Wenn es in der Zukunft ein Raumschiff gibt, das ein Lichtjahr in einer Sekunde zurücklegen kann, kann es dann aus dem Universum herausfliegen?

Dieser Artikel basiert auf der Beantwortung seltsamer Fragen von Internetnutzern. Ich finde, es macht Spaß und kann meine Fantasie anregen, also werde ich darüber sprechen. Siehe den Screenshot zur ursprünglichen Frage:

Lassen Sie uns zunächst über den Ursprung von 1 Lichtjahr sprechen und wie schnell 1 Lichtjahr in 1 Sekunde ist.

Das Lichtjahr ist eine von der Wissenschaftsgemeinschaft festgelegte Einheit für große Entfernungen im Universum und entspricht der Lichtgeschwindigkeit in einem Jahr. Die Lichtgeschwindigkeit bezieht sich auf die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c = 299792458 m/s (Meter pro Sekunde). Da ein so großer Maßstab keine derartige Präzision erfordert, wird er üblicherweise mit 300.000 Kilometern pro Sekunde gemessen.

Wie lang ist also 1 Lichtjahr? Zuerst müssen wir bestimmen, wie viele Sekunden ein Jahr hat. Das vom Menschen bestimmte Jahr ist die Zeit, die die Erde braucht, um die Sonne zu umkreisen. Es gibt jedoch zwei Möglichkeiten, diese Zeit zu berechnen.

Eines davon ist das siderische Jahr. Dabei handelt es sich um das Zeitintervall, in dem die Erde die Sonne umkreist und, von der Erde aus beobachtet, zur gleichen Position zurückkehrt, wobei sich die Sonne und ein bestimmter Stern an der gleichen Position wie der Ausgangspunkt befinden. Das siderische Jahr ist nicht ganz genau, da sich die Rektaszension und Deklination der Sterne aufgrund der Präzession der Tagundnachtgleichen ändern. Das Sternjahr beträgt nun 365,25636 mittlere Sonnentage oder 365 Tage, 6 Stunden, 9 Minuten und 10 Sekunden, basierend auf der Epoche J2000.0.

Eines davon ist das tropische Jahr, das sich auf das Zeitintervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Durchgängen der Sonne durch die Frühlingstagundnachtgleiche bezieht. Das heißt, es gibt eine virtuelle Frühlingstagundnachtgleiche entlang der Ekliptik in der Erdumlaufbahn. Die Zeit, die benötigt wird, um einen Kreis zu vollenden und zu diesem Punkt zurückzukehren, wird auch als Sonnenjahr bezeichnet. Das tropische Jahr wird bei der Erstellung des ewigen Kalenders im Voraus berechnet, daher ist der Zeitabstand zwischen den einzelnen tropischen Jahren nicht genau derselbe, daher wird ein Durchschnittswert über ein Jahrhundert genommen. Die Länge dieses Jahrhunderts beträgt 365,242199174 Tage oder 365 Tage, 5 Stunden, 48 Minuten und 46 Sekunden.

Wie wird also ein Lichtjahr berechnet? Die Zeitabstände zwischen diesen beiden Jahrestypen sind unterschiedlich und die Zeit variiert in verschiedenen Zeiträumen jedes Jahres. Wie messen wir die Größenordnung eines Lichtjahres? Um eine genaue Quantifizierung zu erhalten, hat die wissenschaftliche Gemeinschaft speziell für die Astronomie ein julianisches Jahr entwickelt. Dabei wird festgelegt, dass ein astronomisches julianisches Jahr 365,25 Tage umfasst und ein Jahr wie folgt definiert wird: 365,25 Tage * 24 Stunden * 3600 Sekunden = 31557600 Sekunden.

Auf diese Weise hat das Lichtjahr eine genaue Skala: 1 Lichtjahr (Symbol ly) = 299792458 Meter * 31557600 Sekunden = 9460730472580800 Meter. Bei großräumigen Messungen wird im Allgemeinen 1 Lichtjahr ≈ 9,46 Billionen Kilometer verwendet.

