Das Universum ist bekanntlich groß. Verdammt groß. Und dank Einsteins Relativitätstheorie ist die absolute Geschwindigkeitsobergrenze die Lichtgeschwindigkeit. Und die ist, wenn man mal ehrlich ist, ziemlich lahm – über vier Jahre bis zum nächsten Stern. Wie soll man denn da Außerirdischen begegnen? Die Galaxis erobern? Mal eben schnell nach M87 düsen?
Science-Fiction-Autoren stehen meist vor dem Problem, dass sie überlichtschnelle Raumschiffe brauchen. Sie könnten natürlich einfach ein paar kryptisch klingende Vokabeln erfinden (“der Freistätter-Carone-Drive beruht auf dem quantenrelativistischen Rings-Arbia-Effekt”) und sich ansonsten auf die Handlung konzentrieren1, aber viele SF-Autoren mögen es lieber, wenn die Überlichtantriebe zumindest halbwegs plausibel aussehen – immerhin heißt es ja science fiction.
1Alan Dean Foster fällt wohl in diese Kategorie, sein KK-Drive projiziert ein Schwarzes Loch vor das Schiff, das das Schiff anzieht, aber weil es ja immer vor dem Schiff ist… Nun ja, erinnert an das Perpetumobil von Jim Knopf, gibt aber physikalisch wenig her – Newton rotiert im Grab. Alan Dean Foster liest man halt aus anderen Gründen (davon gibt’s genug).
Wer – wie ich – gern science fiction liest oder guckt, der kennt einen ganzen Haufen unterschiedlicher Antriebe: Warpantrieb, Hyperdrive, Linearantrieb, Metagrav, Slipstream und und und. Heute mache ich mir mal den Spaß, ein bisschen System in die Sache zu bringen – welche Konzepte gibt es überhaupt? Wie unterscheiden sie sich? Wie kann man sie klassifizieren?
Welche Möglichkeiten bietet denn die Physik überhaupt für Überlichtantriebe?
Innerhalb der speziellen Relativitätstheorie ist die Lichtgeschwindigkeit ja die absolute Obergrenze, mehr geht nicht. Die allgemeine Relativitätstheorie lässt allerdings ein paar Auswege. Beispielsweise wurde in den Neunziger Jahren der Alcubierre-Drive “erfunden” (soll heißen, das theoretische Konzept wurde entwickelt). Damit könnte man ein Raumschiff mit einer extrem verzerrten Raumzeitblase umschließen, die etwa so aussieht:
By AllenMcC. – Own work, CC BY-SA 3.0, Link
Im inneren Bereich ist unser Raumschiff, die extreme Verzerrung katapultiert es mit Überlichtgeschwindigkeit durchs All. Lokal wird dabei die Lichtgeschwindigkeit nie überschritten, aber durch die extreme Verzerrung ist man effektiv schneller als das Licht. Wer die Mathematik sehen will, kann den Wikipedia-Link oben anklicken.
Nett ist, dass dieses Konzept erst in den Neunzigern theoretisch entdeckt wurde, während es in der Science Fiction schon lange (beispielsweise beim Warpantrieb) verwendet wurde. Falls jetzt jemand überlegt, warum die NASA nicht schon längst so einen Alcubierre-Drive baut: Nun, dafür braucht man exotische Materie, die die Raumzeit anders verzerrt als normale Materie das tut. Die gibt es im Moment auch nur in der Theorie.
Die erste Möglichkeit sind also Warpantriebe, die die Raumzeit um das Schiff verzerren. Bei Star Trek spielt allerdings gleichzeitig der Subraum, eine Art Hyperraum, eine wichtige Rolle für den Überlichtantrieb. Ich diskutiere das weiter unten nochmal im Detail.
Einen etwas anderen Trick, der auch mit einer Verzerrung der Raumzeit zu tun hat, verwendet die Superintelligenz ES, um mit unserem Mann im All, Perry Rhodan, die Barkoniden zu besuchen: Als Superintelligenz hat ES na klar auch ne Zeitmaschine in der Garage stehen. Also katapultiert ES Perry kurzerhand 200000Jahre in die Vergangenheit und fliegt dann mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nach Barkon – hier greift dann die Relativitätstheorie wieder und dank Zeitdilatation vergehen für Perry nur ein paar Stunden (oder waren es Tage – lange her, dass ich das gelesen habe?).
