RAUMZEIT UND BEWEGUNG

MIT DEM E-MOBIL DURCHS UNIVERSUM

Mit einem E-Mobil durch das Universum zu reisen, ist offensichtlich keine besonders gute Idee.

Nehmen wir großzügig an, das Gefährt schafft 10 km/h und ignorieren wir für einen Augenblick kleinere technische Probleme wie fehlende Straßen, fehlende Ladestationen und fehlenden Sauerstoff.
Bis zum Mond wären wir dann rund viereinhalb Jahre unterwegs.
Bis zum Mars wären es bei mittlerer Entfernung von der Erde ungefähr 2.600 Jahre.
Und bis zum nächsten Stern etwa 458 Millionen Jahre.

Das E-Mobil scheidet damit als konventionelles interstellares Verkehrsmittel zunächst aus, aber bevor wir darüber lachen, sollten wir uns ansehen, wie viel besser ein richtiges Raumschiff abschneidet.

DAS PROBLEM MIT DER ENTFERNUNG

Der Mond ist im kosmischen Maßstab praktisch unser Nachbargrundstück.
Seine mittlere Entfernung von der Erde beträgt rund 384.400 Kilometer. Licht braucht dafür nur etwa 1,3 Sekunden. Die Apollo-Astronauten benötigten ungefähr drei Tage.

Das ist Raumfahrt, wie wir sie verstehen können.
Man startet hier, fliegt eine bestimmte Zeit und kommt dort an.
Beim Mars wird es bereits komplizierter.

Seine Entfernung von der Erde verändert sich wegen der unterschiedlichen Umlaufbahnen beider Planeten erheblich. SpaceX verwendet als durchschnittliche Entfernung rund 225 Millionen Kilometer. Günstige Transferfenster zwischen Erde und Mars entstehen nur ungefähr alle 26 Monate. Eine konventionell geplante Reise dauert mehrere Monate.

Elon Musk´s SpaceX verfolgt dennoch genau dieses Ziel: Menschen und große Mengen Fracht zum Mars zu transportieren und dort langfristig eine dauerhafte menschliche Präsenz aufzubauen. Starship ist ausdrücklich dafür ausgelegt. SpaceX nennt derzeit erste Frachtmissionen zur Marsoberfläche als "nicht vor 2028" - wir werden sehen.

Das ist also technisch außerordentlich schwierig, aber physikalisch nicht absurd. Der Mars befindet sich schließlich noch in unserem Sonnensystem
Das wirkliche Problem ist, über unser Sonnensystem hinaus zu reisen.

DER NÄCHSTE STERN IST NICHT GLEICH NEBENAN

Proxima Centauri ist ungefähr 4,25 Lichtjahre entfernt.
Ein Lichtjahr ist keine Zeitangabe, sondern eine Entfernung: die Strecke, die Licht in einem Jahr zurücklegt.
Das sind ungefähr 9,46 Billionen Kilometer.
Und Licht ist schnell: ca. 300.000 Kilometer pro Sekunde

Bei Lichtgeschwindigkeit dauert eine Erdumrundung nur rund 0,13 Sekunden, der Weg zur Sonne etwa 8:20 Minuten, und zum nächsten Stern rund 4,25 Jahre.

Die Raumsonde Voyager 1 bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 17 km/sec beziehungsweise rund 61.000 km/h durch das All (relativ zur Sonne). Voyager 1 ist das am weitesten von der Erde entfernte von Menschen geschaffene Objekt und fliegt seit dem 5. September 1977 durch das All.
Am 25. August 2012 verließ die Sonde unser Sonnensystem und trat in den interstellaren Raum ein, nun ist sie 25 Milliarden Kilometer (ca. 171,8 Astronomische Einheiten) von unserer Sonne entfernt.
Von 1977 bis 2012, also ganze 35 Jahre, nur um die Schwelle der Haustür zu überschreiten.

Das offiziell schnellste von Menschen gebaute Objekt ist die Parker Solar Probe, diese Sonde erreichte im Zuge ihrer Sonnenannäherungen Spitzengeschwindigkeiten von rund 690.000 km/h (ca. 191 km/s), das ist immerhin bereits 0,0637 % der Lichtgeschwindigkeit.

Mit einem Raumschiff, das nur 10 % der Lichtgeschwindigkeit erreicht (ca. 30.000 km/sec) würde der Ausflug nach Proxima Centauri immer noch mehr als 42 Jahre dauern.

Unsere Milchstraße hat einen Durchmesser von ungefähr 100.000 Lichtjahren, ein Raumschiff mit zehn Prozent Lichtgeschwindigkeit benötigte für ihre Durchquerung ungefähr eine Million Jahre.
Und unsere Milchstraße ist wiederum nur eine Galaxie unter sehr vielen.

Die Andromedagalaxie, unser nächster großer galaktischer Nachbar, ist ungefähr 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt.
Bei Lichtgeschwindigkeit also 2,5 Millionen Jahre Reisedauer - und das womöglich in der Economy Class.

