Platzieren Sie eine Person im Weltraum, weg von den Gravitationsbindungen der Erdoberfläche, und sie wird Schwerelosigkeit fühlen. Obwohl alle Massen des Universums immer noch gravitativ auf ihn einwirken, ziehen sie auch jedes Raumschiff an, in dem sich die Person befindet, sodass sie schweben wird. Und doch wurde uns im Fernsehen gezeigt, dass die Besatzung eines bestimmten Raumfahrzeugs unter allen Umständen recht erfolgreich mit den Füßen auf dem Boden läuft. Dazu wird künstliche Schwerkraft eingesetzt, die durch Installationen an Bord eines fantastischen Schiffes erzeugt wird. Wie nah ist das an der realen Wissenschaft?
Kapitän Gabriel Lorca auf der Entdeckungsbrücke während eines simulierten Kampfes mit den Klingonen. Die gesamte Besatzung wird von künstlicher Schwerkraft angezogen, und dies ist sozusagen ein Kanon
In Bezug auf die Schwerkraft war Einsteins große Entdeckung das Äquivalenzprinzip: Bei gleichmäßiger Beschleunigung ist der Bezugsrahmen nicht vom Gravitationsfeld zu unterscheiden. Wenn Sie auf einer Rakete wären und das Universum nicht durch ein Fenster sehen könnten, hätten Sie keine Ahnung, was passiert: Werden Sie durch die Schwerkraft oder die Beschleunigung der Rakete in eine bestimmte Richtung heruntergezogen? Dies war die Idee, die zur allgemeinen Relativitätstheorie führte. 100 Jahre später ist dies die genaueste Beschreibung der Schwerkraft und Beschleunigung, die wir kennen.
Das identische Verhalten eines Balls, der im Flug (links) und auf der Erde (rechts) mit einer Rakete auf den Boden trifft, zeigt Einsteins Äquivalenzprinzip
Es gibt einen anderen Trick, sagt Ethan Siegel, den wir anwenden können, wenn wir wollen: Wir können das Raumschiff drehen lassen. Anstelle einer linearen Beschleunigung (wie der Schub einer Rakete) kann die zentripetale Beschleunigung so eingestellt werden, dass die Person an Bord den äußeren Rumpf des Raumfahrzeugs spürt, der ihn in Richtung Zentrum drückt. Dies war der Trick, der 2001 in A Space Odyssey angewendet wurde, und wenn Ihr Raumschiff groß genug wäre, wäre die künstliche Schwerkraft nicht von der tatsächlichen Schwerkraft zu unterscheiden.
Nur einer aber. Diese drei Arten der Beschleunigung - Gravitation, Linear und Rotation - sind die einzigen, mit denen wir die Auswirkungen der Schwerkraft simulieren können. Und das ist ein großes Problem für das Raumschiff.
Das Konzept der Station von 1969, die aus den verbrauchten Phasen des Apollo-Programms im Orbit zusammengesetzt werden sollte. Die Station musste sich um ihre Mittelachse drehen, um künstliche Schwerkraft zu erzeugen
Warum? Denn wenn Sie zu einem anderen Sternensystem reisen möchten, müssen Sie Ihr Schiff beschleunigen, um dorthin zu gelangen, und es dann bei der Ankunft verlangsamen. Wenn Sie sich nicht vor diesen Beschleunigungen schützen können, erwartet Sie eine Katastrophe. Um beispielsweise in Star Trek bis zu einigen Prozent der Lichtgeschwindigkeit auf den vollen Impuls zu beschleunigen, müsste man eine Beschleunigung von 4000 g erfahren. Dies ist das 100-fache der Beschleunigung, die den Blutfluss im Körper zu behindern beginnt.
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Der Start des Space Shuttle Columbia im Jahr 1992 zeigte über einen langen Zeitraum eine Beschleunigung. Die Beschleunigung des Raumfahrzeugs wird um ein Vielfaches höher sein, und der menschliche Körper wird nicht in der Lage sein, damit umzugehen.