Wenn es in einer Sekunde eine Entfernung von einem Lichtjahr zurücklegt, bedeutet dies, dass es 9,46 Billionen Kilometer pro Sekunde zurücklegt, was der 31.557.600-fachen Lichtgeschwindigkeit entspricht.

Sprechen wir darüber, wie groß das Universum ist.

Nach der Veröffentlichung von Einsteins Relativitätstheorie begann die relative Sichtweise von Raum und Zeit die seit der Antike bestehende absolute Sichtweise von Raum und Zeit zu ersetzen. Hubble entdeckte auch das Gesetz der kosmischen Expansion, das die Urknalltheorie unterstützt. Seitdem ist die Urknalltheorie in der wissenschaftlichen Gemeinschaft zur Standardtheorie der Kosmologie geworden. Sie geht davon aus, dass sich das Universum vor etwa 13,8 Milliarden Jahren durch die Explosion einer Singularität ausgedehnt hat.

Dadurch wurde die absolute Sicht des Universums, an die man jahrtausendelang geglaubt hatte und die auch nach dem Aufkommen der modernen Wissenschaft in der Ära Galileo und Newtons beibehalten wurde, völlig auf den Kopf gestellt. Diese Kosmologie geht davon aus, dass das Universum keinen Anfang, kein Ende und keine Grenzen hat und dass Zeit und Raum fest und unveränderlich sind. Die moderne Kosmologie geht davon aus, dass Zeit und Raum relativ und veränderlich sind, dass das Universum einen Anfang und ein Ende hat und dass es Grenzen, aber keine Beschränkungen hat.

Wie groß ist also das Universum? Oder welche Form hat es? Die wissenschaftliche Gemeinschaft kann bisher nur Vermutungen anstellen und es gibt keine Standardantwort. Eine einheitlichere Ansicht ist, dass das Universum aus einer Singularität explodierte, Inflations- und schnelle Expansionsphasen durchlief und sich immer noch in großem Maßstab mit Überlichtgeschwindigkeit ausdehnt. Der berechnete Radius des beobachtbaren Universums beträgt etwa 46,5 Milliarden Lichtjahre.

Dies ist lediglich ein beobachtbares Universum. Die maximale Beobachtungskapazität des Menschen ist durch physikalische Gesetze wie etwa die Lichtgeschwindigkeit bestimmt und er kann nur einen Raum dieser Größe beobachten. Nach dem Hubble-Gesetz ist die Expansion des Universums isotrop: Je weiter es entfernt ist, desto schneller ist sie. Das heißt, es sieht in alle Richtungen gleich aus und die Ausdehnungsgeschwindigkeit ist proportional zur Entfernung: Je weiter es entfernt ist, desto schneller ist es.

Wenn Sie also auf der Erde stehen und sich umsehen, beträgt die größte Entfernung, die Sie beobachten können, 46,5 Milliarden Lichtjahre.

Es gibt jedoch zwei nicht beobachtbare Bereiche im Universum, einen sogenannten Vergangenheitshorizont und einen zukünftigen Horizont. Der Vergangenheitshorizont bezieht sich auf den Zeitraum von 380.000 Jahren nach dem Urknall. Da Temperatur und Dichte des Universums zu hoch waren, konnte nicht einmal Licht ausgestrahlt werden. Während dieser Zeitspanne erlebte das Universum eine schnelle Expansion, die Expansionsgeschwindigkeit war also extrem hoch. Aufgrund des fehlenden elektromagnetischen Wellenüberlaufs ist es dem Menschen derzeit jedoch nicht möglich, dieses Universum zu beobachten.

Es gibt nun eine Theorie, dass es in Zukunft möglich sein könnte, Gravitationswellen zu nutzen, um den Zustand des Universums während dieser „dunklen“ Periode zu verstehen.