Spätestens hier wird klar:
Das Problem interstellarer und intergalaktischer Raumfahrt besteht nicht primär darin, dass unsere Raketen noch etwas zu langsam sind.
Die Dimensionen selbst werden zum Problem.


DIE NOTLÖSUNG: DAS GENERATIONENRAUMSCHIFF

Wenn man die Reise nicht ausreichend verkürzen kann, gibt es eine andere Möglichkeit: Man akzeptiert ihre Dauer.

Das führt zur Idee des "Generationenraumschiffs".
Ein riesiges, weitgehend autarkes Raumschiff verlässt das Sonnensystem. Die Menschen, die starten, werden das Ziel niemals erreichen.
Ihre Kinder vermutlich ebenfalls nicht, vielleicht auch deren Kinder nicht.

Das Raumschiff wäre keine Maschine mehr, in der Menschen eine Reise unternehmen, es wäre eine kleine künstliche Welt.
Menschen würden darin geboren, leben, Kinder bekommen und sterben. Generationen später würden ihre Nachfahren vielleicht das Ziel erreichen.

NASA diskutiert solche Überlegungen ausdrücklich als eine denkbare Konsequenz sehr langer interstellarer Reisezeiten.
Das löst allerdings nicht nur technische Probleme aus.
Ein geschlossenes Ökosystem müsste über Jahrhunderte funktionieren.
Maschinen müssten von Menschen repariert werden, die ihre ursprünglichen Konstrukteure seit Generationen nur aus Archiven kennen.
Eine ausreichend große Bevölkerung müsste genetisch stabil bleiben.

Und irgendwann müsste man der 14. Generation erklären, warum sie eigentlich verpflichtet sein sollte, zu einem Stern zu fliegen, den ihre Ururgroßeltern ausgesucht haben.

Das Generationenraumschiff löst das Problem der Entfernung deshalb nicht, es kapituliert vor ihr.

WARUM „EINFACH SCHNELLER“ NICHT FUNKTIONIERT

Die naheliegende Antwort lautet natürlich: Dann müssen wir eben schneller werden.

Das funktioniert zunächst tatsächlich.
Mehr Energie bedeutet mehr Geschwindigkeit.
Aber nur bis die Relativitätstheorie beginnt, sich einzumischen.

Ein Raumschiff besitzt Masse.
Und ein Körper mit Masse kann nach der speziellen Relativitätstheorie die Lichtgeschwindigkeit nicht erreichen.

Je näher seine Geschwindigkeit an die Lichtgeschwindigkeit herankommt, desto größer wird der zusätzlich notwendige Energieaufwand.
Beim Grenzwert Lichtgeschwindigkeit würde der benötigte Energieaufwand unbegrenzt wachsen.

Die Lichtgeschwindigkeit ist deshalb nicht einfach eine besonders hohe Zahl auf dem Tachometer, sie ist Bestandteil der Struktur unserer heutigen Physik.


DANN FLIEGEN WIR EBEN NUR MIT "UNTER-LICHT"

Nehmen wir ein hypothetisches Raumschiff, das 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit erreicht.
Aus Sicht der Erde würde die Reise zu Proxima Centauri noch immer etwas mehr als vier Jahre dauern.
Für die Menschen im Raumschiff allerdings nicht, denn nun tritt das Phänomen der "Zeitdilatation" auf.

Je schneller sich das Raumschiff relativ zur Erde bewegt, desto langsamer vergeht, von der Erde aus betrachtet, seine Eigenzeit.

Bei 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit würde eine Reise von rund 4,3 Jahren im Bezugssystem der Erde für die Reisenden nur ungefähr sieben Monate dauern, wenn wir Beschleunigungs- und Bremsphasen vereinfachend ignorieren.

Das ist keine Science-Fiction.
Zeitdilatation ist eine experimentell bestätigte Konsequenz der speziellen Relativitätstheorie.

Das klingt beinahe wie die Lösung.
Leider folgt sofort das nächste Problem.


DIE ZEITDILATATION - JUNG BLEIBEN DURCH RAUMFAHRT

Die Uhr im Raumschiff läuft für die Reisenden völlig normal.
Aber auf der Erde vergeht wesentlich mehr Zeit.

Bei Reisen über extreme kosmische Entfernungen könnten die Astronauten daher theoretisch innerhalb ihrer eigenen Lebenszeit Entfernungen überwinden, für die außerhalb des Raumschiffs Jahrhunderte, Jahrtausende oder viel mehr vergehen.

Man könnte vielleicht zurückkehren.
Nur wäre niemand mehr da, den man bei der Abreise gekannt hat.
Zeitdilatation ist daher eine erstaunliche Eigenschaft der Natur.

Und noch etwas kommt hinzu.
Ein Raumschiff auf 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, verlangt gigantische Energiemengen.
Danach muss es am Ziel auch wieder abbremsen.

