LAWRENCE M. KRAUSS
DIE PHYSIK VON STAR TREK™ Sachbuch Mit einem Vorwort von STEPHEN HAWKING
Aus dem Amerikanischen übersetzt von ANDREAS BRANDHORST Herausgegeben von WOLFGANG JESCHKE in Zusammenarbeit mit ROLF REMMERS
Deutsche Erstausgabe
WILHELM HEYNE VERLAG MÜNCHEN
HEYNE SCIENCE FICTION & FANTASY Band 0605549
Titel der amerikanischen Originalausgabe THE PHYSICS OF STAR TREK Deutsche Übersetzung von Andreas Brandhorst Den Umschlag entwarf Roberto de Vico de Cumpich unter Verwendung eines Fotos von Geoff Spear Autorenfoto von Roger Mastroianni
3. Auflage Redaktion: Wolfgang Jeschke und Rainer Michael Rahn Wissenschaftliche Beratung: Rolf Remmers Copyright © 1995 by Lawrence M. Krauss Erstveröffentlichung by BasicBooks. A Division of HarperCollinsPuWisiers, Inc. New York Mit freundlicher Genehmigung des Autors und Paul und Peter Fritz, Literarische Agentur, Zürich Copyright © 1996 der deutschen Ausgabe und der Übersetzung by Wilhelm Heyne Verlag GmbH GmbH & Co. KG, München München Printed in Germany 1997 Umschlaggestaltung: Atelier Ingrid Schütz, München Technische Betreuung: M. Spinola Satz: Schaber Satz- und Datentechnik, Wels Druck und Bindung: Ebner Ulm ISBN 3-453-10981-3
Für meine Familie
»Aber die Gesetze der Physik kann ich nicht ändern, Captain!« Scotty zu Kirk, unzählige Male
Inhalt
Vorwort von Stephen Hawking Einleitung Einleitung
SEKTION EINS Ein kosmisches Pokerspiel Die Physik von Trägheitsabsorbern und Traktorstrahlen ebnet den Weg für Zeitreise, Warpgeschwindigkeit, Deflektorschilde, Wurmlöcher und andere Phänomene der Raumzeit. EINS ZWEI DREI VIER
Newton setzt Einstein erhöht Hawking deckt auf Data beendet das Spiel
SEKTION ZWEI Materie, Materie – überall Der Leser erforscht Transporterstrahlen, Warptriebwerke, Dilithiumkristalle, Materie-Antimaterie-Wandler und das Holodeck. FÜNF Atome oder Bits SECHS Wieviel kostet die Energie? SIEBEN Holodecks und Hologramme
SEKTION DREI Das unsichtbare Universum, oder: Geräusche im Dunkeln Hier sprechen wir von Dingen, die vielleicht existieren, aber noch nicht beobachtet wurden: extraterrestrisches Leben, multiple Dimensionen sowie ein exotischer Zoo aus anderen physikalischen Möglichkeiten und Unmöglichkeiten.
ACHT Die Suche nach Spock NEUN Die Menagerie der Möglichkeiten ZEHN Unmögliches: Das nicht zu entdeckende Land Epilog Danksagung
Vorwort von STEPHEN HAWKING Ich war sehr erfreut, als Data entschied, Newton, Einstein und mich zu einer Pokerpartie an Bord der Enterprise einzuladen. Dadurch fand ich Gelegenheit, mit zwei berühmten Gravitationsspezialisten die Klingen zu kreuzen. Das gilt insbesondere für Einstein, der weder an den Zufall noch an einen würfelnden Gott glaubte. Leider konnte ich meinen Gewinn nicht einstreichen, da das Spiel unterbrochen wurde, als der Captain Alarmstufe Rot veranlaßte. Nachher habe ich mich mit Paramount in Verbindung gesetzt, um die Chips einzulösen. Unglücklicherweise kannte niemand den Wechselkurs. Science Fiction wie Star Trek ist nicht nur Unterhaltung, sondern erfüllt auch einen >ernsten< Zweck: Sie erweitert die menschliche Vorstellungskraft. Wir sind noch nicht imstande, dorthin zu gehen, wo noch kein Mensch (oder gar niemand) gewesen ist, aber wenigstens sind unserer Phantasie keine Grenzen gesetzt. Wir können untersuchen, wie der menschliche Geist auf zukünftige Entwicklungen in der Wissenschaft reagieren wird. Und wir können auch über die Natur jener Entwicklungen spekulieren. Die Verbindung zwischen Science Fiction und Wissenschaft führt in beide Richtungen. Die von der Science Fiction