Was passiert, wenn ein Mensch die Lichtgeschwindigkeit erreicht? Ist Überlichtgeschwindigkeit möglich? Echte Kandidaten für SS-Reisende

Der aktuelle Geschwindigkeitsrekord im Weltraum besteht seit 46 Jahren. Wann wird er geschlagen? Wir Menschen sind von Geschwindigkeit besessen. So wurde erst in den letzten Monaten bekannt, dass Studierende in Deutschland einen Geschwindigkeitsrekord für ein Elektroauto aufgestellt haben und in den USA Hyperschallflugzeuge so verbessert werden sollen, dass sie Geschwindigkeiten erreichen, die fünfmal so hoch sind wie die Schallgeschwindigkeit, also Über 6100 km/h werden solche Flugzeuge keine Besatzung haben, aber nicht, weil sich Menschen nicht mit so hohen Geschwindigkeiten fortbewegen können. Tatsächlich bewegen sich Menschen bereits mit Geschwindigkeiten, die um ein Vielfaches höher sind als die Schallgeschwindigkeit. Gibt es jedoch eine Grenze, ab der unsere schnell rasenden Körper der Überlastung nicht mehr standhalten können? Astronauten, die an der Weltraummission Apollo 10 teilgenommen haben“, – Tom Stafford, John Young und Eugene Cernan. Als Astronauten 1969 den Mond umkreisten und zurückkehrten, erreichte die Kapsel, in der sie sich befanden, eine Geschwindigkeit, die auf der Erde 39,897 km/h betragen würde „Ich glaube, vor hundert Jahren konnten wir uns kaum vorstellen, dass sich ein Mensch mit einer Geschwindigkeit von fast 40.000 Kilometern pro Stunde im Weltraum bewegen könnte“, sagt Jim Bray vom Luft- und Raumfahrtkonzern Lockheed Martin. Bray ist der Direktor von Das bewohnbare Modulprojekt für die vielversprechende Raumsonde Orion, das von der US-Raumfahrtbehörde NASA entwickelt wird, soll nach Angaben der Entwickler die Raumsonde Orion – vielseitig einsetzbar und teilweise wiederverwendbar – Astronauten in eine erdnahe Umlaufbahn befördern. Es ist durchaus möglich, dass mit ihrer Hilfe der vor 46 Jahren aufgestellte Geschwindigkeitsrekord für einen Menschen gebrochen werden kann. Die neue superschwere Rakete, Teil des Space Launch Systems, soll dem Plan zufolge erstmals bemannt werden Flug im Jahr 2021. Dabei handelt es sich um einen Vorbeiflug an einem Asteroiden in der Mondumlaufbahn. Darauf folgen monatelange Expeditionen zum Mars. Nach Angaben der Konstrukteure soll die übliche Höchstgeschwindigkeit des Orion nun etwa 32.000 km/h betragen. Die von Apollo 10 erreichte Geschwindigkeit könnte jedoch sogar dann übertroffen werden, wenn die Grundkonfiguration von Orion beibehalten würde. „Orion ist darauf ausgelegt, während seiner gesamten Lebensdauer eine Vielzahl von Zielen anzufliegen“, sagt Bray, was wir jetzt planen stellen nicht den Höhepunkt des menschlichen Geschwindigkeitspotentials dar. „Die Geschwindigkeit, mit der wir uns fortbewegen können, hat praktisch keine andere Grenze als die Lichtgeschwindigkeit“, sagt Bray. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt eine Milliarde km/Stunde. Gibt es eine Hoffnung, dass wir die Lücke zwischen 40.000 km/h und diesen Werten schließen können? Überraschenderweise ist Geschwindigkeit als Vektorgröße, die die Bewegungsgeschwindigkeit und die Bewegungsrichtung angibt, für die Menschen in der Welt kein Problem physikalischen Sinne, solange sie relativ konstant und in eine Richtung gerichtet ist, können sich Menschen theoretisch nur geringfügig langsamer als die „Geschwindigkeitsgrenze des Universums“ bewegen, d. h. Aber selbst wenn wir davon ausgehen, dass wir die erheblichen technologischen Hindernisse überwinden, die mit der Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Raumfahrzeugen verbunden sind, werden unsere fragilen, meist Gewässer, mit neuen Gefahren konfrontiert sein, die mit den Auswirkungen der hohen Geschwindigkeit verbunden sind , vorerst, wenn Menschen durch die Ausnutzung von Lücken in der modernen Physik oder durch Entdeckungen, die neue Maßstäbe setzen, schneller als mit Lichtgeschwindigkeit reisen können. Wie man Überlastungen aushält Wenn wir uns jedoch mit einer Geschwindigkeit von über 40.000 km/h fortbewegen wollen, müssen wir diese erreichen und dann langsamer und mit Geduld bremsen. Schnelle Beschleunigung und ebenso schnelles Abbremsen bergen Lebensgefahr für den menschlichen Körper. Dies zeigt sich an der Schwere der Verletzungen bei Autounfällen, bei denen die Geschwindigkeit von mehreren zehn Kilometern pro Stunde auf Null sinkt. Was ist der Grund dafür? In dieser Eigenschaft des Universums, die Trägheit oder die Fähigkeit eines physischen Körpers mit Masse genannt wird, einer Änderung seines Ruhe- oder Bewegungszustands in Abwesenheit oder Kompensation äußerer Einflüsse zu widerstehen, wird diese Idee im ersten Newtonschen Gesetz formuliert heißt es: „Jeder Körper bleibt in seinem Ruhezustand oder in seiner gleichmäßigen und linearen Bewegung erhalten, bis er durch einwirkende Kräfte gezwungen wird, diesen Zustand zu ändern.“ „Ein Ruhe- und Bewegungszustand mit konstanter Geschwindigkeit ist für den menschlichen Körper normal.“ „Vor etwa einem Jahrhundert führte die Entwicklung robuster Flugzeuge, die mit hoher Geschwindigkeit manövrieren konnten, dazu, dass Piloten seltsame Symptome meldeten, die durch Geschwindigkeitsänderungen verursacht wurden“, erklärt Bray Flugrichtung. Zu diesen Symptomen gehörten ein vorübergehender Verlust des Sehvermögens und ein Gefühl von Schwere oder Schwerelosigkeit. Die Ursache sind G-Kräfte, gemessen in G, dem Verhältnis der linearen Beschleunigung zur Erdbeschleunigung unter dem Einfluss der Schwerkraft oder Anziehung. Diese Einheiten spiegeln die Wirkung der Erdbeschleunigung auf die Masse beispielsweise eines menschlichen Körpers wider. Eine Überlastung von 1 G entspricht dem Gewicht eines Körpers, der sich im Schwerefeld der Erde befindet und vom Mittelpunkt des Planeten angezogen wird Eine Geschwindigkeit von 9,8 m/s (auf Meereshöhe), die eine Person vertikal von Kopf bis Fuß oder umgekehrt erfährt, ist bei negativen G-Kräften eine wirklich schlechte Nachricht. Verlangsamung, Blut strömt von den Zehen zum Kopf, es entsteht ein Gefühl der Übersättigung, wie beim Handstand (das Gefühl, das eine Person verspürt, wenn Blut zum Kopf strömt), wenn das Blut geschwollen und durchscheinend ist Die Augenlider heben sich und schließen die Pupillen. Und umgekehrt fließt bei Beschleunigung oder positiven g-Kräften Blut vom Kopf zu den Füßen, den Augen und dem Gehirn beginnt es an Sauerstoff zu mangeln, da sich das Blut zunächst in den unteren Extremitäten ansammelt , die Sicht wird neblig, d.h. Es kommt zum Verlust des Farbsehens und es rollt sich ein sogenannter „grauer Schleier“ ein, dann kommt es zum vollständigen Verlust des Sehvermögens oder „schwarzen Schleiers“, aber die Person bleibt bei Bewusstsein. Übermäßige Überlastung führt zum völligen Verlust des Bewusstseins. Dieser Zustand wird als Überlastungssynkope bezeichnet. Viele Piloten sind gestorben, weil ein „schwarzer Schleier“ über ihre Augen fiel und sie abstürzten. Der durchschnittliche Mensch kann einer Krafteinwirkung von etwa fünf G standhalten, bevor er das Bewusstsein verliert. Piloten tragen spezielle Anti-G-Anzüge und sind auf besondere Weise darauf trainiert, sich anzustrengen und zu entspannen Die Muskeln des Rumpfes, damit das Blut nicht aus dem Kopf abfließt, sind in der Lage, das Flugzeug mit etwa neun G zu steuern. „Für kurze Zeit kann der menschliche Körper viel stärkere G-Kräfte als neun G aushalten“, sagt er Jeff Swiatek, Geschäftsführer der Association Aerospace Medicine mit Sitz in Alexandria, Virginia – Aber nur sehr wenige sind in der Lage, hohen Überlastungen über einen längeren Zeitraum standzuhalten. Wir Menschen sind in der Lage, enorme Überlastungen ohne ernsthafte Verletzungen auszuhalten, allerdings nur für eine Weile Ein Rekord für Kurzzeitausdauer unter der Leitung von US Air Force Captain Eli Beeding Jr. auf der Holloman Air Force Base in New Mexico. Im Jahr 1958 erlebte er beim Bremsen eines speziellen Schlittens mit Raketentriebwerk, nachdem er in 0,1 Sekunden auf 55 km/h beschleunigt hatte, eine Überlastung von 82,3 G. Dieses Ergebnis wurde von einem Beschleunigungsmesser auf seiner Brust aufgezeichnet. Auch Beeding erlitt eine „schwarze Wolke“ über seinen Augen, kam aber bei dieser bemerkenswerten Demonstration menschlicher Ausdauer nur mit blauen Flecken davon. Zwar verbrachte er nach dem Rennen drei Tage im Krankenhaus. Und nun erfuhren Astronauten je nach Transportmittel auch recht hohe Überlastungen – von drei bis fünf G – beim Start bzw. bei der Rückkehr in die dichten Schichten der Atmosphäre Die clevere Idee, Raumfahrer in Flugrichtung liegend an Sitzen zu befestigen, spüren Astronauten die Geschwindigkeit nicht stärker als Passagiere auf kommerziellen Flügen stellt für lange Expeditionen mit der Raumsonde Orion kein Problem dar, bei kleinen Weltraumgesteinen – Mikrometeoriten – ist alles komplizierter. Diese Partikel von der Größe eines Reiskorns können beeindruckende und gleichzeitig zerstörerische Geschwindigkeiten von bis zu 300.000 entwickeln km/h. Um die Integrität des Schiffes und die Sicherheit seiner Besatzung zu gewährleisten, ist Orion mit einer äußeren Schutzschicht ausgestattet, deren Dicke zwischen 18 und 30 cm variiert. Darüber hinaus sind zusätzliche Abschirmungen und eine ausgeklügelte Platzierung der Ausrüstung im Inneren vorgesehen „Um Flugsysteme nicht zu verlieren, ist es für das gesamte Raumschiff von entscheidender Bedeutung, die Anflugwinkel von Mikrometeoriten genau zu berechnen“, sagt Jim Bray. Seien Sie versichert: Mikrometeoriten sind nicht das einzige Hindernis für Weltraummissionen , bei dem hohe Geschwindigkeiten des menschlichen Fluges im leeren Weltraum eine immer wichtigere Rolle spielen werden. Während der Expedition zum Mars müssen weitere praktische Probleme gelöst werden, beispielsweise die Versorgung der Besatzung mit Lebensmitteln und die Bekämpfung der erhöhten Krebsgefahr Die Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf den menschlichen Körper werden die Schwere solcher Probleme verringern, so dass die Geschwindigkeit der Fortbewegung zunehmend wünschenswert wird. Raumfahrt der nächsten Generation Dieses Bedürfnis nach Geschwindigkeit stellt Raumfahrer vor neue Hindernisse. Das neue Raumschiff der NASA, das den Geschwindigkeitsrekord von Apollo 10 zu brechen droht, wird weiterhin auf bewährte chemische Raketenantriebssysteme zurückgreifen, die seit den ersten Raumflügen eingesetzt werden. Aufgrund der Freisetzung geringer Energiemengen pro Kraftstoffeinheit unterliegen diese Systeme jedoch erheblichen Geschwindigkeitsbeschränkungen. Um die Fluggeschwindigkeit für Menschen, die zum Mars und darüber hinaus fliegen, erheblich zu erhöhen, sind Wissenschaftler sich bewusst, dass völlig neue Ansätze erforderlich sind. „Die Systeme, die wir heute haben, sind durchaus in der Lage, uns dorthin zu bringen“, sagt Bray, „aber wir alle würden es gerne tun.