PfenningとFordは量子力学的な制限を考慮に入れつつ上記のエネルギーの数値計算を行った。Pfenning達はまず「弱いエネルギー条件の破れが大きい(大きな負のエネルギーが発生する)ほど、観測者がそれを観測する時間(sampling time)が短くなる」というQuantum Inequality(QI) と呼ばれる条件(つまり一種の不確定性原理)からワープバブルの厚み はきわめて薄くなるだろうと考察し、 を次のように近似した。
この近似、およびsampling time中はワープバブルの移動速度を等速度 とみなす近似を用いると、リーマンの曲率テンソルとsampling time の間の関係からsampling time : は以下のように求まる。
キッド マロン マーブル モーダル メープル ピュア スポア 九月の砂 カトブレ ほわい ワイヤー シャム モード イグサ チカツ レーザー ルイス WEB大葉 ブリッジ ルーマニア ネチケット アイド タランチ キャラメル オフェンス ハラタ ヒット メーザー イヤリング ルバッ なかにい 片道切符 いろんな いばば ねっび ローブ アスク リカレ フライト グアバ ナチガイド トライア ブイヨン シャンビ ゼムクリ スケルツォ ナビハズ ビビッド むぎこうじ マッシュル
ここで は の小ささを記述するための係数である。これをQI条件に用い、いくらかの近似を行うことでワープバブルの厚み の上限が以下のように求まる。
ここで、たとえば とすればプランク長を として次のようになる。
すなわち、ワープバブルの壁はきわめて薄くなければならないと予想される。厚みに関する条件がわかったので、この条件を用いて で記述される計量のエネルギー計算が可能となる。エネルギー の表式は として の場合を考えることで一般性を保持したまま単純化され、以下のようになる。なお、 であり、 である。ここにバブルの厚みの条件を与え、また実用的なワープバブルとして と仮定することにより、具体的なエネルギーは以下のようになる。
我々の住む天の川銀河の質量 を典型的な銀河の質量とみなすと、このエネルギーはと記述され、 すなわち光速度で飛行するために必要なエネルギー(の絶対値)は現在観測されうる全宇宙に存在するエネルギーの倍を要すると結論付けられる。一般相対性理論的に考えて現在の宇宙でビッグバンのような過激な時空変化を生じさせたければビッグバンを遥かに超えるエネルギーが必要と言う結果である。 Pfenning達はこの計算を行った締めくくりに、もし何らかの方法でQI条件を回避しバブルの厚みを1メートルにまでできるなら太陽質量の4分の1のエネルギーで、またワープバブルの半径を原子より小さいスケール、たとえば電子1個のコンプトン波長にまで縮小すれば太陽質量の400倍程度にまで削減することが可能であろうと述べている。物理の基本法則を打ち破るかあまりに非実用的な大きさにするかしなければ実現できない(つまり不可能)というわけだ。
Van Den Broeckが考案したワープバブルの概形。図中のパラメータはバブルの外から見たスケールで計測されている。外側の円はこれまでと同じAlcubierreのワープバブルであり、内側の円が新たなバブルである。内側の円は一種のポケットになっており、外から見た大きさに対してその内部は極度に膨張している。そこで、バブルのスケールを小さくすることに着目して必要エネルギーの削減を考案したのがChris Van Den Broeckである。彼はAlcubierreの考案した計量に以下のようなわずかな修正を加えた。ここで は二次微分可能な任意の関数であり、次のような条件付けが為されている。
ここでの は非常に大きな定数であり、 は が作る新たなバブルの半径、 はそのバブルの厚みである。そのバブルの外側の を満たす領域では、これまでの議論通りのAlcubierreのワープバブルが形成されている。ただし今回のワープバブルでは の設定がPfenning達が仮定した近似と多少異なるので注意が必要である。 という補正を加えた目的は、それが形成するバブルの内側の体積を大きく膨張させることにある。イメージとしては四次元ポケットを思い浮かべると非常に分かりやすいであろう。Alcubierreのワープバブルはその内側にいかなるものがあろうとも、バブルを形成する時空の歪みに大きく干渉しない限り時空ごと切り取ってスライドさせてしまうので、このようなことも可能なのである。ここで、Phenning達が計算した厚み の条件の下で、同様のエネルギー計算を内と外それぞれのバブルについて行う。まず、上記の条件を満たす を以下のように設定する。
