Physik im Kino: Sechs Filme, die helfen, den Weltraum zu erklären

Wissenschaft und Kultur · sechs Filme, sechs wissenschaftliche Ideen. Filme machen uns manchmal Sorgen über einen Menschen, der um die Erde fliegt, sich auf dem Mars verirrt oder mehrere Jahrzehnte zu spät nach Hause kommt. Aber manchmal ist die interessanteste Figur im Bild das Naturgesetz. Er sagt keine Zeilen, aber er entscheidet, ob die Helden auf dem Boden stehen, atmen und auf eine Antwort warten können.

Schauen wir uns sechs Weltraumfilme an: von einem völlig terrestrischen Luftproblem bis zum gekrümmten Licht eines Schwarzen Lochs. Hier gibt es Einzelheiten zu einzelnen Szenen, die Enden erzählen wir jedoch nicht noch einmal. Bei den Abbildungen handelt es sich um unsere erläuternden Diagramme, nicht um Standbilder aus Filmen; Ihre Größen und Abstände sind schematisch.

1. Interstellar (2014): Warum sich die Scheibe um ein Schwarzes Loch krümmte

Gargantua hat ein seltsames Aussehen: Ein leuchtender Streifen kreuzt eine dunkle Silhouette, darüber und darunter sind Bögen sichtbar. Es scheint, dass die Künstler mehrere Feuerringe auf das Schwarze Loch gelegt haben. Für dieses Image sind jedoch nicht mehrere Festplatten erforderlich.

Heiße Materie kreist um ein Schwarzes Loch in einer Akkretionsscheibe. Starke Schwerkraft krümmt die Lichtwege, und der Beobachter kann Teile der anderen Seite der Scheibe sehen, die verborgen bleiben würden, wenn sich das Licht geradlinig ausbreiten würde. Es stellt sich herausGravitationslinse: Die sichtbare Erscheinung eines Gegenstandes verändert sich auf dem Weg von ihm zu uns.

Für den Film entwickelten das Visual-Effects-Team und der Physiker Kip Thorne ein Programm zur Berechnung der Ausbreitung von Lichtstrahlen in der Raumzeit eines rotierenden Schwarzen Lochs. Die Arbeit wurde zu einer wissenschaftlichen Publikation. Hierbei handelt es sich nicht um eine Fotografie eines realen Objekts: Die Wahl der Parameter und die künstlerische Darstellung beeinflussen dennoch das Ergebnis. Doch die ungewöhnliche Geometrie hat eine physikalische Grundlage.Artikel der Ersteller des Modells →

Zwei herkömmliche Lichtwege umrunden ein massives Objekt und gelangen zum Beobachter: Die Schwerkraft verändert die scheinbare Position der Quelle

Schema des Linsenprinzips. Dies ist keine Berechnung der Strahlen von Gargantua oder ein Bild seiner Scheibe. Größer öffnen →

Eine weitere Idee des Films – der unterschiedliche Zeitablauf – bezieht sich ebenfalls auf die allgemeine Relativitätstheorie. Die verglichenen Uhren können je nach Bewegung und Gravitationsbedingungen unterschiedliche Zeiten annehmen. Jeder Beobachter erlebt seine eigene Uhr als normal laufend. Allerdings lassen sich die spezifischen Extrembedingungen der Handlung nicht auf einen Planeten in der Nähe eines Schwarzen Lochs übertragen.Kip Thorne über die wissenschaftlichen Themen des Films →

2. „The Martian“ (2015): Der Wind hat Geschwindigkeit, aber er braucht Dichte

Zu Beginn des Films sieht der Sturm so aus, als hätte der Mars beschlossen, die Expedition sofort zu vertreiben. Staub, schlechte Sicht und Gefahr für die Ausrüstung sind durchaus marstypisch. Aber die Fähigkeit des Windes, schwere Gegenstände anzuschieben, wird mit großer dramatischer Zurückhaltung gezeigt.

Die Strömungswirkung wird vereinfacht beschriebenStaudruck q = ½ρv², wobei ρ die Gasdichte und v die Geschwindigkeit ist. Um Kraft zu erhalten, müssen Sie auch die Fläche und Form des Objekts berücksichtigen. Die Marsluft ist viel dünner als die der Erde: Die gleiche Windgeschwindigkeit bedeutet nicht den gleichen Druck.

Nehmen wir zur pädagogischen Beurteilung eine Geschwindigkeit von 30 m/s und eine Dichte von 1,2 kg/m³ für die Erde und 0,02 kg/m³ für den Mars. Wir kommen schon zurecht540 Pa vs. 9 Pa- ein Unterschied von 60 Mal. Hierbei handelt es sich um eine Berechnung mit ausgewählten gerundeten Dichten, nicht um einen Wetterbericht einer bestimmten Szene: Die tatsächlichen Werte hängen von Temperatur, Höhe und Wetter ab.

