・アインシュタインが一般相対性理論の方程式を開発する際に、重力反発する負の質量というアイデアを探求していたことを発見した。このアイデアは、宇宙には正と負の性質が同量あるという「美しい」仮説につながる。ファーンズの理論は、アルキュビエレ・ドライブの物理学と同じように動作する負の質量に依存しており、時間とともに変化するハッブル・パラメータによる現在の「宇宙論の危機」に対する自然な解決策を提供している。^[15]

ファーネスの理論は正の質量（つまり宇宙船）が光速に等しい速度に達することを許容するため、「物議を醸す」理論と呼ばれている。^[16]科学文献で激しく議論されているこの理論が正しい場合、暗黒エネルギー、暗黒物質を説明し、閉じた時間的曲線（タイムトラベルを参照）を可能にし、エキゾチックマターによるアルクビエレ駆動が物理的に可能であることを示唆することになる。^[17]

ローレンツ収縮や時間の遅れなど、特殊相対性理論の特定の効果に関して、アルクビエレ計量は明らかに特異な側面を持っている。特に、アルクビエレは、アルクビエレ ドライブを使用する船は、ワープ バブルが加速している間も自由落下測地線上を移動することを示した。つまり、船の乗組員は加速しながら自由落下しており、加速による重力加速度を経験することはない。しかし、平面空間の端付近では空間の曲率が大きいため、非常に大きな潮汐力が発生するが、計量を適切に指定することで、船が占める体積内での潮汐力は非常に小さく抑えられる。^[5]

元のワープドライブ計量とその単純な変種は、 ADM 形式を持ち、これは一般相対性理論の初期値定式化を議論する際によく使用されます。これは、この時空が一般相対性理論の場の方程式の解であるという広く誤解されている理由を説明するかもしれません。 ^{[引用が必要]} ADM 形式の計量は、特定の慣性観測者ファミリーに適合していますが、これらの観測者は実際には他のそのようなファミリーと物理的に区別されていません。アルクビエレは、彼の「ワープバブル」をバブルの前方の空間の収縮と後方の膨張の観点から解釈しましたが、この解釈は誤解を招く可能性があります。^[18]収縮と膨張は、実際には ADM 観測者ファミリーの近くのメンバーの相対的な動きを指しているからです。^{[引用が必要]}

一般相対性理論では、まず物質とエネルギーの妥当な分布を指定し、次にそれに関連する時空の幾何学を求めることが多いが、アインシュタインの場の方程式を逆方向に実行して、まず計量を指定し、次にそれに関連するエネルギー運動量テンソルを求めることも可能であり、アルクビエレが計量を構築する際に行ったのもこれである。この方法は、解がさまざまなエネルギー条件に違反し、エキゾチックな物質を必要とする可能性があることを意味する。エキゾチックな物質が必要であることから、ワープバブルがない初期の時空に物質を分布させて、後でバブルを作成できるかどうかという疑問が生じる。ただし、一部の物理学者は、以前は平坦だった空間にワープバブルが形成される動的ワープドライブ時空のモデルを提案している。^{[4]さらに、}セルゲイ・クラスニコフによると、^[19]以前は平坦だった空間にバブルを発生させて片道の光速を超える旅をするには、エキゾチック物質を局所的に光速を超える速度で移動させる必要があり、それにはタキオンの存在が必要になるが、クラスニコフは時空が最初から平坦でない場合は、移動経路に沿って事前にいくつかの装置を配置し、それらが事前に割り当てられた瞬間に動作し、事前に割り当てられた方法で動作するようにプログラムすることで、タキオンなしでも同様の結果を達成できることにも言及している。提案された方法の中にはタキオン運動の問題を回避できるものがあるが、バブルの前面に裸の特異点を生成する可能性が高い。 ^{[20] [21]アレン・エヴェレットとトーマス・ローマンはクラスニコフの発見（}クラスニコフ管）について次のようにコメントしている。

[この発見は]、アルキュビエレの泡が、たとえ作り出すことができたとしても、超光速移動の手段として使えないということを意味するものではない。泡の軌道全体を前方光錐が包む観測者が、測定基準を変えて泡を作るために必要な行動を事前に取らなければならないということだけを意味している。^[22]

