In Christopher Nolans Film Interstellar steht die Menschheit vor einer existenziellen Krise: Die Erde wird zunehmend unbewohnbar, und die einzige Hoffnung auf Überleben liegt darin, neue bewohnbare Planeten in fernen Galaxien zu finden. Ein Team mutiger Astronauten, angeführt von Cooper, einem ehemaligen NASA-Piloten, macht sich auf den Weg durch ein Wurmloch nahe des Saturns, um diese neuen Welten zu erkunden. Sie erleben dabei extreme Zeitdilatationseffekte in der Nähe eines gigantischen Schwarzen Lochs, was dramatische Auswirkungen auf ihre Lebensspanne und die ihrer Angehörigen auf der Erde hat.

Wir Menschen haben leider die Einschränkung, dass unsere Lebensspanne relativ kurz ist, besonders wenn man sie in kosmischen Maßstäben betrachtet. Deshalb nutzt die Science-Fiction alle möglichen Kniffe, um uns dennoch zu fernen Galaxien reisen zu lassen. Wir könnten etwa mit überlichtschnellen Warp-Antrieben unterwegs sein oder uns für die Dauer der Reise einfrieren lassen, auch könnten wir Generationsraumschiffe verwenden (Generationsraumschiffe sind interstellare Fahrzeuge, die über viele Generationen hinweg von Besatzungen bewohnt werden, um entfernte Sternensysteme zu erreichen, da die Reisezeiten mehrere Menschenleben umfassen). Oder, wie im Film Interstellar, könnten wir durch geschickt platzierte Wurmlöcher einfach große Distanzen überspringen. Ein Wurmloch ist ein theoretisches Gebilde in der Raumzeit, das zwei weit entfernte Punkte durch einen Tunnel verbindet, wodurch Reisen über immense Distanzen in kürzester Zeit möglich wären. Diese Tunnel entstehen durch die extremen Krümmungen der Raumzeit, wie sie durch die Allgemeine Relativitätstheorie von Einstein beschrieben werden.

Tatsächlich wäre all das nicht notwendig. Physikalisch gesehen gibt es eine viel einfachere Lösung: Wir müssen lediglich die Zeit langsamer vergehen lassen. In der Nähe einer großen Masse, wie dem Schwarzen Loch Gargantua aus Interstellar, geschieht dies automatisch. Die Raumzeit wird durch die Masse gekrümmt, wodurch die Zeit langsamer verläuft. Das führt im Film dazu, dass der Protagonist Cooper von seiner Reise zurückkehrt und seine Tochter als alte Frau vorfindet. Dieser Effekt basiert auf Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie.

Doch selbst ohne ein Schwarzes Loch gibt es eine Methode, die Zeit zu manipulieren. In der flachen Raumzeit greift Einsteins spezielle Relativitätstheorie. Hier ist die Raumzeit unverzerrt und es geht um relative Bewegung und Beschleunigung. Wir gehen davon aus, dass die Lichtgeschwindigkeit immer konstant bleibt, unabhängig von der Geschwindigkeit des Beobachters relativ zur Lichtquelle.

Stellen wir uns eine Lichtuhr vor, bestehend aus zwei gegenüberliegenden Reflektoren, zwischen denen ein Lichtstrahl hin- und herläuft. Jedes Mal, wenn der Lichtstrahl den Reflektor erreicht, vergeht eine Zeiteinheit. Bewegt sich diese Lichtuhr nun schnell, sieht der Lichtstrahl für uns aus, als würde er eine diagonale Strecke zurücklegen, obwohl seine Geschwindigkeit gleich bleibt. Die Strecke, die der Lichtstrahl zurücklegt, ist für uns länger, daher vergeht zwischen den Ticks mehr Zeit. Die Uhr läuft aus unserer Sicht langsamer.

Um die Zeitdilatation zu berechnen, kann man den Satz des Pythagoras verwenden. Wenn die Uhr sich mit 85 % der Lichtgeschwindigkeit bewegt, vergeht für uns zwischen den Ticks 1,83 Sekunden, während für die Uhr weiterhin nur eine Sekunde vergeht. Wenn die Zeit langsamer verläuft und die Geschwindigkeit gleich bleibt, muss die Länge kleiner werden – ein Phänomen, das als Längenkontraktion bekannt ist. Aus Sicht der Uhr sind die Strecken verkürzt.