今回の仮定では と設定する。また、そのほかの数値は次のように設定する。
この はおおよそ電子の古典半径ほどの大きさである。また、このような値を設定すると内側のバブル内の体積は半径 まで膨張する。このとき、外側のバブルのエネルギーの表式はPfenning達の計算過程とまったく同じように導出され、数値を代入すると以下のようになる。
また、内側のバブルのエネルギーは の値によってその符号を変える。今回の設定では の領域、すなわちバブルの壁の内側に近い部分が正のエネルギーを持ち、それより外側の の領域において負のエネルギーを持つ。それらのエネルギーはそれぞれ以下のようになる。
したがって、これらの総エネルギーはバブルが光速度で移動しているとしても高々太陽質量の数倍程度に抑えられる。また、これらの設定はQI条件も満たしており、計算上はまだワープバブルが実現できる可能性が残ったと言えたわけである。ただし、大きな空間の外側を絞って見かけの大きさを縮めたわけではなく極微な空間の内側を大きく広げたため、その中に入る方法は考慮されていないし、Van Den Broeckも論文内で言及しているが、これらの莫大なエネルギーをエネルギー密度として空間上に配置せねばならず、負のエネルギーの実用化が可能になったとしても果たしてそのような莫大なエネルギーの生成、集中が可能なのかと言うことには疑問が多く残っている。そしてそもそも、負のエネルギー自体がカシミール効果やダークエネルギーという形でしか物理学の領域に登場してこず、現在の見通しとして具体的に取り出すことが不可能であろうと予想されるエネルギーなのである。
その他の問題、および致命的欠陥
Van Den Broeckが示したようにエネルギー問題は計量の表式を改良することでクリアされる可能性が残されているが、ワープはその他にも様々な問題を抱えている。
まず、ワープバブルの作成方法が明確ではない。ここまでの議論はあくまでワープに必要な計量を先に仮定してそれが現実に存在し維持されるために必要なエネルギー量とエネルギー分布を一般相対性理論を用いて算出したに過ぎず、具体的にどうすればこのような特殊な形状の時空を作成できるのかには言及されていない。
次に、このようなワープバブルは内側から操作することはできない。超光速で移動するワープバブルの外部に制御装置を配置するならばその制御装置はミンコフスキー計量中を超光速で移動することになるし、そもそもCouleが指摘[4]するように、バブルの境界面で なる領域を都合よく作り出すためにはまさにそのバブルの境界面から外にかけての領域に負のエネルギーを配置せねばならない。つまりAlcubierreが提案するそのままのワープバブルの原理では、エネルギー発生装置をバブル内に配置するとしても超光速状態でバブルの形状を維持するには発生させたエネルギーがバブルの外で超光速的に走らねばならず、バブルを維持できなくなってしまう。
その問題は計量の作り方を変更することで回避されるかもしれないが、その次にはLowが指摘[5]するように、バブルの前面には事象の地平面のような因果的に隔絶された超曲面が形成され、いずれにせよタキオンのようなミンコフスキー計量中で超光速を実現する相互作用でなければ影響を及ぼせないという問題が待ち構えている。そこから導かれる結論として、ワープバブルの移動に先行してバブル前方の時空を書き換える一般相対性理論的な時空の変化は膨張にせよ収縮にせよ歪みの無いミンコフスキー計量を光速度で伝播する重力波によって行われるため、バブルの移動が光速を超えるとバブルの前面に時空の変化を及ぼすことができなくなり、ワープバブルを用いても加速は光速で頭打ちになってしまう。ワープする計量もまた時空を伝わる波なのだから、音波が超音速で伝わらないように波が伝播する背景の時空の伝播速度は超えられないというわけだ。
しかし、時空の変化が歪みの無い時空における光速度で伝播する場合にも、線形解析を用いる手法では外から見て光速が速いバブルの内部と光速が遅いその外部との接続が滑らかでない不連続面(衝撃波面)を生み出す可能性が残るため、バブル前面に関する考察を簡単に切って捨てるべきではないと言う指摘もあり[6]、さらにこの部分に非線形解析や量子力学的手法を用いることでホーキング放射のようにバブル外へのトンネル効果的なしみ出しを生じさせ、超光速的なバブル作成を実現する可能性もまだ残されてはいる。また、もしかしたらこれもバブル前面の時空の接続方法を上手く取ることで解決されるかもしれない。
