Was passiert, wenn man die Lichtgeschwindigkeit erreicht? Ist Überlichtgeschwindigkeit möglich? Und jetzt ins All
25. März 2017
FTL-Reisen sind eine der Grundlagen der Weltraum-Science-Fiction. Allerdings weiß wahrscheinlich jeder – auch Menschen fernab der Physik –, dass die maximal mögliche Geschwindigkeit der Bewegung materieller Objekte oder der Ausbreitung jeglicher Signale die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist. Sie wird mit dem Buchstaben c bezeichnet und beträgt fast 300.000 Kilometer pro Sekunde; genauer Wert c = 299.792.458 m/s.
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine der grundlegenden physikalischen Konstanten. Die Unmöglichkeit, Geschwindigkeiten über c zu erreichen, ergibt sich aus Einsteins spezieller Relativitätstheorie (STR). Wenn nachgewiesen werden könnte, dass die Übertragung von Signalen mit Überlichtgeschwindigkeit möglich ist, würde die Relativitätstheorie scheitern. Dies ist bislang nicht geschehen, trotz zahlreicher Versuche, das Verbot von Geschwindigkeiten über c zu widerlegen. Jüngste experimentelle Studien haben jedoch einige sehr interessante Phänomene offenbart, die darauf hinweisen, dass unter speziell geschaffenen Bedingungen Überlichtgeschwindigkeiten beobachtet werden können, ohne die Prinzipien der Relativitätstheorie zu verletzen.
Erinnern wir uns zunächst an die Hauptaspekte im Zusammenhang mit dem Problem der Lichtgeschwindigkeit.
Zunächst einmal: Warum ist es (unter normalen Bedingungen) unmöglich, die Lichtgrenze zu überschreiten? Denn dann wird das Grundgesetz unserer Welt verletzt – das Gesetz der Kausalität, wonach die Wirkung der Ursache nicht vorausgehen kann. Niemand hat jemals beobachtet, dass zum Beispiel ein Bär zuerst tot umfiel und dann der Jäger erschoss. Bei Geschwindigkeiten über c kehrt sich die Abfolge der Ereignisse um, das Zeitband wird zurückgespult. Dies lässt sich leicht anhand der folgenden einfachen Überlegungen überprüfen.
Nehmen wir an, wir befinden uns auf einer Art Raumwunderschiff, das sich schneller als das Licht bewegt. Dann würden wir nach und nach das von der Quelle zu immer früheren Zeiten emittierte Licht einholen. Zuerst würden wir uns über die Photonen informieren, die beispielsweise gestern emittiert wurden, dann über die Photonen, die vorgestern emittiert wurden, dann über die Photonen, die vor einer Woche, einem Monat, einem Jahr usw. emittiert wurden. Wenn die Lichtquelle ein Spiegel wäre, der das Leben widerspiegelt, dann würden wir zuerst die Ereignisse von gestern sehen, dann die von vorgestern und so weiter. Wir könnten beispielsweise einen alten Mann sehen, der sich allmählich in einen Mann mittleren Alters verwandelt, dann in einen jungen Mann, in einen Jugendlichen, in ein Kind ... Das heißt, die Zeit würde sich zurückdrehen, wir würden von der Gegenwart in die Gegenwart übergehen die Vergangenheit. Ursachen und Wirkungen würden dann ihre Plätze tauschen.
Obwohl diese Diskussion die technischen Details des Prozesses der Lichtbeobachtung völlig außer Acht lässt, zeigt sie aus grundsätzlicher Sicht deutlich, dass Bewegung mit Überlichtgeschwindigkeit zu einer Situation führt, die in unserer Welt unmöglich ist. Die Natur hat jedoch noch strengere Bedingungen gestellt: Bewegung nicht nur mit Überlichtgeschwindigkeit ist unerreichbar, sondern auch mit einer Geschwindigkeit, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht – man kann sich ihr nur nähern. Aus der Relativitätstheorie folgt, dass mit zunehmender Bewegungsgeschwindigkeit drei Umstände eintreten: Die Masse eines bewegten Objekts nimmt zu, seine Größe in Bewegungsrichtung nimmt ab und der Zeitfluss auf diesem Objekt verlangsamt sich (vom Punkt Sicht eines externen „ruhenden“ Beobachters). Bei gewöhnlichen Geschwindigkeiten sind diese Änderungen vernachlässigbar, aber wenn sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, werden sie immer deutlicher, und im Grenzfall – bei einer Geschwindigkeit gleich c – wird die Masse unendlich groß, das Objekt verliert in der Richtung vollständig an Größe von Bewegung und Zeit bleibt darauf stehen. Daher kann kein materieller Körper die Lichtgeschwindigkeit erreichen. Nur das Licht selbst hat eine solche Geschwindigkeit! (Und auch ein „alles durchdringendes“ Teilchen – ein Neutrino, das sich wie ein Photon nicht mit einer Geschwindigkeit unter c bewegen kann.)
Nun zur Signalübertragungsgeschwindigkeit. Hier bietet sich die Darstellung von Licht in Form elektromagnetischer Wellen an. Was ist ein Signal? Dies sind einige Informationen, die übermittelt werden müssen. Eine ideale elektromagnetische Welle ist eine unendliche Sinuskurve mit genau einer Frequenz und kann keine Informationen übertragen, da jede Periode einer solchen Sinuskurve genau die vorherige wiederholt. Die Bewegungsgeschwindigkeit der Phase einer Sinuswelle – die sogenannte Phasengeschwindigkeit – kann unter bestimmten Bedingungen die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum in einem Medium überschreiten. Hier gibt es keine Einschränkungen, da die Phasengeschwindigkeit nicht die Geschwindigkeit des Signals ist – sie existiert noch nicht. Um ein Signal zu erzeugen, müssen Sie eine Art „Markierung“ auf der Welle machen. Eine solche Markierung kann beispielsweise eine Änderung eines beliebigen Wellenparameters sein – Amplitude, Frequenz oder Anfangsphase. Doch sobald die Markierung entsteht, verliert die Welle ihre Sinusförmigkeit. Es wird moduliert und besteht aus einer Reihe einfacher Sinuswellen mit unterschiedlichen Amplituden, Frequenzen und Anfangsphasen – einer Gruppe von Wellen. Die Geschwindigkeit, mit der sich die Markierung in der modulierten Welle bewegt, ist die Geschwindigkeit des Signals. Bei der Ausbreitung in einem Medium stimmt diese Geschwindigkeit in der Regel mit der Gruppengeschwindigkeit überein, die die Ausbreitung der oben genannten Wellengruppe als Ganzes charakterisiert (siehe „Wissenschaft und Leben“ Nr. 2, 2000). Unter normalen Bedingungen ist die Gruppengeschwindigkeit und damit die Signalgeschwindigkeit geringer als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Es ist kein Zufall, dass hier der Ausdruck „unter normalen Bedingungen“ verwendet wird, denn in manchen Fällen kann die Gruppengeschwindigkeit c überschreiten oder sogar ihre Bedeutung verlieren, aber dann bezieht er sich nicht auf die Signalausbreitung. Die Tankstelle stellt fest, dass es unmöglich ist, ein Signal mit einer Geschwindigkeit über c zu übertragen.
Warum ist das so? Denn das Hindernis für die Übertragung eines Signals mit einer Geschwindigkeit größer als c ist das gleiche Kausalitätsgesetz. Stellen wir uns eine solche Situation vor. Irgendwann A schaltet ein Lichtblitz (Ereignis 1) ein Gerät ein, das ein bestimmtes Funksignal sendet, und an einem entfernten Punkt B kommt es unter dem Einfluss dieses Funksignals zu einer Explosion (Ereignis 2). Es ist klar, dass Ereignis 1 (Flare) die Ursache und Ereignis 2 (Explosion) die Folge ist, die später als die Ursache auftritt. Wenn sich das Funksignal jedoch mit Überlichtgeschwindigkeit ausbreitete, würde ein Beobachter in der Nähe von Punkt B zunächst eine Explosion sehen und erst dann die Ursache der Explosion, die ihn mit der Geschwindigkeit eines Lichtblitzes erreichte. Mit anderen Worten: Für diesen Beobachter wäre Ereignis 2 früher eingetreten als Ereignis 1, d. h. die Wirkung wäre der Ursache vorausgegangen.
Es ist angebracht zu betonen, dass das „superluminale Verbot“ der Relativitätstheorie nur die Bewegung materieller Körper und die Übertragung von Signalen betrifft. In vielen Situationen ist eine Bewegung mit beliebiger Geschwindigkeit möglich, es handelt sich dabei jedoch nicht um die Bewegung materieller Objekte oder Signale. Stellen Sie sich zum Beispiel zwei ziemlich lange Lineale vor, die in derselben Ebene liegen, von denen eines horizontal liegt und das andere sie in einem kleinen Winkel schneidet. Wird das erste Lineal mit hoher Geschwindigkeit nach unten (in Pfeilrichtung) bewegt, lässt sich der Schnittpunkt der Lineale beliebig schnell laufen lassen, dieser Punkt ist jedoch kein materieller Körper. Ein weiteres Beispiel: Wenn Sie eine Taschenlampe (oder beispielsweise einen Laser, der einen schmalen Strahl erzeugt) nehmen und schnell einen Bogen in der Luft beschreiben, erhöht sich die lineare Geschwindigkeit des Lichtflecks mit der Entfernung und überschreitet bei ausreichend großer Entfernung c . Der Lichtfleck bewegt sich mit Überlichtgeschwindigkeit zwischen den Punkten A und B, es handelt sich jedoch nicht um eine Signalübertragung von A nach B, da ein solcher Lichtfleck keine Informationen über Punkt A trägt.
Es scheint, dass das Problem der Überlichtgeschwindigkeiten gelöst ist. Doch in den 60er Jahren des 20. Jahrhunderts stellten theoretische Physiker die Hypothese der Existenz überluminaler Teilchen namens Tachyonen auf. Das sind sehr seltsame Teilchen: Theoretisch sind sie möglich, aber um Widersprüche mit der Relativitätstheorie zu vermeiden, musste ihnen eine imaginäre Ruhemasse zugeordnet werden. Physikalisch gesehen existiert eine imaginäre Masse nicht; sie ist eine rein mathematische Abstraktion. Dies löste jedoch keine große Beunruhigung aus, da Tachyonen nicht in Ruhe sein können – sie existieren (falls sie existieren!) nur bei Geschwindigkeiten, die die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum überschreiten, und in diesem Fall stellt sich heraus, dass die Tachyonenmasse real ist. Hier gibt es eine gewisse Analogie zu Photonen: Ein Photon hat keine Ruhemasse, aber das bedeutet einfach, dass das Photon nicht ruhen kann – Licht kann nicht gestoppt werden.