präsentierten Ideen gehen ab und zu in wissenschaftliche Theorien ein. Und manchmal bringt die Wissenschaft Konzepte hervor, die noch seltsamer sind als die exotischste Science Fiction. Schwarze Löcher sind ein gutes Beispiel dafür - was nicht zuletzt dem guten Namen zu verdanken ist, den ihnen der Physiker John Archibald Wheeler gab. Hätte man sie auch weiterhin >gefrorene Sterne< oder >gravitationell völlig kollabierte Objekte< genannt, so wäre nicht halb soviel über sie geschrieben worden. In Star Trek und der übrigen Science Fiction geht es häufig um Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit. In der allgemeinen Dramaturgie von Star Trek spielt dieser Umstand eine sehr wichtige Rolle. Wenn die Enterprise nicht in der Lage wäre, schneller zu fliegen als das Licht, so müßte ihre Besatzung folgendes feststellen: Ein Ausflug zum Zentrum der Galaxis und zurück würde für sie nur wenige Jahre dauern, doch auf der Erde vergingen achtzigtausend Jahre. Hoffnungen auf eine Rückkehr zur Familie müßten vergeblich bleiben! Glücklicherweise bietet Einsteins Relativitätstheorie eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen: Vielleicht läßt sich die Raumzeit verzerren, um gewissermaßen eine Abkürzung zwischen zwei Orten zu schaffen. Zwar gibt es Schwierigkeiten mit negativer Energie, doch irgendwann in der Zukunft könnten wir fähig sein, derartige künstliche Krümmungen der Raumzeit herbeizuführen. In dieser Hinsicht findet nur wenig ernsthafte Forschung statt, vermutlich deshalb, weil es zu sehr nach Science Fiction klingt. Eine Konsequenz von interstellaren Reisen mit hoher Geschwindigkeit bestünde darin, daß man in der Zeit zurückkehren könnte. Man stelle sich die Empörung über eine vermeintliche Vergeudung von Steuergeldern vor, wenn bekannt würde, daß die National Science Foundation
Forschungen in bezug auf Zeitreisen finanziert. Aus diesem Grund tarnen damit beschäftigte Wissenschaftler ihre tatsächlichen Interessen, indem sie von geschlossenen zeitartigen Kurven< und dergleichen sprechen. Gemeint sind Reisen durch die Zeit. Wie dem auch sei: Die Science Fiction von heute wird oft zu den wissenschaftlichen Fakten von morgen. Die Physik, auf der Star Trek basiert, ist sicher eine Untersuchung wert. Unsere Aufmerksamkeit auf irdische Dinge zu beschränken - das würde bedeuten, dem menschlichen Geist Fesseln anzulegen.
Einleitung Warum die Physik von Star Trek? Schließlich ist Gene Roddenberrys Schöpfung Science Fiction und erhebt keinen Anspruch auf wissenschaftliche Exaktheit. Viele technische Wunder in der Serie basieren auf Einfällen, die nicht klar definiert sind oder sich kaum mit unserem aktuellen Wissen vom Universum vereinbaren lassen. Ich wollte kein Buch schreiben, das nur angibt, wo den Autoren von Star Trek Fehler unterlaufen sind. Andererseits ging mir die Idee zu diesem Buch nicht aus dem Kopf. Ich muß zugeben, daß der größte Reiz vom Transporter (Materietransmitter) ausging. Die Erfindung einer derartigen fiktiven Technik bringt enorme Herausforderungen mit sich. Viele wichtige Fachgebiete sind daran beteiligt: von Computern und den Datenautobahnen bis hin zu Teilchenphysik, Quantenmechanik, Atomenergie, Teleskopbau, biologischer Komplexität und sogar zur Frage, ob die menschliche Seele existiert! Man bringe diese Dinge mit verzerrtem Raum und Zeitreise in Verbindung - dann entsteht eine unwiderstehliche Mischung. Bald stellte ich mich folgender Erkenntnis: Jenes Etwas, das mich so sehr faszinierte, bringt auch heute noch Fans zu Star Trek, fast dreißig Jahre nach