Die Physik von STAR TREK - (IAAT) Daniel-Jens Kusterer
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Die Physik von
STAR TREK
Daniel-Jens Kusterer
(IAAT)
Übersicht
• Newton
– Newtons Axiome
– Trägheitsdämpfer
– Traktorstrahlen
• Einstein
– Spezielle Relativitätstheorie
– Impulstriebwerke
– Relativistische Effekte
– Allgemeine Relativitätstheorie
– Wurmlöcher
– Warp Flug
AIT Übersicht 1
Übersicht
• Newton • Technologien
– Newtons Axiome – Materie-Antimaterie Reaktor
– Trägheitsdämpfer – Beamen
– Traktorstrahlen – Holodeck
• Einstein • Kleine Physikalische Fehler
– Spezielle Relativitätstheorie • Zusammenfassung
– Impulstriebwerke • Literatur
– Relativistische Effekte
– Allgemeine Relativitätstheorie
– Wurmlöcher
– Warp Flug
AIT Übersicht 2
Newtons Axiome
• Trägheitsprinzip
Ein Körper auf den keine Kraft wirkt ändert seinen Bewegungszustand nicht
• Aktionsprinzip:
F = ma
• Reaktionsprinzip
Kraft = Gegenkraft
AIT
Newton 1
Trägheitsdämpfer
• Physiologische Beschleunigungsgrenzen:
– Kurzfristig: ≈ 10 g
– Längerfristig: ≈ 3 g
AIT
Newton 2
Trägheitsdämpfer
• Physiologische Beschleunigungsgrenzen:
– Kurzfristig: ≈ 10 g
– Längerfristig: ≈ 3 g
• Beschleunigung für Raumschiffe
– Ideal: 1 − 3 g
– Z.B.: Shuttlestart 3 g
1
– Beschleunigungsdauer auf 2
c
bei 3 g ⇒ 2, 5 Monate
AIT
Newton 3
Trägheitsdämpfer
• Physiologische Beschleunigungsgrenzen:
– Kurzfristig: ≈ 10 g
– Längerfristig: ≈ 3 g
• Beschleunigung für Raumschiffe
– Ideal: 1 − 3 g
– Z.B.: Shuttlestart 3 g
1
– Beschleunigungsdauer auf 2
c
bei 3 g ⇒ 2, 5 Monate
Lösung: Trägheitsdämpfer
AIT
Newton 4
Trägheitsdämpfer
Funtkionsweise eines Trägheitsdämpfers:
• Äquivalenz von Beschleunigung und Gravitation
⇒ Erzeugt künstliches Gravitationsfeld
• Muss schnelle Reaktionszeit haben
• Künstliche Gravitationsfelder heute nicht machbar
AIT
Newton 5
Traktorstrahlen
• Universeller ’Traktorstrahl’ derzeit nicht realisierbar
– ST Realisierung durch Gravitonen
• Trägheitsprobleme beim Einsatz:
– Objekt geringere Masse absolut bewegt
– Ohne Referenz egal
– Aber in Nähe andere Objekte relevant
AIT
Newton 6Traktorstrahlen
• Universeller ’Traktorstrahl’ derzeit nicht realisierbar
– ST Realisierung durch Gravitonen
• Trägheitsprobleme beim Einsatz:
– Objekt geringere Masse absolut bewegt
– Ohne Referenz egal
– Aber in Nähe andere Objekte relevant
AIT
Newton 7Spezielle Relativitätstheorie
Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter gleich
AIT
Einstein 1Spezielle Relativitätstheorie
Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter gleich
• ’Gleichzeitigkeit’ hängt vom Beobachter ab
’Vorher’ und ’danach’ haben nur relative Bedeutung
• Bewegte Uhren gehen langsamer
• Objekte werden in Bewegungsrichtung kürzer gemessen
• Objekte gewinnen durch Bewegung Masse