Am schwierigsten stellte sich erwartungsgemäß heraus, die Tachyonenhypothese mit dem Kausalitätsgesetz in Einklang zu bringen. Die in diese Richtung unternommenen Versuche waren zwar recht genial, führten jedoch nicht zu offensichtlichem Erfolg. Es ist auch niemandem gelungen, Tachyonen experimentell zu registrieren. Infolgedessen schwand das Interesse an Tachyonen als superluminalen Elementarteilchen allmählich.
Doch in den 60er Jahren wurde experimentell ein Phänomen entdeckt, das die Physiker zunächst verwirrte. Dies wird im Artikel von A. N. Oraevsky „Superluminal Waves in Amplifying Media“ (UFN Nr. 12, 1998) ausführlich beschrieben. Hier fassen wir den Kern der Sache kurz zusammen und verweisen den an Details interessierten Leser auf den angegebenen Artikel.
Bald nach der Entdeckung des Lasers – in den frühen 60er Jahren – stellte sich das Problem, kurze (ca. 1 ns = 10-9 s dauernde) Hochleistungslichtimpulse zu erhalten. Dazu wurde ein kurzer Laserpuls durch einen optischen Quantenverstärker geleitet. Der Puls wurde durch einen Strahlteilerspiegel in zwei Teile geteilt. Einer von ihnen, der stärker war, wurde an den Verstärker gesendet, der andere breitete sich in der Luft aus und diente als Referenzimpuls, mit dem der durch den Verstärker laufende Impuls verglichen werden konnte. Beide Impulse wurden Fotodetektoren zugeführt und ihre Ausgangssignale konnten auf dem Oszilloskopbildschirm visuell beobachtet werden. Es wurde erwartet, dass der durch den Verstärker laufende Lichtimpuls im Vergleich zum Referenzimpuls eine gewisse Verzögerung erfahren würde, d. h. die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit im Verstärker wäre geringer als in Luft. Stellen Sie sich das Erstaunen der Forscher vor, als sie entdeckten, dass sich der Impuls nicht nur schneller durch den Verstärker ausbreitete als in Luft, sondern auch um ein Vielfaches höher als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum!
Nachdem sich die Physiker vom ersten Schock erholt hatten, begannen sie, nach der Ursache für dieses unerwartete Ergebnis zu suchen. Niemand hatte auch nur den geringsten Zweifel an den Prinzipien der speziellen Relativitätstheorie, und dies half, die richtige Erklärung zu finden: Wenn die Prinzipien der SRT erhalten bleiben, sollte die Antwort in den Eigenschaften des verstärkenden Mediums gesucht werden.
Ohne hier auf Einzelheiten einzugehen, möchten wir nur darauf hinweisen, dass eine detaillierte Analyse des Wirkmechanismus des verstärkenden Mediums die Situation vollständig geklärt hat. Der Punkt war eine Änderung der Photonenkonzentration während der Ausbreitung des Impulses – eine Änderung, die durch eine Änderung der Verstärkung des Mediums bis zu einem negativen Wert während des Durchgangs des hinteren Teils des Impulses verursacht wurde, wenn das Medium bereits absorbiert Energie, da die eigene Reserve durch die Übertragung auf den Lichtimpuls bereits aufgebraucht ist. Die Absorption bewirkt keine Steigerung, sondern eine Abschwächung des Impulses, und so wird der Impuls im vorderen Teil verstärkt und im hinteren Teil abgeschwächt. Stellen wir uns vor, wir beobachten einen Impuls mithilfe eines Geräts, das sich mit Lichtgeschwindigkeit im Verstärkermedium bewegt. Wenn das Medium transparent wäre, würden wir den Impuls in der Bewegungslosigkeit eingefroren sehen. In der Umgebung, in der der oben genannte Prozess stattfindet, werden die Verstärkung der Vorderflanke und die Abschwächung der Hinterflanke des Impulses für den Beobachter so erscheinen, als hätte das Medium den Impuls vorwärts bewegt. Da sich das Gerät (Beobachter) jedoch mit Lichtgeschwindigkeit bewegt und der Impuls es überholt, übersteigt die Impulsgeschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit! Es ist dieser Effekt, der von Experimentatoren aufgezeichnet wurde. Und hier besteht tatsächlich kein Widerspruch zur Relativitätstheorie: Der Verstärkungsprozess ist einfach so, dass die Konzentration früher austretender Photonen größer ausfällt als die später austretenden. Es sind nicht die Photonen, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen, sondern die Pulshüllkurve, insbesondere ihr Maximum, das auf einem Oszilloskop beobachtet wird.
Während es also in gewöhnlichen Medien immer zu einer Schwächung des Lichts und einer Abnahme seiner Geschwindigkeit kommt, die durch den Brechungsindex bestimmt wird, kommt es in aktiven Lasermedien nicht nur zu einer Lichtverstärkung, sondern auch zur Ausbreitung eines Impulses mit Überlichtgeschwindigkeit.
Einige Physiker haben versucht, das Vorhandensein überluminaler Bewegung während des Tunneleffekts – einem der erstaunlichsten Phänomene der Quantenmechanik – experimentell nachzuweisen. Dieser Effekt besteht darin, dass ein Mikropartikel (genauer gesagt ein Mikroobjekt, das unter verschiedenen Bedingungen sowohl die Eigenschaften eines Partikels als auch die Eigenschaften einer Welle aufweist) in der Lage ist, die sogenannte Potentialbarriere zu durchdringen – ein Phänomen, das vollständig ist in der klassischen Mechanik unmöglich (wobei eine solche Situation ein Analogon wäre: Ein gegen eine Wand geworfener Ball würde auf der anderen Seite der Wand landen, oder die wellenartige Bewegung, die einem an der Wand befestigten Seil verliehen wird, würde auf die andere Seite der Wand übertragen ein Seil, das auf der anderen Seite an der Wand befestigt ist). Das Wesen des Tunneleffekts in der Quantenmechanik ist wie folgt. Trifft ein Mikroobjekt mit einer bestimmten Energie auf seinem Weg auf einen Bereich mit potentieller Energie, die die Energie des Mikroobjekts übersteigt, stellt dieser Bereich für ihn eine Barriere dar, deren Höhe durch die Energiedifferenz bestimmt wird. Aber das Mikroobjekt „leckt“ durch die Barriere! Diese Möglichkeit bietet ihm die bekannte Heisenbergsche Unschärferelation, geschrieben für die Energie und Zeit der Wechselwirkung. Erfolgt die Wechselwirkung eines Mikroobjekts mit einer Barriere über einen ziemlich bestimmten Zeitraum, dann ist die Energie des Mikroobjekts im Gegenteil durch Unsicherheit gekennzeichnet, und wenn diese Unsicherheit in der Größenordnung der Höhe der Barriere liegt, dann ist die Letzteres ist für das Mikroobjekt kein unüberwindbares Hindernis mehr. Es ist die Durchdringungsgeschwindigkeit der potenziellen Barriere, die von einer Reihe von Physikern zum Forschungsgegenstand geworden ist und die davon ausgeht, dass sie c überschreiten kann.
Im Juni 1998 fand in Köln ein internationales Symposium zu den Problemen der Superluminalbewegung statt, bei dem die in vier Labors erzielten Ergebnisse diskutiert wurden – in Berkeley, Wien, Köln und Florenz.
Und schließlich erschienen im Jahr 2000 Berichte über zwei neue Experimente, bei denen die Auswirkungen der überluminalen Ausbreitung auftraten. Eine davon wurde von Lijun Wong und seinen Kollegen am Princeton Research Institute (USA) durchgeführt. Das Ergebnis ist, dass ein Lichtimpuls, der in eine mit Cäsiumdampf gefüllte Kammer eintritt, seine Geschwindigkeit um das 300-fache erhöht. Es stellte sich heraus, dass der Hauptteil des Impulses die hintere Wand der Kammer noch früher verließ, als der Impuls durch die Vorderwand in die Kammer eintrat. Diese Situation widerspricht nicht nur dem gesunden Menschenverstand, sondern im Wesentlichen der Relativitätstheorie.
Die Botschaft von L. Wong löste heftige Diskussionen unter Physikern aus, von denen die meisten nicht geneigt waren, in den erzielten Ergebnissen einen Verstoß gegen die Relativitätsprinzipien zu sehen. Die Herausforderung besteht ihrer Meinung nach darin, dieses Experiment richtig zu erklären.
Im Experiment von L. Wong hatte der Lichtimpuls, der mit Cäsiumdampf in die Kammer eindrang, eine Dauer von etwa 3 μs. Cäsiumatome können in sechzehn möglichen quantenmechanischen Zuständen existieren, die als „hyperfeine magnetische Unterebenen des Grundzustands“ bezeichnet werden. Durch optisches Laserpumpen wurden fast alle Atome in nur einen dieser sechzehn Zustände gebracht, was einer nahezu absoluten Nulltemperatur auf der Kelvin-Skala (-273,15 °C) entspricht. Die Länge der Cäsiumkammer betrug 6 Zentimeter. Im Vakuum legt Licht in 0,2 ns 6 Zentimeter zurück. Wie die Messungen ergaben, durchlief der Lichtpuls die Kammer mit Cäsium in einer um 62 ns kürzeren Zeit als im Vakuum. Mit anderen Worten: Die Zeit, die ein Impuls benötigt, um ein Cäsiummedium zu durchlaufen, hat ein Minuszeichen! Wenn wir von 0,2 ns 62 ns abziehen, erhalten wir tatsächlich eine „negative“ Zeit. Diese „negative Verzögerung“ im Medium – ein unverständlicher Zeitsprung – entspricht der Zeit, in der der Impuls 310 Durchgänge durch die Kammer im Vakuum machen würde. Die Folge dieser „zeitlichen Umkehrung“ war, dass es dem Impuls, der die Kammer verließ, gelang, sich 19 Meter von ihr zu entfernen, bevor der eintreffende Impuls die nahe Wand der Kammer erreichte. Wie kann eine so unglaubliche Situation erklärt werden (es sei denn, wir zweifeln natürlich an der Reinheit des Experiments)?
Eine genaue Erklärung konnte der aktuellen Diskussion zufolge noch nicht gefunden werden, es besteht aber kein Zweifel daran, dass die ungewöhnlichen Dispersionseigenschaften des Mediums dabei eine Rolle spielen: Cäsiumdampf, bestehend aus durch Laserlicht angeregten Atomen, ist ein Medium mit anomaler Dispersion . Erinnern wir uns kurz daran, was es ist.