“ Erleben Sie eine Revolution in der Antriebstechnik.“ Eric Davis, ein führender Forschungsphysiker am Institute for Advanced Study in Austin, Texas und Mitglied des Breakthrough Propulsion Physics Program der NASA, einem sechsjährigen Forschungsprojekt, das 2002 endete, identifizierte drei davon Aus Sicht der traditionellen Physik ist es das vielversprechendste Mittel, das der Menschheit dabei helfen kann, Geschwindigkeiten zu erreichen, die für interplanetare Reisen einigermaßen ausreichend sind. Kurz gesagt, wir sprechen über die Phänomene der Energiefreisetzung bei der Spaltung von Materie, der Kernfusion und der Vernichtung von Antimaterie. Die erste Methode ist die Spaltung von Atomen und wird in kommerziellen Kernreaktoren eingesetzt. Bei der zweiten Methode, der thermonuklearen Fusion, werden aus einfachen Atomen schwerere Atome erzeugt – diese Art von Reaktion treibt die Sonne an. Dies ist eine Technologie, die fasziniert, aber schwer zu verstehen ist; es ist „immer noch 50 Jahre entfernt“ – und wird es auch immer sein, wie das alte Motto der Branche lautet: „Das sind sehr fortschrittliche Technologien“, sagt Davis, „aber sie basieren auf traditioneller Physik und sind seit den Anfängen der Atomtechnik fest etabliert.“ Alter." Nach optimistischen Schätzungen sind Antriebssysteme, die auf den Konzepten der Atomspaltung und der Kernfusion basieren, theoretisch in der Lage, ein Schiff auf 10 % der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, d. h. Bis zu respektablen 100 Millionen km/h. Die bevorzugteste, wenn auch schwer fassbare Energiequelle für ein schnelles Raumschiff ist Antimaterie, das Gegenstück und Antipode der gewöhnlichen Materie. Wenn zwei Arten von Materie in Kontakt kommen, zerstören sie sich gegenseitig. Dies führt zur Freisetzung reiner Energie. Es gibt heute Technologien, die es ermöglichen, – bisher äußerst unbedeutende – Mengen an Antimaterie zu produzieren und zu speichern. Gleichzeitig erfordert die Produktion von Antimaterie in nutzbaren Mengen neue Spezialkapazitäten der nächsten Generation , und die Technik muss sich einem Wettbewerb stellen, um ein geeignetes Raumschiff zu entwickeln, aber Davis sagt, dass es bereits viele großartige Ideen gibt, die mit Antimaterieenergie betrieben werden und über Monate oder sogar Jahre hinweg beschleunigen und größere Prozentsätze der Geschwindigkeit erreichen könnten aus Licht. Gleichzeitig bleiben Überlastungen an Bord für die Schiffsbewohner akzeptabel. Gleichzeitig sind solche fantastischen neuen Geschwindigkeiten mit anderen Gefahren für den menschlichen Körper verbunden. EnergiehagelBei Geschwindigkeiten von mehreren hundert Millionen Kilometern pro Stunde wird jedes Staubkorn im Weltraum, von verstreuten Wasserstoffatomen bis zu Mikrometeoriten, unweigerlich zu einer hochenergetischen Kugel, die den Rumpf eines Schiffes durchschlagen kann. „Wenn Sie sich mit sehr hohen Geschwindigkeiten bewegen, Dies bedeutet, dass sich die Partikel „mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen“, sagt Arthur Edelstine. Er arbeitete mit seinem verstorbenen Vater, William Edelstine, einem Professor für Radiologie an der Johns Hopkins University School of Medicine, an einer wissenschaftlichen Arbeit, die so aussah zu den Auswirkungen der Einwirkung kosmischer Wasserstoffatome (auf Menschen und Ausrüstung) während der ultraschnellen Raumfahrt im Weltraum. Obwohl sein Gehalt ein Atom pro Kubikzentimeter nicht überschreitet, kann der im Weltraum verstreute Wasserstoff die Eigenschaften eines intensiven Strahlungsbeschusses annehmen beginnt, sich in subatomare Partikel zu zersetzen, die in das Schiff eindringen und Strahlung sowohl für die Besatzung als auch für die Ausrüstung aussetzen. Bei 95 % der Lichtgeschwindigkeit würde die Einwirkung dieser Strahlung fast den sofortigen Tod des Raumschiffs bedeuten „Das sind alles äußerst unangenehme Probleme“, stellt Edelstein mit grimmigem Humor fest. Er und sein Vater haben das grob ausgerechnet, um eine Art hypothetisches magnetisches Abschirmsystem zu schaffen Das Raumschiff könnte sich mit einer Geschwindigkeit bewegen, die das Schiff und seine Insassen vor tödlichem Wasserstoffregen schützt und die halbe Schallgeschwindigkeit nicht überschreitet. Dann haben die Menschen an Bord eine Chance zu überleben. Mark Millis, ein translatorischer Antriebsphysiker und ehemaliger Direktor des Breakthrough Propulsion Physics Program der NASA, warnt, dass diese potenzielle Geschwindigkeitsbegrenzung für die Raumfahrt auch in ferner Zukunft ein Problem bleiben wird Aufgrund der bisher gesammelten physikalischen Erkenntnisse können wir sagen, dass es äußerst schwierig sein wird, eine Geschwindigkeit über 10 % der Lichtgeschwindigkeit zu entwickeln“, sagt Millis. „Wir sind noch nicht in Gefahr.“ ertrinken, wenn wir es noch nicht sind.“ Schneller als das Licht? Wenn wir davon ausgehen, dass wir sozusagen schwimmen gelernt haben, werden wir dann – wenn wir diese Analogie weiterentwickeln – in der Lage sein, das Gleiten durch die kosmische Zeit zu meistern und mit Überlichtgeschwindigkeit zu fliegen? Obwohl die überlichtige Umgebung zweifelhaft ist, birgt sie doch gewisse Funken gebildeter Erleuchtung in der absoluten Dunkelheit. Ein solches faszinierendes Transportmittel basiert auf Technologien, die denen ähneln, die im „Warp-Antrieb“ oder „Warp-Antrieb“ aus der Star-Trek-Serie verwendet werden Das Funktionsprinzip dieses Antriebssystems, auch bekannt als „Alcubierre-Motor“* (benannt nach dem mexikanischen theoretischen Physiker Miguel Alcubierre), besteht darin, dass es dem Schiff ermöglicht, die normale Raumzeit vor sich zu komprimieren, wie von Albert beschrieben Einstein, und es dahinter ausdehnen, bewegt sich das Schiff in einem bestimmten Raumzeitvolumen, einer Art „Krümmungsblase“, die sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit bewegt in dieser „Blase“, ohne einer Verformung zu unterliegen und Verletzungen der universellen Grenze der Lichtgeschwindigkeit zu vermeiden, „anstatt in der Wassersäule der normalen Raumzeit zu segeln“, sagt Davis, „wird der Alcubierre-Motor Sie wie folgt transportieren.“ ein Surfer, der auf einem Brett über den Wellenkamm rast.“ Es gibt auch einen gewissen Haken. Um diese Idee zu verwirklichen, ist eine exotische Form von Materie mit negativer Masse erforderlich, um die Raumzeit zu komprimieren und auszudehnen. „Die Physik enthält keine Kontraindikationen bezüglich negativer Masse“, sagt Davis, „aber es gibt keine Beispiele dafür, und wir haben sie.“ Ich habe es noch nie in der Natur gesehen. „Es gibt noch einen weiteren Haken.“ In einem 2012 veröffentlichten Artikel schlugen Forscher der Universität Sydney vor, dass die „Warp-Blase“ hochenergetische kosmische Teilchen ansammeln würde, wenn sie unweigerlich mit dem Inhalt des Universums interagieren würde. Einige Teilchen würden in die Blase selbst eindringen und pumpen das Schiff mit Strahlung. Bei Unterlichtgeschwindigkeit steckengeblieben? Sind wir aufgrund unserer empfindlichen Biologie wirklich dazu verdammt, bei Unterlichtgeschwindigkeit festzustecken? Die Menschheit in eine interstellare Gesellschaft verwandeln Bei halber Lichtgeschwindigkeit – und das ist die Grenze, die unser Körper laut Edelsteins Forschung aushalten kann – würde eine Hin- und Rückreise zum nächsten Stern mehr als 16 Jahre dauern. (Die Auswirkungen der Zeitdilatation, die dazu führen würde, dass die Besatzung eines Raumschiffs weniger Zeit in ihrem Bild verbringen würde als die Menschen, die in ihrem Bild auf der Erde verbleiben, hätten bei halber Lichtgeschwindigkeit keine dramatischen Folgen.) Mark Millis ist hoffnungsvoll . Wenn man bedenkt, dass die Menschheit G-Anzüge und den Schutz vor Mikrometeoriten erfunden hat, die es den Menschen ermöglichen, sicher in der großen blauen Ferne und im sternenübersäten Schwarz des Weltraums zu reisen, ist er zuversichtlich, dass wir Wege zum Überleben finden können, egal welche Geschwindigkeitsbegrenzungen wir in Zukunft erreichen „Die gleichen Technologien, die uns helfen können, unglaubliche neue Reisegeschwindigkeiten zu erreichen, werden uns neue, bisher unbekannte Möglichkeiten zum Schutz von Besatzungen bieten.“ Anmerkung: * Miguel Alcubierre hatte 1994 die Idee zu seiner „Blase“. . Und 1995 schlug der russische theoretische Physiker Sergei Krasnikov das Konzept eines Geräts für die Raumfahrt schneller als die Schallgeschwindigkeit vor. Die Idee wurde „Krasnikov-Röhre“ genannt. Dabei handelt es sich um eine künstliche Krümmung der Raumzeit nach dem Prinzip des sogenannten Wurmlochs. Hypothetisch bewegt sich das Schiff geradlinig von der Erde zu einem bestimmten Stern durch die gekrümmte Raumzeit und durchquert dabei andere Dimensionen. Nach Krasnikovs Theorie kehrt der Raumfahrer in die gleiche Zeit zurück, in der er aufgebrochen ist.

