James Webb Teleskop

kleinundgrün schrieb:Und wir brauchen echt viel Energie, um mit zunehmender relativistischer Masse diese 1G aufrecht halten zu können.

Das mit der relativistischen Masse ist schon länger in der Physik kein Thema mehr, weil es mehr zu Missverständnissen führt, als zum Verstehen.

Unzweckmäßig wäre die Angabe einer geschwindigkeitsabhängigen Masse, denn dann müsste man auch ständig die Relativgeschwindigkeit dazu angeben. Auch hierbei stellt sich heraus, dass die Ruhemasse ein natürliches und nützliches Konzept für die Masse ist, die relativistische Masse hingegen nicht.

In guten Lehrbüchern wird auf einen Gebrauch der Gleichung für die relativistische Masse verzichtet bzw. klingt an, dass ihre Verwendung mit Vorsicht zu genießen ist.

...

Im Prinzip leitet sich die relativistische Masse vom relativistischen Impuls ab und fragwürdig ist, ob diese mathematisch ganz korrekte Separation wirklich physikalisch sinnvoll ist. Ich meine nein. Gut, ich wurde in meinem Physikstudium von meinem Professor für Theoretische Physik so “erzogen”, dass es nur eine einzige Masse (zumindest in der Speziellen Relativitätstheorie) gibt, nämlich die Ruhemasse m. Aus! Damit bin ich auch immer sehr gut gefahren. Die “Massenzunahme” sei eine sehr fragwürdige Interpretation; vielmehr nehme die Trägheit zu und da es ein rein kinematischer Effekt sei, hängt dies am Impuls.

Quelle: https://scilogs.spektrum.de/einsteins-kosmos/relativistische-masse-sinn-oder-unsinn/

Problem ist, viele Laien haben keine Vorstellung davon, dass Geschwindigkeit relativ ist und was das wirklich bedeutet und mit sich bringt. Im eigenen Ruhesystem ruht man per Definition und generell. In zwei unterschiedlich schnell zu mir bewegten Systemen habe ich dann eine unterschiedliche relative Masse, das macht nicht wirklich Sinn.

Eine gewisse Analogie wäre von perspektivischer Länge zu sprechen und zu sagen, je weiter wer weg ist, desto kleiner wird er.

Ganz wichtig und elementar ist es das mit den Bezugssystemen zu verstehen, und im eigenen Ruhesystem gibt es keine Massenzunahme, man kann somit ewig mit 1 g beschleunigen ohne dass man dafür immer mehr Energie braucht, im Gegenteil, da man ja Masse in Energie umwandelt braucht man immer weniger.

Mal ein Beispiel, man setzt einen Satelliten aus, dann beschleunigt man solange mit 1 g bis man sich mit 0,9 c von diesem entfernt. Dann setzt man wieder einen Satelliten aus und beschleunigt wieder mit 1 g, bis man sich auch von diesem wieder mit 0,9 c entfernt. Und dann einen dritten und einen vierten und das Spiel kann man ewig so weiter treiben.

Was dabei nun passierst ist, dass sich die Geschwindigkeiten nicht linear addieren, bedeutet man entfernt sich nie mit mehr als c vom ersten Satelliten. Selbst wenn man das 1.000 Mal macht, wird man sich vom ersten nur was mit 0,999999999 c entfernen (geschätzt nicht gerechnet).

kleinundgrün schrieb:Vor allem, da er recht bald durch die infolge der Längenkontraktion harten Strahlung sterben würde. Oder durch die Partikel, wenn sie mit nahe c auf das Schiff treffen.

Da musst du aber sehr nahe an c ran, z.B. 0,9c reichen da noch lange nicht aus. Strahlung, die dich in einem Raumschiff in Bedrängnis bringen würde, müsste schon sehr hart sein (Gammastrahlung), immerhin gibt es recht gute Methoden um Strahlung abzuschirmen. Bei Röntgenstrahlung liegt die Wellenlänge bei ~ 10^-10 m, und die kannst du noch problemlos mit Blei abschirmen.

Selbst bei Blauen Riesen liegt das Emissionmaximum noch im UV-Bereich. Nehmen wir also mal eine Wellenlänge von ~ 10^-8 m. Bei 0,9c liegt der Lorentzfaktor irgendwo zwischen 2 und 3, das reicht lange nicht aus, um in den Bereich von Röntgenstrahlung zu kommen. Das sind 1-2 Zehnerpotenzen! Und wie gesagt, die Röntgenstrahlung könntest du sogar noch abschirmen.

