Die Physik von Star Trek - Rainer Schimming Stefan Wrehde 08.11.2007
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Die Physik von Star Trek
Rainer Schimming
Stefan Wrehde
08.11.2007
Was ist “Star trek”? • erfolgreichste Science-Fiction-Serie („Space Opera“) der Welt • zeigt interstellare Raumfahrt im 3. Jahrtausend • Schöpfer: Gene Wesley Roddenberry (1921-1991) • mittlerweile über 700 Folgen in 6 Serien • 10 Kinofilme • Science Fiction - beruht im wesentlichen auf (fiktionaler) Wissenschaft und Technik der Zukunft
Sachbuch zum Thema:
„Sachbuch“ zum Thema:
Eine kurze Geschichte der Physik
• vor 1900: Klassische Physik von NEWTON,
BOLTZMANN, MAXWELL
• 1900-1930: Quantentheorie von PLANCK, BOHR,
SCHRÖDINGER, HEISENBERG, …
• 1905: EINSTEINs
Spezielle Relativitätstheorie (SRT)
• 1915: EINSTEINs
Allgemeine Relativitätstheorie (ART)
Probleme interstellarer Raumfahrt: • Problem der „astronomischen“ Entfernungen (naechster Stern Proxima Centauri in 4,3 Lichtjahren) • daraus folgen Energieproblem und Zeitproblem
Antriebe bei interstellarer Raumfahrt? Raketen-Prinzip: („Impulsantrieb“) Antriebsstrahl aus: -Atomen -Ionen -Photonen
Antriebe bei interstellarer Raumfahrt?
Lichtsegel
Segel
Lichtquelle Raumschiff
Antriebe bei interstellarer Raumfahrt? Warp-Antrieb Der Raum vor dem Schiff wird komprimiert, der dahinter zurueckverwandelt.
Energiequellen interstellarer
Raumfahrt?
• chemische Reaktionen,
Kernspaltung Æ zu geringer
Wirkungsgrad
• Kernfusion („Impulsantrieb“)
• Energie von aussen:
• Licht
• „dunkle Energie“, …
• Annihilation Materie –
Antimaterie („Warp - Antrieb“)Materie und Antimaterie
• zu jedem Teilchen gibt es ein
Antiteilchen
• es hat die gleiche Masse,
entgegengesetzte elektrische
Ladung, sowie alle anderen
Ladungen (hadronische,
leptonische, ...) entgegengesetzt
• Bsp:
Elektron e- ÅÆ Positron e+
Proton p ÅÆ Antiproton p-Materie und Antimaterie • Teilchen und Antiteilchen annihilieren sich zu Photonen • beim Urknall ergab sich ein Ueberschuss von Teilchen ueber Antiteilchen Æ heutiger Zustand • „Antisterne“ oder dergleichen wurden nicht beobachtet
Materie und Antimaterie • Antiteilchen werden in grossen Beschleunigern erzeugt • Mit der heutigen Produktion koennte man nicht einmal eine Gluehbirne betreiben...
Das „DESY“ in Hamburg
Probleme interstellarer Raumfahrt -
Energieproblem:
• nur Annihilation Materie-
Antimaterie waere genuegend
effektiv
• => Problem der Herstellung und
Lagerung von Antimaterie
(Heute in Riesen-Beschleunigern)
• Einfangen interstellarer Materie
scheitert an deren geringer
DichteProbleme interstellarer Raumfahrt -
Zeitproblem:
• Loesungsvorschlaege:
– Generationen-Raumschiff
– Einfrieren der Besatzung
– unbemanntes Raumschiff
– Abkuerzung ueber
„Wurmloecher“
– Geschwindigkeit v ≈ c
• Zeitproblem auf der Erde!Relativistische Effekte
Einerseits:
Mit konstanter Geschwindigkeit
gegeneinander bewegte
Bezugssysteme sind
gleichwertig (GALILEI u. a.).