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Der aktuelle Geschwindigkeitsrekord im Weltraum besteht seit 46 Jahren. Der Korrespondent fragte sich, wann er geschlagen werden würde.

Wir Menschen sind von Geschwindigkeit besessen. So wurde erst in den letzten Monaten bekannt, dass Studenten in Deutschland einen Geschwindigkeitsrekord für ein Elektroauto aufgestellt haben und die US-Luftwaffe plant, Hyperschallflugzeuge so zu verbessern, dass sie Geschwindigkeiten erreichen, die fünfmal so hoch sind wie die Schallgeschwindigkeit, also über 6100 km/h.

Solche Flugzeuge werden keine Besatzung haben, aber nicht, weil sich Menschen nicht mit so hohen Geschwindigkeiten fortbewegen können. Tatsächlich bewegen sich Menschen bereits mit Geschwindigkeiten, die um ein Vielfaches höher sind als die Schallgeschwindigkeit.

Gibt es jedoch eine Grenze, ab der unser schnell rasanter Körper der Überlastung nicht mehr standhält?

Der aktuelle Geschwindigkeitsrekord wird zu gleichen Teilen von drei Astronauten geteilt, die an der Weltraummission Apollo 10 teilgenommen haben – Tom Stafford, John Young und Eugene Cernan.

Als Astronauten 1969 den Mond umkreisten und zurückkehrten, erreichte die Kapsel, in der sie sich befanden, eine Geschwindigkeit, die auf der Erde 39,897 km/h betragen würde.

„Ich glaube, vor hundert Jahren konnten wir uns kaum vorstellen, dass sich ein Mensch mit einer Geschwindigkeit von fast 40.000 Kilometern pro Stunde im Weltraum bewegen könnte“, sagt Jim Bray vom Luft- und Raumfahrtkonzern Lockheed Martin.

Bray ist Direktor des bewohnbaren Modulprojekts für die Raumsonde Orion, das von der US-Weltraumbehörde NASA entwickelt wird.

Nach Angaben der Entwickler soll die Raumsonde Orion – vielseitig einsetzbar und teilweise wiederverwendbar – Astronauten in eine erdnahe Umlaufbahn befördern. Es ist durchaus möglich, dass es mit seiner Hilfe gelingen wird, den vor 46 Jahren aufgestellten Geschwindigkeitsrekord für einen Menschen zu brechen.

Die neue superschwere Rakete, Teil des Space Launch Systems, soll 2021 ihren ersten bemannten Flug absolvieren. Dabei handelt es sich um einen Vorbeiflug an einem Asteroiden, der sich in der Mondumlaufbahn befindet.

Der durchschnittliche Mensch kann einer Krafteinwirkung von etwa fünf G standhalten, bevor er ohnmächtig wird.

Dann sollten monatelange Expeditionen zum Mars folgen. Nach Angaben der Konstrukteure soll die übliche Höchstgeschwindigkeit des Orion nun etwa 32.000 km/h betragen. Allerdings kann die von Apollo 10 erreichte Geschwindigkeit auch dann übertroffen werden, wenn die Grundkonfiguration der Orion-Raumsonde beibehalten wird.

„Orion ist darauf ausgelegt, während seiner gesamten Lebensdauer eine Vielzahl von Zielen anzufliegen“, sagt Bray. „Es könnte viel schneller sein, als wir derzeit planen.“

Aber selbst Orion wird nicht den Höhepunkt des menschlichen Geschwindigkeitspotenzials darstellen. „Die Geschwindigkeit, mit der wir uns fortbewegen können, hat praktisch keine andere Grenze als die Lichtgeschwindigkeit“, sagt Bray.

Die Lichtgeschwindigkeit beträgt eine Milliarde km/Stunde. Gibt es Hoffnung, dass wir die Lücke zwischen 40.000 km/h und diesen Werten schließen können?

Überraschenderweise stellt die Geschwindigkeit als Vektorgröße, die die Bewegungsgeschwindigkeit und die Bewegungsrichtung angibt, für den Menschen im physikalischen Sinne kein Problem dar, solange sie relativ konstant und in eine Richtung gerichtet ist.

Folglich können sich Menschen – theoretisch – im Weltraum nur geringfügig langsamer bewegen als die „Geschwindigkeitsgrenze des Universums“, also Lichtgeschwindigkeit.

Abbildungs-Copyright NASA Bildbeschreibung Wie wird sich ein Mensch in einem Schiff fühlen, das nahezu mit Lichtgeschwindigkeit fliegt?

Aber selbst wenn wir die erheblichen technologischen Hürden überwinden, die mit Hochgeschwindigkeits-Raumfahrzeugen verbunden sind, werden unsere empfindlichen, größtenteils aus Gewässern bestehenden Gewässer mit neuen Gefahren konfrontiert sein, die mit den Auswirkungen der hohen Geschwindigkeit verbunden sind.

Wenn Menschen durch Ausnutzung von Lücken in der modernen Physik oder durch bahnbrechende Entdeckungen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit reisen können, können nur eingebildete Gefahren entstehen.

Wie man einer Überlastung standhält

Wenn wir jedoch Geschwindigkeiten über 40.000 km/h erreichen wollen, müssen wir diese erreichen und dann langsam und geduldig abbremsen.

Schnelle Beschleunigung und ebenso schnelles Abbremsen stellen eine tödliche Gefahr für den menschlichen Körper dar. Dies zeigt sich an der Schwere der Verletzungen bei Autounfällen, bei denen die Geschwindigkeit von mehreren zehn Kilometern pro Stunde auf Null sinkt.

Was ist der Grund dafür? In dieser Eigenschaft des Universums, die Trägheit genannt wird, oder die Fähigkeit eines physischen Körpers mit Masse, Änderungen in seinem Ruhe- oder Bewegungszustand ohne oder bei Kompensation äußerer Einflüsse zu widerstehen.

Diese Idee ist in Newtons erstem Gesetz formuliert, das besagt: „Jeder Körper bleibt in seinem Ruhezustand oder in seiner gleichmäßigen und geradlinigen Bewegung erhalten, bis er durch angewandte Kräfte gezwungen wird, diesen Zustand zu ändern.“

Wir Menschen sind in der Lage, enorme Überlastungen ohne ernsthafte Verletzungen auszuhalten, wenn auch nur für wenige Momente.

„Für den menschlichen Körper ist es normal, in Ruhe zu bleiben und sich mit konstanter Geschwindigkeit zu bewegen“, erklärt Bray. „Wir sollten uns eher um den Zustand eines Menschen im Moment der Beschleunigung kümmern.“

Vor etwa einem Jahrhundert führte die Entwicklung robuster Flugzeuge, die mit hoher Geschwindigkeit manövrieren konnten, dazu, dass Piloten seltsame Symptome meldeten, die durch Geschwindigkeits- und Flugrichtungsänderungen verursacht wurden. Zu diesen Symptomen gehörten ein vorübergehender Verlust des Sehvermögens und ein Gefühl von Schwere oder Schwerelosigkeit.

Der Grund sind G-Kräfte, gemessen in der Einheit G, das Verhältnis der linearen Beschleunigung zur Erdbeschleunigung auf der Erdoberfläche unter dem Einfluss der Anziehung oder Schwerkraft. Diese Einheiten spiegeln die Auswirkung der Erdbeschleunigung auf die Masse beispielsweise eines menschlichen Körpers wider.

Eine Überlastung von 1 G entspricht dem Gewicht eines Körpers, der sich im Schwerefeld der Erde befindet und mit einer Geschwindigkeit von 9,8 m/s (auf Meereshöhe) vom Planetenmittelpunkt angezogen wird.

Vertikal von Kopf bis Fuß oder umgekehrt auftretende G-Kräfte sind wirklich schlechte Nachrichten für Piloten und Passagiere.

Bei negativen Überlastungen, d.h. Verlangsamung, Blut strömt von den Zehen zum Kopf, es entsteht ein Gefühl der Übersättigung, wie beim Handstand.

Abbildungs-Copyright SPL Bildbeschreibung Um zu verstehen, wie viele Gs Astronauten aushalten können, werden sie in einer Zentrifuge trainiert

„Roter Schleier“ (das Gefühl, das eine Person verspürt, wenn Blut zum Kopf strömt) tritt auf, wenn sich die blutgeschwollenen, durchscheinenden unteren Augenlider heben und die Pupillen bedecken.

Und umgekehrt fließt bei Beschleunigung oder positiven G-Kräften Blut vom Kopf zu den Füßen, den Augen und dem Gehirn beginnt Sauerstoffmangel, da sich Blut in den unteren Extremitäten ansammelt.

Die Sicht wird zunächst neblig, d.h. Es kommt zum Verlust des Farbsehens und es rollt sich ein sogenannter „grauer Schleier“ ein, dann kommt es zu einem vollständigen Verlust des Sehvermögens oder „schwarzen Schleier“, aber die Person bleibt bei Bewusstsein.

Übermäßige Überlastung führt zu völligem Bewusstseinsverlust. Dieser Zustand wird als Überlastungssynkope bezeichnet. Viele Piloten starben, weil ihnen ein „schwarzer Schleier“ über die Augen fiel und sie abstürzten.

Der durchschnittliche Mensch kann einer Krafteinwirkung von etwa fünf G standhalten, bevor er das Bewusstsein verliert.

