Paradox: Es dauert länger, mit tausendfacher Lichtgeschwindigkeit zu den fernsten Galaxien zu reisen als mit nahezu Lichtgeschwindigkeit

So könnte ein Raumschiff aussehen, das gerade mit einer Beschleunigung von 1g von der Erde aus startet. (Bildquelle: Adobe Firefly; KI-generiert, Alexander Köpf)

Wir schreiben das Jahr 1874: Ein junger Mann namens Max Planck beschließt, in München Physik zu studieren - bei dem hoch angesehenen Physiker und Mathematiker Philipp von Jolly. Doch der Professor rät ihm ab. Nicht etwa, weil er an Plancks Verstand gezweifelt hätte, sondern weil er überzeugt war, die Physik sei nahezu vollständig erforscht. Für junge Wissenschaftler, so meinte er, gebe es in diesem Feld nichts Bahnbrechendes mehr zu entdecken.

Schöner hätte er kaum irren können. Denn nur wenige Jahrzehnte später sollten ebenjener Max Planck und ein gewisser Albert Einstein mit ihren Theorien (Quantenphysik und Relativitätstheorie) die Grundfesten der Physik erschüttern und einen Paradigmenwechsel einleiten.

Übrigens war von Jolly mit dieser Fehleinschätzung nicht allein. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts herrschte unter vielen Physikern die Ansicht, das große Abenteuer sei bereits vorbei. Selbst Lord Kelvin, nach dem die Temperaturskala benannt ist, teilte diese Meinung.

Doch die klassische Physik, die bis dahin galt, stieß bald an ihre Grenzen. Ein Beispiel: Das Phänomen, um das es in diesem Artikel geht, ließe sich ohne Einsteins Relativitätstheorie überhaupt nicht erklären.

Denn so verrückt es klingt: Nach heutigem Kenntnisstand wäre es rein theoretisch technologisch realistischer, innerhalb eines Menschenlebens den Rand des beobachtbaren Universums zu erreichen - sofern sich dieser aufgrund der kosmischen Expansion nicht ständig weiter von uns entfernen würde -, als mit einem fiktiven Warpantrieb das nächste Sternensystem Alpha Centauri, das gerade einmal 4,24 Lichtjahre entfernt ist.

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Warum das beobachtbare Universum größer ist, als es alt ist

Das Universum ist etwa 13,7 Milliarden Jahre alt. Wieso aber beträgt der Radius des beobachtbaren Universums dann 46 Milliarden Lichtjahre? Der Grund: Während das Licht auf uns zueilte, hat sich der Raum selbst ausgedehnt. Wie ein Gummiband, das während des Trommelns eines Signals in die Länge gezogen wird - nicht zu verwechseln mit dem Dopplereffekt.

Das Licht, das wir heute von weit entfernten Galaxien empfangen, wurde kurz nach dem Urknall ausgesandt, als diese Galaxien noch viel näher waren. Doch während es unterwegs war, dehnte sich der Raum weiter aus. Deshalb beträgt der reale Abstand heute rund 46 Milliarden Lichtjahre.

Mit 1g durch die Galaxie

Jetzt wird’s spannend: Angenommen, wir hätten ein Raumschiff mit Fusionsantrieb. Klingt nach Science-Fiction, ist aber gar nicht so abwegig. Projekte wie ITER in Frankreich, Wendelstein 7-X in Deutschland und NIF in den USA arbeiten im Grunde auch daran. Mit so einem Antrieb könnte man wohl konstant mit 1g beschleunigen, also der Erdbeschleunigung.

Nebenbei praktisch: Die Crew hätte automatisch künstliche Gravitation, ganz ohne rotierende Ringe oder komplizierte Tricks.

Es gibt zwar einige Einschränkungen, auf die wir noch zu sprechen kommen, doch im Kern handelt es sich um eine erstaunlich realistische Annahme - ganz ohne exotische Wunderstoffe wie Materie mit negativer Energiedichte, die man etwa für einen Warpantrieb nach dem Alcubierre-Konzept bräuchte.

Nach weniger als einem Jahr derartiger Beschleunigung wäre man schon im Bereich der relativistischen Geschwindigkeiten, also einem nennenswerten Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit - ab etwa zehn Prozent oder 30.000 km/s.

Doch Geschwindigkeit allein ist nicht der Schlüssel, sondern die Effekte, die damit einhergehen: Vor allem Zeitdilatation und Längenkontraktion - aber auch Massenzunahme (korrekt: relativistische Massenzunahme oder relativistische Energie). Letzteres führt zu einem großen Aber. Dazu später mehr.

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Wenn Zeit beinahe stehen bleibt

Nach Einsteins Spezieller Relativitätstheorie (1905) sind Raum und Zeit untrennbar verwoben zur vierdimensionalen Raumzeit. Wer sich mit annähernder Lichtgeschwindigkeit bewegt, verändert, wie Zeit und Raum erlebt werden.

Für die Besatzung vergeht die Zeit ganz normal. Für einen Beobachter von außen jedoch wirkt es so, als würde die Zeit im Raumschiff langsamer laufen. Im Extremfall scheint die Zeit sogar nahezu stillzustehen.

Gleichzeitig schrumpfen für Außenstehende die Längen des Raumschiffs. Es erscheint gestaucht wie ein zusammengepresstes Akkordeon.

Und die relativistische Massenzunahme schließlich sorgt dafür, dass das Raumschiff mit wachsender Geschwindigkeit immer schwerer wird, als ob es mit jedem Schritt ein unsichtbares Gepäckstück mehr tragen müsste.