Die Dispersion eines Stoffes ist die Abhängigkeit des Phasenbrechungsindex n von der Lichtwellenlänge l. Bei normaler Dispersion nimmt der Brechungsindex mit abnehmender Wellenlänge zu, und dies ist bei Glas, Wasser, Luft und allen anderen lichtdurchlässigen Stoffen der Fall. Bei Stoffen, die Licht stark absorbieren, ist der Verlauf des Brechungsindex bei Änderung der Wellenlänge umgekehrt und wird deutlich steiler: Mit abnehmendem l (zunehmende Frequenz w) nimmt der Brechungsindex stark ab und wird in einem bestimmten Wellenlängenbereich kleiner als eins ( Phasengeschwindigkeit Vf > s ). Hierbei handelt es sich um eine anomale Streuung, bei der sich das Muster der Lichtausbreitung in einer Substanz radikal ändert. Die Gruppengeschwindigkeit Vgr wird größer als die Phasengeschwindigkeit der Wellen und kann im Vakuum die Lichtgeschwindigkeit überschreiten (und auch negativ werden). L. Wong weist auf diesen Umstand als Grund für die Erklärungsmöglichkeit der Ergebnisse seines Experiments hin. Es ist jedoch zu beachten, dass die Bedingung Vgr > c rein formaler Natur ist, da das Konzept der Gruppengeschwindigkeit für den Fall kleiner (normaler) Dispersion für transparente Medien eingeführt wurde, wenn eine Wellengruppe ihre Form nahezu nicht ändert während der Vermehrung. In Regionen mit anomaler Streuung wird der Lichtimpuls schnell deformiert und das Konzept der Gruppengeschwindigkeit verliert seine Bedeutung; In diesem Fall werden die Konzepte der Signalgeschwindigkeit und der Eneingeführt, die in transparenten Medien mit der Gruppengeschwindigkeit übereinstimmen und in Medien mit Absorption kleiner als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bleiben. Aber das Interessante an Wongs Experiment ist: Ein Lichtimpuls, der ein Medium mit anomaler Dispersion durchquert, wird nicht deformiert – er behält genau seine Form! Und dies entspricht der Annahme, dass sich der Impuls mit Gruppengeschwindigkeit ausbreitet. Aber wenn ja, dann stellt sich heraus, dass es keine Absorption im Medium gibt, obwohl die anomale Dispersion des Mediums genau auf die Absorption zurückzuführen ist! Wong selbst räumt zwar ein, dass vieles noch unklar ist, glaubt jedoch, dass das, was in seinem Versuchsaufbau geschieht, in erster Näherung wie folgt klar erklärt werden kann.
Ein Lichtimpuls besteht aus vielen Komponenten mit unterschiedlichen Wellenlängen (Frequenzen). Die Abbildung zeigt drei dieser Komponenten (Wellen 1-3). Irgendwann sind alle drei Wellen in Phase (ihre Maxima fallen zusammen); hier verstärken sie sich gegenseitig und bilden einen Impuls. Bei ihrer weiteren Ausbreitung im Raum werden die Wellen außer Phase gebracht und „heben“ sich dadurch gegenseitig auf.
Im Bereich der anomalen Dispersion (innerhalb der Cäsiumzelle) wird die kürzere Welle (Welle 1) länger. Umgekehrt wird die Welle, die von den dreien die längste war (Welle 3), zur kürzesten.
Folglich ändern sich die Phasen der Wellen entsprechend. Sobald die Wellen die Cäsiumzelle passiert haben, werden ihre Wellenfronten wiederhergestellt. Nach einer ungewöhnlichen Phasenmodulation in einer Substanz mit anomaler Dispersion befinden sich die drei fraglichen Wellen irgendwann wieder in Phase. Hier addieren sie sich wieder und bilden einen Puls, der genau die gleiche Form hat wie der, der in das Cäsiummedium eintritt.
Typischerweise kann ein Lichtimpuls in Luft und tatsächlich in jedem transparenten Medium mit normaler Streuung seine Form nicht genau beibehalten, wenn er sich über eine entfernte Entfernung ausbreitet, das heißt, alle seine Komponenten können an keinem entfernten Punkt entlang des Ausbreitungspfads in Phase gebracht werden. Und unter normalen Bedingungen erscheint an einem so weit entfernten Punkt nach einiger Zeit ein Lichtimpuls. Aufgrund der anomalen Eigenschaften des im Experiment verwendeten Mediums stellte sich jedoch heraus, dass der Impuls an einem entfernten Punkt genauso phasenverschoben war wie beim Eintritt in dieses Medium. Der Lichtimpuls verhält sich also so, als ob er auf dem Weg zu einem entfernten Punkt eine negative Zeitverzögerung hätte, das heißt, er würde dort nicht später, sondern früher ankommen, als er das Medium durchlaufen hat!
Die meisten Physiker neigen dazu, dieses Ergebnis mit dem Auftreten eines Vorläufers geringer Intensität im Dispersionsmedium der Kammer in Verbindung zu bringen. Tatsache ist, dass bei der spektralen Zerlegung eines Pulses im Spektrum Komponenten beliebig hoher Frequenz mit vernachlässigbar kleiner Amplitude, die sogenannten Vorläufer, enthalten sind, die dem „Hauptteil“ des Pulses vorausgehen. Die Art der Etablierung und die Form des Vorläufers hängen vom Dispersionsgesetz im Medium ab. Vor diesem Hintergrund wird vorgeschlagen, die Abfolge der Ereignisse in Wongs Experiment wie folgt zu interpretieren. Die ankommende Welle „streckt“ den Vorboten vor sich her und nähert sich der Kamera. Bevor der Höhepunkt der einfallenden Welle auf die nahe Wand der Kammer trifft, löst der Vorläufer das Auftreten eines Impulses in der Kammer aus, der die gegenüberliegende Wand erreicht und von dieser reflektiert wird und eine „Rückwärtswelle“ bildet. Diese Welle, die sich 300-mal schneller ausbreitet als c, erreicht die nahegelegene Wand und trifft auf die ankommende Welle. Die Spitzen einer Welle treffen auf die Täler einer anderen, so dass sie sich gegenseitig zerstören und als Ergebnis nichts mehr übrig bleibt. Es stellt sich heraus, dass die einfallende Welle den Cäsiumatomen „die Schuld zurückzahlt“, die ihr am anderen Ende der Kammer Energie „verliehen“. Jeder, der nur den Anfang und das Ende des Experiments beobachtete, würde nur einen Lichtimpuls sehen, der zeitlich vorwärts „sprang“ und sich schneller als c bewegte.
L. Wong glaubt, dass sein Experiment nicht mit der Relativitätstheorie vereinbar ist. Die Aussage über die Unerreichbarkeit der Überlichtgeschwindigkeit gilt seiner Ansicht nach nur für Objekte mit Ruhemasse. Licht kann entweder in Form von Wellen dargestellt werden, auf die der Massenbegriff im Allgemeinen nicht anwendbar ist, oder in Form von Photonen, deren Ruhemasse bekanntlich gleich Null ist. Daher ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum laut Wong nicht die Grenze. Allerdings räumt Wong ein, dass der von ihm entdeckte Effekt es nicht ermöglicht, Informationen mit Geschwindigkeiten über c zu übertragen.
„Die Informationen sind hier bereits in der Vorderkante des Pulses enthalten“, sagt P. Milonni, ein Physiker am Los Alamos National Laboratory in den Vereinigten Staaten. „Und es kann der Eindruck entstehen, dass Informationen schneller als Licht gesendet werden, selbst wenn Sie.“ senden es nicht.“
Die meisten Physiker glauben, dass die neue Arbeit keinen vernichtenden Schlag gegen grundlegende Prinzipien darstellt. Aber nicht alle Physiker glauben, dass das Problem gelöst ist. Professor A. Ranfagni von der italienischen Forschungsgruppe, die im Jahr 2000 ein weiteres interessantes Experiment durchführte, glaubt, dass die Frage noch offen ist. Dieses von Daniel Mugnai, Anedio Ranfagni und Rocco Ruggeri durchgeführte Experiment ergab, dass Zentimeterwellen-Radiowellen im normalen Flugverkehr mit einer Geschwindigkeit von 25 % schneller sind als c.
Zusammenfassend können wir Folgendes sagen.
Arbeiten der letzten Jahre zeigen, dass unter bestimmten Bedingungen tatsächlich Überlichtgeschwindigkeit auftreten kann. Aber was genau bewegt sich mit Überlichtgeschwindigkeit? Die Relativitätstheorie verbietet, wie bereits erwähnt, eine solche Geschwindigkeit für materielle Körper und für informationstragende Signale. Dennoch versuchen einige Forscher sehr beharrlich, die Überwindung der Lichtschranke speziell für Signale nachzuweisen. Der Grund dafür liegt in der Tatsache, dass es in der speziellen Relativitätstheorie keine strenge mathematische Begründung (z. B. basierend auf den Maxwell-Gleichungen für das elektromagnetische Feld) für die Unmöglichkeit gibt, Signale mit Geschwindigkeiten über c zu übertragen. Man könnte sagen, eine solche Unmöglichkeit in STR wird rein rechnerisch auf der Grundlage von Einsteins Formel zur Addition von Geschwindigkeiten festgestellt, was jedoch grundsätzlich durch das Kausalitätsprinzip bestätigt wird. Einstein selbst schrieb in Bezug auf die Frage der überlichtmäßigen Signalübertragung: „... wir sind gezwungen, einen Signalübertragungsmechanismus für möglich zu halten, bei dem die erzielte Wirkung der Ursache vorausgeht, obwohl dies aus einem rein logischen Gesichtspunkt resultiert.“ Diese Sichtweise enthält meiner Meinung nach keine Widersprüche; sie widerspricht dennoch der Natur unserer gesamten Erfahrung, dass die Unmöglichkeit der Annahme V > c hinreichend bewiesen zu sein scheint.“ Das Kausalitätsprinzip ist der Grundstein für die Unmöglichkeit einer überluminalen Signalübertragung. Und anscheinend werden ausnahmslos alle Suchen nach Superluminalsignalen über diesen Stein stolpern, egal wie sehr Experimentatoren solche Signale entdecken möchten, denn so ist die Natur unserer Welt.