Captain Kirks ersten TV-Abenteuern. Der allmächtige Star Trek-Schelm Q drückte es folgendermaßen aus: Es geht darum, »die unbekannten Möglichkeiten der Existenz zu kartographieren«. Und Q würde mir sicher zustimmen, wenn ich sage: Es macht Spaß, sie sich vorzustellen. Stephen Hawking weist in seinem Vorwort zu diesem Buch darauf hin, daß Star Trek hilft, die menschliche Vorstellungskraft zu erweitern. Tatsächlich ist es ein wichtiger Bestandteil des Phänomens Star Trek, die unendlichen Möglichkeiten der Zukunft zu erforschen - darunter auch eine Welt, in der die Menschen ihre kurzsichtigen internationalen und kulturellen Spannungen überwinden, um sich friedlich den Geheimnissen des Universums zu widmen. Genau auf diesen Aspekt konzentriere ich mich hier, da ich ihn auch bei der modernen Physik für wesentlich halte. Als ich neulich über den Campus ging, habe ich die Gelegenheit zu einer kleinen Umfrage genutzt. Das Ergebnis sieht so aus: Die Anzahl der Amerikaner, die nichts mit dem Satz »Beamen Sie mich an Bord, Scotty« anfangen können, ist ungefähr genauso groß wie die Mitgliederzahl der kleinen Gruppe, die noch nie etwas von Ketchup gehört hat. Um ein weiteres Beispiel zu nennen: Das Smithsonian-Institut veranstaltete im Air and Space Museum eine Ausstellung, die dem Raumschiff Enterprise galt - nie zuvor kamen so viele Besucher. Ganz offensichtlich dient Star Trek bei vielen Leuten als Vehikel für ihre Neugier aufs Universum. Welchen besseren Kontext gibt es für einige besonders erstaunliche Ideen, die heute zum Neuland der Physik gehören und morgen das Fundament für ganz neue Erkenntnisse bilden könnten? Ich hoffe, Ihnen macht die Entdeckungsreise ebensoviel Spaß wie mir. Glück und langes Leben.
Körper - einer innerhalb kurzer Zeit stattfindende Beschleunigung auf Impulsgeschwindigkeit unbeschadet überstehen kann. Dieses Problem ergibt sich oft bei Star Trek, und zwar nicht nur im Weltraum, sondern auch auf der Erde. Zu Beginn von STAR TREK V: Am Rande des Universums sehen wir James Kirk beim Bergsteigen in den Yosemite-Bergen. Plötzlich verliert er den Halt und stürzt. Spock trägt Raketenstiefel und fängt den Captain dicht über dem Boden auf, um ihn vor dem Tod zu bewahren. Die Sache hat nur einen Haken: Auf diese Weise könnte er ihm normalerweise nicht das Leben retten. Der Vorgang des Abbremsens über eine Distanz von nur wenigen Zentimetern ist tödlich - dabei spielt es keine Rolle, was die Geschwindigkeit des stürzenden Captains auf Null reduziert, der Boden oder Spocks Hände. Bevor sich die Reaktionskräfte entfalten und den betreffenden Körper zerreißen, beginnt eine andere physiologische Krise. Zunächst einmal: Das Herz kann nicht mehr stark genug schlagen, um ausreichend Blut in den Kopf zu pumpen. Aus diesem Grund verlieren die Piloten von Kampfflugzeugen manchmal das Bewußtsein, wenn ihre Maschinen stark beschleunigen. Man hat spezielle Kleidung entwickelt, die das Blut aus den Beinen der Piloten nach oben drückt. Dadurch soll einer Ohnmacht vorgebeugt werden. Nun, diese physiologischen Reaktionen begrenzen die mögliche Maximalbeschleunigung heutiger Raumfahrzeuge. Sie erklären auch, warum die NASA im Gegensatz zu Jules Verne in seinem Klassiker Von der Erde zum Mond nie auf den Gedanken gekommen ist, Astronauten mit einer riesigen Kanone in die Umlaufbahn zu schießen. Wenn man vom Ruhezustand aus 150000 km/sec schnell werden und somit etwa die halbe Lichtgeschwindigkeit erreichen möchte, so muß man das eigene Bewegungsmoment allmählich erhöhen, um nicht zerquetscht zu werden. Wenn