Die Raumzeit verzerren kann man auch auf ganz andere Weise, nämlich indem man die Topologie der Raumzeit ändert. Das sind die sogenannten Wurmlöcher. Die sehen etwa so aus:
Von Panzi – English Wikipedia, CC BY-SA 3.0, Link
Das Blaue ist unsere normale Raumzeit. Um von oben nach untenzu kommen, müsste man eigentlich den roten Weg fliegen, der ziemlich weit ist; stattdessen nimmt man eine “Abkürzung” durch das eingezeichnete Wurmloch. Im Bild wichtig zu beachten ist, dass man der Anschaulichkeit halber die Raumzeit zwar in einen höherdimensionalen Raum einbettet, der hat aber keine physikalische Bedeutung. Gekrümmte Räume müssen nicht eingebettet sein; ein wunderbar anschauliches Beispiel findet man in den Feynman Lectures, Band I.
Ein physikalisches Wurmloch in unserem normalen Universum wäre nicht stabil – auch dafür braucht man die oben erwähnte exotische Materie (im Bild eingezeichnet als “negative energy”), ansonsten würde das Wurmloch beim Durchfliegen kollabieren. Wenn man es durchfliegen könnte, würde man sich allerdings im ganz normalen Raum bewegen. Das ist in vielen SF-Geschichten anders, dort sieht das Innere von Wurmlöchern oft seltsam aus und es gelten andere physikalische Gesetze – eventuell fallen einige von diesen deshalb in die weiter unten zitierte Kategorie der Antriebe auf Hyperraumbasis.
Wir können bei solchen Wurmlochantrieben noch unterscheiden, ob die Wurmlöcher einfach schon “da” sind (so wie zum Beispiel das Wurmloch bei Star Trek Deep Space 9, das den Alpha- und Gamma-Quadranten verbindet), oder ob das Schiff das Wurmloch selbst erschafft. Für diesen letzteren Fall könnte (der ist nicht so genau beschrieben) der Antrieb aus dem Romanzyklus “der Wüstenplanet” ein Beispiel sein – dort verwenden die Mitglieder der Raumfahrergilde das sogenannte “Gewürz” um den Raum zu krümmen und ohne Zeitverlust von A nach B zu fliegen. Da Frank Herbert aber wohl nicht so sehr an Technik interessiert war, wird das in den Romanen nicht näher ausgeführt.
Wie gesagt, die häufig gezeigte “Einbettung” unserer Raumzeit hat zunächst keine physikalische Bedeutung. Aber was wäre wenn? Immerhin ist das hier ja science fiction, oder? Also, stellen wir uns vor, unsere Raumzeit wäre doch in einen höherdimensionalen Raum eingebettet, so wie in Stück Papier, das in eurem Zimmer liegt. Stellt euch vor, ihr seid ein Papierwesen – beim vorankommen werdet ihr durch die ganzen Papierfasern mächtig behindert. Könntet ihr euch dagegen quer zum Papier bewegen, könnte ihr einfach durch die Luft darüber fliegen – das ginge vielleicht viel schneller. Falls das Papier irgendwie gekrümmt oder aufgefaltet ist (so wie oben im Wurmlochbild, nur jetzt das Wurmloch wegdenken), könnt ihr auch direkt ne Abkürzung durch den Hyperraum nehmen.
Damit betreten wir das Reich der Hyperraumantriebe. Hier verlässt man das angestammte Universum und tritt in ein – wie es oft heißt – anderes Kontinuum über, in dem andere Regeln gelten. Einstein hat hier nix zu melden und Raum und Zeit sind im Hyperraum (der ja außerhalb der Raumzeit steht) eh etwas verwaschene Konzepte. Und weil der Hyperraum jenseits der bekannten Physik liegt, kann man sich jetzt hier also beliebig austoben und die Phantasie spielen lassen.