Aber stellen wir uns dennoch vor, dass die Mathematik der Relativitätstheorie auch bei Überlichtgeschwindigkeiten funktioniert. Das bedeutet, dass wir theoretisch immer noch herausfinden können, was passieren würde, wenn ein Körper die Lichtgeschwindigkeit überschreiten würde.
Stellen wir uns zwei Raumschiffe vor, die von der Erde auf einen Stern zusteuern, der 100 Lichtjahre von unserem Planeten entfernt ist. Das erste Schiff verlässt die Erde mit 50 % der Lichtgeschwindigkeit, sodass die Reise 200 Jahre dauern wird. Das zweite Schiff, ausgestattet mit einem hypothetischen Warpantrieb, wird sich mit 200 % der Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, allerdings 100 Jahre nach dem ersten. Was wird passieren?
Nach der Relativitätstheorie hängt die richtige Antwort maßgeblich von der Perspektive des Beobachters ab. Von der Erde aus sieht es so aus, als hätte das erste Schiff bereits eine beträchtliche Strecke zurückgelegt, bevor es vom zweiten Schiff überholt wird, das sich viermal schneller bewegt. Doch aus der Sicht der Menschen auf dem ersten Schiff ist alles etwas anders.
Schiff Nr. 2 bewegt sich schneller als das Licht, was bedeutet, dass es sogar schneller sein kann als das Licht, das es selbst aussendet. Dadurch entsteht eine Art „Lichtwelle“ (ähnlich einer Schallwelle, aber anstelle von Luftschwingungen schwingen Lichtwellen), die mehrere interessante Effekte hervorruft. Denken Sie daran, dass sich das Licht von Schiff Nr. 2 langsamer bewegt als das Schiff selbst. Das Ergebnis wird eine visuelle Verdoppelung sein. Mit anderen Worten: Zuerst wird die Besatzung von Schiff Nr. 1 sehen, dass das zweite Schiff wie aus dem Nichts neben ihnen aufgetaucht ist. Dann erreicht das Licht des zweiten Schiffs mit einer leichten Verzögerung das erste, und das Ergebnis ist eine sichtbare Kopie, die sich mit einer leichten Verzögerung in die gleiche Richtung bewegt.
Ähnliches lässt sich bei Computerspielen beobachten, wenn aufgrund eines Systemausfalls die Engine das Modell und seine Algorithmen am Endpunkt der Bewegung schneller lädt, als die Bewegungsanimation selbst endet, so dass es zu Mehrfachaufnahmen kommt. Dies ist wahrscheinlich der Grund, warum unser Bewusstsein diesen hypothetischen Aspekt des Universums, in dem sich Körper mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen, nicht wahrnimmt – vielleicht ist das das Beste.
P.S. ... aber im letzten Beispiel habe ich etwas nicht verstanden, warum die tatsächliche Position des Schiffes mit dem „von ihm emittierten Licht“ zusammenhängt? Nun, selbst wenn sie ihn am falschen Ort sehen, wird er in Wirklichkeit das erste Schiff überholen!
Quellen
Die Obergrenze der Geschwindigkeit ist selbst Schulkindern bekannt: Nachdem er Masse und Energie mit der berühmten Formel E = mc 2 verknüpft hatte, wies er bereits zu Beginn des 20. Jahrhunderts darauf hin, dass es grundsätzlich unmöglich ist, dass sich etwas, dessen Masse sich schneller als die Geschwindigkeit im Raum bewegt, bewegt Licht im Vakuum. Allerdings enthält diese Formulierung bereits Lücken, die einige physikalische Phänomene und Teilchen umgehen können. Zumindest für Phänomene, die in der Theorie existieren.
Die erste Lücke betrifft das Wort „Masse“: Einsteins Einschränkungen gelten nicht für masselose Teilchen. Sie gelten auch nicht für einige ziemlich dichte Medien, in denen die Lichtgeschwindigkeit deutlich geringer sein kann als im Vakuum. Schließlich kann der Raum selbst bei Anwendung ausreichender Energie lokal deformiert werden, was eine Bewegung in einer Weise ermöglicht, dass für einen externen Beobachter außerhalb dieser Verformung die Bewegung schneller als die Lichtgeschwindigkeit erscheint.
Einige dieser „Hochgeschwindigkeits“-Phänomene und Teilchen der Physik werden regelmäßig in Labors aufgezeichnet und reproduziert und sogar in der Praxis in High-Tech-Instrumenten und -Geräten eingesetzt. Wissenschaftler versuchen immer noch, andere zu entdecken, die theoretisch in der Realität vorhergesagt wurden, und für andere haben sie große Pläne: Vielleicht werden uns diese Phänomene eines Tages ermöglichen, uns frei im Universum zu bewegen, nicht einmal durch die Lichtgeschwindigkeit eingeschränkt.
Quantenteleportation
Status: aktive Entwicklung
Ein Lebewesen ist ein gutes Beispiel für eine Technologie, die theoretisch zulässig, praktisch aber scheinbar nie realisierbar ist. Aber wenn es um Teleportation geht, also um die augenblickliche Bewegung kleiner Objekte und noch mehr von Partikeln von einem Ort zum anderen, ist das durchaus möglich. Um die Aufgabe zu vereinfachen, beginnen wir mit etwas Einfachem – Partikeln.
Es scheint, dass wir Geräte brauchen werden, die (1) den Zustand des Teilchens vollständig beobachten, (2) diesen Zustand schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen und (3) den ursprünglichen Zustand wiederherstellen.
Allerdings kann in einem solchen Schema nicht einmal der erste Schritt vollständig umgesetzt werden. Das Heisenbergsche Unschärfeprinzip schränkt die Genauigkeit, mit der die „gepaarten“ Parameter eines Teilchens gemessen werden können, unüberwindbar ein. Je besser wir beispielsweise seinen Impuls kennen, desto schlechter kennen wir seine Koordinaten und umgekehrt. Ein wichtiges Merkmal der Quantenteleportation ist jedoch, dass es tatsächlich nicht nötig ist, Teilchen zu messen, genauso wie es nicht nötig ist, etwas zu rekonstruieren – es reicht aus, ein Paar verschränkter Teilchen zu erhalten.
Um beispielsweise solche verschränkten Photonen herzustellen, müssen wir einen nichtlinearen Kristall mit Laserstrahlung einer bestimmten Wellenlänge beleuchten. Dann zerfallen einige der einfallenden Photonen in zwei verschränkte Photonen, die auf unerklärliche Weise miteinander verbunden sind, sodass jede Änderung im Zustand des einen sofort den Zustand des anderen beeinflusst. Dieser Zusammenhang ist wirklich unerklärlich: Die Mechanismen der Quantenverschränkung bleiben unbekannt, obwohl das Phänomen selbst immer wieder nachgewiesen wurde und wird. Aber das ist ein Phänomen, bei dem man wirklich leicht verwirrt werden kann – es genügt hinzuzufügen, dass vor der Messung keines dieser Teilchen die erforderliche Eigenschaft aufweist, und egal welches Ergebnis wir durch die Messung des ersten erhalten, der Zustand des zweiten wird bestimmt seltsamerweise mit unserem Ergebnis korrelieren.
Der Mechanismus der Quantenteleportation, der 1993 von Charles Bennett und Gilles Brassard vorgeschlagen wurde, erfordert das Hinzufügen nur eines zusätzlichen Teilnehmers zu einem Paar verschränkter Teilchen – und zwar desjenigen, den wir teleportieren werden. Die Sender und Empfänger heißen normalerweise Alice und Bob, und wir werden dieser Tradition folgen, indem wir jedem von ihnen eines der verschränkten Photonen geben. Sobald sie einen angemessenen Abstand voneinander haben und Alice beschließt, mit der Teleportation zu beginnen, nimmt sie das gewünschte Photon und misst seinen Zustand zusammen mit dem Zustand des ersten der verschränkten Photonen. Die unsichere Wellenfunktion dieses Photons kollabiert und spiegelt sich sofort in Bobs zweitem verschränkten Photon wider.
Leider weiß Bob nicht genau, wie sein Photon auf das Verhalten von Alices Photon reagiert: Um dies zu verstehen, muss er warten, bis sie die Ergebnisse ihrer Messungen per Post sendet, nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit. Daher wird es nicht möglich sein, Informationen über einen solchen Kanal zu übermitteln, aber die Tatsache bleibt eine Tatsache. Wir haben den Zustand eines Photons teleportiert. Um zum Menschen überzugehen, bleibt uns nur noch, die Technologie so zu skalieren, dass sie jedes Teilchen von nur 7000 Billionen Billionen Atomen unseres Körpers abdeckt – es scheint, dass wir von diesem Durchbruch nur noch eine Ewigkeit entfernt sind.
Quantenteleportation und Quantenverschränkung bleiben jedoch eines der heißesten Themen der modernen Physik. Erstens, weil die Nutzung solcher Kommunikationskanäle einen unzerbrechlichen Schutz der übertragenen Daten verspricht: Um Zugriff darauf zu erhalten, müssen Angreifer nicht nur den Brief von Alice an Bob in ihren Besitz bringen, sondern auch Zugang zu Bobs verschlungenem Teilchen , und selbst wenn es ihnen gelingt, dorthin zu gelangen und Messungen durchzuführen, wird dies den Zustand des Photons für immer verändern und sofort aufgedeckt werden.
Vavilov-Cherenkov-Effekt
Zustand: lange verwendet
Dieser Aspekt des Reisens mit Überlichtgeschwindigkeit ist ein schöner Grund, sich an die Errungenschaften russischer Wissenschaftler zu erinnern. Das Phänomen wurde 1934 von Pavel Cherenkov unter der Leitung von Sergei Vavilov entdeckt, drei Jahre später erhielt es eine theoretische Begründung in den Werken von Igor Tamm und Ilya Frank und 1958 allen Beteiligten an diesen Werken, mit Ausnahme des inzwischen verstorbenen Vavilov , wurden mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.
Tatsächlich ist hier nur von der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum die Rede. In anderen transparenten Medien verlangsamt sich das Licht deutlich, wodurch an der Grenze zur Luft eine Brechung beobachtet werden kann. Der Brechungsindex von Glas beträgt 1,49, was bedeutet, dass die Phasengeschwindigkeit des Lichts darin 1,49-mal geringer ist, und Diamant hat beispielsweise einen Brechungsindex von 2,42, und die Lichtgeschwindigkeit darin ist um mehr als die Hälfte reduziert. Nichts hindert andere Teilchen daran, schneller zu fliegen als Lichtphotonen.