Und bei solchen Geschwindigkeiten werden selbst einzelne Wasserstoffatome und winzige Staubpartikel des interstellaren Mediums zu hochenergetischen Projektilen. NASA weist genau auf dieses Strahlungs- und Kollisionsproblem bei relativistischen Geschwindigkeiten hin.


DER TRICK MIT DEM WARP-ANTRIEB

Science-Fiction-Autoren erkannten das Problem schon früh.
Wenn ein Raumschiff nicht schneller als Licht durch den Raum fliegen kann, gibt es einen eleganten Ausweg:

Man fliegt nicht durch den Raum, man verändert stattdessen den Raum.

Das ist die Grundidee des "Warp-Antriebs" aus "Star Trek":
Der Raum vor dem Raumschiff wird verkürzt beziehungsweise kontrahiert.
Hinter dem Raumschiff wird er ausgedehnt.
Das Schiff befindet sich innerhalb einer Art Raumzeitblase.
Es muss lokal möglicherweise niemals schneller als Licht sein.
Die Raumzeit selbst erledigt die Arbeit.


ALCUBIERRES WARP-BLASE

Der mexikanische Physiker Miguel Alcubierre zeigte 1994, dass sich innerhalb der Allgemeinen Relativitätstheorie mathematisch tatsächlich eine Raumzeitgeometrie formulieren lässt, die diesem Prinzip ähnelt.

Hinter einem Raumschiff expandiert der Raum, vor ihm kontrahiert er.
Das Schiff befindet sich in einer Blase und kann, aus großer Entfernung betrachtet, eine Strecke scheinbar schneller als Licht überwinden, ohne lokal die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten.

Leider benötigt der Warp Antrieb und auch das ursprüngliche Alcubierre-Modell negative Energiedichten, beziehungsweise Energiekonfigurationen mit Eigenschaften, die wir technisch nicht zur Verfügung haben. Insbesondere treten negative Energiedichten beziehungsweise Verletzungen klassischer Energiebedingungen auf.

Hinzu kommen Probleme mit Stabilität, Kausalität und der Kontrolle einer superluminalen Warp-Blase.

Es bleibt also ein mathematisches Modell und keine Bauanleitung.

WIE SCHNELL IST EIGENTLICH WARP 10?

Die verschiedenen STAR TREK Serien verwendeten nicht immer exakt dieselbe Warp-Skala, in der für "The Next Generation" und "Voyager" verwendeten Okuda-Skala gilt ungefähr:

Warp 1 = Lichtgeschwindigkeit.
Warp 9 = rund die 1.516-fache Lichtgeschwindigkeit.

Danach steigt die Kurve extrem an.
Warp 10 wäre dann in diesem System innerhalb der Star-Trek-Physik kein normaler nächster Gang, sondern der asymptotische Grenzwert. In der Logik von "Star Trek" entspräche Warp 10 unendlicher Geschwindigkeit, in "Voyager" wird daraus sogar die bizarre Vorstellung, gleichzeitig an jedem Ort des Universums zu sein.

Physikalisch ist das natürlich keine reale Geschwindigkeit, aber als Gedanke ist es interessant, denn bei Warp 10 verschwindet letztlich der Begriff der Reisezeit.
Und damit beginnt sich auch der Begriff der "Entfernung" aufzulösen.


WURMLÖCHER: NICHT SCHNELLER, SONDERN KÜRZER

Es gibt noch einen zweiten berühmten Trick in der Science Fiction: Das "Wurmloch".

Nehmen wir zwei Punkte im Universum, die tausend Lichtjahre voneinander entfernt sind.
Statt diese tausend Lichtjahre zu durchqueren, verbindet man beide Regionen direkt durch einen Tunnel in der Raumzeit.
Die normale Strecke bleibt tausend Lichtjahre lang, der Weg durch das Wurmloch könnte dagegen sehr kurz sein.

Dieser fiktiven Technologie bedient man sich in STAR-TREK genauso wie in der TV-Serie STAR-GATE, in der sich alles um die "Sternentore" dreht, mittels derer man von hier nach dort gelangt, indem man die Adresse des gewünschten Stargate anwählt, wonach sich ein "Slipstream" öffnet, durch den man fast ohne Zeitverlust tausende, ja Millionen von Lichtjahren durch die Galaxien reist.

Auch das ist nicht bloß eine Erfindung der Science-Fiction.
Wurmlöcher treten als mathematische Lösungen beziehungsweise mögliche Geometrien in der Allgemeinen Relativitätstheorie auf.

Michael Morris und Kip Thorne untersuchten bereits 1988 ausdrücklich Wurmlochgeometrien, die theoretisch von Menschen durchquert werden könnten.

Doch würden uns die gewaltigen Gravitationskräfte beim Durchflug nicht zerreißen ?

Bei einem gewöhnlichen schwarzen Loch können extreme Gezeitenkräfte einen Körper tatsächlich auseinanderziehen – die bekannte „Spaghettifizierung“.

