Physik: "Star Trek" im Wissenschafts-Test

Physik: "Star Trek" im Wissenschafts-Test

Vor 50 Jahren startete die legendäre Serie "Star Trek“. Zum Jubiläum gehen Experten der Frage nach: Beruhen die Abenteuer der Enterprise auf solider Wissenschaft? Können Warp-Antrieb und Beamen funktionieren? Und wieso hat Spock grünes Blut?

Es begann mit einem Flop: Nach drei Jahren wurde die TV-Serie "Star Trek“ wegen chronischer Erfolglosigkeit aus dem Programm gekippt - just im Jahr der Mondlandung 1969. Dem zähen Protest eines harten Kerns eingefleischter Fans sowie der Fügung vieler glücklicher Umstände ist es zu verdanken, dass Star Trek gleichsam in Zeitlupe doch zum Welterfolg wurde - mit 726 TV-Folgen, die von verschiedenen Teams bestritten werden, und zwölf Kinofilmen. Im Juli kommt anlässlich des 50-jährigen Jubiläums ein neuer Streifen in die Kinos, und passend dazu befassen sich auch Fachleute wieder mit der Frage: Wie wissenschaftlich ist Star Trek? Werden die Gesetze der Physik eingehalten, und sind die Abenteuer der Enterprise plausibel?

Das jüngste Buch dazu erscheint am Montag dieser Woche und stammt von Metin Tolan, Professor für Experimentalphysik an der Universität Dortmund (Metin Tolan: "Die Star Trek Physik“ , Piper, Mai 2016, 304 Seiten, EUR 20,60 ). Der Enterprise-Anhänger seit Kindestagen klopft Technologien und Phänomene des Star-Trek-Universums auf ihre Korrektheit ab und gelangt generell zum Schluss: Die Geschichten von Captain Kirk, Mr. Spock und all ihren Gefährten sind Science-Fiction, aber keinesfalls Fantasy. Viele Erfindungen werden wohl auch im 22. oder 23. Jahrhundert an praktischen Hürden scheitern, die Naturgesetze werden aber selten verletzt (Neben Tolans Buch dienten als Basis auch die folgenden: Florian Freistetter: "Asteroid now. Warum die Zukunft der Menschheit in den Sternen liegt“ , Hanser, 2015, 236 Seiten, EUR 18,40 - Werner Gruber: "Hollywood und die Physik. Was wir im Kino wirklich sehen“ , facultas.wuv, 2007, 77 Seiten, EUR 9,50 ).

Existieren fremde Zivilisationen?

Die Enterprise ist unterwegs, um "neues Leben und neue Zivilisationen“ zu erforschen. Fast überall, wo sie eintrifft, stößt sie auf Planeten, die häufig von klugen Wesen bevölkert sind. Ist das denkbar? Ohne Übertreibung darf man sagen: heute mehr denn je. Zwar ist der Weltraum vor allem öde und leer, doch vereinzelt finden sich darin nicht nur unwirtliche Himmelskörper, sondern auch lebensfreundliche Nischen. Hatte man es früher für möglich gehalten, dass unserem gemütlichen Sonnensystem eine Sonderstellung im All zukommt, wurde dieser Gedanke längst verworfen. Mehr als 2000 Exoplaneten - Planeten in anderen Sonnensystemen - sind inzwischen erfasst, und viele davon bewegen sich um ein Zentralgestirn wie die Erde um die Sonne. Und gar nicht wenige Exoplaneten erfüllen die Kernbedingungen für die Existenz von Leben: Sie bestehen nicht aus Gas, sondern bieten festen Grund, besitzen die richtige Größe und liegen in der "habitablen“ Zone - im optimalen Abstand zu ihrer Sonne, wodurch eine klimatische Voraussetzung für Leben auf Kohlenstoffbasis erfüllt ist. Im Vorjahr wurde etwa der Planet "Kepler 452b“ entdeckt, der der Erde frappant ähnelt. Selbst ein Jahr dauert dort annähernd gleich lang. Freilich haben wir noch keine extraterrestrischen Kreaturen aufgespürt, aber vielleicht ist das in jener Epoche, in der die Star-Trek-Geschichten spielen, längst gelungen. Könnte die Enterprise nun aber von einer hypothetischen Zivilisation zur nächsten flitzen?