Genau das geschah mit den Elektronen, die in Cherenkovs Experimenten durch hochenergetische Gammastrahlung aus ihren Plätzen in den Molekülen der leuchtenden Flüssigkeit geschlagen wurden. Dieser Mechanismus wird oft mit der Entstehung einer Stoßwelle verglichen, wenn man mit Überschallgeschwindigkeit durch die Atmosphäre fliegt. Man kann es sich aber auch so vorstellen, als würde man in einer Menschenmenge rennen: Mit mehr Lichtgeschwindigkeit sausen Elektronen an anderen Teilchen vorbei, als streiften sie sie mit der Schulter – und das auf jedem Zentimeter ihrer Bahn, wodurch sie wütend mehrere bis mehrere hundert Photonen aussendeten .
Bald wurde das gleiche Verhalten in allen anderen einigermaßen sauberen und transparenten Flüssigkeiten entdeckt, und anschließend wurde Tscherenkow-Strahlung sogar tief in den Ozeanen aufgezeichnet. Natürlich gelangen Lichtphotonen von der Oberfläche hier nicht wirklich hin. Aber ultraschnelle Teilchen, die aus kleinen Mengen zerfallender radioaktiver Teilchen herausfliegen, erzeugen von Zeit zu Zeit ein Leuchten, das den Anwohnern vielleicht zumindest das Sehen ermöglicht.
Cherenkov-Vavilov-Strahlung findet Anwendung in der Wissenschaft, der Kernenergie und verwandten Bereichen. Die Reaktoren von Kernkraftwerken leuchten hell, vollgestopft mit schnellen Teilchen. Indem wir die Eigenschaften dieser Strahlung genau messen und die Phasengeschwindigkeit in unserer Arbeitsumgebung kennen, können wir verstehen, welche Art von Partikeln sie verursacht hat. Astronomen verwenden Cherenkov-Detektoren auch, um leichte und energiereiche kosmische Teilchen aufzuspüren: Schwere Teilchen lassen sich nur sehr schwer auf die erforderliche Geschwindigkeit beschleunigen und erzeugen keine Strahlung.
Blasen und Löcher
Hier krabbelt eine Ameise auf einem Blatt Papier. Seine Geschwindigkeit ist niedrig und der arme Kerl braucht 10 Sekunden, um vom linken Rand des Flugzeugs zum rechten zu gelangen. Aber sobald wir Mitleid mit ihm haben und das Papier biegen und seine Kanten verbinden, „teleportiert“ er sich sofort den gewünschten Punkt. Ähnliches lässt sich mit unserer heimischen Raumzeit machen, mit dem einzigen Unterschied, dass die Biegung die Beteiligung anderer Dimensionen erfordert, die wir nicht wahrnehmen und Tunnel der Raumzeit bilden – die berühmten Wurmlöcher oder Wurmlöcher.
Neuen Theorien zufolge sind solche Wurmlöcher übrigens eine Art Raum-Zeit-Äquivalent des bereits bekannten Quantenphänomens der Verschränkung. Im Allgemeinen widerspricht ihre Existenz keinen wichtigen Konzepten der modernen Physik, einschließlich. Aber um einen solchen Tunnel im Gefüge des Universums aufrechtzuerhalten, ist etwas erforderlich, das wenig Ähnlichkeit mit der echten Wissenschaft hat – eine hypothetische „exotische Materie“ mit negativer Energiedichte. Mit anderen Worten, es muss die Art von Materie sein, die Gravitationsabstoßung verursacht. Es ist schwer vorstellbar, dass diese exotische Art jemals gefunden wird, geschweige denn gezähmt.
Eine einzigartige Alternative zu Wurmlöchern kann eine noch exotischere Verformung der Raumzeit sein – die Bewegung innerhalb einer Blase der gekrümmten Struktur dieses Kontinuums. Die Idee wurde 1993 vom Physiker Miguel Alcubierre geäußert, obwohl sie schon viel früher in den Werken von Science-Fiction-Autoren zum Ausdruck kam. Es ist wie ein Raumschiff, das sich bewegt, die Raumzeit vor seiner Nase zusammendrückt und zerquetscht und sie hinter sich wieder glättet. Das Schiff selbst und seine Besatzung bleiben in einer lokalen Region, in der die Raumzeit ihre normale Geometrie beibehält, und erleben keine Unannehmlichkeiten. Dies zeigt sich deutlich in der bei Träumern beliebten Star Trek-Serie, in der ein solcher „Warp-Motor“ es Ihnen ermöglicht, ohne Bescheidenheit durch das Universum zu reisen.
Status: von fantastisch bis theoretisch
Photonen sind wie einige andere masselose Teilchen: Ihre ruhende Masse ist Null, und um nicht vollständig zu verschwinden, sind sie gezwungen, sich ständig zu bewegen, und zwar immer mit Lichtgeschwindigkeit. Einige Theorien deuten jedoch auf die Existenz viel exotischerer Teilchen hin – Tachyonen. Ihre Masse, die in unserer Lieblingsformel E = mc 2 vorkommt, wird nicht durch eine Primzahl, sondern durch eine imaginäre Zahl angegeben, einschließlich einer speziellen mathematischen Komponente, deren Quadrat eine negative Zahl ergibt. Dies ist eine sehr nützliche Eigenschaft, und die Autoren unserer Lieblingsfernsehserie „Star Trek“ erklärten die Funktionsweise ihres fantastischen Motors genau durch „die Nutzung der Energie von Tachyonen“.
Tatsächlich bewirkt die imaginäre Masse das Unglaubliche: Tachyonen müssen beim Beschleunigen Energie verlieren, sodass für sie alles im Leben völlig anders ist, als wir früher dachten. Wenn sie mit Atomen kollidieren, verlieren sie Energie und beschleunigen sich, sodass der nächste Zusammenstoß noch stärker wird, was noch mehr Energie entzieht und die Tachyonen wieder ins Unendliche beschleunigt. Es ist klar, dass eine solche Selbstbeteiligung lediglich grundlegende Ursache-Wirkungs-Beziehungen verletzt. Vielleicht ist das der Grund, warum bisher nur Theoretiker Tachyonen untersuchen: Noch hat niemand ein einziges Beispiel für den Zerfall von Ursache-Wirkungs-Beziehungen in der Natur gesehen, und wenn Sie es sehen, suchen Sie nach einem Tachyonen, und Ihnen ist ein Nobelpreis garantiert Preis.
Theoretiker zeigten jedoch immer noch, dass Tachyonen möglicherweise nicht existieren, aber in der fernen Vergangenheit hätten sie durchaus existieren können, und einigen Vorstellungen zufolge waren es ihre unendlichen Möglichkeiten, die beim Urknall eine wichtige Rolle spielten. Das Vorhandensein von Tachyonen erklärt den äußerst instabilen Zustand des falschen Vakuums, in dem sich das Universum vor seiner Geburt befunden haben könnte. In einem solchen Weltbild sind Tachyonen, die sich schneller als Licht bewegen, die wahre Grundlage unserer Existenz, und die Entstehung des Universums wird als Übergang des Tachyonenfeldes eines falschen Vakuums in das Inflationsfeld eines wahren Vakuums beschrieben. Es ist erwähnenswert, dass es sich bei all diesen Theorien um völlig anerkannte Theorien handelt, obwohl sich herausstellt, dass die Hauptverletzer der Einsteinschen Gesetze und sogar der Ursache-Wirkungs-Beziehung die Begründer aller darin enthaltenen Ursachen und Wirkungen sind.
Geschwindigkeit der Dunkelheit
Status: philosophisch
Philosophisch gesehen ist Dunkelheit einfach die Abwesenheit von Licht, und ihre Geschwindigkeiten sollten gleich sein. Aber denken Sie genauer darüber nach: Dunkelheit kann eine Form annehmen, die sich viel schneller bewegt. Der Name dieser Form ist Schatten. Stellen Sie sich vor, Sie zeigen mit Ihren Fingern die Silhouette eines Hundes an der gegenüberliegenden Wand. Der Strahl der Taschenlampe divergiert und der Schatten Ihrer Hand wird viel größer als die Hand selbst. Die kleinste Bewegung eines Fingers reicht aus, damit sich sein Schatten auf der Wand eine spürbare Strecke bewegt. Was wäre, wenn wir einen Schatten auf den Mond werfen würden? Oder noch weiter zu einem imaginären Bildschirm?
Eine kaum wahrnehmbare Welle – und sie läuft mit jeder Geschwindigkeit, die nur durch die Geometrie vorgegeben ist, also kann ihr kein Einstein sagen. Es ist jedoch besser, nicht mit Schatten zu flirten, denn sie täuschen uns leicht. Es lohnt sich, zum Anfang zurückzukehren und sich daran zu erinnern, dass Dunkelheit einfach die Abwesenheit von Licht ist, sodass bei einer solchen Bewegung kein physisches Objekt übertragen wird. Es gibt keine Teilchen, keine Informationen, keine Verformungen der Raumzeit, es gibt nur unsere Illusion, dass es sich um ein separates Phänomen handelt. In der realen Welt kann keine Dunkelheit mit der Lichtgeschwindigkeit mithalten.
Für Science-Fiction-Autoren war das Sonnensystem schon lange kein besonderes Interesse mehr. Überraschenderweise sind unsere „Heimat“-Planeten für einige Wissenschaftler jedoch nicht besonders inspirierend, obwohl sie noch nicht praktisch erforscht sind.
Nachdem die Menschheit kaum ein Fenster zum Weltraum geöffnet hat, stürmt sie in unbekannte Fernen, und das nicht nur wie zuvor in Träumen.
Auch Sergei Korolev versprach, bald „auf einem Gewerkschaftsticket“ ins All zu fliegen, doch dieser Satz ist bereits ein halbes Jahrhundert alt, und eine Odyssee im Weltraum ist immer noch das Los der Elite – ein zu teures Vergnügen. Doch vor zwei Jahren startete HACA ein grandioses Projekt 100 Jahre Raumschiff, Dabei geht es um die schrittweise und mehrjährige Schaffung einer wissenschaftlichen und technischen Grundlage für die Raumfahrt.
Dieses beispiellose Programm soll Wissenschaftler, Ingenieure und Enthusiasten aus der ganzen Welt anziehen. Wenn alles gelingt, wird die Menschheit in 100 Jahren in der Lage sein, ein interstellares Schiff zu bauen, und wir werden uns wie in Straßenbahnen durch das Sonnensystem bewegen.
Welche Probleme müssen also gelöst werden, damit der Sternenflug Realität wird?
