Im September 2011 schockierte der Physiker Antonio Ereditato die Welt. Seine Aussage könnte unser Verständnis des Universums auf den Kopf stellen. Wenn die von den 160 OPERA-Wissenschaftlern gesammelten Daten korrekt waren, wurde das Unglaubliche beobachtet. Teilchen - in diesem Fall Neutrinos - bewegten sich schneller als Licht. Nach Einsteins Relativitätstheorie ist dies unmöglich. Und die Konsequenzen einer solchen Beobachtung wären unglaublich. Vielleicht müssten die Grundlagen der Physik überarbeitet werden.
Während Ereditato sagte, dass er und sein Team in ihren Ergebnissen „äußerst zuversichtlich“seien, sagten sie nicht, dass die Daten vollkommen korrekt seien. Im Gegenteil, sie baten andere Wissenschaftler, ihnen zu helfen, herauszufinden, was los war.
Am Ende stellte sich heraus, dass die OPERA-Ergebnisse falsch waren. Ein schlecht angeschlossenes Kabel verursachte ein Synchronisierungsproblem und die Signale von den GPS-Satelliten waren ungenau. Es gab eine unerwartete Verzögerung im Signal. Infolgedessen ergaben Messungen der Zeit, die Neutrinos brauchten, um eine bestimmte Strecke zurückzulegen, zusätzliche 73 Nanosekunden: Es schien, dass die Neutrinos schneller flogen als Licht.
Trotz monatelanger Prüfung vor Beginn des Experiments und anschließender Überprüfung der Daten lagen die Wissenschaftler ernsthaft falsch. Ereditato trat zurück, entgegen der Bemerkung vieler, dass solche Fehler immer aufgrund der extremen Komplexität der Vorrichtung von Teilchenbeschleunigern auftraten.
Warum verursachte die Annahme - nur die Annahme - dass sich etwas schneller als Licht bewegen könnte, ein solches Geräusch? Wie sicher sind wir, dass nichts diese Barriere überwinden kann?
Schauen wir uns zuerst die zweite dieser Fragen an. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt 299.792,458 Kilometer pro Sekunde - der Einfachheit halber wird diese Zahl auf 300.000 Kilometer pro Sekunde aufgerundet. Es ist ziemlich schnell. Die Sonne ist 150 Millionen Kilometer von der Erde entfernt und das Licht von ihr erreicht die Erde in nur acht Minuten und zwanzig Sekunden.
Kann eine unserer Kreationen im Wettlauf gegen das Licht mithalten? Als eines der schnellsten künstlichen Objekte, die jemals gebaut wurden, sauste die Raumsonde New Horizons im Juli 2015 an Pluto und Charon vorbei. Er erreichte eine Geschwindigkeit relativ zur Erde von 16 km / s. Viel weniger als 300.000 km / s.
Wir hatten jedoch winzige Partikel, die sich sehr schnell bewegten. In den frühen 1960er Jahren experimentierte William Bertozzi vom Massachusetts Institute of Technology damit, Elektronen auf noch höhere Geschwindigkeiten zu beschleunigen.
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Da Elektronen eine negative Ladung haben, können sie beschleunigt - genauer abgestoßen - werden, indem dieselbe negative Ladung auf das Material aufgebracht wird. Je mehr Energie angelegt wird, desto schneller beschleunigen die Elektronen.
Man könnte meinen, man muss nur die aufgebrachte Energie erhöhen, um auf eine Geschwindigkeit von 300.000 km / s zu beschleunigen. Aber es stellt sich heraus, dass sich Elektronen einfach nicht so schnell bewegen können. Bertozzis Experimente zeigten, dass die Verwendung von mehr Energie nicht zu einer direkt proportionalen Erhöhung der Geschwindigkeit von Elektronen führt.
Stattdessen mussten große Mengen zusätzlicher Energie aufgebracht werden, um die Geschwindigkeit der Elektronen auch nur geringfügig zu verändern. Es kam der Lichtgeschwindigkeit immer näher, erreichte es aber nie.
Stellen Sie sich vor, Sie gehen in kleinen Schritten auf die Tür zu, von denen jede die halbe Strecke von Ihrer aktuellen Position zur Tür zurücklegt. Genau genommen werden Sie nie zur Tür gelangen, denn nach jedem Schritt müssen Sie eine Distanz überwinden. Bertozzi hatte im Umgang mit seinen Elektronen ungefähr ein solches Problem.
Aber Licht besteht aus Teilchen, die Photonen genannt werden. Warum können sich diese Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, Elektronen jedoch nicht?
