5分でわかるワープの原理
ワープ航法とは、宇宙船が光より速く遠い星に着くための、仮説上の移動方法です。いちばん有名な案は、1994年にメキシコの物理学者ミゲル・アルクビエレが発表した「アルクビエレ・ドライブ」です。アインシュタインの一般相対性理論の方程式の解として、数学的には成り立つことが示されました。ただし、実際に造る方法は、まだ誰にも分かっていません。
ワープは、SFの中でも特によく使われてきた道具の一つです。ジャンル全体の流れはSFの歴史（History of Science Fiction）で読めます。ここでは、ワープの原理が物理学ではどう考えられているのかを順番に見ていきます。
ワープが考え出された理由は、宇宙があまりに広いからです。太陽にいちばん近い恒星系、ケンタウルス座アルファ星までは約4.2光年あります。光でさえ4年以上かかる距離です。探査機ボイジャー1号は秒速約17キロメートルで飛んでいますが、同じ速さで向かうと約75,000年かかります。特殊相対性理論によると、質量のあるものを宇宙空間の中で光の速さまで加速することはできません。ロケットをどれだけ改良しても、この壁は越えられないのです。
そこでアルクビエレは、発想を逆にしました。船を速く動かすのではなく、空間のほうを動かそうと考えたのです。船のまわりに泡のような領域を作ります。泡の前方では空間が縮み、目的地が近づきます。泡の後方では空間が広がり、出発点が遠ざかります。船は泡の中の平らな空間にじっとしていて、泡ごと空間の波に乗って運ばれていきます。波に乗るサーファーは、海より速く泳いでいるわけではありません。空港の動く歩道の上で立っているだけでも、早く着くのと似ています。
これが相対性理論に反しない理由は、光速の制限が「空間の中での動き」に対するものだからです。空間そのものが広がる速さには、この制限がありません。実際に宇宙全体の膨張によって、とても遠い銀河は、光より速い速度で私たちから遠ざかっています。泡の中の乗員は、自分のまわりの空間の中では止まっています。アルクビエレの設計では、乗員は加速度も感じないことになっています。
ワープ航法のしくみ：4つのステップ
- 船のまわりに、平らな空間でできた泡を作ります。
- 泡の前方の空間を縮めます。
- 泡の後方の空間を広げます。
- 泡が移動し、船は泡の中で静止したまま運ばれます。
科学的にはどうなのか
まず、確立していることから整理します。アルクビエレの方程式は、数学として正しいものです。1994年に学術誌『Classical and Quantum Gravity』に掲載されました。一般相対性理論では、物質やエネルギーが空間を曲げることを認めていますから、このような泡の形も、式の上では許されます。一方で、自然界のどこかにこの泡を作る材料があるのかどうかは、推測の段階です。
ワープ航法の最大の問題は、必要なエネルギーの種類です。元の設計では、「負のエネルギー密度」を持つ物質、いわゆるエキゾチック物質が必要になります。ごく小さな負のエネルギーは、実験室で観測されたことがあります。たとえば、2枚の金属板をとても近づけると小さな引力が働く「カシミール効果」です。しかし、宇宙船を包めるほどの量を作る方法は、見つかっていません。
必要な量は、どのくらいでしょうか。1997年に物理学者のマイケル・プフェニングとラリー・フォードは、幅100メートルの泡には、観測できる宇宙全体の質量より約10桁大きい負のエネルギーが必要だと見積もりました。1999年にクリス・ヴァン・デン・ブルックが、泡の形を変えて必要量を大きく減らす案を出しました。それでも太陽の数個分の質量に相当するもので、今の私たちが用意できる量とは比べものになりません。
ほかにも課題があります。泡の前方の壁は、中の船とは因果関係で切り離されています。そのため、乗員が内側から泡を始動したり、操縦したり、止めたりすることはできないと考えられています。船の前の空間を整える仕組みが、別に必要になるのです。2009年には、ステファノ・フィナッツィ、ステファノ・リベラーティ、カルロス・バルセロが、量子効果を考えると、光より速い泡はおそらく不安定になると指摘しました。また、2012年の分析では、航行中に泡が集めた粒子が、停止するときに激しく放出される可能性が示されました。
