Ein Raumschiff mit angewandter Relativitätstheorie

 (dmytry.github.io)
1 Punkte von GN⁺ 2024-02-06 | 1 Kommentare | Auf WhatsApp teilen
  • Relativistic Spaceship ist ein relativistisches Visualisierungstool, das zeigt, wie sich der Flugzustand eines Raumschiffs verändert, wenn seine Geschwindigkeit nahe an die Lichtgeschwindigkeit heranreicht
  • Die Anzeige zeigt gemeinsam die Geschwindigkeit relativ zur Lichtgeschwindigkeit, den γ-Wert, die Entfernung in Lichtjahren, den Doppler-Faktor sowie die Zeit im Raumschiff und die Weltzeit
  • Der Anfangszustand startet mit Geschwindigkeit 0 %, γ = 1, Entfernung 0 Lichtjahre, Doppler-Faktor 1 und Zeit 0 Jahre
  • Der Quellcode ist auf GitHub veröffentlicht, sodass sich Funktionsweise und Implementierung direkt nachvollziehen lassen
  • Die Implementierung basiert auf Three.JS WebGL; die Lizenzdokumentation zu three.js ist separat verlinkt

Werte in der relativistischen Flugansicht

  • Relativistic Spaceship ist ein von Dmytry Lavrov erstelltes Visualisierungstool für relativistischen Flug
  • Die wichtigsten Werte, die in der Anzeige zu sehen sind, sind:
    • Geschwindigkeit des Raumschiffs relativ zur Lichtgeschwindigkeit

    • γ-Wert

      • Entfernung in Lichtjahren
      • Doppler-Faktor in der Bildschirmmitte
      • Maximaler Doppler-Faktor
      • Raumschiffzeit in Jahren
      • Weltzeit in Jahren
      • Der Startbildschirm wird mit Geschwindigkeit 0 %, γ = 1, Entfernung 0 Lichtjahre, Doppler-Faktor 1 und Zeit 0 Jahre angezeigt

Quellcode und Implementierungstechnik

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1 Kommentare

 
GN⁺ 2024-02-06
Hacker-News-Kommentare

  • Die gegen die Intuition laufenden Eigenschaften der speziellen Relativität wurden gut visualisiert
    Es ist erstaunlich, dass man, wenn man ein Raumschiff nur dauerhaft mit 1G beschleunigen könnte, das Zentrum der Milchstraße in weniger als 20 Jahren Bordzeit erreichen könnte
    Natürlich wären auf der Erde dann 27.900 Jahre vergangen, sodass niemand mehr da wäre, dem man von seinem Urlaub erzählen könnte

    • Man müsste sich auch Sorgen ums Überleben während der Reise machen
      Jedes einzelne Atom der interstellaren Materie würde das Raumschiff beschädigen und könnte möglicherweise das gesamte Schiff durchschlagen, und elektromagnetische Abstoßung wirkt nur auf geladene Teilchen
    • Unmöglich
      Selbst theoretisch gibt es nichts, das man in ein Raumschiff einbauen könnte, um dauerhafte Beschleunigung mit 1G zu ermöglichen
      An die maximal erreichbare Geschwindigkeitsänderung erinnere ich mich nicht genau, aber sie ist kein großer Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit; selbst mit verrückten Annahmen wie einem kleinen Schwarzen Loch an Bord und einer Umwandlung von Masse in Energie mit 40 % Wirkungsgrad wären es, glaube ich, nur etwa 60 % der Lichtgeschwindigkeit
    • 1G ist eine enorme Beschleunigung, wenn man sie aufrechterhalten will, also keineswegs „nur“
      Wenn man es ausrechnet, liegt die nötige Energie praktisch auf dem Niveau einer Rakete aus reiner Antimaterie plus einer ähnlichen Masse normaler Materie zur Reaktion damit
      Wenn bei Langstreckenreisen im All von konstanter Beschleunigung die Rede ist, liegen die Werte gewöhnlich eher bei einigen Tausendsteln von 1G
    • Das ist wirklich eine verdrehte Sache
      Für Hin- und Rückflug würde zwar der Großteil einer normalen menschlichen Lebensspanne draufgehen, aber wenn die Erde bei der Rückkehr noch existiert, sähe es so aus, als wäre man in die 55.000 Jahre entfernte Zukunft gereist
    • Selbst wenn auf der Erde 27.900 Jahre vergehen, könnte man späteren Menschen vielleicht trotzdem noch von seinem Urlaub erzählen, weil sie einen wegen der ständigen technologischen Obsoleszenz irgendwann überholen würden