たとえば、デネブ（2,600 光年離れた場所）に旅行し、外部時計によると 2,600 年未満の未来に到着したい場合、少なくとも 2,600 年前に誰かがすでに地球からデネブまでの空間を歪める作業を開始している必要があります。

バブルの軌道に対して適切な位置にある宇宙船は、通り過ぎる路面電車に乗る乗客のようにバブルに入ることを選択でき、超光速の旅をすることができる...クラスニコフが指摘するように、因果関係の考慮は、宇宙船の乗組員が自らの行動によって、往路の経路に沿って距離を変更することで、地球上の時計で測定される任意の短い時間で地球から遠くの星への往復旅行を完了するように手配することを妨げるものではない。^[22]

この形式の測定基準は、既知のワープドライブ時空理論が様々なエネルギー条件に違反しているため、大きな困難を伴う。^{[23]しかし、量子場理論の文脈で記述すると、負の}質量エネルギーなどのエネルギー条件にも違反する応力エネルギーテンソルをもたらすカシミール効果などの実験的に検証された量子現象を利用することで、アルクビエレ型ワープドライブを実現できる可能性がある。^{[24] [25]}

フォードとローマンが推測した特定の量子不等式が成り立つ場合、 ^[26]ワープドライブのエネルギー要件は実現不可能なほど大きくなり、負の値になる可能性がある。たとえば、小型宇宙船を天の川銀河に輸送するには、-10 ⁶⁴ kgに相当するエネルギーが必要になる可能性がある^{[27] 。これは、}観測可能な宇宙の推定質量よりも桁違いに大きい。これらの明らかな問題に対する反論も提示されているが^[3]、エネルギー要件は依然として一般的にカルダシェフスケールのタイプIII文明を必要とする。^[8]

1999年、ベルギーのルーヴェン・カトリック大学のクリス・ファン・デン・ブルックは、潜在的な問題に対処しようとした。^[28]ファン・デン・ブルックは、駆動装置によって運ばれるバブルの3+1次元表面積を縮小し、同時に内部に含まれる3次元容積を拡大することで、小さな原子を太陽の3倍の質量未満に輸送するために必要な総エネルギーを削減することができた。2003年後半、セルゲイ・クラスニコフはファン・デン・ブルック測定基準をわずかに修正することで、必要な負の質量の総量を数ミリグラムにまで削減した。 ^{[3] [23]}ファン・デン・ブルックは、ワープバブル自体の表面積を微視的に小さく保ちながら、同時にバブル内の空間容積を拡大することで、総エネルギーを大幅に削減できると述べて、これを詳しく説明した。しかし、ファン・デン・ブルックは、必要なエネルギー密度はまだ達成不可能であり、必要な時空構造のサイズも小さい（プランクスケールより数桁大きい）と結論付けている。 ^[20]

2012年、物理学者ハロルド・ホワイトと共同研究者らは、エキゾチック物質の形状を変更することで、マクロな宇宙船の質量エネルギー要件を木星相当からボイジャー1号宇宙船（約700kg）^[11]以下にまで削減できると発表し、^[29]ワープフィールドの構築に関する小規模実験を行う意向を表明した。^[11]ホワイトは、ワープバブルの極めて薄い壁を厚くすることを提案した。これにより、エネルギーはより大きな体積に集中するが、全体的なピークエネルギー密度は実際には小さくなる。平坦な2D表現では、最初は非常に薄い正と負のエネルギーのリングは、より大きくぼやけたトーラス（ドーナツ型）になる。しかし、このエネルギーの少ないワープバブルも内部領域に向かって厚くなるため、宇宙船を収容するための平坦なスペースが少なくなり、宇宙船を小さくする必要があります。^[30]さらに、空間ワープの強度を時間の経過とともに振動させることができれば、必要なエネルギーはさらに削減されます。^[11]ホワイトによれば、改良されたマイケルソン・モーリー干渉計でこのアイデアをテストできるという。干渉計の片方の脚の長さが、テスト装置に通電するとわずかに異なるように見えるのだ。 [ ^{29] [ 31]}アルクビエレはこの実験に懐疑的な見方を示し、「私の理解では、それを実行する方法はないし、おそらく何世紀もかかるだろう」と述べている。^{[32] [33]}