vRelativistische Effekte Andererseits: Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum hat immer den gleichen Wert c (MICHELSON - Versuch). Bahn um Erde die Sonne
Relativistische Effekte
- scheinbarer Widerspruch aufgelöst durch
EINSTEINs Spezielle Relativitätstheorie 1905
- Folgerungen: Relativität der Gleichzeitigkeit
und andere „relativistische Effekte“
- insbesondere die berühmteste Formel
(Äquivalenz von Masse m und Energie E)
E = mc 2EINSTEIN entdeckte 1905 die Spezielle
Relativitätstheorie
(Cartoon von Sidney Harris aus
„American Scientist“)Relativistische Effekte - SRT
konstante
Raumschiff
Geschwindigkeit
v
ErdeRelativistische Effekte - srt
Im Raumschiff gemessen Von der Erde gemessen
v²
L0 Länge L = L0 1 − < L0
c²
T0
T = > T0
T0 Reisezeit v²
1−
c²
m0
m0 Masse m = > m0
v²
1−
c²Relativistische Effekte - srt
Einstein-Zahl Längenkontrak Zeitdehnung und
β=v/c tion L / L0 Massenzunahme
T / T0 und m / m0
0 1 1
0,1 0,995 1,005
0,5 0,87 1,12
0,9 0,44 2,29
0,99 0,02 7,09
L0, T0, m0 - vom Raumschiff aus gemessen
L, T, m - von der Erde aus gemessenRelativistische Effekte - SRT
n g Ab
i gu Hinflug br
e
un m
hle se
c n
es Beschleunigung
B
und
Abbremsen
je mit 1g
Ab n g
br i gu
em n
e u
se
Start
n c hl
und
Ziel
Rueckflug B
e s
Fernes
Erde ZielRelativistische Effekte - SRT
Reisedauer für Reisedauer für Ziel- Erreichte
die Raumfahrer die Daheim- Entfernung in Höchst-
in Jahren gebliebenen in Lichtjahren geschwindigkeit : c
Jahren
1 1,01 0,01 0,24
2 2,09 0,45 0,36
5 6,5 3,2 0,84
10 25,5 12,5 0,996
20 339 ! 126 0,9988
40 59223 !! 25120 0,9999999EINSTEIN entdeckte 1915 die Allgemeine Relativitätstheorie
ueber (erfolglose) Versuche, die Gravitation in die Spezielle
Relativitätstheorie mit einzubauen.Relativistische Effekte - ART
Allgemeine Relativitaetstheorie:
- Raum und Zeit bilden eine
Einheit
Zeit
Raum
- die Raum-Zeit-Union ist
gekruemmtRelativistische Effekte - ART
- gekruemmte Geometrie =
Gravitationsfeld
- Fahrstuhl-Experiment:
Beschleunigung
GravitationsfeldRelativistische Effekte - ART
Materie bedingen Geometrie
(Teilchen und (=Gravitations-
nichtgravitative sich feld)
Felder)
Merkur
- Vorhersage neuer Effekte
und ObjekteLöcher im Raum oder „Löcher in der
Theorie“?
• Black Hole: Himmelskoerper, in
den nur etwas hineinfallen,
aber nichts herauskommen
kann
• Singularitaet: Randpunkt der
Raum-Zeit-Union, in dem die
Physik versagt
• Zentrum eines Black Holes
• Urknall („Big Bang“) oder Endknall („Big
Crunch“)
• Kosmische StringsLöcher im Raum oder „Löcher in der
Theorie“?
• Gravitationswellen:
Schwingungen der Geometrie,
die sich mit
Lichtgeschwindigkeit
ausbreiten
• Wurmloecher: Abkuerzungen
zwischen ansonsten weit
voneinander entfernten
Regionen
• Zeitreisen: Reisen in die
Vergangenheit oder ZukunftWurmlöcher • Ein „Wurmloch“ ist eine kurze Verbindung zwischen ansonsten weit auseinander liegenden Regionen. • Die Quanten-Kosmologie sagt Wurmloecher vorher. Quanten- Wurmloecher sind leider klein und kurzlebig. • Die Gleichungen der ART erlauben auch „grosse“ Wurmloecher. • Es gibt Spekulationen ueber die Erzeugung grosser Wurmloecher.
Wurmloch
Ein Wurmloch könnte als
„Abkürzung“ zwischen zwei
Raumgebieten dienen.Wurmloch in „Star Trek DS9“
Sachbuch zum Thema:
Probleme interstellarer Raumfahrt -
Motivationsproblem:
„Lohnt sich das alles?“
• Sucht man den Kontakt zu
fremden Zivilisationen nicht
doch besser ueber
Funkverkehr?
• Muss es unbedingt bemannte
Raumfahrt sein? Bei
unbemannter umginge man
zumindest das Zeitproblem…Die erdnaechsten Fixsterne
Name Sternbild Entfernung in Lj
Proxima Centaurus 4,3
Alpha Centaurus 4,3
Pfeilstern Schlangenträger 5,9
Wolf 359 Löwe 7,6
Lalande 21185 Große Bärin 8,1
Luyten delta A u. B Walfisch 8,4
Sirius A u. B Großer Hund 8,8
Ross 154 Schütze 9,4
Procyon Kleiner Hund 11,0
1 Lichtjahr(Lj) = 9,4606x1012 km
= 63 240 AEDie erdnaechsten Fixsterne
Name Sternbild Entfernung in Lj
61 Cygni Schwan 11,2
Altair Adler 17
Formalhaut Südlicher Fisch 23
Wega Leier 26
Arktur Bärentreiber 36
Pollux Zwillinge 36
Capella Fuhrmann 42
Aldebaran Stier 68
Regulus Löwe 85
1 Lichtjahr(Lj) = 9,4606x1012 km
= 63 240 AE„Lohnende Reiseziele“
Stern Entfernung [Lj] Masse: M Leuchtkraft: L
Proxima Centauri 4,30 0,15 0,00004
α Centauri A 1, 2 4,34 1,73
α Centauri B 1, 2 4,34 0,36
ε Eridiani 1, 3 10,5 0,62 0,21
ε Indi 1 11,3 0,80 0,40
τ Ceti 1 12,2 0,69 0,28
γ Andromedae 3 44
51 Pegasi 3 45
1-Sonnenaehnlich, 2-Doppelstern
3-mit nachgew. PlanetenDie Pioneer 10 Plakette
Virtuelle Realitaet heute
VR in der Zukunft – Holodeck?