Für die Hyperraumantriebe gibt es auch wieder viele Möglichkeiten. Bei Isaac Asimov beispielsweise erlebt man den Hyperraumflug nicht mit – es handelt sich um einen Hyperraumsprung: Man tritt an einem Ort in den Hyperraum ein und kommt an einem anderen wieder heraus – dazwischen ist keine Zeit vergangen. Perry Rhodan hat diese Antriebsart (als Transitionsantrieb) auch eine ganze Weile benutzt. In einigen SF-Geschichten beherrschen auch Menschen diese Fähigkeit direkt als sogenannte Teleporter; prominentestes Beispiel ist sicherlich (neben diversen Teleportern in Perry Rhodans Mutantenkorps) Gilbert Gosseyn aus A.E. van Vogts Null-A-Romanen. (Das Beamen von Star Trek gehört nicht in diese Kategorie, denn dort wird das Signal nur einfach lichtschnell übertragen, der Hyperraum ist nicht involviert.)
Problematisch für die mutigen Weltraumhelden ist bei diesem Sprungantrieb natürlich, dass man nie genau weiß, was einem am Zielort erwartet – wenn man mitten in einer feindlichen Raumflotte auftaucht, kann das schon unangenehm sein. Auch dramaturgisch hat der Antrieb für den SF-Autor Nachteile: da der Raum nicht durchflogen wird, kann es keine “Reiseabenteuer” geben. Deshalb wird hier oft der Kunstgriff eingeführt, dass große Sprünge überproportional energieaufwändig oder gefährlich (weil schwerer zu berechnen) sind, so dass die Helden die eine oder andere Zwischenstation einlegen müssen.
Alternativ kann man die Helden den Hyperraum natürlich auch durchfliegen lassen. Gerade für Filme bietet dies der Special-Effects-Crew ein paar schöne Möglichkeiten, sich auszutoben. So fliegt man bei Babylon 5 (das für meinen Geschmack von allen SF-Serien die schönsten Raumschiffe und Weltallszenen hat) durch ein düsterrot glühendes Universum (in dem man sich an gesetzten Barken orientieren muss), bei Andromeda gibt es den Slipstream, der ungefähr so aussieht wie ein Wollknäuel, an dem sich eine Katze ausgetobt hat.
Und dann gibt es auch noch Mischformen, bei denen das Raumschiff selbst zwar im Hyperraum unterwegs ist, aber gleichzeitig auch immer eine Position im Normalraum hat. Eine Variante davon ist das Hypertakt-Triebwerk (auch mal wieder im Perry-Rhodan-Universum zu finden) – dabei macht das Raumschiff in jeder Sekunde 1230 Hyperraumsprünge, taucht also so oft in den Hyperraum ein und wieder auf, dass es immer im Normalraum lokalisiert werden kann.
In gewisser Weise fällt auch der Warp-Antrieb von Star Trek in diese Kategorie. Dazu ein Experten-Statement
This is accomplished by generating warp fields to form a subspace bubble that envelops the starship, distorting the local spacetime continuum and moving the starship at velocities that exceed the speed of light.
Das Schiff selbst wird also in eine Subraum-Blase eingeschlossen, die die Raumzeit um das Schiff herum so verzerrt, dass Überlichtflug möglich ist. Die Subraumblase wirkt also wohl so wie die exotische Materie beim Alcubierre-Antrieb.
Eine andere Version (wieder einmal bei Perry Rhodan) ist der Linearantrieb – der seinen Namen daher hat, dass der Raum zwischen Start- und Zielpunkt tatsächlich (also sozusagen “linear”) durchflogen wird; man merkt am Namen, dass da ein Physiker (Kurt Mahr) mitgeschrieben hat. Hier wird (nun ja, da ging dem Physiker die Fantasie etwas durch) eine Zwischenzone zwischen Normal- und Hyperraum geschaffen, die oft als viereinhalb-dimensional bezeichnet wird.