Nur masselose Objekte können Lichtgeschwindigkeit erreichen
AIT
Einstein 2Impulstriebwerk
• Funktionsweise:
– Fusionsreaktor liefert Plasma
– Gebündelt ausgestossen ⇒ Vortrieb
• Physikalisch problemlos
AIT
Einstein 3Impulstriebwerk
• Funktionsweise:
– Fusionsreaktor liefert Plasma
– Gebündelt ausgestossen ⇒ Vortrieb
• Physikalisch problemlos
• Technische Probleme:
– Zur Beschleunigung auf 12 c benötigt:
81-fache der Enterprise Masse
– Zum Abbremsen ebensoviel
– Beschleunigung in wenigen Stunden:
Antriebsleistung 1022 Watt
AIT
Einstein 4Relativistische Probleme
• Zwillingsparadoxon
1
– Reise bei 4
c ⇒ 3 % Zeitdilatation
– Nach einmonatiger Reise Besatzung 1 Tag jünger
– Reisen nahe c automatisch Zeitreisen
⇒ Zerstreung der Sternenflotte in Raum und Zeit
• Massenzunahme
–v →c⇒m→∞
AIT
Einstein 5Relativistische Probleme
Raumfahrt im Bereich der Lichtgeschwindigkeit mit Raketentriebwerken
ist sinnlos
AIT
Einstein 6Allgemeine Relativitätstheorie
Raumzeit nicht flach sondern gekrümmt
• Materie krümmt die Raumzeit
• Energie krümmt die Raumzeit
{Krümmung} = {Materie und Energie}
• Kürzeste Verbindung muss nicht die Gerade sein
AIT
Einstein 7Wurmlöcher
Zweidimensionales Analogon
• Wurmloch als ’Tunnel’ in einem lokal flachen Universum
• Mathematisch möglich, aber instabil
• ’Möglichkeit’ zu stabiliseren:
’exotische Materie’ mit ’negativer Energie’
AIT
Einstein 8Wurmlöcher
Zweidimensionales Analogon
• Weitere Probleme:
– Unmöglichkeit Ort des Druchbruchs vorherzusagen
– Möglichkeit bei beweglichen Enden eine Zeitmaschine zu bauen
AIT
Einstein 9Wurmlöcher
Zweidimensionales Analogon
– Zeit an beiden Öffnungen vergeht unterschiedlich schnell
– Gleichbleibende Länge ⇒ für Beobachter im Inneren gleiche Zeit an
beiden Enden
– Verschiebe nun Öffnung von α Cen
Dort 1 Tag vergangen, aber auf der Erde 10
⇒ kann 9 Tage in die Vergangenheit reisen
AIT
Einstein 10Wurmlöcher
Stabiles Wurmloch daher unmöglich?
AIT
Einstein 11Warp Flug
Krümmung der Raumzeit öffnet Hintertür
• Idee:
– Verzerre Raumzeit lokal:
vor dem Raumschiff zusammengezogen
dahinter gedehnt
– Raumschiff gleitet wie auf einer Welle
AIT
Einstein 12Warp Flug
Krümmung der Raumzeit öffnet Hintertür
• Idee:
– Verzerre Raumzeit lokal:
vor dem Raumschiff zusammengezogen
dahinter gedehnt
– Raumschiff gleitet wie auf einer Welle
• Vorteile:
– Lokal immer unterhalb Lichtgeschwindigkeit
– Global überlichtschneller Flug
– Keine Zeitdilatation
– Keine Verwendung von Raketentriebwerken
AIT
Einstein 13Warp Flug
Weitere Vorteile von Verzerrung des Raumes
• Ablenkung von Photonen (z.B. Phaserstrahl)
• Tarnvorrichtung
• Bewegung anderer Objekte
AIT
Einstein 14Warp Flug
Aber:
• Warptriebwerk benötigt ’exotische’ Materie