„POKERN MIT BERÜHMTEN PHYSIKERN“
Das „Beamen“ Transporterraum der Enterprise NCC 1701-D
Unüberwindliche Schwierigkeiten beim
„Beamen“ eines Menschen:
• riesige Informationsmenge:
• ≈ 1028 Atome x 1Kilobyte / Atom
• = 1016 x Informationsmenge aller je
geschriebenen Buecher
• = CD-Stapel von 1000 Lj Laenge
• Zerlegen in Atome erfordert
hohe Temperatur (≈ 1012°C)
und damit eine hohe Energie
(≈ 100 Megatonnen H-Bomben)Unüberwindliche Schwierigkeiten beim
„Beamen“ eines Menschen:
• Zurueck-Beamen erfordert ein
Teleskop mit einem
Durchmesser von ≈ 50000 km
• HEISENBERGsche
Unschaerferelation verhindert
genaues Ausmessen bzw.
Kopieren von AtomenABER: Teleportation…
• …eines Photons gelang ANTON
ZEILINGER & Co. In Innsbruck
• Mittels eines verschraenkten Paars von
Photonen
• Vermoege der Nicht-Unterscheidbarkeit
von Elementarteilchen
• Ohne den Zustand des teleportierten
Photons zu „messen“
• …eines Atoms ist geplant
• …von Elementarteilchen ist
wichtig fuer QuantencomputerTeleportation von Photonen A. ZEILINGER et. al., Innsbruck
Die „offizielle“ Fehlerliste • FEHLER: Explosionen im Weltall sind zu hoeren. • KORREKTUR: Es gibt keine Schallausbreitung im luftleeren Raum.
Die „offizielle“ Fehlerliste • FEHLER: Ausweichen vor einem Phaser-Strahl. • KORREKTUR: Einen Lichtstrahl sieht man erst, wenn er auftrifft.
Die „offizielle“ Fehlerliste • FEHLER: Aufreissen des Ereignishorizonts. • KORREKTUR: Laut Theorie unmoeglich.
Die „offizielle“ Fehlerliste • FEHLER: Ein Hologramm (der Doktor der „Voyager“) hat feste Konturen. • KORREKTUR: Mit einem Magnetfeld nicht zu machen.
Die „offizielle“ Fehlerliste • FEHLER: Existenz unsichtbarer Wesen. • KORREKTUR: Bei Wechselwirkung mit Objekten werden sie sichtbar.
Die „offizielle“ Fehlerliste • FEHLER: Reinigung von „Baryonen“. • KORREKTUR: Die Nukleonen sind die einzigen stabilen Baryonen.
Die „offizielle“ Fehlerliste • FEHLER: Temperatur von -295°C. • KORREKTUR: Der absolute Nullpunkt -273,15°C ist absolut.
Die „offizielle“ Fehlerliste • FEHLER: Phaserstrahl ist im Weltraum zu sehen. • KORREKTUR: Licht ist nur zu sehen, wenn es auf Objekte trifft.
Die „offizielle“ Fehlerliste • FEHLER: Wechselnder Ausblick auf geostationaerer Bahn. • KORREKTUR: Logischer Widerspruch.
Die „offizielle“ Fehlerliste • FEHLER: Ausschliesslich linksdrehende Neutrinos als Unregelmaessigkeit deklariert. • KORREKTUR: ...ist Regelmaessigkeit (Naturgesetz).
FAZIT: • Warp-Antrieb, Wurmlöcher, Zeitreisen nicht auszuschließen • Holodeck ist denkbare Weiterentwicklung von Cyber-Space, virtueller Realität, … • „Beamen“ (Teleportation) von Menschen undenkbar • viele unnötige Fehler durch schlechte Beratung
GENE W. RODDENBERRY (1921-1991) „Der Mensch ist ein bemerkens- wertes Wesen, mit vielen Moeglichkeiten. Ich hoffe, dass Star Trek gezeigt hat, wozu wir imstande sind – wenn wir an uns selbst und an unsere Faehigkeiten glauben.“
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