2021年、物理学者エリック・レンツは、既知のよく知られた純粋な正のエネルギーを供給源とするワープドライブが存在する方法、つまり超光速の自己強化「ソリトン」波に基づくワープバブルについて説明した。^{[34] [35] [36] [37] [38]この主張は物議を醸しており、他の物理学者は、物理的に合理的なワープドライブはすべて、}弱いエネルギー条件だけでなく、強いエネルギー条件と支配的なエネルギー条件の両方に違反していると主張している。 ^[39]

クラスニコフは、タキオン物質が見つからない、または使用できない場合、解決策としては、必要な場が生成される方法で船の経路に沿って質量を動かすように手配することが考えられると提案した。しかし、この場合、アルキュビエレ駆動船は、鉄道のように、必要なインフラストラクチャが最初に装備されたルートしか移動できない。バブル内のパイロットは、バブルの壁から因果的に切り離されており、バブルの外でいかなる行動も実行できない。パイロットは「移動中」にバブルの前方にインフラストラクチャを配置できないため、バブルは遠い星への最初の旅行に使用できない。たとえば、ベガ（地球から25光年）への旅行では、ベガに向かって超光速で移動するバブルが現れるようにすべてを手配する必要があるが、そのような手配には常に25年以上かかる。^[19]

クールは、アルキュビエレが提案したような方式は、宇宙船の予定経路上に置かれた物質は超光速で置かなければならないため実現不可能であると主張した。つまり、アルキュビエレ駆動装置を構築するには、たとえそれを可能にする測定基準が物理的に意味のあるものであったとしても、アルキュビエレ駆動装置が必要である。クールはさらに、アルキュビエレ駆動装置を構築する提案された方法すべてに同様の反論が当てはまると主張している。^[21]

ホセ・ナタリオ（2002年）の論文では、船がワープバブルの前方に信号を送ることができないため、乗組員はワープバブル内で船を制御、操縦、停止することができなかったと主張している。^[18]

カルロス・バルセロ、ステファノ・フィナッツィ、ステファノ・リベラティによる2009年の論文では、量子論を用いて、アルクビエレ駆動を光速以上で行うことはほとんど不可能であると主張している。その主な理由は、ホーキング放射による極めて高い温度が超光速の泡の中のあらゆるものを破壊し、泡自体を不安定にしてしまうためである。また、この論文では、泡の速度が光速以下であればこれらの問題は発生しないが、駆動には依然としてエキゾチック物質が必要であると主張している。^[4]

ブレンダン・マクモニガル、ジェラント・F・ルイス、フィリップ・オバーンは、アルクビエレ推進の宇宙船が超光速から減速すると、その気泡が移動中に集めた粒子が、カーブラックホールの内側の事象の地平線で発生すると仮定されている無限に青方偏移した放射線に似たエネルギーの爆発として放出され、前方を向いた粒子は宇宙船の真正面にある目的地にあるものを破壊するのに十分なエネルギーを持つと主張している。^{[40] [41]}

このような推進力に必要な負のエネルギーの量はまだわかっていない。タフツ大学のフェニングとアレン・エヴェレットは、光速の10倍で移動するワープバブルの壁の厚さは10 ⁻³²メートル以下でなければならないと主張している。これは限界プランク長である1.6 × 10 ⁻³⁵メートルに近い。^[42]アルクビエレの当初の計算では、200メートルの宇宙船を囲むのに十分なマクロ的な大きさのバブルには、観測可能な宇宙の質量よりも大きなエキゾチック物質の総量が必要であり、エキゾチック物質を10 ⁻³²メートルの極薄帯に絞り込むことは非現実的であると考えられていた。同様の制約がクラスニコフの超光速地下鉄にも当てはまる。クリス・ファン・デン・ブルックはアルクビエレのモデルを修正し、エキゾチック物質の必要量ははるかに少なく、首の長さが約10 ⁻³²メートルの湾曲した時空「ボトル」の中に宇宙船を配置した。^[20]