Auf mikroskopischen Skalen negative Energieverteilungen möglich
Bisher nicht bekannt ob auch solche Materie erzeugbar
AIT
Einstein 15Warp Flug
Aber:
• Warptriebwerk benötigt ’exotische’ Materie
Auf mikroskopischen Skalen negative Energieverteilungen möglich
Bisher nicht bekannt ob auch solche Materie erzeugbar
Für Ablenkung von Photonen:
Gravitationsfeld eines 0.1 M Schwarzen Loches stark genug
Schaffung benötigt mehr Energie als Sonne in ganzem Leben produziert
AIT
Einstein 16Materie-Antimaterie Reaktor
Von der Funktionsweise eine der realistischsten Komponenten
Aber:
Energie aus Proton Anti-Proton Reaktion:
Fermilab: 5 · 1010 Anti-Protonen/h
Komplett in Energie umgewandelt → 10−3 Watt
100 000 Anti-Protonenquellen für eine Glühbirne
AIT
Technologien 1Beamen
Das Beamen, erfunden aus Budgetgründen
Landungen der Enterprise auf Planeten zu teuer
AIT
Technologien 2Beamen
Probleme über Probleme
Bei reiner Informationsübertragung muss die Materie vernichtet und produziert
werden
• 50 kg Materie entspricht 1000 MT H-Bomben
⇒ übertrage Materie und Information
AIT
Technologien 3Beamen
Probleme über Probleme
Bei reiner Informationsübertragung muss die Materie vernichtet und produziert
werden
• 50 kg Materie entspricht 1000 MT H-Bomben
⇒ übertrage Materie und Information
Materie muss zerlegt werden:
• Vollständige Aufspaltung in Quarks bei 1000 Milliarden Grad
– Quarks so fast masselos ⇒ leicht zu transportieren
• Oder Aufspaltung in Atome, Beschleunigung der Atome
– Faktor 10 mehr Energie als vollständige Aufspaltung, jedoch leichter zu
realisieren
AIT
Technologien 4Beamen
Probleme über Probleme
Bei reiner Informationsübertragung muss die Materie vernichtet und produziert
werden
• 50 kg Materie entspricht 1000 MT H-Bomben
⇒ übertrage Materie und Information
Materie muss zerlegt werden:
• Vollständige Aufspaltung in Quarks bei 1000 Milliarden Grad
– Quarks so fast masselos ⇒ leicht zu transportieren
• Oder Aufspaltung in Atome, Beschleunigung der Atome
– Faktor 10 mehr Energie als vollständige Aufspaltung, jedoch leichter zu
realisieren
Entweder 104 mal soviel Energie wie die gesamte Erde bis jetzt verbraucht hat,
oder Erhitzen in Sekundenbruchteilen auf 106 mal Sonnenkerntemperatur
AIT
Technologien 5Beamen
Informationen üeber Informationen
• Mensch besteht aus 1028 Atomen
– Koordinaten, Zustand,. . .
• 1 Kilobyte Information pro Atom ⇒ 1028 kB
AIT
Technologien 6Beamen
Informationen üeber Informationen
• Mensch besteht aus 1028 Atomen
– Koordinaten, Zustand,. . .
• 1 Kilobyte Information pro Atom ⇒ 1028 kB
– Alle je geschriebenen Bücher ⇒ 1012 kB
– In 10 cm breiten 1 TByte Festplatten ⇒ 100 Lichtjahre Kette
AIT
Technologien 7Beamen
Informationen üeber Informationen
• Mensch besteht aus 1028 Atomen
– Koordinaten, Zustand,. . .