  • Nach etwa 850 Jahren Raumschiffzeit bei maximaler Beschleunigung wäre das Universum 10^30 Jahre alt
    Dann wären wohl nur noch Weiße Zwerge, Neutronensterne und verschiedene stellare Überreste übrig, die Galaxien hätten sich zerstreut, und Sterne wie die Sonne wären nur noch eine ferne Erinnerung
    Natürlich lässt sich nicht ausschließen, dass dann noch irgendetwas existiert, das sich erinnern kann. Leben könnte sehr lange Energie aus Strukturen um Schwarze Löcher oder Weiße Zwerge ziehen
    Bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Universum wie beim „Wärmetod“ zu einem ununterscheidbaren entropischen Teilchenmeer wird, wäre es zwar noch sehr weit, aber es wäre bereits ein völlig anderer Ort

    • Eine technologisch hochentwickelte Gesellschaft könnte das als eine Art Strafe nahe der Todesstrafe einsetzen
      So nach dem Motto: „Du bist in der Nähe unserer Leute nicht sicher, also schicken wir dich ans Ende der Zeit“

  • Wer sich für solche relativistischen Effekte interessiert: Es gibt ein Toolkit namens OpenRelativity für Grafik in Simulationen bei annähernder Lichtgeschwindigkeit: http://gamelab.mit.edu/research/openrelativity/
    Es wurde auch im kostenlosen Spiel „A Slower Speed of Light“ verwendet
    http://gamelab.mit.edu/games/a-slower-speed-of-light/

  • Vielleicht ist es besser, die Idee aufzugeben, große Distanzen mit hoher relativistischer Geschwindigkeit überbrücken zu wollen
    Die Natur hat eine praktischere Idee: ein Same werden
    So überwinden Lebewesen gewaltige Entfernungen und umgehen Ressourcenbeschränkungen, die sich unterwegs nur schwer lösen lassen
    Man komprimiert sich selbst in eine inaktive kristalline Form, richtet eine Rakete aus, startet sie und wartet dann einfach. Man muss nur chemischen und strukturellen Zerfall über Tausende Jahre oder Äonen verhindern
    Am Ziel angekommen, springt eine Maschine an, rekonstruiert den Körper, und man beginnt frisch erholt mit der Erkundung. Für einen selbst ist praktisch kaum Zeit vergangen
    Dafür müsste man natürlich die Biologie vollständig beherrschen oder die Biologie gleich ganz überspringen und sich selbst in ein Maschinenformat kopieren, aber selbst das wäre vermutlich einfacher, als sich mit einem erheblichen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit zu bewegen

  • Mir war nicht klar, dass man schon mit vergleichsweise kleinem kontinuierlichem Schub, etwa 1 m/s², „leicht“ eine nennenswerte Zeitdilatation erreichen kann
    Wenn man während der gesamten Reise weiter beschleunigen könnte, würde interstellares Reisen zumindest in gewissem Maß machbar
    Ich habe nachgesehen: Bei 1G soll die aus Sicht des Reisenden beobachtete Zeit bis Alpha Centauri etwa 3 Jahre betragen
    Könnte man mit einigermaßen plausibler Technik wie Kernfusion bis dorthin kommen? Ich kenne mich mit der relativistischen Mathematik nicht gut aus, aber selbst wenn man relativistische Effekte ignoriert und Masse direkt in Energie umwandelt, scheint sich das C² herauszukürzen, sodass man für die Beschleunigung von 100.000 kg auf Lichtgeschwindigkeit 50.000 kg brauchen würde