Den nötigen Lorentzfaktor um Gammastrahlung zu erhalten, erreichst du nur im ultrarelativistischen Bereich, also eher 0,99999999999 c als 0,9c. Und dazu müsste die Strahlungsquelle auch noch ziemlich genau in Bewegungsrichtung liegen. (Wobei natürlich, je schneller du bist, desto mehr Strahlungsquellen in Bewegungsrichtung liegen.)

kleinundgrün schrieb:Und wir brauchen echt viel Energie, um mit zunehmender relativistischer Masse diese 1G aufrecht halten zu können.

Nur für einen externen Beobachter. Im Ruhesystem der Rakete kannst du, wie @nocheinPoet ja schon geschrieben hat, beliebig lange mit 1 g beschleunigen und benötigst dabei immer gleich viel Energie. Um relativ zu deinem Ziel 1 g aufrecht zu erhalten, müsstest du die Schubkraft allerdings kontinuierlich erhöhen. Du benötigst für eine Beschleunigung von 0 auf 0,9c relativ zu deinem Ziel etwa gleich viel Energie wie für eine Beschleunigung von 0,9c auf 0,99c (geschätzt). Das ist aber noch immer endlich viel Energie, d.h. du könntest mit einer hochentwickelten Energiequelle (Zukunftsmusik) und erträglichen 1-2 g (in deinem Ruhesystem) problemlos die 0,9c schaffen. Aber nicht vergessen: Den Sprit zum Bremsen, den solltest du dann auch gleich mitnehmen, zumindest sofern du am Ziel landen willst... ;-)

Also ja, das wäre ein Problem. Allerdings eher ein technisches durch die begrenzte Menge an Treibstoff, kein theoretisch unlösbares...

Arrakai schrieb:und die kannst du noch problemlos mit Blei abschirmen

Klar, wenn Du dicke Bleischilde mit beschleunigen möchtest. Aber Blei schwächt die Strahlung nur ab (zugegeben exponentiell mit wachsender Dicke).
Aber ja, da wäre wirklich "fast c" für eine hinreichende Verringerung der Wellenlänge der "üblichen" Strahlung notwendig.

Arrakai schrieb:Du benötigst für eine Beschleunigung von 0 auf 0,9c relativ zu deinem Ziel etwa gleich viel Energie wie für eine Beschleunigung von 0,9c auf 0,99c (geschätzt).

Ich denke nicht, dass diese Schätzung stimmt.

Arrakai schrieb:Das ist aber noch immer endlich viel Energie, d.h. du könntest mit einer hochentwickelten Energiequelle (Zukunftsmusik) und erträglichen 1-2 g (in deinem Ruhesystem) problemlos die 0,9c schaffen.

Was beschleunigst Du "schnell genug", um der Impulserhaltung folgend diese Geschwindigkeit zu erreichen?

kleinundgrün schrieb:Klar, wenn Du dicke Bleischilde mit beschleunigen möchtest. Aber Blei schwächt die Strahlung nur ab (zugegeben exponentiell mit wachsender Dicke).
Aber ja, da wäre wirklich "fast c" für eine hinreichende Verringerung der Wellenlänge der "üblichen" Strahlung notwendig.

Strahlenschutz ist das geringste Problem.

Eher die Mass Ratio und Energiebedarf

kleinundgrün schrieb:Was beschleunigst Du "schnell genug", um der Impulserhaltung folgend diese Geschwindigkeit zu erreichen?

Mmh das ist so die Sache, klassisch Wasserstoff.

Echt aufwendig wird es wenn man dann von Photonentriebwerken spricht.

Wenn man Mal solide 1 bis 4 % von c erreicht ist das schon viel

Diese Diskussion ist aber in nem anderen Thread besser aufgehoben

Mmh bliebe noch das Lasersegel.

kleinundgrün schrieb:Ich denke nicht, dass diese Schätzung stimmt.

Doch, sollte passen. Ein Raumschiff setzt bei v = 0 eine Boje aus und beschleunigt relativ zu dieser auf 0,9 c. Bei 0,9 c setzt es wieder eine Boje aus und beschleunigt relativ zu dieser auf 0,9c. Für beide Beschleunigungsvorgänge benötigt es gleich viel Energie. Wenn man die Geschwindigkeit des Raumschiffes nach dem Aussetzen der zweiten Boje mit der der ersten Boje vergleicht, muss man relativistisch addieren und kommt auf v_rel = 0,9 + 0,9 / (1 + 0,9 ⋅ 0,9) = 1,8 / 1,81 ≈ 0,99 c. Also gerade mal die 0,09 c mehr.

kleinundgrün schrieb:Was beschleunigst Du "schnell genug", um der Impulserhaltung folgend diese Geschwindigkeit zu erreichen?

