Missing Link: Wie man interstellare Quantenkommunikation finden könnte

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Dank immer besserer Technik, innovativen Ansätzen und internationaler Kooperation erlebt die Astronomie eine Blüte. Doch während viele Beobachtungen dabei helfen, Theorien zu verfeinern oder auszusortieren, gibt es auch immer wieder Entdeckungen, die einfach nicht zu passen scheinen. Mysteriöse Signale, mutmaßliche Verstöße gegen Naturgesetze und – noch – nicht zu erklärende Phänomene. In der Öffentlichkeit wird dann gerne darüber diskutiert, ob es sich um Spuren außerirdischer Intelligenz handelt. Wissenschaftler wissen, dass es am Ende fast immer eine natürliche Erklärung gibt. Aber die Fantasie wird angeregt und wirft dann die Frage auf: Was, wenn wir noch keine Signale Außerirdischer gefunden haben, weil wir nach den falschen suchen?

"Missing Link"

Was fehlt: In der rapiden Technikwelt häufig die Zeit, die vielen News und Hintergründe neu zu sortieren. Am Wochenende wollen wir sie uns nehmen, die Seitenwege abseits des Aktuellen verfolgen, andere Blickwinkel probieren und Zwischentöne hörbar machen.

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Vermutlich saßen schon die Neandertaler an den Lagerfeuern der Steinzeit, haben mit Bewunderung in den Himmel geschaut, und sich am Kopf gekratzt. Was wohl diese Sterne sind? Ob es da draußen noch mehr Welten mit so vielen leckeren Wollhaarmammuts gibt? Viel später, vor etwa 200 Jahren, hat dann der große Mathematiker Carl Friedrich Gauß konkret vorgeschlagen, große Flächen sibirischen Urwalds in Form eines Dreiecks zu fällen, um den Mondbewohnern ein Zeichen zu geben. Als gegen Ende des 19. Jahrhunderts dann Schifffahrtskanäle wie der Suezkanal und der Panamakanal gebaut wurden, begannen die Astronomen, nach ähnlichen auf anderen Planeten zu suchen. Die Logik war einfach: Was die großartige Zivilisation der Menschen hervorbringt, das werden die Marsianer doch bestimmt genau so machen.

Und tatsächlich: Giovanni Schiaparelli verkündete im Jahr 1877 die Entdeckung der Marskanäle. Etwas Ähnliches wiederholte sich kurze Zeit später, als Guglielmo Marconi im Dezember 1894 das erste Radio in Betrieb nahm. Nur wenige Jahre später suchte Nikola Tesla nach Radiowellen vom Mars, und glaubte tatsächlich welche zu empfangen. Das hat sich zwar als Irrtum herausgestellt, aber die Suche nach Radiosignalen aus dem All ging weiter. Die "Suche nach extraterrestrischer Intelligenz", kurz SETI, hat 1960 einen Schub erhalten durch zwei Publikationen in der angesehenen Fachzeitschrift Nature. Dort wurde erstmals konkret wissenschaftlich beschrieben, welche Frequenzen und Limits es für interstellare Kommunikation mit Radiowellen und optischem Licht gibt. Zwischen 1960 und 2018 verzeichnet das SETI Institute mindestens 104 Experimente mit Radioteleskopen. Bislang alle erfolglos, ebenso wie Suchen im optischen Bereich, nach Röntgenstrahlen oder Infrarotsignaturen.

Photonen? Neutrinos? Higgs-Bosonen?

Die Teilchenphysik hat im 20. Jahrhundert unser Weltbild radikal verändert: Erst durch das Verständnis der Elementarteilchen wurden Entdeckungen wie die Kernspaltung (Atomwaffen, Kernkraftwerke) möglich. Von den heute bekannten 37 Elementarteilchen im Standardmodell eignen sich gleich mehrere für eine interstellare Kommunikationsstrecke. Ich habe in einer Forschungsarbeit im Jahr 2018 die Vor- und Nachteile aller relevanten Teilchen untersucht. Dabei waren die bekannten Photonen (Lichtteilchen) die „Gewinner“, denn sie sind masselos und daher energetisch günstig, dazu lichtschnell, lassen sich sehr gut fokussieren, und können mehrere Bits an Information pro Teilchen tragen.

Photonen kennen wir nicht nur als Lichtteilchen – sie sind im elektromagnetischen Spektrum ebenso präsent als Radiowellen, und mit höheren Teilchen-Energien als Röntgen- oder Gammastrahlen. Daneben gibt es noch andere Teilchen, die man mehr oder weniger vernünftig für eine Kommunikation einsetzen kann. Beispielsweise wurde demonstriert, dass mittels Neutrinos Daten übertragen werden können. Diese haben den Vorteil, dass sie mühelos kilometerdickes Gestein durchdringen. Das ist jedoch auch einer ihrer Nachteile: Sie sind extrem schwer zu detektieren, denn sie durchdringen ebenso (fast) jeden Detektor.

Das Teilchen, das sich von allen am schlechtesten für die Kommunikation über große Distanzen eignet, ist übrigens das Higgs-Boson. Es wurde 1964 von Peter Higgs vorhergesagt, aber erst im Jahr 2012 am Large Hadron Collider (LHC) am CERN zum ersten Mal beobachtet – einen Nobelpreis gab es auch noch. Das Higgs-Boson zerfällt nach nur 10^-22 Sekunden. Um es für eine Reise zum nächsten Stern ausreichend lange am Leben zu halten, müsste man es sehr stark beschleunigen. Durch den Lorentzfaktor würde dann seine subjektive Zeit langsamer verstreichen. In der Praxis ist das aber unmöglich zu schaffen, denn man müsste so viel Energie in das Higgs-Teilchen pumpen, dass es zum Schwarzen Loch würde. Es disqualifiziert sich somit als Datenlieferant.

Photonen und Quanten

Als Quanten versteht man, vereinfacht gesagt, diskrete Partikel in einem System, die alle die gleiche Energie haben. Beispielsweise hat Albert Einstein 1905 postuliert, dass Lichtteilchen (Photonen) immer ein Vielfaches einer kleinsten Energiemenge besitzen. Daraus ergibt sich das Feld der Quantenmechanik, die Effekte auf kleinster Ebene beschreibt. Der Übergang zur makroskopischen, klassischen Welt ist dabei fließend – man hat Quanteneffekte auch an Fullerenen nachgewiesen, das sind Kugeln aus 60 Kohlenstoffatomen. Obwohl also Quanteneffekte bei allen Teilchen auftreten, ist es sinnvoll, sich für die interstellare Kommunikation auf Photonen konzentrieren, denn sie sind anderen Teilchen für diesen Zweck überlegen.