Hätte Captain Picards Manöver in „Star Trek“ auch in der Realität funktioniert?

Von Markus Brauer

Licht braucht Zeit, um von einem Objekt zu einem Beobachter zu gelangen. Deshalb zeigt jedes sichtbare Bild den Zustand eines etwas früheren Augenblicks. Bei alltäglichen Geschwindigkeiten ist dieser Unterschied winzig, doch bei einem hypothetisch überlichtschnellen Raumschiff kann die Verzögerung zu mehreren gleichzeitig sichtbaren Positionen führen.

Genau auf dieser physikalischen Erkenntnis basiert das berühmte Picard-Manöver in der Episode „The Battle“ der Science-Fiction-Serie „Star Trek: The Next Generation“. Die Stargazer unter dem Kommando von Sternenflotten-Captain Jean-Luc Picard wechselt auf Warp, stoppt kurz vor dem gegnerischen Ferengi-Schiff und eröffnet das Feuer. In der Serie erscheinen dadurch zwei Bilder des Raumschiffs. Der Gegner schießt auf das falsche und wird überrumpelt.

Ein drittes Bild taucht auf

Der Physiker Níckolas de Aguiar Alves von der Universidade Federal do ABC (UFABC) imder brasilianischen Stadt Santo André hat nun untersucht, wie viele Bilder ein ruhender Beobachter in einem solchen Szenario tatsächlich erhalten würde. Dazu stellte er die Bahn der Stargazer in Raumzeitdiagrammen dar und verfolgte, wie oft Licht aus verschiedenen Abschnitten dieser Bahn zur selben Beobachtungszeit beim Ferengi-Schiff eintreffen kann.

Die Studie ist als Reprint im Fachjournal „arxiv“ erschienen.

Start in Ruhe, Beschleunigung auf Lichtgeschwindigkeit, Stillstand

Die entscheidende Größe ist die retardierte Zeit - also der frühere Zeitpunkt, von dem das gerade eintreffende Licht stammt. Bei Unterlichtgeschwindigkeit gibt es für einen gegebenen Beobachtungszeitpunkt höchstens eine passende retardierte Zeit.

Bewegt sich ein Objekt dagegen mit konstanter Überlichtgeschwindigkeit, kann die Gleichung zwei Lösungen besitzen. Dann wäre das Objekt an zwei verschiedenen Positionen zugleich sichtbar.

Beim Picard-Manöver bleibt die Geschwindigkeit aber nicht konstant. Die Stargazer startet in Ruhe, beschleunigt über die Lichtgeschwindigkeit und kommt danach wieder zum Stillstand. Dadurch wird ihre Bahn so gekrümmt, dass das Licht im Modell zeitweise aus drei verschiedenen Phasen gleichzeitig beim Beobachter eintrifft. Zu sehen wären ein Bild von vor dem Manöver, eines vom Flug selbst und eines von der bereits wieder gestoppten Stargazer.

Die mittlere Stargazer läuft rückwärts

Das zusätzliche Bild hätte sogar eine ungewöhnliche Eigenschaft: Während die Zeit auf dem Ferengi-Schiff voranschreitet, würde die während des Manövers sichtbare Stargazer scheinbar rückwärts entlang ihrer Bahn laufen. Später verschmilzt dieses Bild mit dem älteren, sodass schließlich wieder nur eine Position des Raumschiffs sichtbar bleibt.

Der Effekt lässt sich noch steigern. In einem zweiten Modell lässt de Aguiar Alves die Stargazer das Manöver zweimal hintereinander ausführen. Dann können zeitweise bis zu fünf Bilder desselben Schiffs auftreten. Entscheidend ist nicht ein spezieller Star-Trek-Trick, sondern die kompliziertere Bewegung: Durch Beschleunigen und Abbremsen kann dieselbe Beobachtungszeit zu mehr als zwei möglichen Emissionszeitpunkten passen.

Warp bleibt trotzdem Science-Fiction

Die Rechnung ist kein Beleg dafür, dass ein Raumschiff tatsächlich schneller als Licht fliegen könnte. Das Modell blendet ausdrücklich aus, wie eine solche Überlichtbewegung zustande kommen soll und nimmt eine annähernd flache Raumzeit an. Es untersucht also die Lichtlaufzeiten unter einer bewusst fiktiven Voraussetzung.

Die zugrunde liegende Mathematik ist dennoch nicht nur Science-Fiction. In materiellen Medien breitet sich Licht langsamer aus als im Vakuum. Teilchen können sich dort schneller bewegen als das Licht in diesem Medium, ohne die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten. Für beschleunigte Teilchen können dann ebenfalls mehrere retardierte Zeiten auftreten.

Damit korrigiert die Analyse weniger die Grundidee des Picard-Manövers als ein Detail seiner Darstellung. Die Serie liegt mit dem Prinzip mehrerer Bilder eines überlichtschnellen Objekts erstaunlich nah an der zugrunde liegenden Lichtlaufzeit-Physik. Nur die Zahl der sichtbaren Stargazer wäre im untersuchten Bewegungsablauf größer als gezeigt.

Kann man mit Warp-Antrieb schneller als das Licht reisen?