Was bedeutet denn "schnell genug" beschleunigen? Die Rakete beschleunigt in ihrem Ruhesystem einfach konstant, z.B. mit 1 g. Dafür benötigt sie immer gleich viel Energie - die Ruhemasse m und damit auch die Trägheit sind im Ruhesystem der Rakete ja immer gleich (vom Treibstoffverlust abgesehen). Und bei dieser konstanten Beschleunigung wird die Rakete natürlich auch bezogen auf ihr Ziel immer schneller (nähert sich c beliebig an).

Und die Impulserhaltung hat damit nichts zu tun. Der Impuls ist nicht lorentzinvariant, es gilt p = γmv. D.h. er hat relativ zu anderen Bezugssystemen jeweils andere Werte, erhalten bleibt er natürlich trotzdem.

Arrakai schrieb:Wenn man die Geschwindigkeit des Raumschiffes nach dem Aussetzen der zweiten Boje

Natürlich nach der zweiten Beschleunigungsphase, nicht nach dem Aussetzen der zweiten Boje...

Arrakai schrieb:Was bedeutet denn "schnell genug" beschleunigen?

Na ja, Du willst ja nicht in Deinem eigenen Bezugssystem mit 1G beschleunigen - sondern von Deinem "Startsystem" aus gesehen möglichst schnell am Ziel ankommen. Oder nicht?
Ich muss hier auch sagen, dass ich mir im Grenzbereich eines Verstehens bewege - also wenn ich Unsinn erzähle, gerne korrigieren.

Arrakai schrieb:Ein Raumschiff setzt bei v = 0 eine Boje aus und beschleunigt relativ zu dieser auf 0,9 c. Bei 0,9 c setzt es wieder eine Boje aus und beschleunigt relativ zu dieser auf 0,9c. Für beide Beschleunigungsvorgänge benötigt es gleich viel Energie.

Entweder verstehe ich es nicht oder es ist tatsächlich falsch.
In Schritten
1.
v Boje =0
v Schiff =0
2.
Beschleunigen auf 0,9c
3.
v Boje = 0,9c
v Schiff = 0,9c
4.
Aussetzen bei 0,9c
5.
v Boje = 0,9c (in der Annahme dass sie die Geschwindigkeit behält)
v Schiff = 0,9c
6.
Schiff beschleunigt
7.
v Schiff kann dann maximal c sein, somit 0,1c mehr als die Boje

Wie kommst Du auf 0,9c ggü der Boje, sprich auf 1,8c ? c ist das obere Limit in allen Systemen, addiert oder nicht.

Abahatschi schrieb:v Schiff kann dann maximal c sein, somit 0,1c mehr als die Boje

Das gilt für die erste Boje, nich aber für die Zweite. Entscheidend is ja immer die Geschwindigkeit relativ zu einem Objekt. Zur ersten Boje beträgt die Geschwindigkeit nach dem ersten Beschleunigen 0,9c, also kann man gegenüber dieser nur um maximal 0,1c beschleunigen.
Gegenüber der zweiten Boje beträgt die Geschwindigkeit aber wieder 0c, also kann man relativ zu dieser wieder um weitere 0,9c beschleunigen.
Relativ zu Boje1 ändert sich die Geschwindigkeit dabei (bei vorausgesetzt gleicher Richtung) allerdings nur um 0,09c.

Soweit mein Laienhaftes Verständnis.

mfg
kuno

Abahatschi schrieb:Wie kommst Du auf 0,9c ggü der Boje, sprich auf 1,8c ? c ist das obere Limit in allen Systemen, addiert oder nicht.

@kuno7 hat es korrekt erklärt. Daher wird auch nicht einfach addiert, sondern relativistisch addiert. Die konkrete Rechnung siehe im Post oben (in geometrisierten Einheiten, d.h. mit c = 1), ganz allgemein:



Hier siehst du auch, dass tatsächlich maximal c herauskommen kann:

kleinundgrün schrieb:Na ja, Du willst ja nicht in Deinem eigenen Bezugssystem mit 1G beschleunigen - sondern von Deinem "Startsystem" aus gesehen möglichst schnell am Ziel ankommen. Oder nicht?

Ja, schon, aber das hat wie gesagt nichts mit der Beschleunigung im Ruhesystem der Rakete zu tun. Manchmal ist das halt ziemlich irritierend. So, wie ein Freifaller für einen Außenstehenden niemals den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs passieren kann, in seinem eigenen Ruhesystem aber einfach durchfällt als sei das überhaupt keine besondere Grenze. (Dass es doch eine ist, wird er natürlich bemerken, falls er umkehren will...)