In theoretischen Modellen wird ein durchquerbares Wurmloch gerade so definiert, dass kein Ereignishorizont den Weg versperrt und die Gezeitenkräfte für einen Reisenden erträglich bleiben können.
Morris/Thorne behandeln tatsächlich Geometrien, die einen menschlichen Durchflug erlauben sollen.

Das Problem liegt aber woanders.

Wir wissen nicht, ob solche Wurmlöcher in der Natur existieren.
Wir wissen nicht, wie man eines erzeugt.
Wir wissen nicht, wie man es stabil offenhalten könnte.

Und die bekannten Modelle verlangen wiederum sehr ungewöhnliche Energie- und Materiezustände. In Einsteins klassischer Gravitation werden für stabile durchquerbare Wurmlöcher typischerweise Verletzungen bestimmter Energiebedingungen benötigt.

Ein Wurmloch ist daher momentan eine faszinierende Möglichkeit der Mathematik, aber kein Tunnel, für den wir bereits eine Mautstelle planen müssten.


UND WAS MACHEN WIR JETZT, ZU HAUSE BLEIBEN ?

Wir haben nun fast alles versucht.
Wir können ein schnelleres Raumschiff bauen.
Dann stoßen wir an den Energiebedarf und schließlich an die Lichtgeschwindigkeit.

Wir können sehr nahe an die Lichtgeschwindigkeit herankommen.
Dann hilft uns die Zeitdilatation – aber nur aus Sicht der Reisenden, während außerhalb weiterhin enorme Zeiträume vergehen.

Wir können ein Generationenraumschiff bauen.
Dann überwinden wir zwar die Entfernung, aber verbringen sehr sehr viel Zeit damit.

Wir können den Raum mit einem Warp-Antrieb verformen.
Dafür benötigen wir eine Raumzeitgeometrie und Energiezustände, von deren technischer Beherrschung wir weit entfernt sind.

Wir können ein Wurmloch benutzen.
Wir wissen nur nicht, ob ein brauchbares existiert oder überhaupt hergestellt werden kann.

All diese Lösungen unterscheiden sich zwar gewaltig, aber sie haben Eines gemeinsam.
Sie akzeptieren eine Annahme, ohne diese weiter zu hinterfragen:

Wir befinden uns an einem Ort A und reisen zu einem Ort B - von hier nach dort.

Zwischen A und B liegt eine Entfernung, und unsere Aufgabe besteht darin, sie irgendwie zu überwinden.

Vielleicht steckt genau darin unser Denkfehler.
Vielleicht brauchen wir für interstellare Reisen gar keinen besseren Antrieb und ein schnelleres Raumschiff.
Vielleicht müssen wir viel grundsätzlichere Fragen stellen:

Was verstehen wir überhaupt unter einem Ort?
Was ist Entfernung?
Was bedeutet Bewegung?

Und ist der Raum, durch den wir uns bewegen wollen, tatsächlich eine fundamentale Eigenschaft des Universums?
Oder entsteht dieser erst auf einer tieferen Ebene der Physik?

Wenn das so wäre, bekäme das Problem der Raumfahrt plötzlich eine völlig andere Form. Dann wäre die entscheidende Frage vielleicht nicht mehr: ‚Wie kommen wir schneller durch den Raum?‘ Sondern: ‚Müssen wir überhaupt durch den Raum?

WENN RAUM NICHT FUNDAMENTAL IST

Vielleicht ist nicht nur Bewegung eine abgeleitete Größe.
Vielleicht gilt das auch für den Raum selbst.

Das klingt zunächst widersinnig. Schließlich befinden sich alle Dinge irgendwo, und Entfernungen lassen sich präzise messen.
Aber "real" und "fundamental" sind nicht dasselbe.

Ein einfaches Beispiel ist die Temperatur.
Ein Glas Wasser kann 20 Grad Celsius haben. Die Temperatur ist real und messbar.
Ein einzelnes Wassermolekül besitzt jedoch nicht in demselben thermodynamischen Sinn "20 Grad". Temperatur entsteht erst aus dem gemeinsamen Verhalten sehr vieler Teilchen.

Physiker nennen eine solche Eigenschaft emergent.
Und einige Ansätze der modernen theoretischen Physik untersuchen, ob auch Raum und Raumzeit auf ähnliche Weise emergent sein könnten.


RAUM AUS BEZIEHUNGEN

Auf einer tieferen Ebene könnten dann nicht Dinge existieren, die sich bereits irgendwo im Raum befinden.
Fundamentaler könnten Quantenzustände, Wechselwirkungen und Beziehungen sein.
Erst aus deren Struktur würde entstehen, was wir auf unserer Ebene als Nähe, Entfernung, Richtung und schließlich als Raum beschreiben.
Dann wären zwei Objekte nicht deshalb eng miteinander verbunden, weil sie räumlich nahe beieinander liegen.

Es könnte fundamentaler auch umgekehrt sein:
Sie erscheinen räumlich nahe beieinander, weil ihre zugrunde liegenden Zustände besonders eng miteinander verbunden sind.