Der Zukunftshorizont liegt an der Grenze unserer menschlichen Beobachtungsfähigkeiten. Galaxien entfernen sich mit mehrfacher Lichtgeschwindigkeit von uns und liegen außerhalb der menschlichen Beobachtungsreichweite. Daher werden die Menschen nie wissen, wie groß das Universum außerhalb des beobachtbaren Universums ist und was dort geschieht. Daher wird die Menschheit vielleicht nie erfahren, wie groß das Universum ist.

Nach Jahren kosmischer Beobachtungen geht die wissenschaftliche Gemeinschaft davon aus, dass es im beobachtbaren Universum etwa Billionen bis 10 Billionen Galaxien gibt. Unsere Milchstraße ist nur einer davon, und das Sonnensystem ist nur einer der etwa 400 Milliarden Sterne in der Milchstraße.

Das Sonnensystem ist ein Planetensystem mit der Sonne als Mittelpunkt. Die Masse der Sonne macht 99,86 % der Masse des gesamten Systems aus, was dem 330.000-fachen der Masse der Erde entspricht. Das Sonnensystem hat acht große Planeten und Hunderte von Satelliten, mehrere Zwergplaneten, unzählige Asteroiden und Kometen usw. Der Gravitationsradius der Sonne beträgt etwa 1 Lichtjahr. Unterschätzen Sie dieses kleine Lichtjahr nicht. Die derzeit am weitesten entfernte unbemannte Sonde, Voyager 1, fliegt mit einer Geschwindigkeit von 17 Kilometern pro Sekunde aus dem Sonnensystem. Es wird mehr als 17.000 Jahre dauern, diesen Radius von einem Lichtjahr zu verlassen.

Kann man also mit einem Lichtjahr pro Sekunde aus dem Universum fliegen?

Die Antwort ist eindeutig: Nein.

Wir können eine einfache Berechnung durchführen. Wenn wir mit einer Geschwindigkeit von 1 Lichtjahr pro Sekunde fliegen, dauert es 196.575.521 Jahre oder fast 200 Millionen Jahre, bis wir den Rand des 46,5 Milliarden Lichtjahre umfassenden Radius des beobachtbaren Universums erreichen. Wenn wir jedoch aus dem beobachtbaren Universum herausfliegen, entsteht ein neues beobachtbares Universum mit dem Raumschiff als Zentrum, und der Flug dorthin wird fast 200 Millionen Jahre dauern. Wie viele beobachtbare Universen liegen vor uns?

Durch die Krümmung der Raumzeit im Universum wird auch das Licht gebogen und umkreist diese Krümmung. Daher scheint sich das Raumschiff in einer geraden Linie zu bewegen, tatsächlich bewegt es sich jedoch in Kurven und Kreisen, genau wie wenn man auf der Erdoberfläche läuft. Man bewegt sich in eine Richtung, ohne sich umzudrehen, und kehrt schließlich nach einer Erdumrundung zum Ausgangspunkt zurück.

In der Wissenschaftsgemeinde gibt es ein Sprichwort, das besagt, dass man aufgrund der Krümmung des Universums irgendwann seinen eigenen Rücken sehen wird, wenn man mit einem Teleskop in die Unendlichkeit blickt und nach vorne ins Universum blickt. Mit anderen Worten: Das Licht dreht sich im Kreis und kehrt zum Ausgangspunkt zurück.

Wenn die Menschen tatsächlich in einem Raumschiff mit Lichtgeschwindigkeit reisen würden, könnten sie natürlich den Lauf der Zeit nicht spüren, als ob sie in einem Augenblick durch das Universum gereist wären. Dies ist die Erklärung von Einsteins Theorie der Zeitdilatation und das Wesen der Relativität von Raum und Zeit. Die Geschwindigkeits-Zeit-Dilatationsrate folgt der Formel: t'=t/√[1-(v/c) ^2]

In der Formel ist t' der Wert des Geschwindigkeits-Zeit-Dilatationseffekts; t ist die von der ersten Uhr des langsamen Beobachters aufgezeichnete Zeit; v ist die Geschwindigkeit der zweiten Uhr relativ zur ersten Uhr; und c ist die Lichtgeschwindigkeit.