mich nicht mehr als 3 Ge in den Sessel drücken sollen, so darf die Beschleunigung nicht größer sein als das Dreifache der für fallende Objekte auf der Erde üblichen Beschleunigung. Unter solchen Umständen würde es rund 5 Millionen Sekunden oder etwa zweieinhalb Monate dauern, um das Raumschiff mit halber Lichtgeschwindigkeit fliegen zu lassen! Keine sehr günstigen Bedingungen für eine interessante, abenteuerliche Fernsehfolge... Nach dem Bau des ersten Raumschiffs der Constitution-Klasse - gemeint ist die Enterprise NCC-1701 - wurde Kritik laut. Es hieß, durch die starke Beschleunigung würde sich die Besatzung des Raumschiffs in >Brei< verwandeln. Die Autoren von Star Trek mußten sich etwas einfallen lassen, und sie erfanden den >Trägheitsabsorber<, ein Gerät, das Andruckkräfte bei Beschleunigungen absorbiert und somit bei der Navigation mehr Freiheit erlaubt. Die Trägheitsabsorber machen sich vor allem dann bemerkbar, wenn sie nicht mehr funktionieren. Als eine unter der Bezeichnung >Naniten< bekannte MikrochipLebensform immer größere Speicherbereiche des Computerkerns für sich beanspruchte, funktionierten plötzlich die Trägheitsabsorber nicht mehr, was fast zur Vernichtung der Enterprise führte. Immer dann, wenn die Enterprise ernsthaft in Schwierigkeiten gerät, fallen früher oder später die Trägheitsabsorber aus. Ähnliches
EINS
Newton setzt
»Ganz gleich, wohin du auch gehst - du bist schon da.« Eine Tafel an Bord der Excelsior, in STAR TREK VI: Das unentdeckte Land; vermutlich aus The Adventures of Buckaroo Banzai Sie sitzen an den Navigationskontrollen der Defiant (NCC-1764), die sich derzeit im Orbit des Planeten Ikonia befindet, unweit der Neutralen Zone. Ihre Aufgabe: Sie sollen auf der gegenüberliegenden Seite des Sonnensystems ein Rendezvousmanöver mit einem Versorgungsschiff durchführen, das Ersatzteile für die primären Energiespulen des Transporters bringt. Ein Warptransfer ist nicht notwendig. Das Impulstriebwerk genügt völlig, um gemütlich mit halber Lichtgeschwindigkeit zu fliegen und das Ziel in einigen Stunden zu erreichen. Dadurch haben Sie Zeit genug, das Logbuch auf den neuesten Stand zu bringen. Doch als die Defiant aus der Umlaufbahn schwenkt, fühlen Sie plötzlich einen starken Druck in der Brust. Ihre Hände sind schwer wie Blei, und Sie scheinen an Ihrem Sitz festzukleben. Das Gesicht ist zu einer Grimasse verzerrt, und die Augen scheinen platzen zu wollen. Das durch Ihre Adern fließende Blut erreicht nicht mehr den Kopf. Sie verlieren das Bewußtsein - und kurze Zeit später sind Sie tot. Was ist passiert? Sie sind keineswegs in eine >Interphasen-Zone< geraten, die das ganze Schiff verschlingt. Es handelt sich auch nicht um den Angriff eines getarnten romulanischen Kreuzers. Nein, Sie sind einer ganz anderen Kraft zum Opfer gefallen. Die einfallsreichen Star Trek-Autoren, von denen Sie abhängen, haben noch keine Trägheitsabsorber erfunden - das holen sie zu einem späteren Zeitpunkt nach. Eine ganz banale Angelegenheit verursachte Ihren Tod: Isaac Newtons Bewegungsgesetz, von dem Sie bestimmt während des Physikunterrichts in der Schule gehört haben. Einige Trekkies sagen jetzt vermutlich: »Wie langweilig! Kommen Sie uns doch nicht mit Newton. Berichten Sie von interessanteren Dingen. Geben Sie uns Antwort auf die Fragen: >Wie funktioniert ein Warptriebwerk?< Und: >Was hat es mit dem Lichtblitz unmittelbar vor dem Warptransfer auf sich - verhält es sich damit ähnlich wie mit dem Durchbrechen der Schallmauer ?< Und: >Wie ist eigentlich ein Dilithiumkristall beschaffen?« Nun, diese Themen werden nicht ausgeklammert und später erörtert. Die Fortbewegung im Star Trek-Universum berührt einige der exotischsten Konzepte der heutigen Physik. Und viele verschiedene Aspekte