2021年には、少し状況が動きました。アレクセイ・ボブリックとジャンニ・マルティーレは、現実の物理法則にもとづくワープ型の泡を整理した理論を発表しました。その中には、光速より遅いものの、原理的には普通の正のエネルギーだけで成り立つ泡も含まれています。エリック・レンツは、負のエネルギーを使わない光速超えの案を出しましたが、既知のものをはるかに超えるエネルギー源が必要で、ほかの物理学者からも疑問が出ています。どれも設計図ではありません。
実験はまだ小規模です。2011年から2012年ごろ、NASAジョンソン宇宙センターのハロルド・ホワイトらが、泡の形の工夫を研究し、空間のごくわずかなゆがみを探す卓上の実験を行いました。しかしワープの効果は確認されていません。いまのワープ航法は、技術者ではなく理論物理学者が考える問題です。
SF作品での登場例
小説では、作家ごとに違う方法で同じ問題を解いています。アイザック・アシモフの「ファウンデーション」シリーズ（第1作は1951年）では、宇宙船がハイパースペースを通る「ジャンプ」で星々を行き来します。仕組みの詳しい説明はありません。フランク・ハーバートの『デューン』（1965年）では、ギルドの航宙士が空間を「折りたたむ」ことで、一瞬で大きな距離を越えます。劉慈欣の『三体』シリーズの第3部『死神永生』（Death's End）には、船が通った後の空間の光速を下げることで進む「曲率駆動」が登場します。どの作品も、光速という壁をどう扱うかが物語の土台になっています。
「ワープ」という言葉が広く知られるようになったのは、1966年に始まったテレビシリーズ『スタートレック』の影響が大きいとされています。アルクビエレ自身も、この番組が研究のきっかけだったと語っています。ほかにも『スター・ウォーズ』のハイパードライブや、日本のアニメ『宇宙戦艦ヤマト』のワープ航行がよく知られています。ここでは作品名を挙げるだけにします。これらはどれも物語のための装置で、アルクビエレの数学をそのまま使っているわけではありません。
もしワープが実現しなかったら、SFにはもっとゆっくりした答えもあります。何世代もかけて星を目指す方法です。くわしくは世代宇宙船（Generation ship）をどうぞ。
よくある誤解
- 「ワープは光速の制限を破っている」：アルクビエレの設計では、そうではありません。船は自分のまわりの空間の中では光速よりずっと遅く、止まっています。動いているのは空間そのもので、相対性理論はそれを制限していません。
- 「すでに誰かが作った」：作られていません。動くワープ装置も試作機もありません。これまでの実験は、ごく小さな影響を探したもので、効果は見つかっていません。
- 「ワープとハイパースペースは同じもの」：フィクションでのハイパースペースは、別の領域に入って戻ってくる移動を指すことが多いです。アルクビエレの泡は私たちの空間の中にあり、船のまわりの空間の形を変えるだけです。
- 「ワープはワームホールのこと」：ワームホールは2つの場所をつなぐ近道、つまりトンネルです。ワープの泡は、曲がった空間の領域が移動するものです。どちらも一般相対性理論から出てきた親戚のような考え方ですが、別のものです。くわしくはワームホール（Wormhole）を読んでください。
- 「乗員はつぶされてしまう」：このモデルでは、船は自由落下のように運ばれるので、乗員は加速度を感じません。極端な力がかかるのは泡の壁のほうで、船の中ではありません。
次に読む
- ワームホール：空間をつなぐもう一つの近道。動く泡とはどう違うのかが分かります。
- 世代宇宙船：同じ距離の問題に、ゆっくり進むことで答えるアイデアです。
- SFの歴史：ワープやその仲間たちがSFの流れの中でどう生まれたかを見渡せます。