Piloten, die spezielle Anti-G-Anzüge tragen und darauf trainiert sind, ihre Rumpfmuskulatur auf besondere Weise anzuspannen und zu entspannen, um den Blutfluss aus dem Kopf aufrechtzuerhalten, sind in der Lage, das Flugzeug bei etwa neun G zu steuern.

Bei Erreichen einer stabilen Reisegeschwindigkeit von 26.000 km/h im Orbit erfahren Astronauten nicht mehr Geschwindigkeit als Passagiere auf kommerziellen Flügen

„Für kurze Zeiträume kann der menschliche Körper viel größeren G-Kräften als neun G standhalten“, sagt Jeff Swiatek, Geschäftsführer der Aerospace Medical Association mit Sitz in Alexandria, Virginia. „Aber die Fähigkeit, hohen G-Kräften standzuhalten.“ über längere Zeiträume ist sehr gering.“

Wir Menschen sind in der Lage, enorme Überlastungen ohne ernsthafte Verletzungen auszuhalten, wenn auch nur für wenige Momente.

Der kurzfristige Ausdauerrekord wurde vom US-Luftwaffenkapitän Eli Beeding Jr. auf der Holloman Air Force Base in New Mexico aufgestellt. Im Jahr 1958 erlebte er beim Bremsen eines Spezialschlittens mit Raketentriebwerk, nachdem er in 0,1 Sekunden auf 55 km/h beschleunigt hatte, eine Überlastung von 82,3 G.

Dieses Ergebnis wurde von einem an seiner Brust befestigten Beschleunigungsmesser aufgezeichnet. Auch Beeding erlitt eine „schwarze Wolke“ über seinen Augen, kam aber bei dieser bemerkenswerten Demonstration menschlicher Ausdauer nur mit blauen Flecken davon. Zwar verbrachte er nach dem Rennen drei Tage im Krankenhaus.

Und jetzt in den Weltraum

Auch Astronauten erlebten je nach Transportmittel recht hohe Überlastungen – von drei bis fünf G – beim Start bzw. bei der Rückkehr in die dichten Schichten der Atmosphäre.

Dank der cleveren Idee, Raumfahrer in liegender Position mit Blick auf die Flugrichtung an Sitzen zu befestigen, werden diese Überlastungen relativ problemlos toleriert.

Sobald sie im Orbit eine stabile Reisegeschwindigkeit von 26.000 km/h erreichen, spüren Astronauten nicht mehr Geschwindigkeit als Passagiere auf kommerziellen Flügen.

Wenn Überlastungen für lange Expeditionen mit der Raumsonde Orion kein Problem darstellen, ist bei kleinen Weltraumgesteinen – Mikrometeoriten – alles komplizierter.

Abbildungs-Copyright NASA Bildbeschreibung Zum Schutz vor Mikrometeoriten benötigt Orion eine Art Weltraumpanzerung

Diese reiskorngroßen Partikel können beeindruckende, aber zerstörerische Geschwindigkeiten von bis zu 300.000 km/h erreichen. Um die Integrität des Schiffes und die Sicherheit seiner Besatzung zu gewährleisten, ist Orion mit einer äußeren Schutzschicht ausgestattet, deren Dicke zwischen 18 und 30 cm variiert.

Darüber hinaus sind zusätzliche Schutzschilde vorgesehen und es kommt auch eine ausgeklügelte Platzierung der Ausrüstung im Inneren des Schiffes zum Einsatz.

„Um den Verlust von Flugsystemen zu vermeiden, die für das gesamte Raumschiff lebenswichtig sind, müssen wir die Anflugwinkel von Mikrometeoriten genau berechnen“, sagt Jim Bray.

Seien Sie versichert: Mikrometeoriten sind nicht das einzige Hindernis für Weltraummissionen, bei denen hohe Geschwindigkeiten des menschlichen Fluges im Vakuum eine immer wichtigere Rolle spielen werden.

Während der Expedition zum Mars müssen weitere praktische Probleme gelöst werden, beispielsweise die Versorgung der Besatzung mit Nahrungsmitteln und die Bekämpfung der erhöhten Krebsgefahr durch die Auswirkungen der kosmischen Strahlung auf den menschlichen Körper.

Durch die Verkürzung der Reisezeit wird die Schwere solcher Probleme verringert, so dass die Reisegeschwindigkeit immer wünschenswerter wird.

Raumfahrt der nächsten Generation

Dieses Bedürfnis nach Geschwindigkeit wird den Raumfahrern neue Hindernisse in den Weg stellen.

Das neue Raumschiff der NASA, das den Geschwindigkeitsrekord von Apollo 10 zu brechen droht, wird weiterhin auf bewährten chemischen Raketenantriebssystemen basieren, die seit den ersten Raumflügen eingesetzt werden. Aufgrund der Freisetzung geringer Energiemengen pro Kraftstoffeinheit unterliegen diese Systeme jedoch erheblichen Geschwindigkeitsbeschränkungen.

Die am meisten bevorzugte, wenn auch schwer fassbare Energiequelle für ein schnelles Raumschiff ist Antimaterie, das Gegenstück und der Antipode der gewöhnlichen Materie

Um die Fluggeschwindigkeit für Menschen, die zum Mars und darüber hinaus fliegen, deutlich zu erhöhen, erkennen Wissenschaftler daher, dass völlig neue Ansätze erforderlich sind.

„Die Systeme, die wir heute haben, sind durchaus in der Lage, uns dorthin zu bringen“, sagt Bray, „aber wir alle würden gerne eine Revolution bei den Motoren erleben.“

Eric Davis, ein führender Forschungsphysiker am Institute for Advanced Study in Austin, Texas, und Mitglied des Breakthrough Physics in Propulsion Program der NASA, einem sechsjährigen Forschungsprojekt, das 2002 endete, hat drei der vielversprechendsten Werkzeuge identifiziert Aus der Perspektive der traditionellen Physik kann dies dazu beitragen, dass die Menschheit Geschwindigkeiten erreicht, die für interplanetare Reisen einigermaßen ausreichend sind.

Kurz gesagt, wir sprechen über die Phänomene der Energiefreisetzung bei der Spaltung von Materie, der Kernfusion und der Vernichtung von Antimaterie.

Die erste Methode beinhaltet die Spaltung von Atomen und wird in kommerziellen Kernreaktoren eingesetzt.

Bei der zweiten Kernfusion werden aus einfacheren Atomen schwerere Atome erzeugt – die Art von Reaktion, die die Sonne antreibt. Dies ist eine Technologie, die fasziniert, aber schwer zu verstehen ist; Es ist „immer 50 Jahre entfernt“ – und so wird es auch immer sein, wie das alte Motto der Branche lautet.

„Das sind sehr fortschrittliche Technologien“, sagt Davis, „aber sie basieren auf traditioneller Physik und sind seit Beginn des Atomzeitalters fest etabliert.“ Nach optimistischen Schätzungen sind Antriebssysteme, die auf den Konzepten der Atomspaltung und der Kernfusion basieren, theoretisch in der Lage, ein Schiff auf 10 % der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, d. h. bis zu respektablen 100 Millionen km/h.

Abbildungs-Copyright US Luftstreitkräfte Bildbeschreibung Fliegen mit Überschallgeschwindigkeit ist für den Menschen kein Problem mehr. Eine andere Sache ist die Lichtgeschwindigkeit, oder zumindest nahe daran ...

Die am meisten bevorzugte, wenn auch schwierig zu erreichende Energiequelle für ein schnelles Raumschiff ist Antimaterie, das Gegenstück und der Antipode der gewöhnlichen Materie.

Wenn zwei Arten von Materie in Kontakt kommen, zerstören sie sich gegenseitig, was zur Freisetzung reiner Energie führt.

Heute gibt es Technologien, die es ermöglichen, bislang äußerst unbedeutende Mengen Antimaterie zu produzieren und zu speichern.

Gleichzeitig erfordert die Produktion von Antimaterie in nützlichen Mengen neue Spezialfähigkeiten der nächsten Generation, und die Technik muss sich einem Wettlauf um die Entwicklung eines geeigneten Raumfahrzeugs stellen.

Aber Davis sagt, dass bereits viele großartige Ideen in Planung sind.

Mit Antimaterieenergie betriebene Raumfahrzeuge könnten über Monate oder sogar Jahre hinweg beschleunigen und größere Prozentsätze der Lichtgeschwindigkeit erreichen.

Gleichzeitig bleiben Überlastungen an Bord für die Schiffsbewohner akzeptabel.

Gleichzeitig bergen solche fantastischen neuen Geschwindigkeiten auch andere Gefahren für den menschlichen Körper.

Energiestadt

Bei Geschwindigkeiten von mehreren hundert Millionen Kilometern pro Stunde wird jedes Staubkorn im Weltraum, von verstreuten Wasserstoffatomen bis hin zu Mikrometeoriten, unweigerlich zu einer hochenergetischen Kugel, die den Rumpf eines Schiffs durchschlagen kann.

„Wenn man sich mit sehr hoher Geschwindigkeit bewegt, bedeutet das, dass sich die Teilchen, die auf einen zukommen, mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen“, sagt Arthur Edelstein.

Er arbeitete mit seinem verstorbenen Vater, William Edelstein, einem Professor für Radiologie an der Johns Hopkins University School of Medicine, an einer wissenschaftlichen Arbeit, die sich mit den Auswirkungen (auf Menschen und Ausrüstung) der Exposition gegenüber kosmischen Wasserstoffatomen während ultraschneller Raumfahrten befasste.

Der Wasserstoff beginnt sich in subatomare Partikel zu zersetzen, die in das Schiff eindringen und sowohl die Besatzung als auch die Ausrüstung der Strahlung aussetzen.

Der Alcubierre-Motor treibt Sie an wie ein Surfer, der auf einer Welle reitet. Eric Davis, Forschungsphysiker

Bei 95 % der Lichtgeschwindigkeit würde die Einwirkung einer solchen Strahlung einen fast sofortigen Tod bedeuten.

Das Raumschiff wird auf Schmelztemperaturen erhitzt, denen kein vorstellbares Material widerstehen kann, und das in den Körpern der Besatzungsmitglieder enthaltene Wasser wird sofort kochen.

„Das sind alles äußerst ärgerliche Probleme“, stellt Edelstein mit grimmigem Humor fest.

Er und sein Vater haben grob berechnet, dass das Raumschiff mit einer Geschwindigkeit reisen könnte, die nicht mehr als die halbe Lichtgeschwindigkeit übersteigt, um ein hypothetisches magnetisches Abschirmsystem zu schaffen, das das Schiff und seine Insassen vor tödlichem Wasserstoffregen schützen könnte. Dann haben die Menschen an Bord eine Überlebenschance.