„Wenn sich Objekte schneller und schneller bewegen, werden sie schwerer - je schwerer sie werden, desto schwieriger ist es für sie, zu beschleunigen, sodass Sie nie die Lichtgeschwindigkeit erreichen“, sagt Roger Rassoul, Physiker an der Universität von Melbourne in Australien. „Ein Photon hat keine Masse. Wenn er Masse hätte, könnte er sich nicht mit Lichtgeschwindigkeit bewegen."
Photonen sind etwas Besonderes. Ihnen fehlt nicht nur die Masse, die ihnen völlige Bewegungsfreiheit im Vakuum des Weltraums verschafft, sie müssen auch nicht beschleunigen. Die natürliche Energie, über die sie verfügen, bewegt sich wie sie in Wellen, sodass sie zum Zeitpunkt ihrer Entstehung bereits die maximale Geschwindigkeit haben. In gewissem Sinne ist es einfacher, sich Licht als Energie vorzustellen, als einen Strom von Teilchen, obwohl Licht in Wahrheit beides ist.
Das Licht bewegt sich jedoch viel langsamer als erwartet. Während Internet-Techniker gerne über Kommunikation sprechen, die mit "Lichtgeschwindigkeit" in Glasfasern arbeitet, bewegt sich Licht im Glas dieser Glasfaser 40% langsamer als im Vakuum.
In der Realität bewegen sich Photonen mit einer Geschwindigkeit von 300.000 km / s, stoßen jedoch auf eine gewisse Interferenz, die durch andere Photonen verursacht wird, die von den Glasatomen beim Durchgang der Hauptlichtwelle emittiert werden. Das ist vielleicht nicht leicht zu verstehen, aber wir haben es zumindest versucht.
Ebenso konnten im Rahmen spezieller Experimente mit einzelnen Photonen diese recht eindrucksvoll verlangsamt werden. In den meisten Fällen ist die Anzahl von 300.000 jedoch gültig. Wir haben nichts gesehen oder erstellt, das sich so schnell oder sogar noch schneller bewegen könnte. Es gibt spezielle Punkte, aber bevor wir sie ansprechen, wollen wir unsere andere Frage ansprechen. Warum ist es so wichtig, dass die Lichtgeschwindigkeitsregel strikt eingehalten wird?
Die Antwort hat mit einem Mann namens Albert Einstein zu tun, wie es in der Physik häufig der Fall ist. Seine spezielle Relativitätstheorie untersucht die vielen Konsequenzen seiner universellen Geschwindigkeitsbegrenzungen. Eines der wichtigsten Elemente der Theorie ist die Idee, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist. Egal wo Sie sind oder wie schnell Sie sich bewegen, Licht bewegt sich immer mit der gleichen Geschwindigkeit.
Dies hat jedoch mehrere konzeptionelle Probleme.
Stellen Sie sich vor, Licht fällt von einer Taschenlampe auf einen Spiegel an der Decke eines stationären Raumfahrzeugs. Das Licht geht auf, wird vom Spiegel reflektiert und fällt auf den Boden des Raumfahrzeugs. Nehmen wir an, er legt eine Strecke von 10 Metern zurück.
Stellen Sie sich nun vor, dieses Raumschiff bewegt sich mit einer kolossalen Geschwindigkeit von vielen tausend Kilometern pro Sekunde. Wenn Sie die Taschenlampe einschalten, verhält sich das Licht wie zuvor: Es scheint nach oben, trifft auf den Spiegel und wird auf dem Boden reflektiert. Dazu muss das Licht jedoch eine diagonale und keine vertikale Strecke zurücklegen. Immerhin bewegt sich der Spiegel jetzt schnell mit dem Raumschiff.
Dementsprechend nimmt die Entfernung, die das Licht zurücklegt, zu. Sagen wir 5 Meter. Insgesamt sind es 15 Meter, nicht 10.
Trotzdem, obwohl die Entfernung zugenommen hat, behaupten Einsteins Theorien, dass sich das Licht immer noch mit der gleichen Geschwindigkeit bewegen wird. Da Geschwindigkeit die Entfernung geteilt durch die Zeit ist, da die Geschwindigkeit gleich bleibt und die Entfernung zunimmt, muss auch die Zeit zunehmen. Ja, die Zeit selbst muss sich dehnen. Obwohl es seltsam klingt, wurde es experimentell bestätigt.
Dieses Phänomen wird als Zeitdilatation bezeichnet. Die Zeit vergeht für Menschen, die in sich schnell bewegenden Fahrzeugen fahren, langsamer als für Menschen, die stehen.