Du musst bedenken, dass für einen Beobachter auf der Erde die Zeit im Raumschiff viel langsamer vergeht (und umgekehrt). Außerdem sorgt die Längenkontraktion dafür, dass die zu überwindende Strecke deutlich kürzer wird. Genau berechnen kann man das mit der sogenannten Relativistic Rocket Equation (die fasst alle Effekte zusammen). Die Beschleunigung muss dafür aber wie gesagt konstant sein, und z.B. auch nur 1g aufrecht zu erhalten über viele Jahre hinweg benötigt Unmengen an Energie... Im zugehörigen Wiki-Artikel wird daher auch tatsächlich ein Materie-Antimaterie-Antrieb diskutiert, wie ich gerade gesehen habe. :)

Als Beispiel: Wenn du in deinem Ruhesystem konstant mit 1 g beschleunigst, dann kannst du Alpha Centauri (4,34 Lichtjahre) in ca. 3,6 Jahren Eigenzeit (also Zeit die für die Rakete vergeht) erreichen. Dann rauschst du dort allerdings vorbei, wenn man das Bremsen einkalkuliert dann dauert es entsprechend länger. Und in ca. 12 Jahren könntest du einmal die komplette Milchstraße durchqueren, in ca. 28 Jahren wärst du bei Andromeda. Mit 2 g geht es erheblich schneller. Die zugehörigen Werte müsste ich jetzt aber selbst mit der Relativistic Rocket Equationa ausrechnen, für 1 g habe ich die Werte gegoogelt, die findet man schnell The Relativistic Rocket

@Arrakai
OK, danke für den Versuch.
Ich werde mich mal ein bisschen weiter in das Thema einlesen, es ist wirklich spannend und ich habe da so Bruchteile von Ahnung - offenbar aber dann doch zu wenig.

Ich hätte eine Bitte, so interessant das Thema "Beschleunigung auf relativistische Geschwindigkeiten" auch ist:

könnt ihr das in einen eigenen Thread auslagern? Das hat ja nur gaaanz am Rande mit dem JWST zu tun, welches ja Bilder von Objekten liefern soll, die aufgrund ihrer Entfernung (und damit ihrer relativen Geschwindigkeit zu uns als Beobachtern) ihren sichtbaren Anteil des ausgestrahlten Spektrums ins Infrarote verschoben haben.

Danke.

Arrakai schrieb:Ja, schon, aber das hat wie gesagt nichts mit der Beschleunigung im Ruhesystem der Rakete zu tun. Manchmal ist das halt ziemlich irritierend. So, wie ein Freifaller für einen Außenstehenden niemals den Ereignishorizont eines Schwarzen Lochs passieren kann, in seinem eigenen Ruhesystem aber einfach durchfällt als sei das überhaupt keine besondere Grenze. (Dass es doch eine ist, wird er natürlich bemerken, falls er umkehren will...)

Welcher Freifaller soll das sein? Gerechnet in Schwarzschildkoordinaten gibt es tatsächlich eine Koordinatensingularität für den "Aussenstehenden". Gerechnet in geeigneteren Koordinaten, z.B. Eddington-Finkelstein gibt es sowas nicht. Man könnte jetzt auch alle Schwarzloch Typen die der Wissenschaft bekannt sind durchgehen, das niemals Erreichen des E-Horizonts gibt es nicht beobachtet durch einen "Aussenstehenden".
Wäre das so bei jedem Freifaller würde es sich um 2 echte unterschiedliche Realitäten handeln die es in der ART nicht gibt. Das im eigenen Ruhesystem das passiert was passiert ist selbstredend.

Arrakai schrieb:Als Beispiel: Wenn du in deinem Ruhesystem konstant mit 1 g beschleunigst, dann kannst du Alpha Centauri (4,34 Lichtjahre) in ca. 3,6 Jahren Eigenzeit (also Zeit die für die Rakete vergeht) erreichen. Dann rauschst du dort allerdings vorbei, wenn man das Bremsen einkalkuliert dann dauert es entsprechend länger. Und in ca. 12 Jahren könntest du einmal die komplette Milchstraße durchqueren, in ca. 28 Jahren wärst du bei Andromeda.

Ein Probekörper Mensch in einem Raumschiff, könnte in round about 80 Jahren das gesamte Universum bereisen, nur die dafür notwendige Energie heutiger Vorstellung in Form von Treibstoff Tanks und derem chemischen Inhalt ist nicht zum Abheben von der Erde zu bekommen. Vielleicht entwickeln wir ja mal Astral Reisen...also das funktioniert nicht. Ein Mensch reist absehbar von ErdKoordinate zu Erdkoordinate und sonst nirgend wohin.