Mark Millis, ein translatorischer Antriebsphysiker und ehemaliger Direktor des Breakthrough Propulsion Physics Program der NASA, warnt davor, dass diese potenzielle Geschwindigkeitsbegrenzung für die Raumfahrt ein weit entferntes Problem bleibt.

„Aufgrund der bisher gesammelten physikalischen Erkenntnisse können wir sagen, dass es äußerst schwierig sein wird, Geschwindigkeiten über 10 % der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen“, sagt Millis. „Wir sind noch nicht in Gefahr.“ wir könnten ertrinken, wenn wir noch nicht einmal ins Wasser gegangen wären.

Schneller als das Licht?

Wenn wir davon ausgehen, dass wir sozusagen schwimmen gelernt haben, werden wir dann in der Lage sein, das Gleiten durch die kosmische Zeit zu meistern – um diese Analogie weiterzuentwickeln – und mit Überlichtgeschwindigkeit zu fliegen?

Die Hypothese einer angeborenen Fähigkeit, in einer superluminalen Umgebung zu überleben, ist zwar zweifelhaft, birgt jedoch nicht ohne gewisse Einblicke gebildeter Erleuchtung in der völligen Dunkelheit.

Eines dieser faszinierenden Fortbewegungsmittel basiert auf Technologien, die denen ähneln, die im „Warp-Antrieb“ oder „Warp-Antrieb“ aus der Star-Trek-Serie verwendet werden.

Das Funktionsprinzip dieses Kraftwerks, auch bekannt als „Alcubierre-Motor“* (benannt nach dem mexikanischen theoretischen Physiker Miguel Alcubierre), besteht darin, dass es dem Schiff ermöglicht, die normale Raumzeit vor sich zu komprimieren, wie von Albert beschrieben Einstein, und erweitere es hinter mir.

Abbildungs-Copyright NASA Bildbeschreibung Der aktuelle Geschwindigkeitsrekord wird von drei Apollo-10-Astronauten gehalten – Tom Stafford, John Young und Eugene Cernan.

Im Wesentlichen bewegt sich das Schiff in einem bestimmten Raum-Zeit-Volumen, einer Art „Krümmungsblase“, die sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit bewegt.

Somit bleibt das Schiff in dieser „Blase“ in der normalen Raumzeit bewegungslos, ohne Verformungen zu unterliegen und Verletzungen der universellen Grenze der Lichtgeschwindigkeit zu vermeiden.

„Anstatt durch das Wasser der normalen Raumzeit zu schweben“, sagt Davis, „trägt Sie der Alcubierre-Antrieb wie ein Surfer, der auf einem Surfbrett über den Wellenkamm fährt.“

Auch hier gibt es einen gewissen Haken. Um diese Idee umzusetzen, wird eine exotische Form von Materie benötigt, die über eine negative Masse verfügt, um die Raumzeit zu komprimieren und auszudehnen.

„Die Physik sagt nichts gegen negative Masse“, sagt Davis, „aber es gibt keine Beispiele dafür, und wir haben sie noch nie in der Natur gesehen.“

Es gibt noch einen weiteren Haken. In einem 2012 veröffentlichten Artikel schlugen Forscher der Universität Sydney vor, dass die „Warp-Blase“ hochenergetische kosmische Teilchen ansammeln würde, wenn sie unweigerlich mit dem Inhalt des Universums in Wechselwirkung trete.

Einige Partikel dringen in die Blase selbst ein und pumpen das Schiff mit Strahlung.

Bei Unterlichtgeschwindigkeit gefangen?

Sind wir aufgrund unserer empfindlichen Biologie wirklich dazu verdammt, bei Unterlichtgeschwindigkeit festzusitzen?!

Dabei geht es nicht so sehr darum, einen neuen (galaktischen?) Weltgeschwindigkeitsrekord für Menschen aufzustellen, sondern um die Aussicht, die Menschheit in eine interstellare Gesellschaft zu verwandeln.

Bei halber Lichtgeschwindigkeit – und das ist die Grenze, die unser Körper laut Edelsteins Forschung aushalten kann – würde ein Hin- und Rückflug zum nächsten Stern mehr als 16 Jahre dauern.

(Zeitdilatationseffekte, die dazu führen würden, dass die Raumschiffbesatzung in ihrem Koordinatensystem weniger Zeit erlebt als die auf der Erde verbleibenden Menschen in ihrem Koordinatensystem, hätten bei halber Lichtgeschwindigkeit keine dramatischen Folgen.)

Mark Millis ist hoffnungsvoll. Wenn man bedenkt, dass die Menschheit G-Anzüge und einen Mikrometeorschutz erfunden hat, der es den Menschen ermöglicht, sicher im weiten Blau und mit Sternen übersäten Schwarz des Weltraums zu reisen, ist er zuversichtlich, dass wir Wege finden können, alle Geschwindigkeitsbegrenzungen der Zukunft zu überstehen.

„Die gleichen Technologien, die uns helfen können, unglaubliche neue Reisegeschwindigkeiten zu erreichen“, überlegt Millis, „werden uns neue, bisher unbekannte Möglichkeiten zum Schutz der Besatzungen bieten.“

Anmerkungen des Übersetzers:

*Miguel Alcubierre hatte 1994 die Idee zu seiner Blase. Und 1995 schlug der russische theoretische Physiker Sergei Krasnikov das Konzept eines Geräts für die Raumfahrt vor, das schneller als Lichtgeschwindigkeit ist. Die Idee wurde „Krasnikow-Pfeife“ genannt.

Dabei handelt es sich um eine künstliche Krümmung der Raumzeit nach dem Prinzip eines sogenannten Wurmlochs. Hypothetisch würde sich das Schiff in einer geradlinigen Linie von der Erde zu einem bestimmten Stern durch die gekrümmte Raumzeit bewegen und dabei andere Dimensionen passieren.

Nach Krasnikovs Theorie wird der Raumfahrer gleichzeitig mit seinem Abflug zurückkehren.

In der Schule wurde uns beigebracht, dass es unmöglich ist, die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten, und dass daher die Bewegung eines Menschen im Weltraum ein großes unlösbares Problem darstellt (wie man zum nächsten Sonnensystem fliegt, wenn Licht diese Entfernung nur in wenigen Minuten zurücklegen kann). tausend Jahre?). Vielleicht haben amerikanische Wissenschaftler einen Weg gefunden, mit Höchstgeschwindigkeit zu fliegen, nicht nur ohne zu schummeln, sondern auch den Grundgesetzen von Albert Einstein zu folgen. Dies behauptet jedenfalls der Autor des Space Deformation Engine-Projekts, Harold White.

Wir in der Redaktion hielten die Nachricht für absolut fantastisch und veröffentlichen heute, am Vorabend des Kosmonautik-Tages, einen Bericht von Konstantin Kakaes für die Zeitschrift Popular Science über ein phänomenales NASA-Projekt, bei dessen Erfolg ein Mensch darüber hinaus reisen kann das Sonnensystem.

Im September 2012 trafen sich mehrere hundert Wissenschaftler, Ingenieure und Weltraumbegeisterte zum zweiten öffentlichen Treffen der Gruppe mit dem Titel „100 Year Starship“. Die Gruppe wird von der ehemaligen Astronautin Mai Jemison geleitet und von DARPA gegründet. Ziel der Konferenz ist es, „innerhalb der nächsten hundert Jahre menschliche Reisen über das Sonnensystem hinaus zu anderen Sternen zu ermöglichen“. Die meisten Konferenzteilnehmer geben zu, dass die Fortschritte bei der bemannten Weltraumforschung zu gering sind. Trotz der in den letzten Quartalen ausgegebenen Milliarden von Dollar können Raumfahrtagenturen fast so viel tun wie in den 1960er Jahren. Tatsächlich wurde 100 Year Starship einberufen, um all das zu beheben.

Aber kommen wir zum Punkt. Nach ein paar Tagen der Konferenz kamen die Teilnehmer zu den fantastischsten Themen: Organregeneration, das Problem der organisierten Religion an Bord eines Schiffes und so weiter. Einer der interessanteren Vorträge beim 100-jährigen Starship-Treffen hieß „Strain Field Mechanics 102“ und wurde von Harold „Sonny“ White von der NASA gehalten. Als Veteran der Agentur leitet White das fortgeschrittene Pulsprogramm am Johnson Space Center (JSC). Zusammen mit fünf Kollegen erstellte er die Space Propulsion Systems Roadmap, die die Ziele der NASA für die zukünftige Raumfahrt darlegt. Der Plan listet alle Arten von Antriebsprojekten auf, von fortschrittlichen chemischen Raketen bis hin zu weitreichenden Entwicklungen wie Antimaterie oder Atommaschinen. Doch Whites Forschungsgebiet ist das futuristischste von allen: Es betrifft das Space-Warp-Triebwerk.

So wird die Alcubierre-Blase normalerweise dargestellt

Dem Plan zufolge soll ein solcher Motor eine Bewegung im Weltraum mit Geschwindigkeiten über der Lichtgeschwindigkeit ermöglichen. Es ist allgemein anerkannt, dass dies unmöglich ist, da es einen klaren Verstoß gegen Einsteins Relativitätstheorie darstellt. Aber White sagt das Gegenteil. Um seine Worte zu bestätigen, beruft er sich auf die sogenannten Alcubierre-Blasen (Gleichungen abgeleitet von Einsteins Theorie, nach der ein Körper im Weltraum im Gegensatz zu einem Körper unter normalen Bedingungen Überlichtgeschwindigkeiten erreichen kann). In der Präsentation erläuterte er, wie er kürzlich theoretische Ergebnisse erzielt hatte, die direkt zur Entwicklung einer realen Raumdeformationsmaschine führten.

Es ist klar, dass das alles absolut fantastisch klingt: Solche Entwicklungen sind eine echte Revolution, die allen Astrophysikern auf der Welt die Hände frei machen wird. Anstatt 75.000 Jahre damit zu verbringen, nach Alpha Centauri zu reisen, dem unserem nächstgelegenen Sternensystem, könnten Astronauten auf einem Schiff mit diesem Motor die Reise in ein paar Wochen antreten.

Angesichts des Endes des Shuttle-Programms und der wachsenden Bedeutung privater Flüge in eine niedrige Erdumlaufbahn konzentriert sich die NASA nach eigenen Angaben wieder auf weitreichende, viel mutigere Pläne, die weit über Reisen zum Mond hinausgehen. Diese Ziele können nur durch die Entwicklung neuer Motorsysteme erreicht werden – je schneller, desto besser. Wenige Tage nach der Konferenz wiederholte NASA-Chef Charles Bolden Whites Worte: „Wir wollen schneller als mit Lichtgeschwindigkeit reisen und ohne auf dem Mars anzuhalten.“

Woher wissen wir etwas über diesen Motor?