Wie weit sind unendliche Weiten?

Das Universum ist dermaßen riesig, dass Kilometerangaben extrem unübersichtlich werden. Daher benutzt man Astronomische Einheiten (AE), wobei 1 AE dem Abstand zwischen Erde und Sonne entspricht. Das ist der Basiswert, sozusagen schnell ums Eck zum Milchholen (obwohl die Sonne 150 Millionen Kilometer weit weg ist). Unser unmittelbarer Nachbar, der Stern Proxima Centauri, liegt bereits 268.000 AE entfernt. Das Licht braucht für diese Distanz vier Jahre. Könnten wir die Sonne auf Münzgröße schrumpfen, läge der Nachbarstern ungefähr bei Salzburg. Dennoch ist das für kosmische Dimensionen sehr, sehr nahe, gleichsam Grußweite. Andere Sterne sind 1000 Lichtjahre entfernt, und dabei befinden wir uns immer noch zu Hause, nämlich in unserer Milchstraße mit bis zu 300 Milliarden Sternen und einer Ausdehnung von rund 100.000 Lichtjahren.

Mission der Enterprise ist es aber, in Galaxien vorzudringen, die "nie zuvor ein Mensch gesehen hat“ - wenn auch nur in deutscher Übersetzung, im Original ist nur von Orten die Rede, die noch nie ein Mensch betreten hat. Die Distanz zu einer der gut 50 Milliarden Galaxien des Universums wäre auch unvorstellbar: Die nächste ist die Andromeda-Galaxie, rund 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt. Das Licht mit 300.000 Kilometern pro Sekunde wäre also 2,5 Millionen Jahre unterwegs. Könnte die Enterprise das theoretisch schaffen?

Wie ist die Enterprise motorisiert?

Auf kurzen Distanzen und bei geringer Geschwindigkeit kommt der "Impuls-Antrieb“ zum Einsatz. Dabei dürfte es sich um einen typischen Raketenantrieb handeln, wobei nach dem Rückstoßprinzip möglichst viel Treibstoff ausgestoßen und dadurch Schub erzeugt wird. Das ist - wie in der Realität - sehr unökonomisch, weil man enorm viel Treibstoff braucht: pro Tonne Material rund 60 Tonnen Treibstoff etwa bei der Saturn-V-Rakete. Auch deshalb landet die Enterprise, physikalisch klug durchdacht, nie auf den Planeten, die sie ansteuert: Sie müsste sonst gigantische Treibstofftanks mitführen, um von dort wieder ins All starten zu können. Für interstellare Reisen ist ein Raketenantrieb ohnehin ungeeignet: Saturn V hätte Proxima Centauri erst nach 100.000 Jahren erreicht.

Doch selbst wenn es gelingen sollte, viel effizientere Antriebe zu bauen - die besten Chancen verspricht die Kernfusion -, stößt das Team der Enterprise an eine unüberwindliche Grenze: Die Physik verbietet, dass sich etwas schneller bewegt als Licht. Selbst wenn Kirk und seine Kumpels fast mit Lichtgeschwindigkeit reisen könnten - sogar für unsere Galaxie wäre das zu langsam. Zudem ergäbe sich ein Ärgernis für die Logik des Plots: Die Lichtgeschwindigkeit ist in Stein gemeißelt, alles andere muss sich ihr unterordnen, auch die Zeit. Je mehr man sich aber dem Tempo des Lichts annähert, desto langsamer fließt die Zeit. Fliegt die Crew extrem schnell durchs All und wieder zurück zur Erde, sind vielleicht nur ein paar Tage vergangen. Die Menschen auf der Erde wären aber um Jahre gealtert.

Kann man schneller reisen als das Licht?