Bei der gleichen Geschwindigkeit von 30 Metern pro Sekunde ergibt die Berechnung für die angegebenen Dichten einen dynamischen Druck von 540 Pascal auf der Erde und 9 auf dem Mars

Der Druck wird bei gleicher Geschwindigkeit und explizit vorgegebenen Dichten verglichen. Größer öffnen →

Aber es ist zu früh, um sich zu beruhigen. Staub blockiert das Sonnenlicht, setzt sich auf Paneelen ab und stört Mechanismen. Ein echter Marssturm kann die Energiereserven gefährden, selbst wenn er keinen Astronauten außer Gefecht setzt.Die NASA klärt die Wahrheit und Fiktion der Marsstürme auf →

3. 2001: Odyssee im Weltraum (1968): Ein Boden, der durch Rotation entsteht

Menschen im Weltraum müssen nicht ständig zwischen Wänden schweben. In A Space Odyssey bietet die rotierende Station eine scheinbar einfache Lösung: Die Außenwand zum Boden machen. Dieser Boden kann einen starken Druck auf Ihre Fußsohlen ausüben.

Eine Person, die sich mit der Station dreht, benötigt Zentripetalbeschleunigung. Dies geschieht durch Unterstützung: Der Boden drückt die Personzur Drehachse. Im stationären Bezugssystem wird dies durch eine nach außen gerichtete Zentrifugalkraft beschrieben. Durch den Kontakt mit dem Boden entsteht das übliche Schweregefühl; Sie platzieren keinen neuen riesigen Planeten unter der Station.

Der Zusammenhang ist einfach:a = ω²r. Für eine erfundene Station mit einem Radius von 100 Metern würde die Erdbeschleunigung am Rand ungefähr erforderlich sein3 U/min. Dies ist unser Beispiel, keine Messung des Filmsets. Wenn wir den Radius verringern, müssen wir schneller rotieren und der Unterschied in den Bedingungen an Kopf und Beinen wird deutlicher.

In einem Querschnitt der Drehstation steht eine Person mit den Füßen am äußeren Rand; die Kraft des Bodens ist zur Mitte hin gerichtet, die bedingte Bodenkraft ist nach außen gerichtet

Das Gewichtsempfinden und die Richtung der Stützkraft sind zwei verschiedene Dinge: Die Kraft des Bodens ist zur Mitte hin gerichtet. Größer öffnen →

Technische Herausforderungen bleiben bestehen: Design, Andocken, Rotationstoleranz, ungewöhnliche Ablenkungen sich bewegender Objekte aufgrund des Coriolis-Effekts. Daher bedeutet die richtige physische Idee noch nicht ein fertiges komfortables Hotel.NASA: Rotierende Rahmen; Gespräch zwischen Spezialisten über künstliche Schwerkraft →

4. „Gravity“ (2013): Schwerelosigkeit – wenn der gesamte Raum einstürzt

Die Helden schweben neben der Erde und es fällt dem Betrachter leicht zu entscheiden: Vielleicht reicht die Anziehungskraft hier nicht mehr aus. Der Titel des Films lässt etwas anderes vermuten. Die Schwerkraft der Erde ist es, die das Orbitalfahrzeug auf seiner Flugbahn hält.

In einer Höhe von etwa 400 Kilometern beträgt die Erdbeschleunigung ungefähr89 % des Oberflächenwertes. Die Schätzung ergibt sich aus dem Verhältnis [R / (R + h)]²: Für R ≈ 6371 km und h = 400 km ergibt sich ein Wert von 0,885. Der Aufstieg auf diese Höhe ist keineswegs dasselbe wie das Ausschalten der Erde.

Das Geheimnis der Schwerelosigkeit ist der gemeinsame freie Fall. Das Schiff und der Mann darin fallen ständig, aber die hohe seitliche Geschwindigkeit ermöglicht es ihnen, den Planeten zu umrunden. Der Boden trägt eine Person nicht so stark wie in einem stationären Raum. Daher übt der Körper nahezu keinen Druck auf die Stütze aus, obwohl die Schwerkraft wirkt.

Das Raumschiff bewegt sich im Orbit: Die Geschwindigkeit ist tangential gerichtet, die Erdbeschleunigung ist auf den Erdmittelpunkt gerichtet

Geschwindigkeit und Beschleunigung haben unterschiedliche Richtungen. Die Umlaufbahn ist ein kontinuierlicher freier Fall um die Erde. Größer öffnen →

Diese Idee erklärt das Schwimmen der Menschen, unterstützt jedoch nicht die übrigen Manöver des Films. Bei einem Rendezvous im Orbit geht es darum, Position und Geschwindigkeit aufeinander abzustimmen und nicht einfach auf einen sichtbaren Punkt zuzusteuern. Eine Schlussfolgerung ist für unsere Analyse wichtig:Kein Gewicht ist nicht gleichbedeutend mit keiner Schwerkraft. NASA erklärt Mikrogravitation →

5. Apollo 13 (1995): Es gibt Sauerstoff, aber das Atmen ist immer noch gefährlich

Eine der intensivsten Ingenieursszenen entsteht ohne eine futuristische Maschine: Es muss ein ungeeigneter Filter angepasst werden. Nach dem Unfall wurde die Mondlandefähre zum Zufluchtsort für drei Astronauten und es stellte sich das Problem, Kohlendioxid zu entfernen.