    • 1G über Monate hinweg ist völlig absurd
      Selbst wenn man die gesamte „Treibstoff“-Reaktionsmasse direkt in Impuls umwandeln könnte, müsste man für auch nur ein halbwegs bewohnbares Raumschiff Zehntausende bis Hunderttausende Tonnen Treibstoff mitführen
      Perfekte Massentriebwerke gibt es nicht, Materie-Antimaterie schafft selbst in Simulationen nur etwa 60 % Wirkungsgrad, Kernfusion rund 17 %, Nuklearpulsantrieb überraschenderweise 7 %, und ein Gas-Kern-Reaktor auf Basis von Kernspaltung vielleicht bis zu 12 %, wobei die Zahlen zum Gas-Kern-Reaktor nicht ganz klar und daher unsicher sind
      Aus Sicht von SF-Autoren ist es interessant, darüber nachzudenken, welche seltsame Form eine Gesellschaft annimmt, wenn Astronauten länger leben als ganze Zivilisationen. Das erinnert an eine neupolynesische Kultur, in der Reisende bei ihrer Rückkehr keinerlei Ahnung haben, wie es dort inzwischen aussieht
    • Auch GPS-Satelliten müssen die spezielle Relativität berücksichtigen
      Wegen der Zeitdilatation gehen die Uhren der sich bewegenden Satelliten pro Tag ein kleines bisschen langsamer als stationäre Uhren auf der Erde, daher braucht es Korrekturen
    • Ohne einen magischen reaktionslosen Antrieb ist das unmöglich
      Die kinetische Energie ist enorm und muss irgendwoher kommen, vielleicht bräuchte man sogar einen Antrieb mit Nullpunktenergie
      Die Raketengleichung macht einem einen Strich durch die Rechnung. Um mit einer vernünftigen Fusionsrakete bis in relativistische Geschwindigkeiten weiterzubeschleunigen, könnte man Treibstoff in der Größenordnung eines ganzen Planeten brauchen
      Antimaterieantrieb ist fast die einzige Option, aber weil man Energie absorbieren und nach hinten ausstoßen muss, braucht man immer noch viel Reaktionsmasse oder müsste Laser verwenden
    • Selbst wenn man das Schubproblem löst, bleibt das Problem, dass Teilchen das Raumschiff nach und nach wie eine Bienenwabe durchlöchern
      Und darüber hinaus würde man entweder nur zusehen, wie das Schiff startet, und nie wieder etwas davon hören, oder selbst an Bord gehen und dann auf eine Erde zurückkehren, die tausende Jahre später irgendetwas völlig anderes geworden ist
    • Je weiter man fliegt, desto verrückter wird es
      Wenn man 12 Jahre lang mit 1G weiterbeschleunigt, ist man vom Startpunkt 113.000 Lichtjahre entfernt, also weit genug, um von der Erde bis auf die andere Seite unserer Galaxie zu gelangen
      Natürlich läge die Geschwindigkeit dann bei 99,999999996 % der Lichtgeschwindigkeit. Wenn man in der gegenüberliegenden Galaxie anhalten und sich umsehen wollte, müsste man am halben Weg umdrehen und abbremsen, sodass sich die Reisezeit grob verdoppelt

  • Ich habe dieses Buch vor Kurzem noch einmal gelesen
    https://en.wikipedia.org/wiki/Tau_Zero
    Es ist vermutlich einer der großartigsten SF-Romane überhaupt. Nachdem durch eine Kollision die Raumschiffbremse ausfällt, lautet die Lösung für jedes neue Problem schlicht: „noch schneller fliegen“

    • Das Buch war gut
      An mehreren Stellen musste ich an Peter Watts’ The Freeze Frame Revolution(https://tachyonpublications.com/product/freeze-frame-revolut...) denken; auf ähnliche Weise ziemlich gut, aber wahrscheinlich düsterer
    • Ich habe Tau Zero gerade zu Ende gelesen, nachdem ich hier davon gehört hatte, und kann es empfehlen
      Ich hatte erwartet, dass Relativität eine wichtige Rolle spielen würde, aber das Ausmaß der Zeitdilatation, das die Besatzung erlebt, war viel größer, als ich mir vorgestellt hatte
      Beim Lesen musste ich an Zeitreise-/Relativitätsklassiker wie Interstellar und, weiter zurückgehend, Star Trek IV: The Voyage Home denken. Unter den Star-Trek-Filmen ist das mein Favorit