Die erste populäre Verwendung des Ausdrucks „Space Warp Engine“ geht auf das Jahr 1966 zurück, als Jen Roddenberry „Star Trek“ veröffentlichte. In den nächsten 30 Jahren existierte dieser Motor nur als Teil dieser Science-Fiction-Serie. Ein Physiker namens Miguel Alcubierre sah sich gerade eine Episode der Serie an, als er an seiner Doktorarbeit in allgemeiner Relativitätstheorie arbeitete und sich fragte, ob die Entwicklung eines Space-Warp-Triebwerks tatsächlich möglich sei. 1994 veröffentlichte er ein Dokument, in dem er diese Position darlegte.

Alcubierre stellte sich eine Blase im Weltraum vor. Im vorderen Teil der Blase zieht sich die Raumzeit zusammen und im hinteren Teil dehnt sie sich aus (wie es laut Physikern beim Urknall geschah). Die Verformung führt dazu, dass das Schiff trotz der Umgebungsgeräusche sanft durch den Raum gleitet, als würde es auf einer Welle surfen. Im Prinzip kann sich eine deformierte Blase beliebig schnell bewegen; Einschränkungen der Lichtgeschwindigkeit gelten nach Einsteins Theorie nur im Kontext der Raumzeit, nicht jedoch bei solchen Verzerrungen der Raumzeit. Innerhalb der Blase würde sich die Raumzeit, wie Alcubierre annahm, nicht ändern und den Raumfahrern kein Schaden zugefügt werden.

Es ist schwierig, Einsteins Gleichungen in der Allgemeinen Relativitätstheorie in einer Richtung zu lösen, indem man herausfindet, wie Materie den Raum krümmt, aber es ist machbar. Mit ihnen stellte Alcubierre fest, dass die Verteilung der Materie eine notwendige Voraussetzung für die Entstehung einer deformierten Blase ist. Das einzige Problem besteht darin, dass die Lösungen zu einer undefinierten Form von Materie führten, die als negative Energie bezeichnet wird.

Vereinfacht ausgedrückt ist die Schwerkraft die Anziehungskraft zwischen zwei Objekten. Jedes Objekt übt unabhängig von seiner Größe eine gewisse Anziehungskraft auf die umgebende Materie aus. Nach Einstein ist diese Kraft die Krümmung der Raumzeit. Negative Energie ist jedoch gravitativ negativ, also abstoßend. Anstatt Zeit und Raum zu verbinden, stößt negative Energie sie weg und trennt sie. Damit ein solches Modell funktioniert, benötigt Alcubierre grob gesagt negative Energie, um die Raumzeit hinter dem Schiff auszudehnen.

Obwohl noch nie jemand negative Energie wirklich gemessen hat, existiert sie laut Quantenmechanik, und Wissenschaftler haben gelernt, sie im Labor zu erzeugen. Eine Möglichkeit, dies nachzubilden, ist der Casimir-Effekt: Zwei parallel zueinander angeordnete leitende Platten erzeugen eine bestimmte Menge negativer Energie. Der Schwachpunkt des Alcubierre-Modells besteht darin, dass es eine enorme Menge negativer Energie benötigt, die mehrere Größenordnungen höher ist, als Wissenschaftler schätzen, dass sie erzeugt werden kann.

White sagt, er habe einen Weg gefunden, diese Einschränkung zu umgehen. In einer Computersimulation modifizierte White die Geometrie des Verformungsfelds, sodass er theoretisch eine deformierte Blase mit millionenfach geringerer negativer Energie erzeugen konnte, als Alcubierre für erforderlich hielt, und möglicherweise mit wenig genug, dass ein Raumschiff die Mittel zu ihrer Erzeugung tragen könnte. „Die Entdeckungen“, sagt White, „verändern Alcubierres Methode von unpraktisch zu völlig plausibel.“

BERICHT AUS WHITES LABOR

Das Johnson Space Center liegt in der Nähe der Lagunen von Houston mit Blick auf die Galveston Bay. Das Zentrum ähnelt ein wenig einem vorstädtischen College-Campus, der nur der Ausbildung von Astronauten dient. Am Tag meines Besuchs trifft mich White im Gebäude 15, einem mehrstöckigen Labyrinth aus Korridoren, Büros und Labors, in dem Motorentests durchgeführt werden. White trägt ein Eagleworks-Poloshirt (wie er seine Motorenexperimente nennt), bestickt mit einem Adler, der über einem futuristischen Raumschiff schwebt.

White begann seine Karriere als Ingenieur und forschte als Teil einer Robotergruppe. Während er seine Doktorarbeit in Plasmaphysik abschloss, übernahm er schließlich das Kommando über den gesamten Robotikflügel auf der ISS. Erst 2009 verlagerte er sein Interesse auf das Studium der Bewegung und dieses Thema faszinierte ihn so sehr, dass es zum Hauptgrund wurde, für die NASA zu arbeiten.

„Er ist ein ziemlich ungewöhnlicher Mensch“, sagt sein Chef John Applewhite, der die Abteilung Antriebssysteme leitet. - Er ist definitiv ein großer Träumer, aber gleichzeitig ein talentierter Ingenieur. Er versteht es, seine Fantasien in ein echtes Ingenieursprodukt umzusetzen.“ Ungefähr zur gleichen Zeit, als er zur NASA kam, bat White um Erlaubnis, ein eigenes Labor für fortschrittliche Antriebssysteme eröffnen zu dürfen. Er selbst erfand den Namen Eagleworks und bat die NASA sogar, ein Logo für seine Spezialisierung zu erstellen. Dann begann diese Arbeit.

White führt mich in sein Büro, das er mit einem Kollegen teilt, der auf dem Mond nach Wasser sucht, und dann hinunter zu Eagleworks. Während er geht, erzählt er mir von seinem Wunsch, ein Labor zu eröffnen, und nennt es „den langen, mühsamen Prozess, eine fortschrittliche Bewegung zu finden, die dem Menschen hilft, den Weltraum zu erkunden“.

White zeigt mir das Objekt und zeigt mir seine zentrale Funktion – etwas, das er einen „Quanten-Vakuum-Plasma-Antrieb“ (QVPT) nennt. Dieses Gerät sieht aus wie ein riesiger Donut aus rotem Samt, dessen Kern fest mit Drähten umwickelt ist. Dies ist eine von zwei Eagleworks-Initiativen (die andere ist der Warp-Antrieb). Auch das ist eine geheime Entwicklung. Als ich frage, was es ist, sagt White nur, dass die Technologie sogar noch cooler ist als der Warp-Antrieb.) Laut einem von White verfassten NASA-Bericht aus dem Jahr 2011 nutzt das Raumschiff Quantenfluktuationen im leeren Weltraum als Treibstoffquelle, was bedeutet, dass ein Raumschiff mit QVPT-Antrieb keinen Treibstoff benötigen würde.

Der Motor nutzt Quantenfluktuationen im leeren Raum als Treibstoffquelle,
was ein Raumschiff bedeutet,
angetrieben durch QVPT, benötigt keinen Kraftstoff.

Wenn das Gerät funktioniert, sieht Whites System filmisch perfekt aus: Die Farbe des Lasers ist rot, und die beiden Strahlen sind wie Säbel gekreuzt. Im Inneren des Rings befinden sich vier Keramikkondensatoren aus Bariumtitanat, die White mit 23.000 Volt auflädt. White hat die letzten zweieinhalb Jahre damit verbracht, das Experiment zu entwickeln, und er sagt, dass die Kondensatoren eine enorme potentielle Energie aufweisen. Als ich jedoch frage, wie man die für die verzerrte Raumzeit benötigte negative Energie erzeugen kann, vermeidet er eine Antwort. Er erklärt, dass er eine Geheimhaltungsvereinbarung unterzeichnet habe und daher keine Details preisgeben könne. Ich frage, mit wem er diese Vereinbarungen getroffen hat. Er sagt: „Mit Menschen. Sie kommen und wollen reden. Nähere Angaben kann ich Ihnen nicht machen.“

GEGNER DER MOTORIDEE

Bisher ist die Theorie des verzerrten Reisens ziemlich intuitiv – sie verzerrt Zeit und Raum, um eine sich bewegende Blase zu erzeugen – und weist einige erhebliche Mängel auf. Selbst wenn White die Menge an negativer Energie, die Alcubierre benötigt, erheblich reduzieren würde, wäre dafür immer noch mehr erforderlich, als Wissenschaftler produzieren können, sagt Lawrence Ford, ein theoretischer Physiker an der Tufts University, der in den letzten 30 Jahren zahlreiche Arbeiten zum Thema negative Energie geschrieben hat . Ford und andere Physiker sagen, dass es grundlegende physikalische Einschränkungen gibt, die nicht so sehr auf technische Unvollkommenheiten zurückzuführen sind, sondern vielmehr auf die Tatsache, dass diese Menge negativer Energie nicht lange an einem Ort existieren kann.

Eine weitere Herausforderung: Um einen Warpball zu erzeugen, der sich schneller als Licht bewegt, müssen Wissenschaftler negative Energie um und über dem Raumschiff erzeugen. White glaubt nicht, dass dies ein Problem darstellt; Er antwortet sehr vage, dass der Motor höchstwahrscheinlich dank vorhandener „Apparate, die die notwendigen Bedingungen schaffen“ funktionieren wird. Die Schaffung dieser Bedingungen vor dem Schiff würde jedoch bedeuten, dass eine konstante Versorgung mit negativer Energie mit Überlichtgeschwindigkeit gewährleistet wäre, was wiederum im Widerspruch zur allgemeinen Relativitätstheorie steht.

Schließlich wirft die Space-Warp-Maschine eine konzeptionelle Frage auf. In der Allgemeinen Relativitätstheorie ist das Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit gleichbedeutend mit einer Zeitreise. Wenn eine solche Maschine real ist, erschafft White eine Zeitmaschine.