Beispielsweise vergeht die Zeit für Astronauten auf der Internationalen Raumstation, die sich im Vergleich zu Menschen auf dem Planeten mit einer Geschwindigkeit von 7,66 km / s relativ zur Erde bewegt, um 0,007 Sekunden langsamer. Noch interessanter ist die Situation mit Teilchen wie den oben genannten Elektronen, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen können. Bei diesen Partikeln ist der Verzögerungsgrad enorm.
Stephen Colthammer, Experimentalphysiker an der Universität Oxford in Großbritannien, verweist auf ein Beispiel für Teilchen namens Myonen.
Myonen sind instabil: Sie zerfallen schnell in einfachere Teilchen. So schnell, dass die meisten Myonen, die die Sonne verlassen, verfallen sollten, wenn sie die Erde erreichen. In Wirklichkeit kommen Myonen in kolossalen Mengen von der Sonne auf die Erde. Physiker haben lange versucht herauszufinden, warum.
„Die Antwort auf dieses Rätsel ist, dass Myonen mit einer solchen Energie erzeugt werden, dass sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen“, sagt Kolthammer. "Ihr Zeitgefühl, sozusagen, ihre innere Uhr läuft langsam."
Myonen "überleben" länger als erwartet im Verhältnis zu uns, dank der gegenwärtigen natürlichen Krümmung der Zeit. Wenn sich Objekte relativ zu anderen Objekten schnell bewegen, verringert sich auch ihre Länge und zieht sich zusammen. Diese Konsequenzen, Zeitdilatation und Längenverringerung, sind Beispiele dafür, wie sich die Raumzeit in Abhängigkeit von der Bewegung der Dinge - ich, Sie oder das Raumschiff - mit der Masse ändert.
Was wichtig ist, wie Einstein sagte, beeinflusst das Licht nicht, da es keine Masse hat. Deshalb gehen diese Prinzipien Hand in Hand. Wenn sich Objekte schneller als Licht bewegen könnten, würden sie grundlegenden Gesetzen gehorchen, die beschreiben, wie das Universum funktioniert. Dies sind Schlüsselprinzipien. Jetzt können wir über einige Ausnahmen und Ausnahmeregelungen sprechen.
Einerseits bedeutet dies nicht, dass diese Geschwindigkeitsbegrenzung theoretisch unter ganz bestimmten Bedingungen nicht überschritten werden kann, obwohl wir nichts gesehen haben, was sich schneller als Licht bewegt. Nehmen wir zum Beispiel die Expansion des Universums selbst. Galaxien im Universum bewegen sich mit einer Geschwindigkeit, die viel schneller als Licht ist, voneinander weg.
Eine weitere interessante Situation betrifft Partikel, die zur gleichen Zeit dieselben Eigenschaften aufweisen, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Dies ist die sogenannte "Quantenverschränkung". Das Photon dreht sich auf und ab und wählt zufällig aus zwei möglichen Zuständen aus, aber die Wahl der Drehrichtung wird das andere Photon an anderer Stelle genau reflektieren, wenn es verwickelt ist.
Zwei Wissenschaftler, die jeweils ihr eigenes Photon untersuchen, erzielen gleichzeitig das gleiche Ergebnis, schneller als es die Lichtgeschwindigkeit zulässt.
In beiden Beispielen ist jedoch zu beachten, dass keine Informationen schneller als die Lichtgeschwindigkeit zwischen zwei Objekten übertragen werden. Wir können die Ausdehnung des Universums berechnen, aber wir können Objekte nicht schneller als Licht darin beobachten: Sie sind aus dem Sichtfeld verschwunden.
Obwohl die beiden Wissenschaftler mit ihren Photonen das gleiche Ergebnis zur gleichen Zeit erzielen konnten, konnten sie sich nicht schneller darüber informieren, als sich das Licht zwischen ihnen ausbreitet.
„Dies ist für uns kein Problem, denn wenn Sie Signale schneller als Licht senden können, entstehen bizarre Paradoxe, nach denen Informationen irgendwie in die Vergangenheit reisen können“, sagt Kolthammer.
Es gibt eine andere Möglichkeit, Reisen, die schneller als Licht sind, technisch möglich zu machen: Risse in der Raumzeit, die es dem Reisenden ermöglichen würden, die Regeln des normalen Reisens zu umgehen.