kommen zusammen, bevor wir uns die fundamentale Frage in bezug auf Star Trek stellen können: »Ist dies alles wirklich möglich? Und wie?« Um dorthin zu gehen, wo noch nie ein Mensch gewesen ist - oder auch nur das Starfleet-Hauptquartier zu verlassen - , müssen wir uns mit den gleichen Besonderheiten auseinandersetzen wie Galileo und Newton vor dreihundert Jahren. Grundlegendes Motiv ist jene wahrhaft kosmische Frage, die sich im Zentrum von Gene Roddenberrys Star Trek-Vision befand: »Welche Vorstellungen sind in Hinsicht auf die zukünftigen Entwicklungen unserer Zivilisation möglich, wenn man die Maßstäbe der modernen Wissenschaft anlegt?« Ich meine, eine solche Frage verdient es, daß wir uns gründlicher damit beschäftigen. Wer schon einmal in einem Flugzeug oder mit einem schnellen Wagen unterwegs gewesen ist, kennt das Gefühl, bei der Beschleunigung in den Sitz gepreßt zu werden. An Bord eines Raumschiffs kommt diesem Phänomen besondere Bedeutung zu. Die nuklearen Reaktionen im Impulstriebwerk erzeugen einen enormen Druck, der Gas und Strahlung mit hoher Geschwindigkeit nach >hinten< ausstößt. Der dadurch hervorgerufene Rückstoß drückte das Triebwerk in die entgegengesetzte Richtung, also nach >vorn<. Da der Rest des Raumschiffs mit dem Antrieb verankert ist, wird es ebenfalls nach vorn gedrückt. Das gilt auch für den Sessel, in dem Sie sitzen: Er schiebt Sie nach vorn. Und Ihr Körper erwidert den Druck. Genau da liegt das Problem. Wenn sich ein Hammer mit hoher Geschwindigkeit Ihrem Kopf nähert, so übt er eine Kraft aus, die tödlich sein kann. Das gilt auch für den Sessel an den Navigationskontrollen der Defiant, wenn die von ihm ausgeübte Kraft ein gewisses Maß überschreitet. Bei Jet-Piloten und der NASA kennt man die bei starken Beschleunigungen (zum Beispiel in Flugzeugen oder beim Start einer Rakete) wirksam werdende Kraft unter der Bezeichnung >Ge-Kräfte<. Ich kann sie hier mit Hinweis auf meinen schmerzenden Rücken beschreiben. Während ich am Computer sitze und fleißig schreibe, fühle ich den Druck des Sessels am Gesäß - ich habe mich längst daran gewöhnt (obwohl ich hinzufügen muß, daß dieser ständige Druck in ästhetischer Hinsicht recht nachteilige Folgen haben kann, wenn er über längere Zeit hinweg anhält). Er stammt von der Gravitation, die mich ins Zentrum der Erde ziehen würde, wenn es allein nach ihr ginge. Was eine Beschleunigung verhindert - was mich im Sessel hält -, ist der Umstand, daß eine entgegengesetzte, nach oben gerichtete Kraft auf das Haus wirkt, auf den hölzernen Boden meines Arbeitszimmers im ersten Stock, auf den Sessel und auch auf mich. Wenn die Erde doppelt soviel Masse und den gleichen Durchmesser hätte, so wäre der auf mein Gesäß wirkende Druck doppelt so groß. In dem Fall müßte auch die nach oben gerichtete Kraft doppelt so groß sein, um den Zug der Schwerkraft auszugleichen. Die gleichen Faktoren gilt es bei der Raumfahrt zu berücksichtigen. Wenn Sie im Kommandosessel sitzen und den Befehl erteilen, das Schiff zu beschleunigen, so dürfen Sie dabei nicht die Kraft vergessen, die den Sessel - und damit auch Sie - nach vorn schiebt. Eine doppelt so starke Beschleunigung führt dazu, daß sich der vom Sessel ausgeübte Druck verdoppelt. Je größer die Beschleunigung, desto größer der Druck. Die zentrale Schwierigkeit besteht darin, daß nichts - erst recht nicht Ihr