Diese Hindernisse geben Anlass zu ernsthaften Zweifeln. „Ich glaube nicht, dass die Physik, die wir kennen, und die Gesetze der Physik es uns erlauben zu glauben, dass er mit seinen Experimenten etwas erreichen wird“, sagt Ken Olum, ein Physiker an der Tufts University, der sich auch an der Debatte über exotische Antriebe beim Starship 100th beteiligte Jubiläumstreffen. Noah Graham, ein Physiker am Middlebury College, der auf meine Bitte hin zwei von Whites Aufsätzen las, schrieb mir per E-Mail: „Ich sehe keine wertvollen wissenschaftlichen Beweise außer Verweisen auf seine früheren Arbeiten.“

Alcubierre, heute Physiker an der Nationalen Autonomen Universität von Mexiko, hat seine eigenen Zweifel. „Selbst wenn ich in einem Raumschiff stünde und negative Energie zur Verfügung hätte, könnte ich sie auf keinen Fall dort platzieren, wo sie sein müsste“, erzählt er mir am Telefon von seinem Zuhause in Mexiko-Stadt aus. - Nein, die Idee ist magisch, ich mag sie, ich habe sie selbst geschrieben. Aber es gibt ein paar gravierende Mängel, die ich jetzt im Laufe der Jahre erkennen kann, und ich kenne keinen einzigen Weg, sie zu beheben.“

DIE ZUKUNFT DER SUPERGESCHWINDIGKEIT

Links vom Haupttor des Johnson Science Center liegt eine Saturn-V-Rakete auf der Seite, ihre Stufen sind getrennt, um ihren inneren Inhalt zu zeigen. Sie ist gigantisch – einer ihrer vielen Motoren hat die Größe eines Kleinwagens und die Rakete selbst ist ein paar Fuß länger als ein Fußballfeld. Dies ist natürlich ein recht beredter Beweis für die Besonderheiten der Weltraumnavigation. Außerdem ist sie 40 Jahre alt und die Zeit, die sie repräsentiert – als die NASA Teil eines riesigen nationalen Plans war, Menschen zum Mond zu schicken – ist längst vorbei. Heute ist JSC einfach ein Ort, der einst großartig war, inzwischen aber die Vorreiterrolle im Weltraum übernommen hat.

Ein Durchbruch in der Bewegung könnte für JSC und NASA eine neue Ära bedeuten, und in gewisser Weise beginnt ein Teil dieser Ära jetzt. Die 2007 gestartete Sonde Dawn untersucht den Asteroidenring mithilfe von Ionentriebwerken. Im Jahr 2010 stellten die Japaner Ikarus in Dienst, das erste interplanetare Raumschiff, das von einem Sonnensegel angetrieben wurde, einer anderen Art experimentellen Antriebs. Und im Jahr 2016 planen Wissenschaftler, VASMIR zu testen, ein plasmabetriebenes System, das speziell für den hohen Antriebsschub in der ISS entwickelt wurde. Aber auch wenn diese Systeme Astronauten zum Mars befördern, können sie sie immer noch nicht über das Sonnensystem hinaus befördern. Um dies zu erreichen, müsse die NASA riskantere Projekte in Angriff nehmen, sagte White.

Der Warp-Antrieb ist vielleicht der am weitesten hergeholte Versuch von Nas, Bewegungsprojekte zu schaffen. Die wissenschaftliche Gemeinschaft sagt, dass Weiß es nicht erschaffen kann. Experten sagen, dass es gegen die Gesetze der Natur und der Physik verstößt. Trotzdem steht die NASA hinter dem Projekt. „Es wird nicht auf der hohen Regierungsebene subventioniert, die es sein sollte“, sagt Applewhite. - Ich denke, dass die Geschäftsführung ein besonderes Interesse daran hat, dass er seine Arbeit fortsetzt; Es ist eines dieser theoretischen Konzepte, die, wenn sie erfolgreich sind, das Spiel völlig verändern.“

Im Januar baute White sein Dehnungsinterferometer zusammen und ging zu seinem nächsten Ziel über. Eagleworks ist seinem eigenen Zuhause entwachsen. Das neue Labor ist größer und, wie er begeistert erklärt, „seismisch isoliert“, das heißt, er ist vor Vibrationen geschützt. Aber das Beste (und Beeindruckendste) an dem neuen Labor ist vielleicht, dass die NASA White die gleichen Bedingungen bot, die Neil Armstrong und Buzz Aldrin auf dem Mond hatten. Okay, lass uns nachsehen.

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 bis 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 5 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 haben Sie Ihre Geschwindigkeit auf 12 km/s verdoppelt, dafür wird jedoch dreimal so viel Energie benötigt. 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 weiterhin 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, diese aber 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!

Schatten können sich schneller als Licht fortbewegen, aber keine Materie oder Informationen transportieren

Ist ein Superluminalflug möglich?

Abschnitte dieses Artikels sind mit Untertiteln versehen und auf jeden Abschnitt kann separat verwiesen werden.

Einfache Beispiele für superluminale Reisen

1. Cherenkov-Effekt

Wenn wir von Bewegungen mit Überlichtgeschwindigkeit sprechen, meinen wir die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum C(299.792.458 m/s). Daher kann der Cherenkov-Effekt nicht als Beispiel für eine Bewegung mit Überlichtgeschwindigkeit angesehen werden.

2. Dritter Beobachter

Wenn die Rakete A fliegt mit hoher Geschwindigkeit von mir weg 0,6c im Westen und die Rakete B fliegt mit hoher Geschwindigkeit von mir weg 0,6c nach Osten, dann sehe ich, dass der Abstand zwischen A Und B nimmt mit der Geschwindigkeit zu 1.2c. Den Raketenflug beobachten A Und B Von außen sieht der dritte Beobachter, dass die Gesamtgeschwindigkeit der Raketenentfernung größer ist als C .

Jedoch relative Geschwindigkeit ist nicht gleich der Summe der Geschwindigkeiten. Raketengeschwindigkeit A relativ zur Rakete B ist die Geschwindigkeit, mit der die Entfernung zur Rakete zunimmt A, das von einem Beobachter gesehen wird, der auf einer Rakete fliegt B. Die Relativgeschwindigkeit muss mithilfe der relativistischen Formel zum Addieren von Geschwindigkeiten berechnet werden. (Siehe Wie addiert man Geschwindigkeiten in der Speziellen Relativitätstheorie?) In diesem Beispiel ist die Relativgeschwindigkeit ungefähr gleich 0,88 c. In diesem Beispiel haben wir also keine Überlichtgeschwindigkeit erhalten.

3. Licht und Schatten

Denken Sie darüber nach, wie schnell sich ein Schatten bewegen kann. Wenn sich die Lampe in der Nähe befindet, bewegt sich der Schatten Ihres Fingers an der gegenüberliegenden Wand viel schneller als Ihr Finger. Wenn Sie Ihren Finger parallel zur Wand bewegen, beträgt die Geschwindigkeit des Schattens D/d Mal schneller als die Geschwindigkeit Ihres Fingers. Hier D- Abstand von der Lampe zum Finger und D- von der Lampe bis zur Wand. Die Geschwindigkeit wird noch höher sein, wenn die Wand schräg steht. Wenn die Wand sehr weit entfernt ist, wird die Bewegung des Schattens hinter der Bewegung des Fingers zurückbleiben, da das Licht Zeit braucht, um die Wand zu erreichen, aber die Geschwindigkeit des Schattens, der sich entlang der Wand bewegt, wird noch stärker zunehmen. Die Geschwindigkeit eines Schattens wird nicht durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt.

Ein weiteres Objekt, das sich schneller als Licht fortbewegen kann, ist der Lichtfleck eines auf den Mond gerichteten Lasers. Die Entfernung zum Mond beträgt 385.000 km. Die Geschwindigkeit, mit der sich der Lichtfleck über die Mondoberfläche bewegt, können Sie durch leichte Vibrationen des Laserpointers in Ihrer Hand selbst berechnen. Vielleicht gefällt Ihnen auch das Beispiel einer Welle, die in einem leichten Winkel auf eine gerade Strandlinie trifft. Mit welcher Geschwindigkeit kann sich der Schnittpunkt von Welle und Ufer am Strand entlang bewegen?

All diese Dinge können in der Natur passieren. Beispielsweise kann ein Lichtstrahl eines Pulsars entlang einer Staubwolke wandern. Eine starke Explosion kann kugelförmige Licht- oder Strahlungswellen erzeugen. Wenn diese Wellen eine Oberfläche treffen, erscheinen auf dieser Oberfläche Lichtkreise, die sich schneller als Licht ausdehnen. Dieses Phänomen tritt beispielsweise auf, wenn ein elektromagnetischer Impuls eines Blitzes die obere Atmosphäre durchdringt.

4. Solide

Wenn Sie eine lange starre Stange haben und auf ein Ende der Stange treffen, bewegt sich das andere Ende dann nicht sofort? Ist das nicht eine Art überluminale Informationsübertragung?

Es wäre wahr wenn Es gab vollkommen starre Körper. In der Praxis wird der Stoß entlang des Stabes mit Schallgeschwindigkeit übertragen, die von der Elastizität und Dichte des Materials des Stabes abhängt. Darüber hinaus begrenzt die Relativitätstheorie die möglichen Schallgeschwindigkeiten in einem Material durch den Wert C .

Das gleiche Prinzip gilt, wenn Sie eine Schnur oder einen Stab senkrecht halten, ihn loslassen und er unter dem Einfluss der Schwerkraft zu fallen beginnt. Das obere Ende, das Sie loslassen, beginnt sofort zu fallen, das untere Ende beginnt jedoch erst nach einiger Zeit, sich zu bewegen, da sich das Verschwinden der Haltekraft mit Schallgeschwindigkeit auf den Stab im Material überträgt.

Die Formulierung der relativistischen Elastizitätstheorie ist recht komplex, die allgemeine Idee lässt sich jedoch anhand der Newtonschen Mechanik veranschaulichen. Die Gleichung für die Längsbewegung eines ideal elastischen Körpers lässt sich aus dem Hookeschen Gesetz ableiten. Bezeichnen wir die lineare Dichte des Stabes ρ , Elastizitätsmodul nach Young Y. Längsverschiebung X erfüllt die Wellengleichung

ρ d 2 X/dt 2 - Y d 2 X/dx 2 = 0

Die ebene Wellenlösung bewegt sich mit Schallgeschwindigkeit S, die aus der Formel ermittelt wird s 2 = Y/ρ. Die Wellengleichung lässt nicht zu, dass sich Störungen im Medium schneller als mit der Geschwindigkeit bewegen S. Darüber hinaus gibt die Relativitätstheorie eine Grenze für die Größe der Elastizität an: Y< ρc 2 . In der Praxis kommt kein bekanntes Material dieser Grenze nahe. Bitte beachten Sie auch, dass die Schallgeschwindigkeit nahe bei liegt C, dann bewegt sich die Materie selbst nicht unbedingt mit relativistischer Geschwindigkeit.

Obwohl es in der Natur keine festen Körper gibt, gibt es sie Bewegung starrer Körper, mit dem die Lichtgeschwindigkeit überwunden werden kann. Dieses Thema bezieht sich auf den bereits beschriebenen Abschnitt über Schatten und Lichter. (Siehe Die superluminale Schere, Die starre rotierende Scheibe in der Relativitätstheorie).