物理学者アレン・エヴェレットの計算によると、一般相対性理論ではワープバブルを使って閉じた時間的曲線を作ることができる。つまり、理論上はワープバブルを使って逆方向の時間旅行ができると予測されているということだ。^[43]物理学の基本法則が時間的閉じた曲線を許す可能性はあるが、年代順守保護予想では、一般相対性理論の古典理論が許すすべてのケースで、量子効果が介入してその可能性を排除し、こうした時空を実現することは不可能になるという仮説を立てている。これを実現する可能性のある効果としては、時間旅行が初めて可能になる時空領域の境界に真空のゆらぎが蓄積し、エネルギー密度が高くなりすぎて、本来はタイムマシンになるはずのシステムが破壊されるというものがある。半古典的重力理論におけるいくつかの結果は、この予想を支持するように見える。その中には、ワープバブルが半古典的に不安定であることを示唆するワープドライブ時空における量子効果を特に扱った計算も含まれるが^{[4] [44] 、最終的にはこの予想は}量子重力理論の完全な理論によってのみ決定される。^[45]

アルクビエレは、オンラインで公開されている一連の講義スライドで、これらの問題のいくつかについて簡単に説明している。^[46]彼は次のように書いている。「注意：相対性理論では、光より速く移動するあらゆる方法は、原理的には過去への旅行（タイムマシン）に使用できる」。次のスライドでは、年代順保護仮説を取り上げ、次のように書いている。「この仮説は証明されていない（証明されていたとしても仮説ではない）が、量子場理論に基づくと、それを支持する十分な議論がある。この仮説は、光より速く移動することを禁止するものではない。光より速く移動する方法が存在し、それを使ってタイムマシンを作ろうとすると、何かがうまくいかない、つまり蓄積されたエネルギーが爆発するか、ブラックホールが作られる、と述べているだけだ。」

スタートレックのテレビシリーズや映画では、光速を超える移動方法を説明するために「ワープドライブ」という用語が使われている。このシリーズが考案された当時は、アルキュビエレ理論も、それに類するものも存在していなかった。「ワープドライブ」という用語と一般的な概念は、ジョン・W・キャンベルの1931年のSF小説『宇宙の島々 』に由来している。^[47]アルキュビエレはウィリアム・シャトナーへの電子メールで、彼の理論は番組で使用された用語から直接インスピレーションを得たと述べており^[48]、1994年の論文では「SFの『ワープドライブ』」に言及している。^[5] USSアルキュビエレは、スタートレックの テーブルトップRPG『 スタートレック アドベンチャーズ』に登場する。 [ ^49] 『スタートレック: オリジナルシリーズ』のリリース以来、最近のスタートレックの スピンオフシリーズでは、ワープバブル/フィールドを宇宙内の科学に組み込むアルキュビエレドライブの理論をより深く活用している。^[要出典]

• エムドライブ
• 一般相対論における正確な解（アルキュビエレ時空がどのような意味で解であるかについて詳しくは）
• IXSエンタープライズ
• 量子真空スラスタ
• 無反動駆動
• 宇宙船の推進
• ウンルー効果

• Hiscock, William A. (1997). 「アルクビエレワープドライブ時空における量子効果」.古典重力と量子重力. 14 (11): L183–L188. arXiv : gr-qc/9707024 . Bibcode :1997CQGra..14L.183H. doi :10.1088/0264-9381/14/11/002. S2CID  1884428.
• ロボ、フランシスコ SN;ヴィッサー、マット (2004)。「「ワープドライブ」時空の基本的限界」。古典重力と量子重力。21 ( 24): 5871–5892。arXiv : gr-qc/0406083。Bibcode : 2004CQGra..21.5871L。doi : 10.1088/0264-9381/21/24/011。S2CID 119010055  。

• 「達成したいことに基づいたアイデア」NASA。2013年4月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2008年7月2日閲覧。概念を一般の人にもわかる言葉で説明します。
• 「光より速く移動できるか？ミゲル・アルクビエレ博士と」。YouTube。イベント・ホライズン。2019年6月6日。（ジョン・マイケル・ゴディエが司会）。
• ワープドライブの仮説的な効果を示す短いビデオクリップ。
• Marcelo B. Ribeiro のワープドライブ理論に関するページ。
• ゴンザレス ディアス、ペドロ (2000 年 7 月 14 日)。「ワープ ドライブ空間時間」。Physical Review D . 62 ( 4 )。アメリカ物理学会: 044005。arXiv : gr-qc/9907026。Bibcode :2000PhRvD..62d4005G。doi :10.1103/PhysRevD.62.044005。S2CID 59940462  。
• ダニング、ブライアン（2024年2月6日）。「Skeptoid #922：アルキュビエレのワープドライブのテスト」。Skeptoid。