Gerald Cleaver von der Baylor University in Texas glaubt, dass wir eines Tages möglicherweise ein Raumschiff bauen können, das sich schneller als Licht bewegt. Welches bewegt sich durch ein Wurmloch. Wurmlöcher sind Schleifen in der Raumzeit, die perfekt in Einsteins Theorien passen. Sie könnten einem Astronauten erlauben, mit einer Anomalie in der Raumzeit, einer Form der kosmischen Abkürzung, von einem Ende des Universums zum anderen zu springen.
Ein Objekt, das sich durch ein Wurmloch bewegt, überschreitet nicht die Lichtgeschwindigkeit, könnte aber theoretisch schneller sein Ziel erreichen als Licht, das sich auf dem "normalen" Weg bewegt. Aber Wurmlöcher sind für die Raumfahrt möglicherweise überhaupt nicht zugänglich. Könnte es eine andere Möglichkeit geben, die Raumzeit aktiv zu verzerren, um sich im Vergleich zu jemand anderem schneller als 300.000 km / s zu bewegen?
Cleaver untersuchte auch die Idee eines "Alcubierre-Motors", der 1994 vom theoretischen Physiker Miguel Alcubierre vorgeschlagen wurde. Er beschreibt eine Situation, in der sich die Raumzeit vor dem Raumschiff zusammenzieht, es vorwärts schiebt und sich dahinter ausdehnt und es auch vorwärts schiebt. "Aber dann", sagt Cleaver, "traten Probleme auf: wie es geht und wie viel Energie benötigt würde."
2008 berechneten er und sein Doktorand Richard Aubosie, wie viel Energie benötigt würde.
Wir stellten uns ein Raumschiff mit einer Größe von 10 x 10 x 10 m vor - 1.000 Kubikmeter - und berechneten, dass die zum Starten des Prozesses benötigte Energiemenge der Masse eines ganzen Jupiter entspricht.
Danach muss die Energie ständig "gegossen" werden, damit der Prozess nicht endet. Niemand weiß, ob dies jemals möglich sein wird oder wie die erforderlichen Technologien aussehen werden. "Ich möchte seit Jahrhunderten nicht als Vorhersage für etwas zitiert werden, das niemals passieren wird", sagt Cleaver, "aber ich sehe noch keine Lösungen."
Schneller als mit Lichtgeschwindigkeit zu reisen, bleibt im Moment eine Fantasie. Bisher besteht die einzige Möglichkeit, einen Exoplaneten während des Lebens zu besuchen, darin, in tief schwebende Animationen einzutauchen. Und doch ist es nicht alles schlecht. In den meisten Fällen haben wir über sichtbares Licht gesprochen. In Wirklichkeit ist Licht jedoch viel mehr. Von Radiowellen und Mikrowellen bis hin zu sichtbarem Licht, ultravioletter Strahlung, Röntgen- und Gammastrahlen, die von Atomen beim Zerfall emittiert werden, bestehen diese schönen Strahlen alle aus demselben Element: Photonen.
Der Unterschied liegt in der Energie, dh in der Wellenlänge. Zusammen bilden diese Strahlen das elektromagnetische Spektrum. Die Tatsache, dass sich beispielsweise Funkwellen mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, ist für die Kommunikation unglaublich nützlich.
In seiner Forschung schafft Kolthammer eine Schaltung, die Photonen verwendet, um Signale von einem Teil der Schaltung zu einem anderen zu übertragen. Daher verdient er das Recht, die Nützlichkeit der unglaublichen Lichtgeschwindigkeit zu kommentieren.
„Die Tatsache, dass wir zum Beispiel die Infrastruktur des Internets und zuvor das auf Licht basierende Radio aufgebaut haben, hat mit der Leichtigkeit zu tun, mit der wir es übertragen können“, stellt er fest. Und er fügt hinzu, dass Licht als Kommunikationskraft des Universums fungiert. Wenn die Elektronen in einem Mobiltelefon zu zittern beginnen, fliegen Photonen heraus und bewirken, dass die Elektronen in dem anderen Mobiltelefon ebenfalls zittern. So entsteht ein Anruf. Das Zittern der Elektronen in der Sonne emittiert auch Photonen - in großen Mengen -, die natürlich das Licht bilden, das der Erde Wärme und, ähm, Licht gibt.
Licht ist die universelle Sprache des Universums. Seine Geschwindigkeit - 299 792,458 km / s - bleibt konstant. Inzwischen sind Raum und Zeit formbar. Vielleicht sollten wir nicht darüber nachdenken, wie wir uns schneller als Licht bewegen können, sondern wie wir uns schneller durch diesen Raum und diesmal bewegen können. Sozusagen an der Wurzel reifen?