5. Phasengeschwindigkeit

Wellengleichung
d 2 u/dt 2 - c 2 d 2 u/dx 2 + w 2 u = 0

hat eine Lösung im Formular
u = A cos(ax - bt), c 2 a 2 - b 2 + w 2 = 0

Dabei handelt es sich um Sinuswellen, die sich mit der Geschwindigkeit v ausbreiten
v = b/a = sqrt(c 2 + w 2 /a 2)

Aber es sind mehr als c. Vielleicht ist das die Gleichung für Tachyonen? (siehe weiteren Abschnitt). Nein, das ist eine gewöhnliche relativistische Gleichung für ein Teilchen mit Masse.

Um das Paradoxon zu beseitigen, müssen Sie zwischen „Phasengeschwindigkeit“ und „Phasengeschwindigkeit“ unterscheiden. v pH-Wert und „Gruppengeschwindigkeit“ v gr , und
v ph ·v gr = c 2

Die Wellenlösung kann eine Frequenzdispersion aufweisen. In diesem Fall bewegt sich das Wellenpaket mit einer Gruppengeschwindigkeit, die kleiner ist als C. Mithilfe eines Wellenpakets können Informationen nur mit Gruppengeschwindigkeit übertragen werden. Die Wellen in einem Wellenpaket bewegen sich mit Phasengeschwindigkeit. Die Phasengeschwindigkeit ist ein weiteres Beispiel für superluminale Bewegung, die nicht zur Übertragung von Nachrichten verwendet werden kann.

6. Superluminale Galaxien

7. Relativistische Rakete

Lassen Sie einen Beobachter auf der Erde sehen, wie sich ein Raumschiff mit einer bestimmten Geschwindigkeit davonbewegt 0,8 c Nach der Relativitätstheorie wird er feststellen, dass die Uhr im Raumschiff 5/3-mal langsamer läuft. Wenn wir die Entfernung zum Schiff durch die Flugzeit gemäß der Borduhr teilen, erhalten wir die Geschwindigkeit 4/3c. Der Beobachter kommt zu dem Schluss, dass der Schiffspilot anhand seiner Borduhr auch feststellen wird, dass er mit Überlichtgeschwindigkeit fliegt. Aus Sicht des Piloten läuft seine Uhr normal, aber der interstellare Raum ist um das 5/3-fache geschrumpft. Daher fliegt es bekannte Entfernungen zwischen Sternen schneller und mit einer höheren Geschwindigkeit 4/3c .

Aber das ist immer noch kein Superluminalflug. Sie können die Geschwindigkeit nicht anhand von Entfernung und Zeit berechnen, die in verschiedenen Referenzsystemen definiert sind.

8. Geschwindigkeit der Schwerkraft

Einige bestehen darauf, dass die Geschwindigkeit der Schwerkraft viel größer ist C oder sogar unendlich. Schauen Sie sich „Reiset die Schwerkraft mit Lichtgeschwindigkeit an?“ an. und Was ist Gravitationsstrahlung? Gravitationsstörungen und Gravitationswellen breiten sich mit hoher Geschwindigkeit aus C .

9. EPR-Paradoxon

10. Virtuelle Photonen

11. Quantentunneleffekt

In der Quantenmechanik ermöglicht der Tunneleffekt einem Teilchen, eine Barriere zu überwinden, auch wenn es dafür nicht über genügend Energie verfügt. Es ist möglich, die Tunnelzeit durch eine solche Barriere zu berechnen. Und es kann sein, dass es weniger ist, als das Licht benötigt, um die gleiche Distanz mit Geschwindigkeit zurückzulegen C. Könnte dies genutzt werden, um Nachrichten schneller als Licht zu übertragen?

Die Quantenelektrodynamik sagt „Nein!“ Es wurde jedoch ein Experiment durchgeführt, das die überluminale Informationsübertragung mithilfe des Tunneleffekts demonstrierte. Durch eine 11,4 cm breite Barriere mit einer Geschwindigkeit von 4,7 C Mozarts Vierzigste Symphonie wurde übertragen. Die Erklärung für dieses Experiment ist sehr umstritten. Die meisten Physiker glauben, dass der Tunneleffekt nicht zur Übertragung genutzt werden kann Information schneller als das Licht. Wenn dies möglich wäre, warum dann nicht das Signal in die Vergangenheit übertragen, indem die Ausrüstung in einem sich schnell bewegenden Referenzrahmen platziert wird?

17. Quantenfeldtheorie

Mit Ausnahme der Schwerkraft entsprechen alle beobachteten physikalischen Phänomene dem Standardmodell. Das Standardmodell ist eine relativistische Quantenfeldtheorie, die elektromagnetische und nukleare Wechselwirkungen sowie alle bekannten Teilchen erklärt. In dieser Theorie „kommutiert“ jedes Paar von Operatoren, die physikalischen Observablen entsprechen, die durch ein raumartiges Intervall von Ereignissen getrennt sind (d. h. die Reihenfolge dieser Operatoren kann geändert werden). Im Prinzip bedeutet dies, dass sich ein Aufprall im Standardmodell nicht schneller als Licht fortbewegen kann, und dies kann als Quantenfeldäquivalent zum Argument der unendlichen Energie angesehen werden.

Es gibt jedoch keinen einwandfreien Beweis für die Quantenfeldtheorie des Standardmodells. Bisher hat noch niemand bewiesen, dass diese Theorie in sich konsistent ist. Dies ist höchstwahrscheinlich nicht der Fall. Es gibt jedenfalls keine Garantie dafür, dass es nicht noch unentdeckte Teilchen oder Kräfte gibt, die sich nicht an das Verbot überluminaler Reisen halten. Es gibt auch keine Verallgemeinerung dieser Theorie, die Schwerkraft und allgemeine Relativitätstheorie einbezieht. Viele auf dem Gebiet der Quantengravitation tätige Physiker bezweifeln, dass sich einfache Vorstellungen über Kausalität und Lokalität verallgemeinern lassen. Es gibt keine Garantie dafür, dass die Lichtgeschwindigkeit in einer zukünftigen, umfassenderen Theorie die Bedeutung der Endgeschwindigkeit behalten wird.

18. Das Großvater-Paradoxon

In der speziellen Relativitätstheorie bewegt sich ein Teilchen, das sich in einem Bezugssystem schneller als Licht bewegt, in einem anderen Bezugssystem zeitlich rückwärts. FTL-Reisen oder Informationstransfer würden es ermöglichen, in die Vergangenheit zu reisen oder eine Nachricht zu senden. Wenn eine solche Zeitreise möglich wäre, könnten Sie in die Vergangenheit reisen und den Lauf der Geschichte verändern, indem Sie Ihren Großvater töten.

Dies ist ein sehr ernstzunehmendes Argument gegen die Möglichkeit einer überluminalen Reise. Zwar bleibt die nahezu unplausible Möglichkeit bestehen, dass eine begrenzte überluminale Reise möglich ist, die eine Rückkehr in die Vergangenheit verhindert. Oder vielleicht sind Zeitreisen möglich, aber die Kausalität wird auf irgendeine konsistente Weise verletzt. Das ist alles sehr weit hergeholt, aber wenn wir über superluminale Reisen sprechen, ist es besser, auf neue Ideen vorbereitet zu sein.

Das Gegenteil ist auch der Fall. Wenn wir in der Zeit zurückreisen könnten, könnten wir die Lichtgeschwindigkeit überwinden. Sie können in der Zeit zurückreisen, mit niedriger Geschwindigkeit irgendwohin fliegen und dort ankommen, bevor das auf dem üblichen Weg gesendete Licht eintrifft. Einzelheiten zu diesem Thema finden Sie unter Zeitreisen.

Offene Fragen zum Thema Überlichtreisen

In diesem letzten Abschnitt werde ich einige ernsthafte Ideen zu möglichen Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit beschreiben. Diese Themen werden nicht oft in die FAQ aufgenommen, da sie weniger wie Antworten, sondern eher wie viele neue Fragen wirken. Sie werden hier aufgeführt, um zu zeigen, dass in dieser Richtung ernsthafte Forschung betrieben wird. Es wird lediglich eine kurze Einführung in das Thema gegeben. Einzelheiten finden Sie im Internet. Seien Sie wie bei allem im Internet kritisch gegenüber ihnen.

19. Tachyonen

Tachyonen sind hypothetische Teilchen, die sich lokal schneller als Licht fortbewegen. Dazu müssen sie eine imaginäre Masse haben. Darüber hinaus sind Energie und Impuls des Tachyons reale Größen. Es gibt keinen Grund zu der Annahme, dass superluminale Partikel nicht nachgewiesen werden können. Schatten und Lichter können sich schneller als Licht ausbreiten und erkannt werden.

Bisher wurden keine Tachyonen gefunden und Physiker bezweifeln ihre Existenz. Es gab Behauptungen, dass es sich bei Experimenten zur Messung der Masse der durch den Betazerfall von Tritium erzeugten Neutrinos um Tachyonen handelte. Dies ist zweifelhaft, aber noch nicht endgültig widerlegt.

Es gibt Probleme mit der Tachyon-Theorie. Tachyonen können nicht nur die Kausalität stören, sondern auch das Vakuum instabil machen. Es mag möglich sein, diese Schwierigkeiten zu umgehen, aber selbst dann werden wir Tachyonen nicht für die überluminale Nachrichtenübermittlung nutzen können.

Die meisten Physiker glauben, dass das Auftreten von Tachyonen in der Theorie ein Zeichen für einige Probleme in dieser Theorie ist. Die Idee der Tachyonen ist in der Öffentlichkeit einfach deshalb so beliebt, weil sie oft in der Science-Fiction-Literatur erwähnt werden. Siehe Tachyonen.

20. Wurmlöcher

Die bekannteste Methode der globalen Superluminalreise ist die Verwendung von Wurmlöchern. Ein Wurmloch ist ein Schnitt in der Raumzeit von einem Punkt im Universum zu einem anderen, der es Ihnen ermöglicht, schneller als auf dem üblichen Weg von einem Ende des Lochs zum anderen zu gelangen. Wurmlöcher werden durch die Allgemeine Relativitätstheorie beschrieben. Um sie zu erstellen, müssen Sie die Topologie der Raumzeit ändern. Vielleicht wird dies im Rahmen der Quantentheorie der Schwerkraft möglich.

Um ein Wurmloch offen zu halten, braucht man Raumbereiche mit negativer Energie. C.W.Misner und K.S.Thorne schlugen vor, den Casimir-Effekt in großem Maßstab zu nutzen, um negative Energie zu erzeugen. Visser schlug vor, hierfür kosmische Strings zu verwenden. Dies sind sehr spekulative Ideen und möglicherweise nicht möglich. Möglicherweise existiert die erforderliche Form exotischer Materie mit negativer Energie nicht.