Wir atmen CO₂ aus. In einem geschlossenen Raum reicht die bloße Zufuhr von Sauerstoff nicht aus: Die Zusammensetzung der Luft muss durch die Entfernung von Atmungsprodukten aufrechterhalten werden. Bei der Mission wurden Lithiumhydroxid-Absorber eingesetzt. Die quadratischen Patronen des Kommandomoduls passten nicht in die runden Löcher des Mondmodulsystems. Landspezialisten entwickelten aus an Bord verfügbaren Materialien einen Adapter, den die Besatzung nach Anleitung zusammenbaute.

Luft mit Kohlendioxid strömt durch den Adapter und den Absorber; Am Ausgang entsteht weniger Kohlendioxid, der Filter erzeugt keinen Sauerstoff

Es wird das Funktionsprinzip gezeigt und keine Zusammenbauzeichnung eines historischen Adapters. Größer öffnen →

Hier treffen Chemie und Technik aufeinander: Der Absorber bindet Kohlendioxid und der Adapter drückt Luft durch die gewünschte Kartusche. Der Filter selbstwandelt CO₂ nicht in Sauerstoff um. Das Fassungsvermögen ist begrenzt und ohne einen ordnungsgemäß organisierten Fluss kann die nützliche Substanz in der Box die Situation nicht retten.

Die Szene basiert auf einem dokumentierten Problem einer echten Mission im April 1970. Dies ist ein gutes Beispiel für Wissenschaft, die nicht nur im Labor funktioniert: Manchmal lautet die entscheidende Frage: „Wie bringt man diese beiden Dinge zusammen?“NASA: Missionsfortschritt und das Problem inkompatibler Absorber →

6. Kontakt (1997): Interstellare Korrespondenz erfordert Geduld

Ellie Arroway empfängt ein Funksignal aus Wegas Richtung. Wenn wir die kryptische Nachricht gedanklich durch ein einfaches „Hallo“ ersetzen, stellt sich eine alltägliche Frage: Wann können wir mit einer Antwort auf unsere Antwort rechnen?

Radiowellen sind elektromagnetische Strahlung. Im Vakuum bewegen sie sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie sichtbares Licht – etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde. Eine größere Antenne hilft, ein schwaches Signal zu empfangen, zwingt es jedoch nicht dazu, früher anzukommen.NASA: Geschwindigkeit elektromagnetischer Wellen →

Über Wega25 Lichtjahre. Ein Lichtjahr ist die Entfernung, die Licht in einem Jahr zurücklegt. Das bedeutet, dass unser Signal etwa ein Vierteljahrhundert lang dort gewesen wäre. Wenn dort sofort geantwortet wird, dauert die Rückfahrt genauso lange: etwa50 Jahre vom Senden einer Frage bis zum Erhalt einer Antwort. Dies ist eine einfache Schätzung der Verzögerung für Empfänger, die relativ zueinander stationär sind, und kein Versprechen, dass die Übertragung überhaupt erkennbar sein wird.NASA: Entfernung zu Wega →

Eine Nachricht von der Erde an Wega dauert etwa 25 Jahre, eine sofortige Antwort dauert weitere 25 Jahre; Die Gesamtwartezeit beträgt etwa 50 Jahre

Bildungszeitleiste. Die Zeit für die Antwortvorbereitung ist nicht inbegriffen. Größer öffnen →

Es gibt auch eine Subtilität der Filmsprache: Ein Funksignal ist kein Ton, der durch die Leere fliegt. Der Empfänger kann die Daten in eine akustische Darstellung umwandeln. Eine echte Suche erfordert Signalverarbeitung und Interferenzprüfung, nicht nur ein zuhörendes Ohr. Die NRAO-Website enthält eine Analyse des Films durch SETI-Spezialisten.Was „Kontakt“ genau anzeigt und was es vereinfacht →

Was soll man den nächsten Weltraumfilm fragen?

Sie müssen keinen Film mit einem Taschenrechner ansehen. Drei Fragen genügen:Was erzeugt die Kraft, wohin geht die Energie und wie lange dauert das Signal? Sie helfen dabei, eine spektakuläre Technik von einer interessanten physikalischen Idee zu trennen. Und manchmal entdeckt man, dass die Realität erstaunlicher ist als die Landschaft: Man kann ständig fallen und die Erde verfehlen, die verborgene Seite der Scheibe sehen und nach der Pensionierung eine Antwort auf einen Schulbrief erhalten.

Wenn Sie fortfahren möchten:Wie Roemer feststellte, ist Licht nicht augenblicklich, wie die Erde gewogen wurde undWie die Wissenschaft in Rocksongs gelangte.

Die Quellen werden zusammen mit relevanten Erläuterungen aufgeführt. Zahlenbeispiele und Diagramme wurden von den Herausgebern von Mozg.ru erstellt; Sie erklären einzelne Prinzipien, anstatt die wissenschaftliche Richtigkeit ganzer Filme zu bestätigen.