ZEIT UND GESCHWINDIGKEIT SIND RELATIV
Merkwürdigerweise scheint die Astronomie mit automatischen Raumfahrzeugen für einige Wissenschaftler ein fast gelöstes Problem zu sein. Und das trotz der Tatsache, dass es absolut keinen Sinn macht, mit der aktuellen Schneckengeschwindigkeit (ca. 17 km/s) und anderen primitiven (für solch unbekannte Straßen) Ausrüstungsgegenständen Maschinengewehre zu den Sternen abzufeuern.
Nun haben die amerikanischen Raumsonden Pioneer 10 und Voyager 1 das Sonnensystem verlassen und es besteht keine Verbindung mehr zu ihnen. Pioneer 10 bewegt sich auf den Stern Aldebaran zu. Wenn ihm nichts passiert, wird er in 2 Millionen Jahren die Nähe dieses Sterns erreichen. Auf die gleiche Weise kriechen andere Geräte durch die Weiten des Universums.
Unabhängig davon, ob ein Schiff bewohnt ist oder nicht, benötigt es für den Flug zu den Sternen eine hohe Geschwindigkeit, nahe der Lichtgeschwindigkeit. Dies wird jedoch dazu beitragen, das Problem zu lösen, nur zu den nächstgelegenen Sternen zu fliegen.
„Selbst wenn es uns gelingen würde, ein Raumschiff zu bauen, das mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit fliegen könnte“, schrieb K. Feoktistov, „würde die Reisezeit nur in unserer Galaxie aufgrund ihres Durchmessers in Jahrtausenden und Zehntausenden berechnet werden.“ beträgt etwa 100.000 Lichtjahre. Aber auf der Erde wird in dieser Zeit noch viel mehr passieren.“
Nach der Relativitätstheorie ist der Zeitablauf in zwei relativ zueinander bewegten Systemen unterschiedlich. Da das Schiff über weite Strecken Zeit haben wird, eine Geschwindigkeit zu erreichen, die der Lichtgeschwindigkeit sehr nahe kommt, wird der Zeitunterschied auf der Erde und auf dem Schiff besonders groß sein.
Es wird angenommen, dass das erste Ziel interstellarer Flüge Alpha Centauri (ein System aus drei Sternen) sein wird – das uns am nächsten gelegene. Mit Lichtgeschwindigkeit schafft man es in 4,5 Jahren, auf der Erde vergehen in dieser Zeit zehn Jahre. Doch je größer die Entfernung, desto größer der Zeitunterschied.
Erinnern Sie sich an den berühmten „Andromedanebel“ von Ivan Efremov? Dort wird der Flug in Jahren und in Erdjahren gemessen. Ein wunderschönes Märchen, nichts zu sagen. Dieser begehrte Nebel (genauer gesagt die Andromedagalaxie) befindet sich jedoch in einer Entfernung von 2,5 Millionen Lichtjahren von uns.
Einigen Berechnungen zufolge wird die Reise der Astronauten mehr als 60 Jahre dauern (laut Raumschiffuhren), aber auf der Erde wird eine ganze Ära vergehen. Wie werden ihre entfernten Nachkommen den Weltraum „Neandertaler“ begrüßen? Und wird die Erde überhaupt noch leben? Das heißt, eine Rückgabe ist grundsätzlich sinnlos. Aber wie beim Flug selbst: Wir müssen bedenken, dass wir die Andromeda-Nebelgalaxie so sehen, wie sie vor 2,5 Millionen Jahren war – so lange reist ihr Licht zu uns. Welchen Sinn hat es, zu einem unbekannten Ziel zu fliegen, das vielleicht schon lange nicht mehr existiert, zumindest nicht in der gleichen Form und am gleichen Ort?
Das bedeutet, dass selbst Flüge mit Lichtgeschwindigkeit nur zu relativ nahen Sternen gerechtfertigt sind. Geräte, die mit Lichtgeschwindigkeit fliegen, leben jedoch immer noch nur in der Theorie, was einer Science-Fiction ähnelt, wenn auch wissenschaftlich.
EIN SCHIFF VON DER GRÖSSE EINES PLANETEN
Natürlich kamen die Wissenschaftler zunächst auf die Idee, die effektivste thermonukleare Reaktion im Schiffsmotor zu nutzen – wie sie teilweise bereits beherrscht wurde (für militärische Zwecke). Für eine Hin- und Rückfahrt mit nahezu Lichtgeschwindigkeit ist jedoch auch bei idealer Systemauslegung ein Verhältnis von Anfangs- zu Endmasse von mindestens 10 hoch dreißig erforderlich. Das heißt, das Raumschiff wird wie ein riesiger Zug mit Treibstoff von der Größe eines kleinen Planeten aussehen. Es ist unmöglich, einen solchen Koloss von der Erde aus ins All zu schicken. Und es ist auch möglich, es im Orbit zusammenzubauen; nicht umsonst diskutieren Wissenschaftler diese Option nicht.
Die Idee einer Photonenmaschine, die das Prinzip der Materievernichtung nutzt, erfreut sich großer Beliebtheit.
Vernichtung ist die Umwandlung eines Teilchens und eines Antiteilchens bei ihrer Kollision in andere Teilchen als die ursprünglichen. Am besten untersucht ist die Vernichtung eines Elektrons und eines Positrons, die Photonen erzeugt, deren Energie das Raumschiff bewegt. Berechnungen der amerikanischen Physiker Ronan Keene und Wei-ming Zhang zeigen, dass es auf der Grundlage moderner Technologien möglich ist, einen Vernichtungsmotor zu entwickeln, der ein Raumschiff auf 70 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen kann.
Es beginnen jedoch weitere Probleme. Leider ist die Verwendung von Antimaterie als Raketentreibstoff sehr schwierig. Bei der Vernichtung kommt es zu starken Gammastrahlungsausbrüchen, die für Astronauten schädlich sind. Darüber hinaus ist der Kontakt von Positronentreibstoff mit dem Schiff mit einer tödlichen Explosion verbunden. Schließlich gibt es noch keine Technologien, um Antimaterie in ausreichender Menge zu gewinnen und langfristig zu speichern: So „lebt“ das Antiwasserstoffatom heute weniger als 20 Minuten und die Herstellung eines Milligramms Positronen kostet 25 Millionen Dollar.
Gehen wir jedoch davon aus, dass diese Probleme im Laufe der Zeit gelöst werden können. Sie benötigen jedoch immer noch viel Treibstoff und die Startmasse des Photonenraumschiffs wird mit der Masse des Mondes vergleichbar sein (laut Konstantin Feoktistov).
DAS SEGEL IST ZERRISSEN!
Als beliebtestes und realistischstes Raumschiff gilt heute ein Solarsegelboot, dessen Idee dem sowjetischen Wissenschaftler Friedrich Zander gehört.
Ein Sonnensegel (Licht, Photonensegel) ist ein Gerät, das den Druck des Sonnenlichts oder eines Lasers auf einer Spiegeloberfläche nutzt, um ein Raumschiff anzutreiben.
1985 schlug der amerikanische Physiker Robert Forward den Entwurf einer durch Mikrowellenenergie beschleunigten interstellaren Sonde vor. Das Projekt sah vor, dass die Sonde in 21 Jahren die nächsten Sterne erreichen würde.
Auf dem XXXVI. Internationalen Astronomischen Kongress wurde ein Projekt für ein Laser-Raumschiff vorgeschlagen, dessen Bewegung durch die Energie optischer Laser erfolgt, die sich im Orbit um Merkur befinden. Berechnungen zufolge würde der Weg eines Raumschiffs dieser Bauart zum Stern Epsilon Eridani (10,8 Lichtjahre) und zurück 51 Jahre dauern.
„Es ist unwahrscheinlich, dass die bei der Reise durch unser Sonnensystem gewonnenen Daten einen wesentlichen Fortschritt beim Verständnis der Welt, in der wir leben, bringen werden. Natürlich wendet sich der Gedanke den Sternen zu. Schließlich war man sich bisher darüber im Klaren, dass Flüge in der Nähe der Erde, Flüge zu anderen Planeten unseres Sonnensystems, nicht das ultimative Ziel seien. Den Weg zu den Sternen zu ebnen schien die Hauptaufgabe zu sein.“Diese Worte stammen nicht von einem Science-Fiction-Autor, sondern vom Raumschiffdesigner und Kosmonauten Konstantin Feoktistov. Nach Angaben des Wissenschaftlers werde man im Sonnensystem nichts besonders Neues entdecken. Und das, obwohl der Mensch bisher nur den Mond erreicht hat...
Außerhalb des Sonnensystems wird der Druck des Sonnenlichts jedoch gegen Null gehen. Daher gibt es ein Projekt zur Beschleunigung eines Sonnensegelboots mithilfe von Lasersystemen von einem Asteroiden.
Das alles ist noch Theorie, aber die ersten Schritte werden bereits unternommen.
1993 wurde im Rahmen des Znamya-2-Projekts erstmals ein 20 Meter breites Sonnensegel auf dem russischen Schiff Progress M-15 eingesetzt. Beim Andocken der Progress an die Mir-Station installierte die Besatzung an Bord der Progress eine Reflektor-Einsatzeinheit. Dadurch erzeugte der Reflektor einen 5 km breiten hellen Fleck, der mit einer Geschwindigkeit von 8 km/s durch Europa nach Russland zog. Der Lichtfleck hatte eine Leuchtkraft, die in etwa der des Vollmonds entsprach.
Der Vorteil eines Solarsegelboots ist also der fehlende Treibstoff an Bord, die Nachteile sind die Anfälligkeit der Segelstruktur: Im Wesentlichen handelt es sich um eine dünne Folie, die über einen Rahmen gespannt ist. Wo ist die Garantie, dass das Segel unterwegs keine Löcher durch kosmische Teilchen bekommt?
Die Segelversion eignet sich möglicherweise für den Start automatischer Sonden, Stationen und Frachtschiffe, ist jedoch nicht für bemannte Rückflüge geeignet. Es gibt andere Raumschiffprojekte, aber sie erinnern auf die eine oder andere Weise an die oben genannten (mit den gleichen großen Problemen).
ÜBERRASCHUNGEN IM INTERSTELLAREN RAUM
Es scheint, dass Reisende im Universum viele Überraschungen erwarten. Als der amerikanische Apparat Pioneer 10 beispielsweise kaum über das Sonnensystem hinausreichte, begann er einer Kraft unbekannten Ursprungs ausgesetzt zu sein, die zu einer schwachen Bremsung führte. Es wurden viele Annahmen getroffen, darunter auch die noch unbekannten Auswirkungen der Trägheit oder sogar der Zeit. Für dieses Phänomen gibt es noch keine eindeutige Erklärung; es werden verschiedene Hypothesen in Betracht gezogen: von einfachen technischen (z. B. Reaktionskraft durch ein Gasleck in einem Apparat) bis hin zur Einführung neuer physikalischer Gesetze.