QUANTENVERSCHRÄNKUNG UND GEOMETRIE

Dieser Gedanke gehört nicht nur in die Philosophie.

In bestimmten Modellen der Quantengravitation, insbesondere im Umfeld der holografischen Dualität, gibt es mathematische Zusammenhänge zwischen Quantenverschränkung und Raumgeometrie.

Der Physiker Mark Van Raamsdonk zeigte beispielsweise, dass in solchen Modellen eine Verringerung der Verschränkung dazu führen kann, dass entsprechende Raumregionen geometrisch auseinanderrücken. Im Grenzfall kann die zusammenhängende Raumgeometrie sogar zerfallen.

Das beweist nicht, dass unser Universum tatsächlich auf diese Weise aufgebaut ist.
Es zeigt aber, dass die Vorstellung eines aus tieferen Quantenbeziehungen entstehenden Raumes in der modernen theoretischen Physik ernsthaft untersucht wird.


UND WAS BEDEUTET DAS FÜR ENTFERNUNG?

Damit kehren wir zu unserem eigentlichen Problem zurück.
Proxima Centauri ist rund 4,25 Lichtjahre entfernt.
Innerhalb unserer Raumzeit ist diese Entfernung vollkommen real und messbar.

Wenn Raum jedoch emergent wäre, müsste eine Entfernung von 4,25 Lichtjahren auf der darunterliegenden fundamentalen Ebene nicht zwangsläufig dieselbe Bedeutung besitzen.
Vielleicht gibt es dort überhaupt keine "Lichtjahre".
Dann könnte man Raumfahrt anders formulieren.

Nicht nur als Bewegung:

A -> Strecke -> B

sondern möglicherweise als Übergang zwischen zwei Zuständen:

SA = "bei A"
SB = "bei B"

Und damit kommen wir zur entscheidenden Frage:
Muss ein Übergang von SA nach SB tatsächlich alle räumlichen Zwischenpositionen durchlaufen?

Dafür gibt es derzeit keinen Beleg und keine bekannte Technik.
Aber genau hier ändert sich die Fragestellung.

Vielleicht besteht die Lösung für Reisen durch das Universum nicht darin, immer schneller durch den Raum zu fliegen.
Vielleicht auch nicht darin, den Weg durch Warp oder Wurmlöcher zu verkürzen.
Vielleicht müsste man den Raum überhaupt nicht durchqueren.

BEWEGT SICH ÜBERHAUPT ETWAS?

Bis hierher haben wir ganz selbstverständlich angenommen, dass sich ein Raumschiff von einem Ort A zu einem Ort B bewegt.
Es startet hier, durchquert den Raum und kommt dort an.
Je größer die Entfernung, desto länger die Reise.
Aber was bedeutet eigentlich "Bewegung"?

ZENONS PFEIL

Schon vor rund 2.500 Jahren beschäftigte sich Zenon von Elea mit dieser Frage.
Er stellte sich einen fliegenden Pfeil vor.
Zu jedem einzelnen Zeitpunkt befindet sich der Pfeil an einem bestimmten Ort. Im nächsten Augenblick befindet er sich etwas weiter, danach wieder etwas weiter.

Zenons Frage war sinngemäß:
Wenn sich der Pfeil in jedem einzelnen Augenblick an einem bestimmten Ort befindet - wann bewegt er sich eigentlich?

Natürlich wissen wir, dass Pfeile fliegen.
Die Frage lautet nicht, ob Bewegung existiert.
Die Frage lautet: Was genau ist Bewegung?


DIE MATHEMATIK BESCHREIBT BEWEGUNG

Für die klassische Physik ist das mathematisch gut beherrschbar.
Ein Körper besitzt eine Position, die sich mit der Zeit verändert:

x = x(t)

Daraus lassen sich Geschwindigkeit und Beschleunigung bestimmen.

Newtonsche Mechanik, Differentialrechnung und später Einsteins Relativitätstheorie beschreiben Bewegung mit außerordentlicher Präzision. Wir können Planetenbahnen berechnen, Raumsonden zu fernen Zielen schicken und sogar bestimmen, wie unterschiedlich schnell Uhren in bewegten Raumschiffen und auf der Erde laufen.

Wir wissen also sehr genau, wie man Bewegung beschreibt.
Das bedeutet aber nicht zwingend, dass wir wissen, was Bewegung auf der fundamentalsten Ebene der Wirklichkeit ist.


EINSTEINS WELTLINIE

Einstein verband Raum und Zeit zur vierdimensionalen Raumzeit.
Ein Körper besitzt darin eine sogenannte Weltlinie - vereinfacht gesagt seine gesamte Geschichte in Raum und Zeit.
Auch dieses äußerst erfolgreiche Modell setzt jedoch etwas voraus:
Die Raumzeit ist vorhanden, und der Körper besitzt darin eine kontinuierliche Bahn.
Aber muss diese Bahn auch auf der fundamentalsten Ebene der Physik existieren?


