Überlichtgeschwindigkeit
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Als Überlichtgeschwindigkeit wird jede Geschwindigkeit bezeichnet, die größer als die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit (299.792.458 m/s) ist. Die Geschwindigkeit schneller als Licht in optisch dichten Medien ist im Artikel Lichtgeschwindigkeit beschrieben.
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[Bearbeiten] Allgemeines
Ob sich Materie oder Information im Vakuum auch überlichtschnell (superluminar) bewegen bzw. ausbreiten kann, ist eine von der überwiegenden Mehrheit der Physiker verneinte, aber noch nicht abschließend geklärte Frage. Dabei kommt es prinzipiell nicht darauf an, ob sich ein Objekt überlichtschnell bewegt, sondern darauf, ob eine kausale Beziehung zwischen zwei Raumzeit-Punkten bestehen kann, die so weit räumlich bzw. so kurz zeitlich getrennt sind, dass eine Verbindung zwischen ihnen nur durch Überlichtgeschwindigkeit zu erreichen wäre. Das umfasst z.B. auch die Situation eines Objektes, das an einem Ort unvermittelt verschwindet, um nach weniger als einem Jahr ein Lichtjahr entfernt wieder zu erscheinen.
In der klassischen Newtonschen Mechanik können Objekte beliebig beschleunigt werden. Da die Theorie dabei keine Grenzen setzt, könnte auch die Lichtgeschwindigkeit übertroffen werden. Allerdings gilt die Newtonsche Mechanik nur für hinreichend kleine Geschwindigkeiten (
). Bei höheren Geschwindigkeiten treten dagegen relativistische Effekte auf, die ein Überschreiten der Lichtgeschwindigkeit verhindern.
In Science-Fiction-Büchern und -Filmen werden Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit oft als Realität dargestellt, weil sonst interstellare Reisen aus dramaturgischer Sicht viel zu lange dauern würden. Dasselbe gilt für die Kommunikation zwischen zwei Stationen oder Raumschiffen. Datenübertragung findet in diesen Geschichten fast immer ohne Zeitverzögerung statt, auch wenn die Raumschiffe Lichtjahre voneinander entfernt sind und jede Information eben mindestens so viele Jahre vom Sender zum Empfänger bräuchte. Die Fernsehbilder der Mondlandungen benötigten hingegen schon 1,3 Sekunden nur für ihren Weg zur Erde, eine Kommunikation zwischen der Erde und beispielsweise dem Mars dauert je nach Lage der beiden Planeten zueinander zwischen 3 und mehr als 20 Minuten.
Die Unterscheidung zwischen Überlichtgeschwindigkeit und Unterlichtgeschwindigkeit ist im Rahmen der Relativitätstheorie absolut: Ein Vorgang, der in einem Bezugssystem mit Überlichtgeschwindigkeit stattfindet, findet in jedem Bezugssystem mit Überlichtgeschwindigkeit statt, und dasselbe gilt auch für Unterlichtgeschwindigkeit. So kann man z.B. nicht einfach Überlichtgeschwindigkeit gegen die Erde erreichen, indem man erst eine Rakete mit 3/4 der Lichtgeschwindigkeit von der Erde abschießt, und von dieser Rakete eine relativ zu ihr wiederum mit 3/4 der Lichtgeschwindigkeit fliegende Rakete startet. Die relativistische Geschwindigkeitsaddition stellt sicher, dass die zweite Rakete relativ zur Erde nicht etwa, wie eine einfache arithmetische Addition der Geschwindigkeiten nahelegt, 1,5-fache Lichtgeschwindigkeit hat, sondern gerade mal 96 % derselben, also eindeutig Unterlichtgeschwindigkeit.
Wie schon erwähnt, kann man diese zwei Geschwindigkeiten nicht einfach addieren. Hier die Formel zur Berechnung der relativen Geschwindigkeit:
.So kommt man auf das Ergebnis von 96 % c bei den zwei Raketen mit 3/4 c.