Allerdings ist ständig von Überlichtgeschwindigkeit die Rede. Die Enterprise muss also doch schneller sein können als das Licht, ohne die Naturgesetze zu verletzen - und das erlaubt der legendäre Warp Drive. Der Warp-Antrieb ist keine Erfindung, es gibt ihn wirklich, jedenfalls theoretisch. Einsteins Relativitätstheorie erlaubt, dass der Raum als solcher verformt wird. Er kann sich zwischen einem Raumschiff und dessen Ziel stark zusammenziehen und dahinter enorm ausdehnen. Dazwischen entsteht eine Art Blase, in die das Raumschiff eingeschlossen ist. So strebt nicht die Enterprise voran, sondern der Raum selbst bewegt sich samt Enterprise mit Überlichttempo, das Vehikel surft gleichsam mit dem Raum bis zum Zielort. Die Mathematik lässt solch eine Warp-Blase zu (wobei kein Zeitparadoxon auftritt), eine praktische Umsetzung wäre jedoch, gelinde ausgedrückt, ambitioniert: Man bräuchte zur Erzeugung der Blase ungeheure Energie sowie sogenannte "exotische“ Materie - und die hat bisher niemand gefunden, geschweige denn gebändigt.

Dennoch: Der Warp-Antrieb im Film beruht auf solider Forschung. Wäre man damit aber schnell genug für ferne Galaxien? Leider nein, wie Physiker Metin Tolan vorrechnet: Die Spitzengeschwindigkeit der Enterprise, so lässt sich aus Dialogen der Crew ableiten, beträgt "Warp 9,9“, was sagenhaften 50 Lichtjahren pro Tag entspricht. Das ist wirklich verdammt schnell, doch bis zur benachbarten Andromeda-Galaxie fliegt man bei Dauervollgas trotzdem 150 Jahre, sodass Kirk dort nicht einmal seine Rente zubringen könnte.

Kann man Menschen beamen?

Die berühmteste Technik in Star Trek ist sicher das Beamen: Menschen werden an einem Ort aufgelöst und materialisieren sich an anderer Stelle wie von Zauberhand. So "beamt“ sich die Crew auf fremde Planeten, statt mit der Enterprise zu landen. Wäre das technisch möglich? Die Antwort lautet erneut: theoretisch ja, praktisch kaum.

Beim Beamen werden die Atome einer Person in Strahlung verwandelt, anschließend setzt man das Atompuzzle wieder zusammen. Physikalisch wäre dies denkbar: Seit Einsteins Formel E=mc2 weiß man, dass Masse und Energie zwei Erscheinungsformen desselben Phänomens sind und ineinander umgewandelt werden können. Das umgekehrte Prozedere ist daher auch zulässig: der Weg von der De-zur Rematerialisierung. Die dafür benötigten Energiemengen würden allerdings ungefähr 1000 Wasserstoffbomben entsprechen, und zwar pro Person. Das nächste Problem ist, dass man den Menschen nicht irgendwie zusammenschustern will, sondern so, wie er vorher war. Dafür müsste man die Lage all seiner Atome präzise erfassen und diese exakt rekonstruieren. Technisch wäre eine genaue Positionsbestimmung aller Atome heute möglich, wenn auch sehr zeitaufwendig. Es gibt aber eine andere Hürde, und die ist unerbittlich: die Heisenberg’sche Unschärferelation. Sie besagt, dass niemals Ort und Impuls eines Teilchens mit absoluter Präzision angegeben werden können. Im konkreten Fall heißt dies: Beim Vorgang des Rekonstruierens würden sich Kopierfehler einschleichen, und bei einer Zahl von 1028 menschlichen Atomen (eine Eins mit 28 Nullen) wären das nicht wenige. Vereinfacht gesagt: Nach dem Beamen wäre man wohl nicht mehr ganz der Alte.

Den Autoren von Star Trek war das Dilemma bewusst, denn sie ersannen einen "Heisenberg-Kompensator“, um die lästigen Unschärfen auszugleichen, was aber leider unmöglich ist: Naturgesetze kann man nicht überlisten. Wohl deshalb antwortete der wissenschaftliche Berater der TV-Serie einst auf die Frage, wie denn der Kompensator funktioniere, trocken: "Sehr gut.“

Gibt es Tarnkappen wirklich?