このようにバブル前面に関する議論はワープバブルの超光速的な移動に原理的に制限をかけてくるため、解決の困難さはエネルギー問題の比ではなく、計量の局所変化の伝播によるワープを考える上で現状最も致命的な問題である。これらの問題が指摘されて以後、Van Den BroeckはAlcubierre航法についていくぶん否定的な立場に回っている。[7][8]
また、因果律的な問題も残っている。前述のようにAlcubierreが選択した計量の形は因果律が閉じないように配慮されているが、計量の作り方においては因果律が閉じるような計量の設定も計算上は制限されない。仮にもっと効率的なバブル型の計量やワームホール型などの他の超光速的移動を可能とする実用的計量が考案されたとしても、それを用いた出発点との往復経路に慣性加速などの多少の変更を加えることで因果律が閉じ、ワープ宇宙船がタイムマシンと化してしまう場合は「親殺しの問題」などの因果律を根底から覆しかねない物理学的に非常に好ましくない問題が生じてくる。もしも物理学的にタイムトラベルが実現するのであればその時はその時で現実に観測される結果に従うことになるのだが、しかし現状ではこのような因果律が混乱する事態はまず有り得ないと見られており、しかもタイムトラベルという結果を導くような計量は不安定ですぐに破壊されてしまうものが多く、ワープ計量を設計する上ではこのような結果を内包する要素は排除することが望ましい。
以上のような問題は、「エネルギーを配置してからその周りの時空変化を算出する」というアインシュタイン方程式の適正な解き方を、「このような時空を仮定すればエネルギーはこうなり因果はこうなる」と筋道だててある意味誤った方向に解いたために生じたものである。すなわちこれら種々の問題が解決されるべき保証は無く、全く筋違いのことを議論している可能性すらある。地に足が着いていない所から理論が展開されている以上、全てが誤りである可能性も常に心に留め置かねばならない。
異なる試み
先述のように一般相対性理論的なワープは宇宙船を取り囲む局所的な計量が進行方向へシフトすれば達成されるため、そのような結論を得られるのであればAlcubierreが考案したような計量に拘る必要はない。そのようなバブル計量として、たとえばNatarioが発表したものがある[9]。この計量においては前方の空間が半径方向に収縮しつつそれと直角な方向に膨張し、後方の空間が半径方向に膨張しつつそれと直角な方向に収縮する。
また、ワープバブルの考案において場の量子論を用いた新しい試みも為されている。それが2007年にObousyとCleaverによって発表された論文[10]である。Obousy達の理論は、M理論などの一般相対性理論を高次元に拡張したカルツァ=クライン理論の表記形式から計算されたカシミール効果から定まる真空のエネルギー と宇宙定数 との間の関係から、超弦理論に登場するミクロにコンパクト化された余剰次元の半径 と宇宙定数 との間に成立する関係を導くことが主な目的である。Obousy達の計算によると、その関係は次のようになる。余剰次元の次元数であり、 はゼータ関数である。ここで更に宇宙膨張の尺度を与えるハッブル定数 との関係を考察すると次のように表される。
つまり、余剰次元の半径を何らかのメカニズムを用いて変化させることができれば局所的にハッブル定数を変化させることが数式上は可能である。この関係から を小さくする、すなわち余剰次元を収縮させれば膨張の尺度であるハッブル定数 が急激に増大する、すなわち時空が膨張することが言える。逆に余剰次元を膨張させれば時空は収縮する。更にこのような膨張と収縮の関係は宇宙定数 がゼロであっても成立することをObousy達は示している。つまり余剰次元の存在が確認され、かつ余剰次元のサイズを操作する何らかの方法が見つかれば、ワープバブル内の宇宙船はバブルの内側からバブルの運動を操作できる。