MUSS ES DIE BAHN WIRKLICH GEBEN?

Stellen wir uns vor, wir beobachten einen Körper in sehr kurzen Zeitabständen:

x1 -> x2 -> x3 -> x4

Unsere Wahrnehmung verbindet diese Positionen automatisch zu einer kontinuierlichen Bewegung.
Auf unserer makroskopischen Ebene funktioniert das ausgezeichnet.

Aber vielleicht lässt sich der Vorgang fundamentaler auch anders beschreiben:

S1 -> S2 -> S3 -> S4

Also als Folge physikalischer Zustände.
Dann könnte das, was wir als kontinuierliche Bewegung wahrnehmen, erst aus dieser Folge von Zustandsänderungen entstehen.

Normalerweise denken wir:
Ein Objekt bewegt sich und verändert dadurch seinen Zustand.

Vielleicht könnte es fundamentaler genau umgekehrt sein:
Der Zustand verändert sich - und daraus entsteht das, was wir als Bewegung beobachten.

Das ist zunächst nur eine Frage, keine Behauptung. Es bedeutet weder, dass Gegenstände tatsächlich von Ort zu Ort springen, noch dass das Universum wie ein Film aus einzelnen Bildern besteht.
Aber wenn Bewegung nicht fundamental wäre, müssten wir auch unsere ursprüngliche Frage zur Raumfahrt neu stellen.

VON HIER NACH DORT - OHNE DEN WEG DAZWISCHEN

Nehmen wir an, ein Objekt befindet sich bei A, später befindet es sich bei B.
Unsere gewöhnliche Vorstellung verlangt dazwischen eine Bahn:

A -> x1 -> x2 -> x3 -> B

Das Objekt muss also jeden Zwischenraum durchqueren. Daraus entstehen Geschwindigkeit, Beschleunigung, Reisezeit und Energiebedarf.
Genau das macht interstellare Raumfahrt so schwierig.
Aber wenn Raum und Position selbst nur emergente Eigenschaften tieferer physikalischer Zustände wären, könnte man den Vorgang abstrakter beschreiben:

SA -> SB

SA bedeutet: "Das Objekt befindet sich bei A."
SB bedeutet: "Das Objekt befindet sich bei B."

Dann stellt sich eine ungewöhnliche Frage:
Muss ein Übergang von SA nach SB tatsächlich alle räumlichen Zwischenzustände enthalten?
Oder könnte sich der fundamentale Zustand verändern, ohne dass das Objekt im klassischen Sinn den Weg zwischen A und B zurücklegt?


DAS WÄRE KEINE HÖHERE GESCHWINDIGKEIT

Wenn ein Raumschiff zehn Lichtjahre in einer Sekunde zurücklegt, wäre es extrem schnell.
Wenn es die zehn Lichtjahre aber gar nicht durchquert, wäre "Geschwindigkeit" möglicherweise überhaupt nicht mehr die passende Größe.

Dann gäbe es keine Bewegung mit 10 Lichtjahren pro Sekunde, sondern zwei Zustände:

vorher HIER, nachher DORT.

Die Entfernung wäre nicht mit größerer Geschwindigkeit überwunden worden, sie wäre für den Übergang möglicherweise gar nicht relevant gewesen.


DAS PROBLEM MIT DER TRÄGHEIT

Ein Raumschiff, das in kürzester Zeit von null auf eine enorme Geschwindigkeit beschleunigt, erzeugt gewaltige Beschleunigungskräfte.
Ein Mensch im Inneren würde das kaum überleben.
Dasselbe Problem entsteht bei einem abrupten Richtungswechsel mit hoher Geschwindigkeit.
Wir kenne das von den Kampfpiloten, die waghalsige Manöver fliegen, da können schon mal 9 g auf dem Körper wirken, wenn eine Kurve sehr eng geflogen wird.

Deshalb gibt es im Raumschiff Enterprise sogenannte "Trägheitsdämpfer". Wenn Kirk den Befehl "Energie" gibt und Sulu den Hebel nach vorne drückt, beschleunigt die Enterprise binnen kürzester Zeit auf "vollen Impuls", das ist 0,25 % der Lichtgeschwindigkeit. Ohne Trägheitsdämpfer würde die Besatzung durch die Fliehkraft als zerquetschte Biomasse an der Rückwand der Brücke enden.

Dass die gesamte Crew trotz dieser Trägheitsdämpfer durch die Kommandozentrale taumelt, wenn die Enterprise beschossen wird, gehört zu den kleinen physikalischen Ungereimtheiten von Star Trek. Innerhalb der Serienlogik wird das meist damit erklärt, dass die Dämpfer bei plötzlichen Treffern überlastet oder beschädigt werden.

Würde jedoch gar keine klassische Beschleunigung stattfinden, sondern nur ein Wechsel des physikalischen Zustands, wäre das klassische Problem mit den Trägheitskräften nicht relevant.