Nach dieser Formel vergeht die Zeit umso langsamer, je schneller man in einem Raumschiff reist. Wenn die Geschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit erreicht, bleibt die Zeit stehen. Auch die Entfernung hat einen Längenkontraktionseffekt. Je höher die Geschwindigkeit, desto kürzer die Distanz. Wenn die Geschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit erreicht, ist die Entfernung Null.

Manche Leute glauben diese Erklärung vielleicht nicht, aber die Existenz der beiden Vorhersagen oder Theorien der Geschwindigkeits-Zeitdilatation und der Gravitations-Zeitdilatation ist seit langem bewiesen. Die moderne Luft- und Raumfahrt sowie die Positionierung und Navigation in unserem täglichen Leben werden nicht möglich sein, wenn wir diese beiden Zeitdilatationsfaktoren nicht berücksichtigen und Anpassungen gemäß der Relativitätstheorie vornehmen.

Allerdings begrenzt Einsteins spezielle Relativitätstheorie die Geschwindigkeit der Materiebewegung. Kein Objekt mit Ruhemasse kann die Lichtgeschwindigkeit erreichen, geschweige denn überschreiten. Daher ist es für ein Raumschiff unmöglich, die Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, geschweige denn, sie zu überschreiten.

Es gibt jedoch zwei theoretische Ansätze für interstellare Reisen, die das Ziel mit einer Geschwindigkeit erreichen können, die höher ist als die Lichtgeschwindigkeit. Dabei handelt es sich um Wurmlochreisen oder Reisen mit Warp-Geschwindigkeit. Obwohl sich diese beiden Reisemethoden noch im Stadium theoretischer Fantasie befinden, glauben viele Menschen, darunter auch einige Wissenschaftler, dass sie eines Tages realisiert werden können.

Obwohl diese beiden Methoden das Ziel um ein Vielfaches schneller als mit Lichtgeschwindigkeit erreichen können, ermöglicht keine von beiden dem Raumfahrzeug tatsächlich, Geschwindigkeiten über der Lichtgeschwindigkeit zu erreichen. Stattdessen ähneln sie eher den „Abkürzungen“ in unserem täglichen Leben oder der legendären Methode, die Erde zu verkleinern, bei der eine magische Technologie zum Einsatz kommt, um die Reise kürzer und viel kürzer zu machen. So wird beispielsweise eine Distanz von 100 Lichtjahren zu einer Sache von Sekunden und kann in einem Schritt zurückgelegt werden.

Auf diese Weise tritt kein Zeitdilatationseffekt auf und die Menschen haben das Gefühl, dass die Zeit näher an der normalen Geschwindigkeit vergeht. Selbst wenn diese Art der interstellaren Reise tatsächlich realisiert würde, könnte die menschliche Lebensspanne 100 Millionen oder sogar Milliarden von Jahren betragen?

Noch wichtiger ist, dass das Universum einer enormen Raum-Zeit-Krümmung unterliegt. Theoretisch gibt es außerhalb des Universums keinen Raum, daher können keine Objekte die Grenzen des Universums durchbrechen. Dies ist das, was man als begrenzt und gleichzeitig als unbeschränkt bezeichnet.

Genauer gesagt ist das Universum selbst gleichbedeutend mit Materie, Zeit und Raum. Materie, Zeit und Raum sind eine Dreifaltigkeit und können nicht unabhängig voneinander existieren. Aufgrund der kontinuierlichen Expansion des Universums dehnen sich Raum und Zeit ständig aus. Außerhalb des Universums, das sich noch nicht ausgedehnt hat, gibt es keine Zeit, keinen Raum und keine Materie. Wohin kann in diesem Nichts ein Raumschiff fliegen? Dies ist an sich schon ein Paradoxon.

Daher kann ein Raumschiff, egal wie schnell es ist, nicht aus dem Universum herausfliegen. Was denken Sie? Willkommen zur Diskussion, danke fürs Lesen.

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