Und schließlich gibt es noch ganz andere Möglichkeiten – Tachyonenantriebe beispielsweise. Dabei wird das Schiff mit allen Insassen in einen Tachyonenimpuls konvertiert. Tachyonen sind (hypothetische, aber mögliche) Elementarteilchen, die sich immer nur schneller als das Licht bewegen können. Offen bleibt natürlich, wie genau diese Konvertierung passiert. Zu meiner Schande muss ich gestehen, dass mir gerade kein Beispiel für einen SF-Roman oder Film einfällt, wo so ein Antrieb verwendet wird (obwohl ich mir sicher bin, dass es den gibt). Vielleicht weiß einer von Euch Bescheid?
Eine noch verrücktere Variante ist der Unendliche Unwahrscheinlichkeitsdrive aus “Per Anhalter durch die Galaxis”. Der (genauso wie der Antrieb, der auf der Verbreitung schlechter Nachrichten beruht oder die Bistr-O-Matik, deren Basis die “andere Mathematik” von Bistro-Rechnungen ist) ist aber eher spaßhaft zu verstehen und deshalb für diesen überaus ernsten Scienceblog-Artikel ohne Belang.
Fassen wir also zusammen, dann gibt es zunächst drei Gruppen von Antrieben:
1. Warpantriebe mit den Untergruppen
1a lokale Verzerrung,
1b Zeitreise und
1c Wurmloch
2. Hyperraumantriebe mit den Untergruppen
2a Sprungantriebe,
2b Hyperraumdurchflugantriebe und
2c Linearantriebe (ich nehme das hier mal als Gruppenbegriff für alle Hyperraumantriebe, bei denen man trotzdem noch im Normalraum lokalisiert ist und “auf Sicht” fliegen kann)
3. Tachyonen- und andere Antriebe
Man kann aber auch anders klassifizieren: Der Übertritt in den Überlichtzustand kann entweder vom Schiff aus gesteuert werden oder extern.
Durchfliegt man ein vorhandenes Wurmloch, dann ist das eben da, wo es ist – viel Steuerungsmöglichkeiten hat man nicht. Auch bei Hyperraumantrieben gibt es so ein Konzept: Im Babylon-5-Universum kommt man durch “Sprungtore” in den Hyperraum; nur die ganz dicken Pötte können solche Tore selbst öffnen, kleinere Schiffe müssen sich auf vorhandene Tore verlassen. Auch die Stargates (aus den gleichnamigen Fernsehserien) funktionieren so: Nur wenn auf P4X-872 ein Stargate steht, kann ich auch überlichtschnell dorthin – dabei fliegt man durch ein Wurmloch, das (allerdings auf nicht näher spezifizierte Weise) in einem Hyperraum eingebettet ist; anders als bei “normalen” Wurmlöchern ist der Innenbereich des Wurmlochs eben keine normale Raumzeit.
Das Wurmloch bei Star Trek DS9 ist vermutlich auch so eine “Zwischenform”: Raumschiffe brauchen eine endliche Zeit zum Durchfliegen, aber der Innenbereich des Wurmlochs sieht trotzdem nicht “normal” aus und dort leben “Subraumwesen”. Ichvermute, dass – ähnlich wie beim Warpantrieb – im Star-Trek-Universum der Subraum (bzw. eine Subraumblase) die Raumzeit in ähnlicher Weise beeinflusst wie es exotische Materie tun würde. Daswegen braucht man Subraumfelder sowohl beim Warpantrieb als auch im Inneren des Wurmlochs.
Ein logisches Problem bei von intelligenten Lebewesen gebauten “Torantrieben” (egal ob auf Wurmloch- oder Hyperraumbasis) ist natürlich, dass irgendwer die Tore mal im All verteilt haben muss – deshalb gibt es in diesen Universen eigentlich immer auch eine weitere Form von Überlichtantrieb (bei Stargate beispielsweise einen Linearantrieb auf Hyperraumbasis).