Ein anderes Gerät, Voyadger 1, entdeckte ein Gebiet mit einem starken Magnetfeld an der Grenze des Sonnensystems. Darin bewirkt der Druck geladener Teilchen aus dem interstellaren Raum, dass das von der Sonne erzeugte Feld dichter wird. Das Gerät registrierte außerdem:
- eine Zunahme der Zahl hochenergetischer Elektronen (etwa das Hundertfache), die aus dem interstellaren Raum in das Sonnensystem eindringen;
- ein starker Anstieg der galaktischen kosmischen Strahlung – hochenergetische geladene Teilchen interstellaren Ursprungs.
Der Raum zwischen den Sternen ist nicht leer. Überall gibt es Reste von Gas, Staub und Partikeln. Wenn man versucht, nahezu mit Lichtgeschwindigkeit zu reisen, wird jedes Atom, das mit dem Schiff kollidiert, wie ein hochenergetisches Teilchen der kosmischen Strahlung sein. Der Grad der harten Strahlung während eines solchen Bombardements wird selbst bei Flügen zu nahegelegenen Sternen unzumutbar ansteigen.
Und der mechanische Aufprall von Partikeln bei solchen Geschwindigkeiten wird wie explosive Kugeln sein. Einigen Berechnungen zufolge wird jeder Zentimeter des Schutzschirms des Raumschiffs kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von 12 Schüssen pro Minute beschossen. Es ist klar, dass kein Bildschirm einer solchen Belastung über mehrere Flugjahre hinweg standhält. Oder es muss eine unzulässige Dicke (Zehntausende Meter) und Masse (Hunderttausende Tonnen) haben.
Tatsächlich wird das Raumschiff dann hauptsächlich aus diesem Schirm und Treibstoff bestehen, wofür mehrere Millionen Tonnen benötigt werden. Aufgrund dieser Umstände ist ein Fliegen mit solchen Geschwindigkeiten unmöglich, zumal man unterwegs nicht nur auf Staub, sondern auch auf etwas Größeres stoßen oder in einem unbekannten Gravitationsfeld gefangen werden kann. Und dann ist der Tod wieder unvermeidlich. Selbst wenn es also gelingt, das Raumschiff auf Unterlichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, wird es sein endgültiges Ziel nicht erreichen – es werden zu viele Hindernisse auf seinem Weg sein. Daher können interstellare Flüge nur mit deutlich geringeren Geschwindigkeiten durchgeführt werden. Aber dann macht der Zeitfaktor diese Flüge bedeutungslos.
Es stellt sich heraus, dass es unmöglich ist, das Problem des Transports materieller Körper über galaktische Entfernungen mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit zu lösen. Es hat keinen Sinn, Raum und Zeit mithilfe einer mechanischen Struktur zu durchbrechen.
MOLE LOCH
Science-Fiction-Autoren, die versuchten, die unaufhaltsame Zeit zu überwinden, erfanden, wie man „Löcher“ in Raum (und Zeit) nagt und ihn „faltet“. Sie erfanden verschiedene Hyperraumsprünge von einem Punkt im Raum zu einem anderen, wobei sie Zwischenbereiche umgingen. Jetzt haben sich Wissenschaftler den Science-Fiction-Autoren angeschlossen.
Physiker begannen, nach extremen Materiezuständen und exotischen Schlupflöchern im Universum zu suchen, in denen es möglich ist, sich im Gegensatz zu Einsteins Relativitätstheorie mit Überlichtgeschwindigkeit zu bewegen.
So entstand die Idee eines Wurmlochs. Dieses Loch vereint zwei Teile des Universums wie ein Tunnel, der zwei Städte verbindet, die durch einen hohen Berg getrennt sind. Leider sind Wurmlöcher nur im absoluten Vakuum möglich. In unserem Universum sind diese Löcher äußerst instabil: Sie können einfach zusammenbrechen, bevor die Raumsonde dort ankommt.
Um jedoch stabile Wurmlöcher zu erzeugen, kann man einen vom Niederländer Hendrik Casimir entdeckten Effekt nutzen. Es besteht in der gegenseitigen Anziehung leitender ungeladener Körper unter dem Einfluss von Quantenschwingungen im Vakuum. Es stellt sich heraus, dass das Vakuum nicht vollständig leer ist, es gibt Schwankungen im Gravitationsfeld, in denen Partikel und mikroskopisch kleine Wurmlöcher spontan auftauchen und verschwinden.
Es bleibt nur noch, eines der Löcher zu entdecken, es zu dehnen und zwischen zwei supraleitenden Kugeln zu platzieren. Ein Mund des Wurmlochs bleibt auf der Erde, der andere wird von der Raumsonde mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zum Stern bewegt – dem endgültigen Objekt. Das heißt, das Raumschiff wird sozusagen einen Tunnel durchbrechen. Sobald das Raumschiff sein Ziel erreicht, öffnet sich das Wurmloch für eine blitzschnelle interstellare Reise, deren Dauer in Minuten gemessen wird.
Blase der Störung
Ähnlich wie bei der Wurmlochtheorie handelt es sich um eine Warp-Blase. 1994 führte der mexikanische Physiker Miguel Alcubierre Berechnungen nach Einsteins Gleichungen durch und fand die theoretische Möglichkeit einer Wellenverformung des räumlichen Kontinuums. In diesem Fall wird sich der Raum vor dem Raumschiff verdichten und sich hinter ihm gleichzeitig ausdehnen. Das Raumschiff befindet sich sozusagen in einer gekrümmten Blase und kann sich mit unbegrenzter Geschwindigkeit bewegen. Das Geniale an der Idee ist, dass das Raumschiff in einer Krümmungsblase ruht und die Relativitätsgesetze nicht verletzt werden. Gleichzeitig bewegt sich die Krümmungsblase selbst und verzerrt lokal die Raumzeit.
Obwohl es nicht möglich ist, schneller als das Licht zu reisen, gibt es nichts, was die Bewegung des Weltraums oder die Ausbreitung der Raumzeitkrümmung schneller als das Licht verhindern könnte, was vermutlich unmittelbar nach dem Urknall geschah, als das Universum entstand.
All diese Ideen passen noch nicht in den Rahmen der modernen Wissenschaft, doch 2012 kündigten Vertreter der NASA die Vorbereitung eines experimentellen Tests der Theorie von Dr. Alcubierre an. Wer weiß, vielleicht wird Einsteins Relativitätstheorie eines Tages Teil einer neuen globalen Theorie. Schließlich ist der Lernprozess endlos. Das bedeutet, dass wir eines Tages in der Lage sein werden, die Dornen zu den Sternen zu durchbrechen.
Irina GROMOVA
Astrophysiker der Baylor University (USA) haben ein mathematisches Modell eines Hyperraumantriebs entwickelt, der es einem ermöglicht, mit einer Geschwindigkeit durch den Weltraum zu reisen, die 10³²-mal schneller ist als die Lichtgeschwindigkeit, sodass man zu einer benachbarten Galaxie fliegen und innerhalb weniger Minuten zurückkehren kann Std.
Beim Fliegen werden die Menschen nicht die Überlastungen spüren, die in modernen Verkehrsflugzeugen zu spüren sind. Allerdings kann ein solcher Motor in Metall erst in einigen hundert Jahren auftauchen.
Der Antriebsmechanismus basiert auf dem Prinzip einer Raumdeformationsmaschine (Warp Drive), die 1994 vom mexikanischen Physiker Miguel Alcubierre vorgeschlagen wurde. Die Amerikaner müssen lediglich das Modell verfeinern und detailliertere Berechnungen anstellen.
„Wenn man den Raum vor dem Schiff komprimiert und ihn im Gegenteil dahinter ausdehnt, dann entsteht eine Raum-Zeit-Blase um das Schiff“, sagt einer der Autoren der Studie, Richard Obousi. „Sie umhüllt.“ Das Schiff und zieht es aus der gewöhnlichen Welt in sein Koordinatensystem. Aufgrund des Unterschieds im Raum-Zeit-Druck ist diese Blase in der Lage, sich in jede Richtung zu bewegen und dabei die Lichtschwelle um Tausende von Größenordnungen zu überwinden.
Vermutlich wird sich der Raum um das Schiff aufgrund der noch wenig erforschten Dunklen Energie verformen können. „Dunkle Energie ist eine sehr wenig erforschte Substanz, die erst vor relativ kurzer Zeit entdeckt wurde und erklärt, warum Galaxien auseinanderzufliegen scheinen“, sagte Sergei Popov, leitender Forscher in der Abteilung für relativistische Astrophysik am Sternberg State Astronomical Institute der Moskauer Staatlichen Universität. Es gibt mehrere Modelle davon, aber es gibt noch kein allgemein akzeptiertes Modell, das auf zusätzlichen Dimensionen basiert, und sie sagen, dass es möglich ist, die Eigenschaften dieser Dimensionen lokal zu ändern Wir haben herausgefunden, dass es unterschiedliche kosmologische Konstanten in verschiedene Richtungen geben kann. Und dann wird sich das Schiff in der Blase in Bewegung setzen.“
Dieses „Verhalten“ des Universums lässt sich mit der „Stringtheorie“ erklären, nach der unser gesamter Raum von vielen anderen Dimensionen durchdrungen ist. Durch ihre Wechselwirkung untereinander entsteht eine abstoßende Kraft, die nicht nur Materie wie Galaxien, sondern auch den Raumkörper selbst ausdehnen kann. Dieser Effekt wird „Inflation des Universums“ genannt.
„Von den ersten Sekunden seiner Existenz an dehnt sich das Universum aus“, erklärt Ruslan Metsaev, Doktor der Physikalischen und Mathematischen Wissenschaften, Mitarbeiter des Astro-Weltraumzentrums des Lebedev Physical Institute. Wenn Sie das alles wissen, können Sie versuchen, den Raum künstlich zu erweitern oder zu verengen. Dazu soll es Einfluss auf andere Dimensionen nehmen, wodurch sich ein Stück Raum unserer Welt unter dem Einfluss der Kräfte der dunklen Energie in die richtige Richtung zu bewegen beginnt.
