Physik in der Science-Fiction: Was die Naturgesetze erlauben und was der Erzählung vorbehalten bleibt

Der Millennium Falke muss seinen Hyperantrieb zum Laufen bringen, um zu entkommen. In einer anderen Geschichte bietet ein Raumschiff seiner Besatzung etwas viel Alltäglicheres: einen Boden, auf dem sie gehen kann. Die beiden Szenen werfen Fragen auf, die sich mit sehr unterschiedlichen Graden an Sicherheit physikalisch beantworten lassen. Um sie zu unterscheiden, sollte man fragen, was außerhalb der Leinwand geschehen müsste.

Hyperraum und die Grenze des Lichts

In der Fiktion. In Das Imperium schlägt zurück fällt der Hyperantrieb des Millennium Falken während der Flucht von Hoth aus. Die Panne ist wichtig, weil der Hyperraum in der Erzählung den Fluchtweg bietet.

In der Physik. Die spezielle Relativitätstheorie legt die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, c, als lokale Grenze für die Übertragung von Signalen fest. Beschleunigt man ein Raumschiff mit Masse, kostet jeder weitere Geschwindigkeitszuwachs mehr Energie, je näher es an c kommt. Um c zu erreichen, wäre unendlich viel Energie nötig. Durch die Zeitdilatation kann an Bord weniger Zeit vergehen als für diejenigen, die zurückbleiben, aber das Raumschiff bewegt sich weiterhin unterhalb dieser Grenze.

Fazit. c durch lokale Beschleunigung zu überschreiten, widerspricht der Relativitätstheorie. Der Hyperraum der Saga ist eine erzählerische Freiheit. Es gibt eine andere mathematische Idee: Die Alcubierre-Metrik ermöglicht die Beschreibung einer Reise, die global schneller ist, ohne dass das Raumschiff in seiner unmittelbaren Umgebung c überschreitet. Ihre ursprüngliche Formulierung erfordert für bestimmte Beobachter negative Energiedichten. Sie ist eine spekulative Hypothese, für deren Umsetzung kein physikalischer Mechanismus nachgewiesen wurde.

Masse und Energie in einem Behälter

In der Fiktion. In Illuminati konzentriert ein Behälter mit dem CERN entwendeter Antimaterie die Bedrohung der Geschichte. Die Szene setzt voraus, dass das Problem gelöst ist, eine ausreichende Menge zu speichern und zu transportieren, um den gezeigten Effekt hervorzurufen.

In der Physik. E₀ = mc² setzt die Masse eines Systems mit seiner Ruheenergie in Beziehung. Wenn Teilchen aus Materie und Antimaterie annihilieren, erscheint die anfängliche Energie in den Reaktionsprodukten wieder. Im idealen Fall eines Teilchens und seines Antiteilchens, die sich anfangs in Ruhe befinden, muss die Masse beider berücksichtigt werden. Die Gesamtenergie und der Gesamtimpuls bleiben erhalten. Der große Wert von c² erklärt, warum eine kleine Masse einer großen Energiemenge entsprechen kann. Antimaterie herzustellen, sie einzuschließen und die Energie der Produkte zu nutzen, sind getrennte Probleme. Mit den heutigen Verfahren wird für die Herstellung von Antimaterie viel mehr Energie aufgewendet, als bei ihrer Annihilation zurückgewonnen werden könnte.

Fazit. Annihilation und die Äquivalenz von Masse und Energie sind gesicherte Physik. Die Verfügbarkeit und Lagerung, die die Szene voraussetzt, sind erzählerische Freiheiten.

Ein rotierender Boden

In der Fiktion. In 2001: Odyssee im Weltraum kann die Besatzung im Inneren eines rotierenden Raumschiffabschnitts gehen. Der Boden dreht sich mit.

In der Physik. Der Boden drückt die Füße zum Drehzentrum und zwingt den Körper, einer Kreisbahn zu folgen. Diese Stützkraft fühlt sich wie Gewicht an. Die Beschleunigung hat den Betrag a = ω²r, wobei ω die Winkelgeschwindigkeit und r der Abstand zur Drehachse ist. Bei gleicher Beschleunigung am Boden kann sich ein größerer Radius langsamer drehen. In einem kleinen Habitat können Kopf und Füße merklich unterschiedliche Beschleunigungen erfahren. Beim Gehen oder Bewegen des Kopfes spürt man außerdem die Corioliseffekte, die die Bewegungswahrnehmung verändern.