Nehmen wir an, wir haben einen extrem leistungsstarken Raketenantrieb entwickelt, der uns konstant bis nahe an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigen kann. Wir starten von der Erde und beschleunigen mit 1g, also 9,81 m/s². Für uns fühlt es sich an, als wären wir weiterhin auf der Erde. Je schneller wir werden, desto langsamer scheint unsere Zeit für die Beobachter auf der Erde zu vergehen. Für uns hingegen werden die Strecken kürzer. Auf halber Strecke bremsen wir mit 1g ab, um unser Ziel zu erreichen.

Materie kann jedoch niemals 100 % der Lichtgeschwindigkeit erreichen, da ihre Masse bei zunehmender Geschwindigkeit immer weiter ansteigt. Dies erfordert immer mehr Energie, um weiter zu beschleunigen. Licht hingegen besteht aus masselosen Photonen, die sich immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Da wir aus Materie bestehen, können wir uns nur der Lichtgeschwindigkeit annähern, aber sie niemals vollständig erreichen.

Mit dieser Methode könnten wir den nächsten Stern, Proxima Centauri, in nur 3,6 Jahren erreichen, obwohl er 4,3 Lichtjahre entfernt ist. Die Lichtgeschwindigkeit erreichen wir zwar nie, aber dank der Längenkontraktion erscheint das Universum für uns verkürzt. Je näher wir der Lichtgeschwindigkeit kommen, desto stärker ist der Effekt. So könnten wir Sagittarius A*, das Schwarze Loch im Zentrum unserer Galaxie, in nur 20 Jahren erreichen, obwohl es fast 27.000 Lichtjahre entfernt ist. Die Andromeda-Galaxie, die 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt ist, könnten wir in 30 Jahren erreichen. Möglich wäre das, weil wir auf halber Strecke mit 99,99 % der Lichtgeschwindigkeit unterwegs wären. Das verkürzt die Distanz erheblich. Also auf zu anderen Galaxien oder? Was hält uns eigentlich noch auf? Gut, vielleicht noch der Antrieb, aber es gibt da ein weiteres, nicht ganz unerhebliches kleines Problem.

Das ist auch der Grund, warum die Charaktere in Interstellar ein Wurmloch nutzen mussten. Kommen wir zurück zur Theorie und unserer sich bewegenden Uhr. Aus unserer Perspektive läuft die Uhr langsamer, aber aus der Sicht der Uhr sind wir diejenigen, die langsamer ticken.

In unserem eigenen Bezugssystem stehen wir still und die anderen scheinen sich zu bewegen. Es ist alles relativ. Für wen vergeht die Zeit aber nun langsamer? Das lässt sich nur durch Beschleunigung feststellen, da diese absolut messbar ist. In unserem Beispiel sind wir diejenigen, die beschleunigen und abbremsen, also vergeht unsere Zeit langsamer.

Bei der Reise zu Proxima Centauri und zurück würden für uns 7,2 Jahre vergehen, während auf der Erde 12 Jahre vergehen. Bei einer Reise nach Andromeda wären für uns 60 Jahre vergangen, während auf der Erde 5 Millionen Jahre vergangen wären.

Jetzt wird klar, warum das Wurmloch in Interstellar so entscheidend für die Geschichte war. Ohne das Wurmloch wäre Coopers Rückkehr zu seiner Tochter und zur Menschheit nicht möglich gewesen. Mit diesem Wissen würde ich es mir zweimal überlegen, ob ich in ein solches Raumschiff einsteige. Vielleicht nur, wenn meine ganzen Familienmitglieder mitkommen würden, denn was bringt das größte Abenteuer, wenn man es nachher niemandem mehr erzählen kann und die liebsten alle längst verstorben sind?

Abschließend möchte ich allen, die sich für das Thema Reisen in ferne Galaxien interessieren, den Film Interstellar wärmstens empfehlen. Er ist nicht nur der Lieblingsfilm meines Sohnes Lukas, sondern auch meiner. Regisseur Christopher Nolan hat sich intensiv mit wissenschaftlichen Konzepten auseinandergesetzt, um möglichst viele realistische und mögliche Szenarien in den Film einzubauen. Mithilfe des renommierten Physikers Kip Thorne wurden komplexe Theorien zur Allgemeinen Relativität, Zeitdilatation und Wurmlöchern so dargestellt, dass sie sowohl wissenschaftlich fundiert als auch visuell beeindruckend sind. Interstellar bietet eine faszinierende Mischung aus emotionaler Erzählkunst und tiefgründiger Wissenschaft, die jeden Weltraumenthusiasten begeistern wird.

Links:

Interstellar der Film

Zeitdilatationseffekte

Allgemeine Relativitätstheorie

Längenkontraktion