In diesem Fall werden die Gesetze der Relativitätstheorie nicht verletzt. Innerhalb der Blase bleiben die gleichen Gesetze der physischen Welt bestehen und die Lichtgeschwindigkeit wird maximal sein. Diese Situation gilt nicht für den sogenannten Zwillingseffekt, der uns sagt, dass sich die Zeit im Raumschiff bei einer Raumfahrt mit Lichtgeschwindigkeit erheblich verlangsamt und der Astronaut bei seiner Rückkehr zur Erde seinen Zwillingsbruder als Hochbetagten treffen wird Mann. Der Warp-Antriebsmotor beseitigt dieses Problem, da er den Raum und nicht das Schiff vorantreibt.
Die Amerikaner haben bereits ein Ziel für den künftigen Flug gefunden. Dabei handelt es sich um den Planeten Gliese 581 (Gliese 581), auf dem sich die klimatischen Bedingungen und die Schwerkraft denen der Erde annähern. Die Entfernung dorthin beträgt 20 Lichtjahre, und selbst wenn der Warpantrieb Billionen Mal schwächer als seine maximale Leistung arbeitet, beträgt die Reisezeit dorthin nur wenige Sekunden.
Als Referenz: Der extrasolare Planet Gliese 581 (Planetensystem) ist ein roter Zwergstern im Sternbild Waage, 20,4 Lichtjahre entfernt. Jahre von der Erde entfernt. Die Masse des Sterns beträgt etwa ein Drittel der Masse der Sonne. Gliese 581 steht auf der Liste der hundert nächsten Sterne unseres Sonnensystems. Durch ein Teleskop sollte Gliese 581 zwei Grad nördlich von β Libra gesucht werden.
Das Material wurde von der Redaktion von rian.ru auf der Grundlage von Informationen von RIA Novosti und offenen Quellen erstellt
Um Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, müsste eine mehrstufige Rakete beim Beschleunigen einen Teil ihrer Masse verlieren, wie dies bei der hier gezeigten Super-Haas-Rakete der Fall ist
Nehmen wir an, Sie möchten eine interstellare Reise unternehmen und so schnell wie möglich an Ihr Ziel gelangen. Vielleicht schaffst du es erst morgen, aber wenn du über alle nötigen Werkzeuge und Technologien sowie ein wenig Hilfe von Einsteins Relativitätstheorie verfügst, könntest du es in einem Jahr schaffen? Wie wäre es mit der Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit? Genau das fragt unser Leser diese Woche:
Ich habe kürzlich ein Buch gelesen, dessen Autor versucht hat, das Zwillingsparadoxon zu erklären, indem er sich ein Raumschiff vorstellte, das 20 Jahre lang mit 1 g fliegt und dann zurückkommt. Ist es möglich, eine solche Beschleunigung über einen solchen Zeitraum aufrechtzuerhalten? Wenn Sie Ihre Reise beispielsweise am ersten Tag des neuen Jahres antreten und mit einer Beschleunigung von 9,8 Metern pro Sekunde fliegen, können Sie Berechnungen zufolge bis zum Jahresende die Lichtgeschwindigkeit erreichen. Wie kann ich danach weiter beschleunigen?
Um zu den Sternen zu gelangen, ist es unbedingt erforderlich, eine solche Beschleunigung aufrechtzuerhalten.
Dieser Start der Raumfähre Columbia im Jahr 1992 zeigt, dass die Rakete nicht sofort beschleunigt – die Beschleunigung dauert lange
Die fortschrittlichsten Raketen- und Strahlantriebssysteme der Menschheit sind für eine solche Aufgabe nicht leistungsstark genug, weil sie nicht so viel Beschleunigung erreichen. Sie sind beeindruckend, weil sie eine riesige Masse über einen längeren Zeitraum beschleunigen. Aber die Beschleunigung von Raketen wie Saturn 5, Atlas, Falcon und Sojus übersteigt nicht die Beschleunigung eines Sportwagens: von 1 auf 2 g, wobei g 9,8 Meter pro Sekunde im Quadrat beträgt. Was ist der Unterschied zwischen einer Rakete und einem Sportwagen? Das Auto erreicht sein Limit in 9 Sekunden bei etwa 320 km/h. Eine Rakete kann auf diese Weise viel länger beschleunigen – nicht Sekunden oder Minuten, sondern eine Viertelstunde.
Die NASA war die erste, die die Apollo-4-Rakete vom Cape Kennedy Space Center aus startete. Obwohl er wie ein Sportwagen beschleunigte, lag der Schlüssel zum Erfolg darin, diese Beschleunigung über einen langen Zeitraum beizubehalten.
Auf diese Weise können wir die Anziehungskraft der Erde überwinden und in die Umlaufbahn gelangen, andere Welten in unserem Sonnensystem erreichen oder sogar der Schwerkraft der Sonne entkommen. Aber irgendwann stoßen wir an die Grenze – wir können aufgrund der Beschränkungen der mitgeführten Treibstoffmenge nur für begrenzte Zeit beschleunigen. Der von uns verwendete Raketentreibstoff ist leider äußerst ineffizient. Sie haben Einsteins berühmte Gleichung E = mc 2 gesehen, die Masse als Energieform beschreibt und wie Energie als Materie gespeichert werden kann. Unser wunderbarer Raketentreibstoff ist erbärmlich ineffizient.
Erster Testlauf des SpaceX Raptor-Motors Anfang 2016
Durch chemische Reaktionen wandelt der Treibstoff nicht mehr als 0,001 % seiner Masse in Energie um, wodurch die Höchstgeschwindigkeit des Raumfahrzeugs stark eingeschränkt wird. Und deshalb ist für den Start von 5 Tonnen Nutzlast in die geostationäre Umlaufbahn eine Rakete mit einem Gewicht von 500 Tonnen erforderlich. Kernraketen wären effizienter und würden etwa 0,5 % ihrer Masse in Energie umwandeln, aber das ideale Ergebnis wäre ein Materie-Antimaterie-Treibstoff, der bei der Umwandlung von E = mc 2 einen Wirkungsgrad von 100 % erreicht. Wenn Sie eine Rakete mit einer bestimmten Masse hätten, egal was, und nur 5 % dieser Masse in Antimaterie enthalten wären (und weitere 5 % in verfügbarer Materie), könnten Sie die Vernichtung rechtzeitig kontrollieren. Das Ergebnis wäre eine konstante und anhaltende Beschleunigung von 1 g über einen viel längeren Zeitraum als jeder andere Kraftstoff.
Künstlerische Darstellung eines Jet-Antriebssystems mit Antimaterie. Die Vernichtung von Materie/Antimaterie erzeugt die höchste physikalische Energiedichte aller bekannten Substanzen.
Wenn Sie eine konstante Beschleunigung benötigen, können Sie durch die Vernichtung von Materie/Antimaterie, die ein paar Prozent der Gesamtmasse ausmacht, monatelang mit dieser Geschwindigkeit beschleunigen. Auf diese Weise können Sie bis zu 40 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen, wenn Sie das gesamte US-Jahresbudget für die Herstellung von Antimaterie ausgeben und 100 kg Nutzlast beschleunigen. Wenn Sie noch länger beschleunigen müssen, müssen Sie die mitgeführte Kraftstoffmenge erhöhen. Und je stärker Sie beschleunigen, je näher Sie der Lichtgeschwindigkeit kommen, desto stärker werden die relativistischen Effekte für Sie spürbar.
Wie Ihre Geschwindigkeit mit der Zeit zunimmt, wenn Sie die Beschleunigung über mehrere Tage, Monate, Jahre oder ein Jahrzehnt hinweg bei 1 g halten
Nach zehn Flugtagen mit 1 g haben Sie bereits Neptun, den letzten Planeten im Sonnensystem, passiert. Nach einigen Monaten werden Sie feststellen, dass die Zeit langsamer wird und die Entfernungen kürzer werden. In einem Jahr erreichen Sie bereits 80 % der Lichtgeschwindigkeit; in 2 Jahren werden Sie sich 98 % der Lichtgeschwindigkeit nähern; Nach fünf Jahren Flug mit einer Beschleunigung von 1 g bewegen Sie sich mit 99,99 % der Lichtgeschwindigkeit. Und je länger Sie beschleunigen, desto näher kommen Sie der Lichtgeschwindigkeit. Aber du wirst es nie erreichen. Darüber hinaus wird mit der Zeit immer mehr Energie benötigt.
Auf einer logarithmischen Skala können Sie sehen, dass Sie der Lichtgeschwindigkeit umso näher kommen, je länger Sie beschleunigen, diese aber nie erreichen werden. Selbst in 10 Jahren wird man annähernd 99,9999999 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen, aber nicht erreichen
Die ersten zehn Minuten der Beschleunigung erfordern eine gewisse Energiemenge und am Ende dieser Zeit werden Sie sich mit einer Geschwindigkeit von 6 km/s fortbewegen. Nach weiteren 10 Minuten verdoppeln Sie Ihre Geschwindigkeit auf 12 km/s, benötigen dafür aber dreimal so viel Energie. In weiteren zehn Minuten bewegen Sie sich mit einer Geschwindigkeit von 18 km/s, dafür wird jedoch fünfmal mehr Energie benötigt als in den ersten zehn Minuten. Dieses Schema wird auch in Zukunft funktionieren. In einem Jahr verbrauchen Sie bereits 100.000 Mal mehr Energie als zu Beginn! Außerdem wird die Geschwindigkeit immer weniger steigen.
Die Längen werden verkürzt und die Zeit gedehnt. Die Grafik zeigt, wie ein Raumschiff, das sich hundert Jahre lang mit einer Beschleunigung von 1 g bewegt, innerhalb eines Menschenlebens zu fast jedem Punkt im sichtbaren Universum reisen und von dort zurückkehren kann. Doch bis er zurückkommt, wird auf der Erde noch mehr Zeit vergangen sein.
Will man ein 100 kg schweres Schiff ein Jahr lang mit 1 g beschleunigen, benötigt man 1000 kg Materie und 1000 kg Antimaterie. In einem Jahr werden Sie sich mit 80 % der Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, aber Sie werden diese nie überschreiten. Selbst wenn man unendlich viel Energie hätte. Eine konstante Beschleunigung erfordert eine ständige Steigerung des Schubs, und je schneller Sie fahren, desto mehr Energie wird für relativistische Effekte verschwendet. Und bis wir herausfinden, wie wir die Verformung des Weltraums kontrollieren können, wird die Lichtgeschwindigkeit die letzte Begrenzung des Universums bleiben. Alles, was Masse hat, wird diese nicht erreichen, geschweige denn übertreffen können. Aber wenn Sie heute beginnen, werden Sie sich in einem Jahr an einem Ort befinden, an dem noch nie zuvor ein makroskopisches Objekt gewesen ist!