In beinahe jedem Science-Fiction-Universum reisen Menschen und andere Spezies mit ihren Raumschiffen durch Galaxien. Oft mit Geschwindigkeiten, die jenseits der des Lichts liegen. Der Fachbegriff für Antriebstechnologien, die solche Reisen im Hyperraum ermöglichen, heißt Hyper-Drive oder Warp-Drive (englisch: „ to warp“ verzerren, krümmen; „drive“, Antrieb).

Doch egal, ob man es mehr mit „Star Wars“ oder „Star Trek“ hält, eine solche Technologie ist faszinierend – und völlig unrealistisch.

Intergalaktische Reisen in der Warp-Blase

Oder doch nicht? Ein Warp-Drive – also ein Antrieb schneller als Lichtgeschwindigkeit – müsste die vierdimensionale Raumzeit – das Raum-Zeit-Kontinuum – um ein Raumschiff herum derart verändern, dass der Abstand zwischen Start- und Zielpunkt verringert wird.

Die Raumzeit, in der das Raumschiff reist, müsste gestaucht und nach Ende der Passage wieder expandiert werden. Diese Veränderungen der Raumzeit durch Gravitationswellen müssten mit Überlichtgeschwindigkeit geschehen, sodass das Raumschiff in einer sogenannten Warp-Blase mitreist.

„Es ist nicht möglich, schneller als das Licht zu sein“

Albert Einstein (1879-1955) hat die physikalischen Grenzen unserer Welt klar definiert: Der Nobelpreisträger und einer der bedeutendsten Naturwissenschaftler der Geschichte, stellte im Jahre 1905 seine „Spezielle Relativitätstheorie“ und 1916 seine „Allgemeine Relativitätstheorie“ vor.

„Es ist nicht möglich, schneller als das Licht zu sein.“ Mit diesen Worten fasst der Physiker und Science-Fiction-Experte Sascha Vogel einen zentralen Aspekt der Überlegungen Einsteins zusammen. Das bedeutet: Ein Raumschiff kann von sich aus nicht auf Überlichtgeschwindigkeit beschleunigen.

Alcubierre-Drive: Reisen schneller als das Licht

Aber vielleicht hilft ein Trick? Die Vorlage kommt auch diesmal aus dem Science-Fiction-Genre. Am Ende der ersten, 1966 ausgestrahlten Folge der Kult-Serie „Star Trek“ gibt Captain James T. Kirk von der „Enterprise“ den Befehl, auf „Warp 1“ zu beschleunigen, was „Überlichtgeschwindigkeit“ bedeutet.

Im Jahr 1994 stellte der mexikanische Physiker Miguel Alcubierre einen hypothetischen Antriebsmechanismus vor, der Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit durch gezieltes Krümmen der Raumzeit ermöglichen könnte.

Die geniale Idee hinter diesem „Alcubierre-Drive“: Nicht das Raumschiff – also die Materie an sich – wird beschleunigt, sondern der Raum darum künstlich gekrümmt. Das heißt: Das Gefährt bewegt sich fast gar nicht, reist aber in einer Warp-Blase durch das Weltall. Bildlich erklärt: Das Raumschiff reitet auf einer Welle, welche die Raumzeit krümmt und damit den Weg verkürzt.

Woher kommt die negative Energie für Alcubierres Antrieb?

Physiker Sascha Vogel sieht bei dieser Idee „viele Wenn und Aber“. Ein der zentralen Voraussetzungen für den „Alcubierre-Drive“ wäre negative Energie – eine Energiequelle, vor der niemand weiß, ob sie überhaupt existiert. Ein negativer Energiefluss, so vermuten Physiker, könne etwa am Rande eines schwarzen Lochs entstehen.

„Die Dinge sind nur so lange unmöglich, bis sie es nicht mehr sind.“ James T. Kirks Nachfolger auf der Brücke der „Enterprise“, Captain Jean-Luc Picard, erklärt in der Serie „Star Trek – Das nächste Jahrhundert“, wie sich Gegebenheiten ändern, wenn Innovationen da sind. Denn klar ist: Wenn Reisen zu fernen Sternen innerhalb der Lebenszeit eines Menschen überhaupt möglich sein sollen, müsste ein solcher Antrieb gefunden werden.

Subluminal-Warp-Drive: Knapp unter Lichtgeschwindigkeit

Eine Studie, die 2024 im Fachmagazin „Classical and Quantum Gravity“ erschienen ist, geht einen anderen Weg als Alcubierre und verzichtet auf die Verwendung von nur hypothetisch existierenden Treibstoffen.

Forscher der multidisziplinären Gruppe Applied Physics um Jared Fuchs von der University of Alabama in Huntsville (UAH) beschreiben in ihrer Analyse eine Lösung für einen Warp-Antrieb, der ohne exotische negative Energie auskommt.

Statt negativer Energie nutzen die Physiker für ihr Warp-Drive-Konzept eine Kombination aus traditionellen und neuen gravitativen Techniken, um eine Warp-Blase zu erzeugen, die Objekte innerhalb der bekannten physikalischen Gesetze mit hoher Geschwindigkeit transportieren kann. Sie nennen dies einen „subluminalen (unterschwelligen) Warp-Antrieb mit konstanter Geschwindigkeit“, der mit den Grundsätzen der Einsteinschen Relativitätstheorie in Einklang stehen soll.