REDEN WIR HIER VOM BEAMEN ODER TELEPORTATION?

"Beamen" ist vor allem ein Begriff aus der Science-Fiction. In Star Trek wird Materie beziehungsweise die Struktur eines Lebewesens erfasst, übertragen und am Ziel wieder zusammengesetzt. Dazu werden Materietransmitter verwendet, diese gibt´s bei Perry Rhodan, Star Trek und auch das STARGATE ist so ein Ding.

"Teleportation" bezeichnet allgemein die Vorstellung, einen Zustand oder ein Objekt von einem Ort zu einem anderen zu übertragen, ohne den klassischen Weg dazwischen zu durchlaufen. Wenn man ein Mutant ist wie Kurt Wagner (Nightcrawler aus dem Marvel Universum), oder Ras Tschubai (aus der Perry Rhodan Serie), braucht man dazu nicht einmal einen Transmitter.

In der realen Quantenphysik gibt es tatsächlich Quantenteleportation. Anton Zeilinger gelang 1997 an der Universität Wien die weltweit erste experimentelle Quantenteleportation mit Lichtteilchen (Photonen), wofür er im Jahr 2022 den Nobelpreis für Physik erhielt, und ganz Österreich deswegen stolz war (Heimat bist Du großer Söhne).
Bei diesem bahnbrechenden Experiment wurde jedoch kein physisches Objekt durch den Raum bewegt, sondern der Quantenzustand eines Photons über eine Distanz auf ein anderes, verschränktes Photon übertragen. Selbst Zeilinger kann also keine Menschen in Wien verschwinden lassen, die dann gleich anschließend auf Proxima Centauri auftauchen.

Und entscheidend: Auch Quantenteleportation ermöglicht keine Informationsübertragung schneller als Licht.

Fragen wir uns deshalb etwas anderes:
Könnte ein fundamentaler Zustandswechsel innerhalb unserer Raumzeit wie ein Ortswechsel erscheinen, obwohl auf einer tieferen Ebene keine klassische Bewegung stattgefunden hat?
Wer die Antwort darauf findet, kriegt sicher auch den Nobelpreis - und vielleicht sogar eine Förderung der Stadt Wien.


HABEN AUSSERIRDISCHE BEREITS DIESE TECHNOLOGIE ?

Ein Objekt könnte scheinbar plötzlich beschleunigen, ohne erkennbare Kurve die Richtung ändern, abrupt zum Stillstand kommen oder an einem Ort verschwinden und an einem anderen wieder auftauchen.

Für einen Beobachter, der diese Vorgänge innerhalb unserer Raumzeit beschreibt, sähe das nach extremer oder sogar physikalisch unmöglicher Bewegung aus. Er würde vielleicht von einem UFO oder, moderner formuliert, von einem UAP berichten, und die Wenigsten würden ihm glauben.
Es gibt zahllose Berichte über UFOs beziehungsweise UAPs, denen Bewegungen zugeschrieben werden, die mit gewöhnlicher Flugmechanik nur schwer vereinbar wären:

extreme Beschleunigungen,
abrupte Richtungswechsel,
plötzlicher Stillstand,
keine sichtbaren Antriebssysteme
oder scheinbares Verschwinden und Wiederauftauchen.

Nehmen wir einmal an, eine solche Beobachtung wäre korrekt, dann gäbe es zwei Möglichkeiten:
Entweder das Objekt verfügt über eine Technologie, mit der es extreme Beschleunigungen und Kräfte beherrscht, oder wir beschreiben den Vorgang mit dem falschen Begriff.
Vielleicht hat sich das Objekt gar nicht so bewegt, wie es für uns aussieht.

Wenn ein fundamentaler Zustandswechsel innerhalb unserer Raumzeit als Ortswechsel erscheint, könnte ein Beobachter versuchen, daraus Geschwindigkeit und Flugbahn zu berechnen, obwohl auf der tieferen Ebene möglicherweise weder diese Geschwindigkeit noch diese Bahn existiert haben.

Ein scheinbarer Sprung von A nach B würde dann nicht bedeuten:
Das Objekt hat die Strecke zwischen A und B unglaublich schnell zurückgelegt.

Sondern möglicherweise:
Der Zustand "bei A" wurde zum Zustand "bei B".

Dann würden die Trägheitsprobleme extremer Beschleunigung oder abrupter Richtungswechsel gar nicht erst entstehen.
Nicht weil wir einen fantastischen neuen Antrieb erfunden hätten, sondern weil es überhaupt kein Antriebsvorgang gewesen wäre.

Das ist natürlich alles hochspekulativ, aber Science-Fiction spielt mit genau solchen Gedanken schon lange.
Und es gibt dafür auch einen besonders schönen Ausdruck:

DER DISTANZLOSE SCHRITT

In der Science-Fiction-Serie Perry Rhodan handelt es sich dabei um eine Technologie der sogenannten Kosmokraten, die unter anderem mithilfe von "Laires Auge" genutzt werden kann: Im Unterschied zu einem Transmitter oder einer Teleportation kommt es zu keiner Entstofflichung und anschließenden Rematerialisierung. Das Ziel wird vielmehr in "Nullzeit" erreicht. Wie das funktioniert, bleibt selbst innerhalb der Perry-Rhodan-Welt weitgehend unbekannt.