Eine Folge ist, dass man einen Körper nicht bis auf Lichtgeschwindigkeit oder gar darüber hinaus beschleunigen kann. In der Tat besagt die Relativitätstheorie, dass eine Beschleunigung eines Körpers mit positiver Ruhemasse auf Lichtgeschwindigkeit unendlich viel Energie benötigen würde. Superluminare Geschwindigkeiten sind aber durch die Gleichungen der Relativitätstheorie nicht kategorisch ausgeschlossen, lediglich ist das Überschreiten der Lichtgeschwindigkeit für Objekte mit einer von Null verschiedenen Ruhemasse nicht möglich. Theoretisch könnte ein superluminares Teilchen existieren, das Tachyon, welches sich ausschließlich superluminar bewegt und eine imaginäre Ruhemasse hat. Es kann jedoch nicht mit Objekten unterhalb der Lichtgeschwindigkeit wechselwirken, daher können wir es weder direkt beobachten noch nachweisen, und es kann auch keine sonstigen Auswirkungen haben. Die Idee der Tachyonen mit formal „imaginärer Masse“ wurde erstmals 1960 von Ja. P. Terleckij ausgesprochen. Betrachtet man Tachyonen jedoch quantenmechanisch, so stellt man fest, dass sich selbst diese eine lokale Störung nicht überlichtschnell ausbreiten kann.
Es gibt drei Beobachtungen, die auf den ersten Blick superluminare Bewegungen zu bestätigen scheinen:
- Seit einigen Jahren werden im Universum Jets beobachtet, die sich superluminar von ihrem Ursprungsort zu entfernen scheinen. Allerdings ist dies nur ein optischer Effekt, in Wahrheit bewegen sich diese Jets mit Unterlichtgeschwindigkeit.
- In der Universität zu Köln, mittlerweile mehrfach durch andere Institutionen überprüft, wurde nachgewiesen, dass es beim quantenmechanischen Tunneln von Photonen zu Effekten kommen kann, die von einigen Forschern als superluminare Geschwindigkeiten interpretiert werden. Die Interpretationen dieser Beobachtungen werden jedoch derzeit noch kontrovers diskutiert.
- Bei einer Messung an quantenmechanisch verschränkten Teilchen scheint Information zwischen den Teilchen instantan (also ohne Zeitdifferenz) übertragen zu werden (EPR-Effekt). Es ist aber nicht möglich, diesen Effekt zur Kommunikation mit Überlichtgeschwindigkeit zu verwenden.
Materieteilchen können sich jedoch unter bestimmten Bedingungen in Materie schneller als das Licht bewegen, das heißt schneller als Photonen in der gleichen Materie, wobei die sogenannte Tscherenkow-Strahlung entsteht.
[Bearbeiten] Scheinbar überlichtschnelle Objekte in der Astronomie
Im Weltall hat man einige scheinbar superluminare Jets entdeckt, z.B. in Quasaren. Die Bewegung eines solchen Jets in unsere Richtung erklärt dies als Projektionseffekt. Der Jet in der Galaxie M87 bewegt sich z.B. mit scheinbar sechsfacher Lichtgeschwindigkeit gegen den Hintergrund (also quer zu uns).
Beispiel (links): Ein leuchtender Knoten im Jet bewege sich mit annähernder Lichtgeschwindigkeit. Im linken Beispiel bewegt er sich im 45-Grad-Winkel auf uns zu, also nach unten in Richtung Beobachter (rot). D.h. er hat nach einem Jahr 0,7 Lichtjahre vor dem Himmelshintergrund und 0,7 Lichtjahre in unsere Richtung zurückgelegt. Das Licht, das der Knoten am Anfang des Jahres aussendet, ist uns um ein Lichtjahr näher gekommen (blaue Linie). Das Licht, das der Knoten am Ende aussendet, startet um 0,7 Lichtjahre näher an der Erde als das zu Beginn des Jahres. Wir messen das Licht aus Punkt zwei also nur 0,3 Jahre nach dem Licht aus Punkt eins (Unterschied beider violetter Linien auf der Hochachse). Gegen den Himmelshintergrund hat der Knoten aber 0,7 Lichtjahre zurückgelegt. Er bewegt sich also scheinbar mit mehr als zweifacher Lichtgeschwindigkeit.
Beispiel (rechts): Hier bewegt der Knoten sich im 60-Grad-Winkel auf uns zu. Die Argumentation bleibt dieselbe, aber die Zahlen ändern sich: Der Jet hat nun zwischen zwei im Zeitraum von 0,15 Jahren gemessenen Positionen 0,5 Lichtjahre vor dem Himmelshintergrund zurückgelegt, also scheinbar mehr als dreifache Lichtgeschwindigkeit.
Je genauer der Jet sich auf uns zubewegt, um so höher sind die scheinbaren Quergeschwindigkeiten. Es ist nicht notwendig, in dieser Argumentation relativistische Effekte zu bemühen. In radialer Richtung, also auf uns zu oder von uns weg, werden keine Überlichtgeschwindigkeiten beobachtet, da Radialgeschwindigkeiten mit dem Dopplereffekt bestimmt werden, der natürlich nicht solchen Projektionseffekten unterliegt. Würde die Geschwindigkeit jedoch aus der Änderung der Entfernung bestimmt (z.B. durch Parallaxe), so könnte man auch in Radialrichtung solche scheinbaren Überlichtgeschwindigkeiten beobachten.