Stehen wir am Beginn des Zeitalters des Warp-Antriebs?

„Durch die Demonstration eines einzigartigen Modells haben wir gezeigt, dass Warp-Antriebe nicht nur in der Science-Fiction möglich sind“, gibt sich Jared Fuchs überzeugt. Mit einem Antrieb auf Grundlage dieses Modells könne man allerdings nicht schneller als das Licht reisen.

Jedoch würde die erreichte Geschwindigkeit immerhin knapp darunter liegen. „Auch wenn wir noch nicht für interstellare Reisen packen, kündigt dieser Erfolg eine neue Ära der Möglichkeiten an. Wir machen stetige Fortschritte, während die Menschheit ins Zeitalter des Warp-Antriebs eintritt.“

Solitonen-Warp-Drive: Hyperschnelle Wellenpakete

Ein weiterer Forscher, der Astrophysiker Erik Lentz vom Pacific Northwest National Laboratory in den USA (zuvor an der Universität Göttingen), versucht es mit einem anderen Ansatz. Auch sein „Warp-Drive“ kommt ohne negative Energie aus. „Derzeit gibt es keine nachweisliche Möglichkeit, sie auch nur in mikroskopischen Mengen herzustellen“, schreibt Lentz in seiner Studie „Breaking the warp barrier: hyper-fast solitons in Einstein–Maxwell-plasma theory“.

Lentz’ Lösung: Er umgeht das Problem der negativen Energie, wie von Miguel Alcubierre vorgeschlagen, da diese derzeit entweder nicht zu finden ist oder nicht in brauchbaren Mengen hergestellt werden kann. Stattdessen konstruiert der Göttinger Physiker aus Quellen mit ausschließlich positiver Energie eine neue Klasse von hyperschnellen Solitonen – also Wellenpaketen –, welche interstellare Reisen mit beliebiger Geschwindigkeit ermöglichen könnten.

Allerdings müsste außergewöhnlich viel herkömmliche Energie vorhanden sein. Auf dieser Basis könnten dann Weltraumreisen etwa zum 4,2 Lichtjahre entfernten Proxima Centauri – dem nächsten Stern außerhalb unseres Sonnensystems – schneller als gegenwärtig möglich sein.

Zum Vergleich: Die im Jahr 1977 gestartete Raumsonde „Voyager 1“, die unser Sonnensystem mittlerweile verlassen und mehr als 23 Milliarden Kilometer zurückgelegt hat, bräuchte für diese Reise etwa 75.000 Jahre.

Gigantisch großer Energiebedarf

Der Energiebedarf für diese neue Art des Raumfahrtantriebs wäre jedoch gigantisch groß. Lentz spricht von einer „astronomischen Energiequelle“: „Die Energie, die für diesen Antrieb für Lichtgeschwindigkeit für ein Raumschiff mit einem Radius von 100 Metern benötigt wird, liegt in der Größenordnung des Hundertfachen der Masse des Planeten Jupiter.“

Jupiter ist etwa 2,5 Mal so schwer wie die restlichen Planeten in unserem Sonnensystem zusammen. Die Erde würde 318 Mal hineinpassen. Das heißt: Das etwa 100 Meter große Raumschiff müsste nach der Theorie von Lentz viel mehr Masse haben oder dem Raum vorgaukeln, als es eigentlich hat. Wie das gelingen soll, ist allerdings noch offen.

Die theoretische Konsequenz dieser großen Masse wäre, dass sich der Raum vor dem Gefährt krümmt. Das Raumschiff flöge in die Krümmung hinein, hätte sich damit nur minimal bewegt und käme Lichtjahre entfernt in einer fernen Galaxie wieder hervor. Es selbst hätte sich also nur wenig bewegt, wäre aber durch die Raumkrümmung ein viel weiteres Stück vorangekommen, als man mit heutigen Antrieben schaffen kann.

Warp Field: Auch die Nasa mischt mit

Auch die US-Raumfahrtbehörde Nasa hat schon einige Anstrengungen in Richtung Warp-Antrieb unternommen. Von 1996 bis 2002 finanzierte die Nasa das „Breakthrough Propulsion Physics Project“. Dieses „Projekt für bahnbrechende Antriebsphysik“ erforschte neue und unkonventionelle Antriebsmethoden für die Raumfahrt – wie zum Beispiel Vakuumenergie, Nullpunktsenergie, Casimir-Effekt, Antigravitation und Überlichtgeschwindigkeit.

Auch verschiedene spekulative Konzepte des Warp-Antriebs wie etwa die Konzepte „Warp Field Mechanics 101“ und „War Field Mechanics 102“ wurden beschrieben und mathematisch beziehungsweise über Computermodelle erforscht. Im Jahr 2008 stellte die Nasa dieses Projekt endgültig ein. Der Warp-Antrieb hatte sich tatsächlich als Science Fiction herausgestellt. (mit dpa-Agenturmaterial)