@Arrakai

TomS. schrieb:Wäre das so bei jedem Freifaller würde es sich um 2 echte unterschiedliche Realitäten handeln die es in der ART nicht gibt.

Es handelt sich nicht um "unterschiedliche Realitäten", da die beiden Beobachtungen nicht widersprüchlich sind. Der externe Beobachter wird das Passieren des Ereignishorizonts nie beobachten, da der Freifaller hierfür unendlich viel Koordinatenzeit benötigt. Für den Freifaller dagegen vergeht endlich viel Eigenzeit. Es wird demnach also einfach keinen Zeitpunkt geben, an dem ein hinreichend weit entfernter Beobachter und ein Freifaller gleichzeitig das Passieren des Ereignishorizonts beobachten, da ist alles, an der "Realität" ändert das nichts. Gleichzeitigkeit und ART, das ist eben so eine Sache. (Dass du die Koordinaten transformieren kannst, ist klar, das ändert aber nichts an der Perspektive der beiden Beobachter.)

Siehe z.B. auch MTW:

1. For a nonrotating black hole, the Schwarzschild coordinates become singular at the horizon. One manifestation of the singularity is the infinite amount of coordinate time required for any particle or photon to fall inward through the horizon, t → ∞ as r → 2M [...]
2. For a rotating black hole, the Boyer-Lindquist coordinates, being generalizations of the Schwarzschild coordinates, are also singular at the horizon. It requires an infinite coordinate time for any particle or photon to fall inward through the horizon, t → ∞ as r → r₊ [...]

Quelle: MTW §33, Box 33.2

TomS. schrieb:also das funktioniert nicht.

Wer hat etwas anderes behauptet?

Falls du das weiter diskutieren möchtest, dann eröffne bitte einen neuen Faden (zu Schwarzen Löchern gibt es auch bereits einen). Der Hinweis von @cpt_void ist berechtigt und ich möchte das gerne respektieren.

cpt_void schrieb:Ich hätte eine Bitte, so interessant das Thema "Beschleunigung auf relativistische Geschwindigkeiten" auch ist:

könnt ihr das in einen eigenen Thread auslagern? Das hat ja nur gaaanz am Rande mit dem JWST zu tun, welches ja Bilder von Objekten liefern soll, die aufgrund ihrer Entfernung (und damit ihrer relativen Geschwindigkeit zu uns als Beobachtern) ihren sichtbaren Anteil des ausgestrahlten Spektrums ins Infrarote verschoben haben.

Danke.

Darf ich diese Bitte von cpt_void bitte wiederholen?

Reisen irgendwohin in das Universum, sei es mit 0,1 c oder 0,9 c haben mit dem Webb absoluts nichts zu tun.

https://www.google.com/amp/s/www.heise.de/amp/news/Photonen-registriert-Feinkalibrierung-des-Weltraumteleskops-James-Webb-begonnen-6351340.html

Die afeinkalibrierung hat begonnen und wird circa drei Monate dauern. Im Bericht sieht man auch ein Foto wie die ersten Aufnahmen von HD 84406, dem ersten Ziel aussehen.

@Teegarden
Danke für den Link und das Zurückkommen zum eigentlichen Thema.
Ich bin so froh, dass bisher alles so super geklappt hat.
Da können sich NASA und ESA gegenseitig auf die Schulter klopfen.
Ich freue mich schon darauf, wenn wir hier im Thread die ersten Erkenntnisse diskutieren, die dieses Ausnahme-Weltraum-Teleskop der Menschheit bringt. 😄

RachelCreed schrieb:Da können sich NASA und ESA gegenseitig auf die Schulter klopfen.

Ganz richtig.

Aber nervt es nur mich, dass die zugegeben historisch riesige NASA diesen bisherigen guten Verlauf des Projekts versucht, allein in ihre Tasche zu stecken? Ich würde bei jeder offiziellen Veröffentlichung erwarten, dass die Partner NASA / ESA / CSA prominent (nicht erst gaanz hinten versteckt) erwähnt werden. So geht Zusammenarbeit.

Von der internationalen Nachrichtenlage präsentiert sich die NASA als alleiniger Entertainer. Wie können wir den US- Feunden beibringen, dass sie auch jetzt nicht der Mittelpunkt der Schöpfung sind??

frankysinatra schrieb:Aber nervt es nur mich, dass die zugegeben historisch riesige NASA diesen bisherigen guten Verlauf des Projekts versucht, allein in ihre Tasche zu stecken?

Nein, es würde mMn nur schnell ot, das hier zu diskutieren.