Wenn Sie auf einer langen Reise nicht schwerelos sein möchten, um sich nicht schrecklichen biologischen Abnutzungserscheinungen wie Muskel- und Knochenmassenverlust auszusetzen, muss der Körper ständig Gewalt ausgesetzt werden. Für jede andere Kraft ist dies recht einfach. Beim Elektromagnetismus könnte man beispielsweise die Besatzung in ein leitfähiges Cockpit stellen und viele externe elektrische Felder würden einfach verschwinden. Es wäre möglich, zwei parallele Platten im Inneren anzuordnen und ein konstantes elektrisches Feld zu erhalten, wodurch die Ladungen in eine bestimmte Richtung gedrückt werden.
Wenn die Schwerkraft genauso funktioniert.
Ein solches Konzept als Gravitationsleiter existiert einfach nicht, ebenso wie die Fähigkeit, sich vor Gravitationskraft zu schützen. Es ist unmöglich, ein gleichmäßiges Gravitationsfeld in einem Raumbereich zu erzeugen, beispielsweise zwischen zwei Platten. Warum? Denn im Gegensatz zu der elektrischen Kraft, die durch positive und negative Ladungen erzeugt wird, gibt es nur eine Art von Gravitationsladung, nämlich die Massenenergie. Die Gravitationskraft zieht immer an und es gibt keinen Ort, an dem man sich davor verstecken kann. Sie können nur drei Arten der Beschleunigung verwenden - Gravitation, Linear und Rotation.
Die überwiegende Mehrheit der Quarks und Leptonen im Universum besteht aus Materie, aber jedes von ihnen enthält auch Antiteilchen aus Antimaterie, deren Gravitationsmassen nicht bestimmt werden
Die einzige Möglichkeit, künstliche Schwerkraft zu erzeugen, die Sie vor den Auswirkungen der Beschleunigung Ihres Schiffes schützt und Ihnen einen konstanten Abwärtsschub ohne Beschleunigung bietet, wäre verfügbar, wenn Sie Partikel mit negativer Gravitationsmasse entdecken. Alle Partikel und Antiteilchen, die wir bisher gefunden haben, haben eine positive Masse, aber diese Massen sind träge, das heißt, sie können nur beurteilt werden, wenn ein Partikel erzeugt oder beschleunigt wird. Trägheitsmasse und Gravitationsmasse sind für alle uns bekannten Partikel gleich, aber wir haben unsere Idee nie an Antimaterie oder Antiteilchen getestet.
Zu diesem speziellen Teil werden derzeit Experimente durchgeführt. Das ALPHA-Experiment am CERN hat Antiwasserstoff erzeugt: eine stabile Form neutraler Antimaterie, und arbeitet daran, sie von allen anderen Partikeln zu isolieren. Wenn das Experiment empfindlich genug ist, können wir messen, wie ein Antiteilchen auf ein Gravitationsfeld trifft. Wenn es wie gewöhnliche Materie herunterfällt, hat es eine positive Gravitationsmasse und kann zum Aufbau eines Gravitationsleiters verwendet werden. Wenn es in das Gravitationsfeld fällt, verändert es alles. Ein Ergebnis und künstliche Schwerkraft können plötzlich möglich werden.
Die Möglichkeit, künstliche Schwerkraft zu erhalten, lockt uns unglaublich an, basiert jedoch auf der Existenz einer negativen Schwerkraftmasse. Antimaterie mag so massiv sein, aber wir haben es noch nicht bewiesen
Wenn Antimaterie eine negative Gravitationsmasse hat, können wir durch die Schaffung eines Feldes aus gewöhnlicher Materie und einer Decke aus Antimaterie ein künstliches Gravitationsfeld erzeugen, das Sie immer nach unten zieht. Durch die Schaffung einer schwerkraftleitenden Hülle in Form des Rumpfes unseres Raumfahrzeugs würden wir die Besatzung vor ultraschnellen Beschleunigungskräften schützen, die sonst tödlich werden würden. Und das Beste ist, dass Menschen im Weltraum die negativen physiologischen Auswirkungen, die Astronauten heute plagen, nicht mehr erleben würden. Bis wir jedoch ein Teilchen mit negativer Gravitationsmasse finden, wird künstliche Gravitation nur durch Beschleunigung erhalten.
Ilya Khel