この論文で考察されているワープバブルの移動原理はAlcubierreのワープドライブと同じであるが、最も特筆すべきはそのバブル作成に要するエネルギー量である。現在予想されているハッブル定数と宇宙定数の値を用いると、光速度で膨張するワープバブル時空の持つ宇宙定数の値は であり、宇宙船を1辺 のキューブ状と設定するとその体積は なので、ワープバブルの有するエネルギーは と計算される。これを質量に換算すると木星質量ほどであり、マクロスケールのワープバブルであるにもかかわらず必要エネルギーが惑星質量の単位まで削減されていることがわかる。仮にPfenning達の設定と同じく半径 の球体をワープさせると仮定しても、必要エネルギーは太陽質量の数倍程度である。
また、余剰次元の半径 の縮小限界はプランク長であるので、このワープには限界スピードが存在する。 をプランク長にまで縮小した場合の限界速度は光速度の 倍であり、この速度は宇宙全体を 秒ほどの時間で横断できる速度である。ただしその場合の必要エネルギーは であり、これは宇宙に存在する観測可能なエネルギーよりもはるかに大きい。
このようにワープへのアプローチは一つではなく、その方法次第では理論上ではあるもののワープはまだまだ実用化の可能性が残されているのである。ここから先は、宇宙に対する理解の更なる進歩に期待される。我々のすべきことはより深く時空を理解し、時空に隠された因果の構造を紐解くことである。もしかしたら事象の地平面を透過できる構造が見つかるかもしれないし、いわゆる超空間や亜空間のような超光速航法に都合の良い空間が発見される日が来るかもしれない。しかし同時に、その進歩次第ではワープを永久に禁止してしまうような原理が発見される可能性も当然残されていることも付け加えておこう。
フィクションにおけるワープの分類
以下では様々なSF作品に登場するワープを紹介する。
空間歪曲型ワープ
極めて単純に言えば、宇宙空間内のある点AからBへ移動する際に宇宙の「外」へ飛び出して近道をするのがワープである。この原理はしばしば、紙自体を折り曲げて紙の上に書かれた2点を近づけるという例えで説明される。つまり、紙という平面(2次元)での距離は変わらなくても、空間(3次元)内では接近している。ここで紙(宇宙)から飛び出せばずっと短い距離で到達できるというわけである。
『宇宙戦艦ヤマト』の場合、宇宙空間が初めから4次元的に“曲がっている”ことを利用して近道しているが、作品によっては紙を折り曲げるように宇宙空間そのものを歪曲(これがワープの語源である)させて現在位置と目的地を4次元的に近づけることになっているものもある。空間を折り曲げたり突き抜けたりする理論的根拠としては、アインシュタインの唱えた一般相対性理論や量子力学のトンネル効果などが作品中で言及されている。
なお、この種のアイディアには「リープ航法」「ジャンプ航法」(いずれも「跳躍航法」の意)といった呼称もある。また、『ドラえもん』のどこでもドア、『キテレツ大百科』の天狗の抜け穴もこの原理である。
その他のワープ
厳密に言うと以下の物は空間歪曲を行う物ではなく、別のフィールドを発生させるか、既存の歪曲空間を使用する物である。従ってワープとは言い難い面もある。
通常空間型ワープ
『スタートレック』シリーズでいう「ワープ」は、ワープフィールドを発生させて宇宙船を包みこんで相対性理論による速度の限界を打ち消し、光速を超えることを可能にするというものである。従って、宇宙船は通常の宇宙空間内に留まっている。また、「ワープ」という言葉は速度の単位としても使われている。ワープスピードを係数として、光速との累乗により求められる。
並行宇宙型ワープ
一旦、時空の異なる別の並行宇宙へ移動し、また元の宇宙空間へ戻るという物である。時間の流れが異なるため、瞬間移動したように見える。
ワームホール型ワープ
単純に、ブラックホールからホワイトホールへと空間跳躍する航法である。ブラックホールに突入し、ワームホールを介しホワイトホールから出るという物である。
なお、類似のシステムとして、『スタートレック』シリーズでサイボーグ生命体ボーグが用いているトランスワープチューブ(transwarp conduit)というものもある。
トランスワープとは同シリーズにおける従来のワープの限界を超えるハイスピードワープの総称である。warp9とwarp10(無限速)との間には加速を続けると必要エネルギーが指数関数的に無限に増大するという性質があり、それがこのシリーズにおけるワープシステムの一つの限界となっている。
トランスワープチューブは、安定的な人工ワームホール(厳密には亜空間トンネル・並行宇宙に作られたトンネル)を設置することによって、同シリーズの標準ワープシステムが出せるワープ速度限界をはるかに超えるワープスピードを容易に達成するものである。