Der Begriff "distanzlos" trifft unsere bisherige Überlegung erstaunlich genau.

Denn sobald wir versuchen, dem Vorgang eine Geschwindigkeit zuzuordnen, geraten wir wieder in unser altes Denken.
Wenn jemand 86 Millionen Lichtjahre in null Sekunden zurücklegt, müsste seine Geschwindigkeit formal unendlich sein.

Vielleicht wäre aber genau diese Rechnung falsch, denn sie setzt voraus, dass die 86 Millionen Lichtjahre tatsächlich durchquert wurden.
Beim "Distanzlosen Schritt" steckt bereits im Namen eine andere Vorstellung:
Die Distanz wird nicht schneller überwunden. Sie wird überhaupt nicht überwunden.

Übertragen auf unser Gedankenmodell wäre das kein Vorgang

A -> sehr schnelle Reise -> B,

sondern schlicht

SA -> SB.

Der physikalische Zustand "bei A" würde in den Zustand "bei B" übergehen, ohne dass wir zwingend eine klassische Bahn zwischen beiden annehmen müssten.

Damit unterscheidet sich der Gedanke auch grundsätzlich vom Warp-Antrieb. Beim Warp wird weiterhin mit Raumzeit gearbeitet; ihre Geometrie wird so verändert, dass die Reise möglich wird. Auch ein Wurmloch bleibt eine Verbindung innerhalb einer Raumzeitgeometrie. Man sucht gewissermaßen eine Abkürzung.

Der "Distanzlose Schritt" ist als Gedankenmodell radikaler:

Keine schnellere Straße,
Keine Abkürzung,
Überhaupt keine Straße.

Ob so etwas in der realen Physik überhaupt möglich sein kann, wissen wir nicht. Eine Theorie emergenter Raumzeit liefert dafür keine Bauanleitung, und aus Quantenverschränkung folgt keine Möglichkeit, Menschen oder Raumschiffe beliebig durch das Universum zu versetzen.

Aber Science-Fiction erfüllt hier eine ihrer interessantesten Aufgaben: Sie gibt einer Frage einen Namen, lange bevor wir wissen, ob die Natur überhaupt eine Antwort darauf besitzt.

Und "Distanzloser Schritt" beschreibt unsere Frage ziemlich präzise:
Was wäre, wenn man für eine Reise zu den Sternen die Entfernung überhaupt nicht überwinden müsste?

Dann wären 4,25 Lichtjahre nach Proxima Centauri, 100.000 Lichtjahre durch die Milchstraße oder 2,5 Millionen Lichtjahre nach Andromeda für den eigentlichen Übergang möglicherweise gar nicht mehr die entscheidenden Größen.

Und dann wäre plötzlich auch völlig gleichgültig, ob wir in einer SpaceX Rakete oder im Raumschiff Enterprise sitzen - oder auf einem E-Mobil.

QUELLENHINWEISE:

NASA – Moon Facts:
https://science.nasa.gov/moon/facts/

NASA – Our Milky Way Galaxy: How Big is Space?:
https://science.nasa.gov/universe/exoplanets/our-milky-way-galaxy-how-big-is-space/

NASA – Voyager 1: What Is a Light-Day?:
https://science.nasa.gov/mission/voyager/voyager-1/voyager-1-what-is-a-light-day/

NASA – Going Interstellar:
https://science.nasa.gov/solar-system/10-things-going-interstellar/

NASA – Interstellar: Crossing the Cosmic Void:
https://science.nasa.gov/universe/exoplanets/interstellar-crossing-the-cosmic-void/

NASA – Guide to Near-Light-Speed Travel:
https://science.nasa.gov/universe/fun-exploring-the-universe/nasas-traveler-learns-about-the-universe/nasas-guide-to-near-light-speed-travel/

NASA TechPort – Interstellar Mission Concept, 10 % Lichtgeschwindigkeit:
https://techport.nasa.gov/projects/95581

SpaceX – Mission: Mars:
https://www.spacex.com/humanspaceflight/mars

Miguel Alcubierre – The Warp Drive: Hyper-fast Travel within General Relativity:
https://arxiv.org/abs/gr-qc/0009013

Miguel Alcubierre / Francisco Lobo – Warp Drive Basics:
https://arxiv.org/abs/2103.05610

Morris / Thorne / Yurtsever – Wormholes, Time Machines, and the Weak Energy Condition:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.61.1446

Memory Alpha – Warp Factor:
https://memory-alpha.fandom.com/wiki/Warp_factor

Perrypedia - Distanzloser Schritt:
https://www.perrypedia.de/wiki/Distanzloser_Schritt