  • Ich habe versucht, die Variable throttle_value nicht auf den Slider-Maximalwert 1, sondern auf einen absurden Wert wie 30 zu setzen
    Es hat Spaß gemacht zu sehen, wie nah man an die Lichtgeschwindigkeit kommen muss, damit die Web-App komplett zusammenbricht
    Auf einem 1920px-Bildschirm passiert das ungefähr dann, wenn die „9“ etwas mehr als zwei Zeilen lang wird
    Die Geschwindigkeit springt dann wieder auf 0 zurück, und als Bonus für das beinahe gebrochene Universum wird die Weltzeit zu NaN

    • Ich mag „auf einem 1920px-Bildschirm etwas mehr als zwei Zeilen voller 9en“ als Maßeinheit

  • Wunderschön
    Bei der Aussage, man müsse „einfach“ nur eine Beschleunigung von 1G aufrechterhalten, sollte man erwähnen, dass die Masse des Raumschiffs zunimmt, je näher es der Lichtgeschwindigkeit kommt [0]
    Wenn die Masse zunimmt, steigt auch der Schub, der nötig ist, um diese Beschleunigung beizubehalten. Der Antrieb müsste also an eine magische Energiequelle angeschlossen sein, sonst könnte er bei höheren Geschwindigkeiten die Beschleunigung nicht aufrechterhalten :)
    [0] https://en.wikipedia.org/wiki/Mass_in_special_relativity#Rel...
    Edit: Diese Interpretation ist vielleicht nicht ganz korrekt

    • Es ist schon eine Weile her, dass ich zuletzt Spezielle Relativitätstheorie gelernt habe, aber soweit ich weiß, tritt die Massenzunahme nur in anderen Bezugssystemen auf
      Wenn zum Beispiel jemand auf der Erde die Geschwindigkeit des Raumschiffs betrachtet, wird das Schiff aus seiner Sicht mit zunehmender Beschleunigung schwerer
      Aus Sicht der Menschen im Raumschiff haben jedoch sowohl sie selbst als auch das Schiff weiterhin dasselbe Gewicht. Eher würde es so aussehen, als ob die Erde eine dramatische „Gewichtszunahme“ erfährt
    • Nimmt die Masse des Raumschiffs in seinem eigenen Bezugssystem zu, verkürzt sich dort seine Länge und verlangsamt sich dort die Zeit? Wohl eher nicht, oder?
      Dann würde aus Sicht innerhalb des Raumschiffs die 1G-Beschleunigung doch einfach weiter anhalten, und in der Nähe der Lichtgeschwindigkeit würde immer mehr von dieser Energie in größere Masse und langsamere Zeit fließen, oder?
    • Diese Rede von „Massenzunahme“ ist eher ein Hilfsmittel zum Rechnen und Lernen als ein echtes physikalisches Konzept
      Meiner Meinung nach richtet sie im physikalischen Intuitionsvermögen schrecklichen Schaden an
      Dieses Video behandelt das Problem gut: https://www.youtube.com/watch?v=6HlCfwEduqA

  • In meinem Browser lief es nicht, aber ich war dankbar, dass eine ordentliche Fehlermeldung angezeigt wurde
    Viel zu oft gehen Webseiten aus den verschiedensten Gründen einfach kaputt, und man sitzt nur da und fragt sich: „Lädt es noch?“ oder „Soll es eigentlich so aussehen?“
    Zum ersten Mal habe ich gesehen, dass konkret gesagt wurde, was falsch ist, etwa „xyz is not supported“, und dass man zu einem verbreiteten Browser wechseln kann, um den Inhalt anzusehen
    In diesem Browser funktionierte die Seite auch mobil gut und sah gut aus

  • Ich habe die Beschleunigung bis zum Anschlag hochgedreht und bin Kaffee holen gegangen; als ich zurückkam, war ich 200 Jahre in der Zukunft und mehr als 6 Millionen Lichtjahre weit gereist
    Jetzt bin ich in der Galaxie NGC 300, die der Milchstraße sehr ähnlich ist
    Alle Menschen, die ich kannte, sind verschwunden, und ich bin traurig und einsam