• 1 Kilobyte Information pro Atom ⇒ 1028 kB
– Alle je geschriebenen Bücher ⇒ 1012 kB
– In 10 cm breiten 1 TByte Festplatten ⇒ 100 Lichtjahre Kette
Datenübertragung:
• 1 GB/s ⇒ 2000 Milliarden Jahre
Oder 200-fache Alter der Universums
AIT
Technologien 8Beamen
Beamen und Heisenberg
• Beobachtung verändert ein Quantenmechanisches System
• Exakte Bestimmung von Ort und Impuls unmöglich
AIT
Technologien 9Beamen
Beamen und Heisenberg
• Beobachtung verändert ein Quantenmechanisches System
• Exakte Bestimmung von Ort und Impuls unmöglich
Beispiel:
Grosse Ortsauflösung von Atomen erfordert geringe Wellenlänge des Lichts
Hochenergetische Photonen ⇒ bei Detektion das Atoms Impulsänderung
AIT
Technologien 10Beamen
Beamen und Heisenberg
• Beobachtung verändert ein Quantenmechanisches System
• Exakte Bestimmung von Ort und Impuls unmöglich
Bei Star Trek Heisenberg-Kompensatoren verwendet
AIT
Technologien 11Beamen
Beamen physikalisch fragwürdigste oft benutzte Technologie bei Star
Trek
AIT
Technologien 12Beamen
Beamen physikalisch fragwürdigste oft benutzte Technologie bei Star
Trek
Jedoch:
Quantenteleportation, das ’Beamen’ von Quantenzuständen möglich
Experimente von Anton Zeilinger (Uni Wien):
Verschränke Photonenpaar, behalte ein Photon und sende Zweites
Durch Spinmessung des Ersten, automatisch Spin des Zweiten bekannt
AIT
Technologien 13Holodeck
Holographie griechisch: ’ganz’ und ’schreiben’
• Intensität und Phase gespeichert
• Damit gesamte Licht-Information über ein Objekt gespeichert
• Durch passende Verfahren gesamtes Objekt projezierbar
AIT
Technologien 14Holodeck
AIT
Technologien 15Holodeck
• Verfahren mit mehreren Linsen möglich um 3-D Bild zu generieren
• Bildinformation nicht aufgezeichnet, sondern computergeneriert
AIT
Technologien 16Holodeck
• Verfahren mit mehreren Linsen möglich um 3-D Bild zu generieren
• Bildinformation nicht aufgezeichnet, sondern computergeneriert
Aber:
• Hologramme haben keine Substanz
• Muss also Materie generieren ⇒ Transportertechnologie
AIT
Technologien 17Holodeck
Holoprojektion ohne feste Materie möglich
Materieprojektion physikalisch kritisch
AIT
Technologien 18Immer wieder Sterne
Sind vorbeiziehende Sterne bei Warp realistisch?
AIT
Physikalische Fehler 1Immer wieder Sterne
Sind vorbeiziehende Sterne bei Warp realistisch?
• Typischer Sternabstand: einige Lichtjahre
• Selbst bei Warp 9 unrealistisch
– Vergleiche weit entfernte Berge bei der Autofahrt
AIT
Physikalische Fehler 2Immer wieder Sterne
Sind vorbeiziehende Sterne bei Warp realistisch?
• Typischer Sternabstand: einige Lichtjahre
• Selbst bei Warp 9 unrealistisch
– Vergleiche weit entfernte Berge bei der Autofahrt
Ist es möglich durch ’Fenster’ Sterne zu sehen?
AIT
Physikalische Fehler 3Immer wieder Sterne
Sind vorbeiziehende Sterne bei Warp realistisch?
• Typischer Sternabstand: einige Lichtjahre
• Selbst bei Warp 9 unrealistisch
– Vergleiche weit entfernte Berge bei der Autofahrt
Ist es möglich durch ’Fenster’ Sterne zu sehen?
• Beleuchteter Raum
⇒ Zu wenig Kontrast
– Vergleiche dunkler Raum auf der Erde
AIT
Physikalische Fehler 4Zusammenfassung
Ideen bis an die Grenzen der modernen Physik...
...und darüber Hinaus
AIT
Zusammenfassung 1Zusammenfassung
Ideen bis an die Grenzen der modernen Physik...
...und darüber Hinaus
• Interessante Physikalische Konzepte
• Vieles im Rahmen der Physik aber gigantischer Energiebedarf
• Einiges auch nur Fiction
AIT
Zusammenfassung 2Zusammenfassung
Ideen bis an die Grenzen der modernen Physik...
...und darüber Hinaus
• Interessante Physikalische Konzepte
• Vieles im Rahmen der Physik aber gigantischer Energiebedarf
• Einiges auch nur Fiction
Science-Fiction aber mit guter Science
AIT
Zusammenfassung 3Literatur und Websites
Lawrence M. Kraus, ’Die Physik von Star Trek’
Kip Thorne, ’Gekrümmter Raum, verbogene Zeit’
Stephen Hawking, ’Das Universum in einer Nussschale’
http://www.cakes.mcmail.com/StarTrek/
http://www.ex-astris-scientia.org/
AIT
Material 1Vielen Dank
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