Auch ein Warpantrieb kann extern gesteuert werden: Dafür gibt es ein Beispiel in der Star-Trek-Folge “die Solitonwelle”: Dort wird eine eng lokalisierte Raumverzerrung (eben eine Solitonwelle – die gibt es in der Physik wirklich) geschaffen, auf der dann eine Sonde “reiten” soll, quasi wie ein Surfbrett. Natürlich geht dabei einiges schief, aber es zeigt, dass auch dieses Konzept schon mal da war. Die Solitonwelle ist übrigens “einseitig”, es gibt also keine Zielstation, an der die Sonde wieder aufgefangen wird. Ähnliches gilt auch für (zumindest einige) Sonnentransmitter im Perry-Rhodan-Universum, auch da gibt es welche, bei denen man nur an der Startposition ein “Sprungtor” braucht, aber nicht am Ende
Die zweite Klassifikation für Antriebe sieht also so aus:
A Autarker (eingebauter) Überlichtantrieb (die meisten)
B Zweiseitiger Torantrieb (Wurmloch, B5-Sprungtore)
C Einseitiger Torantrieb (Sonnentransmitter, Solitonwelle)
Hier kann es allerdings auch Mischformen geben: Das Dimetranstriebwerk (wieder mal eine Erfindung des Perry-Rhodan-Universums) ermöglicht einen Sprung von einer Galaxie zur anderen – der Antrieb selbst ist dabei im Raumschiff eingebaut, aber er funktioniert nur im Zentrum einer Galaxie.
Schließlich können wir noch zwischen künstlich erzeugt und natürlich vorhanden “Antrieben” unterscheiden (bei A wäre das zum Beispiel ein Teleporter, der eine natürliche Fähigkeit zu Hyperraumsprüngen hat, bei B ein Wurmloch, bei C kenne ich zumindest kein Beispiel, aber prinzipiell geht das natürlich auch). Also führen wir gleich noch mal die Kategorien
X natürlich vorhanden und
Y künstlich erzeugt
ein.
Kombiniert mit der obigen Klassifikation ergibt das eine Menge an Möglichkeiten. Der Asimovsche Transitionsantrieb ist also als künstlicher, autarker Hyperraum-Sprungantrieb (2aAY) zu klassifizieren, der Warpantrieb ist ein künstlicher autarker lokal verzerrender Warpantrieb (1aAY), die Solitonwelle ist ein dagegen ein künstlicher einseitiger lokal verzerrender Warpantrieb (1aCY), das Wurmloch aus DS9 ist ein natürlicher zweiseitiger Wurmloch-Warpantrieb (1cBX), wenn wir annehmen, dass es sich um ein gewöhnliches Wurmloch handelt – falls das Innere des Wurmlochs eher Hyperraum- (oder Subraum-)Charakter hat, wäre es 2bBX.
Wahrscheinlich habe ich noch ein paar Möglichkeiten vergessen oder es gibt noch andere Klassifikationskriterien. Die könnt ihr gern in den Kommentaren vermerken. Ansonsten könnt ihr beim nächsten SF-Film, den ihr guckt, ja gleich losklassifizieren, vielleicht gibt es ja mal ein 2cAX-Triebwerk (wie immer das gehen soll).
PS: Und wie ist das nun mit Einstein? Die Relativitätstheorie sagt ja ziemlich klar, dass Überlichtantriebe auch die Kausalität verletzen würden, weil es ein Bezugssystem gibt, in dem man ankommt, bevor man losfliegt. Dieser Effekt wird normalerweise ignoriert – es wird stillschweigend davon ausgegangen, dass er nicht eintritt (obwohl er nichts damit zu tun hat, wie man von A nach B kommt). Einzige rühmliche Ausnahme, die ich kenne, ist eine Geschichte im Perry-Rhodan-Universum, in der die Helden in einem anderen Universum mit anderem Zeitablauf landen und dort mit ihren Normaltriebwerken schon überlichtschnell sind. In dieser Geschichte baut der Autor tatsächlich einige Kausalitätsprobleme ein, zwar nicht hundertprozentig überzeugend, aber immerhin.
Eine sehr ausführliche Diskussion mit einem Versuch der Antriebsklassifikation findet man auch im scifi-forum, das ich auch als Quelle benutzt habe.
Und wer gerne Überlichtgeschwindigkeiten zwischen verschiedenen Einheitensystemen konvertieren möchte (wievielfache Lichtgeschwindigkeit ist eigentlich Warp 9,3?), der kann das beim Warp-Rechner tun.
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