Das Faszinierende daran: Innerhalb des Raumschiffs könnten Menschen in wenigen Jahrzehnten tatsächlich an den Rand des bekannten Universums reisen (mit oben genannter Einschränkung), während draußen Milliarden Jahre vergehen.

Allerdings würden sie einfach daran vorbeifliegen. Um auch aussteigen zu können, müsste ebenso lange mit 1g gebremst wie beschleunigt werden. Innerhalb von zwei Lebensspannen wäre das theoretisch machbar.

Am verblüffendsten aber ist dies: Ein Raumschiff kann, egal, wie sehr und lange es auch beschleunigt, niemals die Lichtgeschwindigkeit erreichen. In der Fachsprache heißt es: Es nähert sich ihr asymptotisch an.

Doch je näher man dieser Grenze rückt, desto stärker werden die relativistischen Effekte. Die Zeitdilatation dehnt sich, bis von außen betrachtet die Uhren im Raumschiff praktisch nicht mehr ticken, die Längenkontraktion wird extremer, und die Massenzunahme wächst ins Unendliche.

Alexander Köpf

@NebulaMutara

Ich habe mir die Zeitdilatation vereinfacht immer so vorgestellt: Ein Raumschiff bewegt sich durch die vierdimensionale Raumzeit und beschleunigt dabei fast bis zur Lichtgeschwindigkeit - eine Grenze, die es niemals erreichen kann. Damit dieses Naturgesetz eingehalten bleibt, müssen sich andere Größen anpassen: nämlich Raum und Zeit selbst.

Warp vs. Wirklichkeit

Ein interessanter Vergleich zeigt, wie verrückt unsere Realität im Gegensatz zur Science-Fiction ist: In Star Trek: Voyager bräuchte das gleichnamige Schiff unter Captain Janeway für die Rückreise vom Delta-Quadranten zur Erde - eine Strecke von rund 75.000 Lichtjahren - etwa 70 Jahre bei maximaler dauerhafter Warp-Geschwindigkeit. Das entspricht ungefähr dem Tausendfachen der Lichtgeschwindigkeit.

Klingt beeindruckend. Aber würde Janeway versuchen, bis an den Rand des beobachtbaren Universums vorzustoßen, begäbe sie sich selbst bei dieser Geschwindigkeit auf eine rund 46 Millionen Jahre lange Reise (eigentlich deutlich mehr, weil sich der Raum weiter ausdehnt; aber sei's drum).

Und selbst dann, wenn die Voyager dauerhaft mit Warp 9,9 flöge, was laut der Folge Die 37er (via Memory Alpha) mehr als dem 20.000-Fachen der Lichtgeschwindigkeit entspricht, würde die Reise rund 2,3 Millionen Jahre dauern.

Da wirkt das Konzept der relativistischen Raumfahrt plötzlich viel reizvoller - und paradoxerweise auch realistischer. Denn hier ermöglicht die Zeitdilatation Reisen in Regionen, die selbst mit fiktiven Überlichtantrieben unvorstellbar lange dauern würden.

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Die großen Abers

Doch es gibt gewaltige Hindernisse:

• Das erste große Aber: Für die Reisenden vergeht nur eine Lebensspanne, doch aus der Perspektive des Universums vergehen mehr als 46 Milliarden Jahre (weil korrekterweise auch hier die künftige Ausdehnung des Kosmos einkalkuliert werden müsste; der Einfachheit halber lassen wir das jedoch). Man würde zwar das Ziel erreichen, aber in einer kosmischen Zukunft, in der wohl kein vertrautes Sternbild mehr existiert. Von einst geliebten Menschen wäre jede blasse Erinnerung schon vor Äonen erloschen.
• Das zweite große Aber: Je näher man der Lichtgeschwindigkeit kommt, desto mehr wächst die benötigte Energie - bis ins Unermessliche. Ein Raumschiff könnte diese Energiemengen irgendwann nicht mehr aufbringen, selbst dann nicht, wenn Wasserstoff unterwegs eingesammelt würde.
• Das dritte große Aber: Die Strahlung entgegen der Flugrichtung würde zu einer tödlichen Gefahr (harte Strahlung). Schutzschilde müssten sehr dick sein und diese Masse müsste ebenfalls beschleunigt werden.
• Das vierte große Aber: Selbst ein winziges Staubkorn würde bei solchen Geschwindigkeiten zur todbringenden Kugel werden, ein kosmisches Projektil, das ein Raumschiff im Bruchteil einer Sekunde zerreißen könnte, wenn nicht irgendeine Schutzmaßnahme ergriffen wird.

Fazit

So faszinierend das Gedankenspiel ist: Eine Reise zum Rand des Universums innerhalb einer Lebensspanne bleibt ein Traum, der an physikalischen und technischen Hindernissen scheitert.

Aber: Reisen mit relativistischen Geschwindigkeiten sind damit keineswegs ausgeschlossen. Selbst wenn wir nur 30 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreichen könnten, wären benachbarte Sternensysteme innerhalb eines Menschenlebens erreichbar - Strecken, für die wir mit heutiger Raketentechnologie Zehntausende Jahre benötigen würden.

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Mit anderen Worten: Auch wenn das Tor in die Unendlichkeit verschlossen bleibt, könnten wir die Tür zur Nachbarschaft unserer Sonne vielleicht schon in nicht allzu ferner Zukunft aufstoßen.

Und verknüpft man diese Idee mit dem Konzept von Generationenraumschiffen, also Schiffen, in denen ganze Gesellschaften über viele Generationen hinweg leben und reisen, dann erscheint sogar die Besiedlung der Milchstraße nicht mehr wie pure Science-Fiction, sondern wie ein fernes, aber denkbares Kapitel in der Geschichte der Menschheit.