Feindliche Raumschiffe verschwinden vom Schirm der Enterprise, weil sie flott ein Tarnsystem aktiviert haben. In der Realität will man Flugzeuge unsichtbar machen. "Unsichtbarkeit“ bedeutet stets, Licht verschiedener Art so zu lenken, dass ein Objekt nicht mehr erkennbar ist. Bei der Stealth-Tarnung werden Radarstrahlen dank spezieller Oberflächengestaltung gezielt abgelenkt oder so beeinflusst, dass eintreffende und reflektierte Wellen einander aufheben. In beiden Fällen findet das Licht nicht zur Quelle zurück, kann dort also nicht registriert werden. Auch vor unserem Auge kann man - zumindest winzige - Dinge verbergen: Forscher aus Karlsruhe entwickeln zurzeit Metamaterialien, die das Licht um ein Objekt herumleiten. Dadurch entsteht der Eindruck, es wäre gar nicht vorhanden (siehe profil wissen 1/2016).

Ist eine Steuerung per Gedanken möglich?

In Star Trek werden etwa Rollstühle mit der Kraft der Gedanken gesteuert. Tatsächlich arbeiten Mediziner an Prothesen, die sich durch Hirnströme befehligen lassen. Chip-Implantate im Gehirn werden dazu mit künstlichen Extremitäten verbunden. Dem Hirnforscher Niels Birbaumer gelingt es gar, mit Wachkomapatienten mittels Hirnströmen zu kommunizieren: Dabei wird wiederholt das Alphabet aufgesagt, und der Patient signalisiert jeden Buchstaben, den er zur Bildung seiner Sätze benötigt, durch neuronale Erregung im Gehirn (siehe dazu profil wissen 02/2016).

Woher kommt Mr. Spock?

Spock ist bekanntlich Vulkanier. Gibt es wirklich solch einen Planeten, und wo könnte er sein? Im 19. Jahrhundert dachten Astronomen, dass die Bahn des Merkur durch einen noch unentdeckten Planeten gestört werde, und gaben dem Objekt den Namen "Vulkan“. Längst lässt sich die Bewegung des Merkur ohne so einen Himmelskörper erklären, doch womöglich haben sich die Enterprise-Autoren bei dieser Geschichte bedient. Eine zweite Variante geht von einem (fiktiven) Planeten des Sterns 40 Eridani aus.

Weshalb hat Spock grünes Blut?

Aufgrund des Eisens im Eiweißkomplex Hämoglobin ist menschliches Blut rot. In Spocks Adern befindet sich statt Eisen Kupfer (wie tatsächlich bei Spinnentierarten), und da wir Effekte wie Grünspan auf Kupferdächern kennen, wäre es durchaus logisch, dass Spocks Blut grün ist. Oder? In dem Fall liegen die Enterprise-Autoren daneben: In Verbindung mit Sauerstoff würde das Blut blau. Aber immerhin ist Spock ja außerirdisch - wer kann schon wissen, welch exotische Moleküle den Farbton erzeugen.

Kann es Phaser-Gewehre geben?

Gebündelte Energiestrahlen zu erzeugen, ist mit einem Laser kein Problem, allerdings hapert es wieder mit der Energiemenge. In einer Folge wird die Energie eines Phaser-Gewehrs erwähnt, und diese entspräche bloß der Leistung von 1000 Staubsaugern. Um damit Gegenstände aufzulösen, müsste man schon ein paar Monate lang darauf feuern, was dem Actionfaktor eines Films kaum zuträglich wäre. An anderer Stelle wird eine Leistung angegeben, die eine halbe Million Mal stärker wäre - damit wäre ein Objekt tatsächlich rasch weg. Doch wir werden wohl nie über eine Energiequelle für eine so mächtige Waffe verfügen.

Wie schwer ist die Enterprise?

In einer Episode soll die Enterprise von zwei kleinen Raumschiffen ein Stück weit gezogen und so aus einer misslichen Lage befreit werden. Mit erstaunlicher Akkuratesse pickt Physiker Tolan aus den Dialogen der Crew wichtige Eckdaten über Kraft und Beschleunigung der kleinen Fähren heraus und errechnet dann anhand der Axiome Isaac Newtons die Masse der Enterprise. Ergebnis: Folgt man den Angaben im Film, wiegt das berühmteste Raumschiff der Welt nur 158 Kilo - inklusive Mannschaft.