Fazit. Die Physik lässt scheinbare Schwerkraft durch Rotation zu. Spekulativ ist, wie ein bewohnbares Habitat für eine lange Mission entworfen und betrieben werden könnte. Radius, Rotationsgeschwindigkeit und Belastbarkeit der Besatzung sind dabei entscheidend.

Was tatsächlich teleportiert wird

In der Fiktion. In Star Trek: Strange New Worlds aktiviert Una den Transporter, und Kirk erscheint an Bord. Die Geschichte nutzt das Gerät, um eine Person zwischen zwei Orten zu befördern.

In der Physik. Quantenteleportation überträgt einen Quantenzustand auf ein Empfängersystem, das bereits existiert. Das Protokoll nutzt gemeinsam geteilte Verschränkung, eine Messung am Ausgangsort und eine klassische Nachricht, mit deren Hilfe der Empfänger den Vorgang abschließen kann. Am Ende gibt es nicht zwei Kopien des ursprünglichen Zustands. Auch die Materie des ursprünglichen Systems wird nicht transportiert. Bis die Nachricht eintrifft, kann der Empfänger den Zustand nicht nach Belieben wiederherstellen.

Fazit. Einen Menschen wie in der Serie zu transportieren, ist eine erzählerische Freiheit. Wenn das Gerät sofort nutzbare Information über eine Entfernung hinweg überträgt, verstößt dieser Aspekt tatsächlich gegen die Kausalitätsgrenze der Relativitätstheorie.

Superman, das Flugzeug und die Größenordnung

In der Fiktion. In Superman Returns versucht Superman, ein abstürzendes Flugzeug aufzuhalten. Die physikalische Frage beginnt beim Kontakt mit dem Rumpf. Wie wird die Kraft vom Berührungspunkt auf den Rest des Flugzeugs übertragen?

In der Physik. Um abzubremsen, muss der Impuls des Flugzeugs geändert werden. Je kürzer bei derselben Impulsänderung das Manöver dauert, desto größer ist die mittlere Kraft. Selbst wenn Superman sie aufbringen könnte, müsste die Struktur sie übertragen, ohne zu zerbrechen. Bei einer gleichmäßig verteilten, senkrecht wirkenden Belastung ist die mittlere Spannung Kraft geteilt durch Fläche. Wirkt dieselbe Kraft auf eine kleine Fläche, steigt diese Spannung. Bei einem echten Rumpf kommen weitere Komplikationen hinzu, etwa Biegung, Spannungsspitzen und die Verteilung der Belastungen auf seine Bauteile.

Dieselbe Idee erklärt, warum eine Vergrößerung einer Figur das Problem verändert. Verdoppelt man ihre Höhe und behält Form und Dichte bei, vervielfachen sich Volumen und Gewicht um den Faktor acht, während sich die Fläche eines ähnlichen Querschnitts um den Faktor vier vergrößert. Unter diesen Annahmen verdoppelt sich die durch das Eigengewicht verursachte Spannung. Um sich selbst zu tragen, wären Änderungen der Proportionen, des Materials oder der Art der Lastverteilung nötig.

Fazit. Ein Flugzeug abzubremsen und zu stützen, ist mit der Mechanik vereinbar, wenn die Belastung und die Verzögerung erträglich sind. Die erzählerische Freiheit besteht in der Annahme, dass die Kraft des Helden allein genügt und der Rumpf sowie die Passagiere jedes Manöver aushalten.

Fünf Szenen, fünf Prüfungen

Wenn eine Szene das nächste Mal unmöglich erscheint, versuche herauszufinden, was erklärt werden muss: eine Geschwindigkeit, eine Energiebilanz, eine Kraft oder ein Signal. Jede Frage führt zu einem anderen Gesetz. Du kannst sie im Physikbereich weiter erkunden.