[Bearbeiten] Überlichtschnelle Effekte in der Quantentheorie
[Bearbeiten] Superluminares Tunneln
In der Universität zu Köln unter der Leitung von Günter Nimtz wurde der Effekt des superluminaren Tunnelns von Mikrowellenphotonen als erstes nachgewiesen.[1]
Medienwirksam wurde dort mit frequenzmodulierten Mikrowellen ein Teil einer Mozart-Sinfonie, mit einer gemessenen 4,7fachen Lichtgeschwindigkeit, übertragen. Das Experiment wurde durch andere Gruppen (u.a. Steinberg und Chiao von der Universität Berkeley) nachgeprüft und bestätigt. Experimente mit Photonen anderer Wellenlänge, insbesondere mit sichtbarem Licht, haben stattgefunden und die Beobachtungen wurden auch hier bestätigt. In allen Experimenten wird festgestellt, dass sich eine superluminare Geschwindigkeit dann einstellt, wenn sich zwischen der Quelle und dem Detektor eine Barriere befindet, welche die Photonen erst überwinden (durchtunneln) müssen.
Diese Experimente stehen in völliger Übereinstimmung mit einem der Axiome der Relativitätstheorie, nach der keine Informationsausbreitung mit Überlichtgeschwindigkeit stattfindet. So kann man z.B. zeigen, dass ein Wellenzug beim Tunneln stärker im hinteren Teil gedämpft wird als im vorderen, so dass sich sein Intensitätsmaximum nach vorne verlagert. Definiert man die Lage des Maximums als Position des Wellenzuges, so kann man eine Überlichtgeschwindigkeit errechnen, ohne dass irgendein Teil des Wellenzuges mit Überlichtgeschwindigkeit vorangeschritten wäre.
Bei Tunnelexperimenten mit einzelnen Photonen wurde bereits überlichtschnelles Tunneln nachgewiesen, siehe zum Beispiel Experimente der Chiao-Gruppe.[2] Da beim Tunneln jedoch ein großer Teil der tunnelnden Photonen und damit der Information verloren geht, ist auch hier die Möglichkeit einer überlichtschnellen Informationsübertragung umstritten, siehe auch diese Bibliographie.[3]
Von anderen Physikern, zum Beispiel im Überblicksartikel von Privitera et al.[4], wird darauf hingewiesen, dass die Superluminalität des Geschehens ein Artefakt der verwendeten Definition von Geschwindigkeit ist. Auch Hendrik van Hees argumentiert im Quantenmechanikteil der de.sci.physik-FAQ in diese Richtung.[5]
[Bearbeiten] EPR-Effekt
Ein anderes Phänomen, bei dem Überlichtgeschwindigkeit in der Quantenmechanik eine Rolle spielen könnte, ist der EPR-Effekt: Hat man zwei verschränkte Teilchen an verschiedenen Orten, so sagt die Quantenmechanik voraus, dass einerseits vor der Messung der Zustand jedes einzelnen der Teilchen unbestimmt ist (der Wert der Messgröße also nicht feststeht), andererseits nach Messung des einen Teilchens auch sofort der Zustand des anderen Teilchens festgelegt ist. Diese von Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ zurückgewiesene Eigenschaft der Quantenmechanik ist experimentell bestätigt. Allerdings lässt sich der EPR-Effekt nicht nutzen, um damit überlichtschnell zu kommunizieren, da die einzelnen Messergebnisse für sich genommen jeweils zufällig sind. Erst beim Vergleich der Messergebnisse an beiden Teilchen kann die Korrelation festgestellt werden. Dazu ist aber erst eine „klassische“, unterlichtschnelle Informationsübertragung notwendig. Beispielsweise beruht die Quantenteleportation auf dieser Kombination aus EPR-Effekt und anschließender klassisch übertragener Information.
Ob beim EPR-Effekt überhaupt Information übertragen wird, ist umstritten und hängt sehr von der Interpretation der Quantenmechanik und des Informationsbegriffs ab. Eine Interpretation besagt, dass die Teilchen zusätzliche Information in verborgenen Variablen, d.h. nicht messbaren Eigenschaften, die die Korrelation steuern, mitführen. Man kann jedoch zeigen, dass die Messergebnisse dann gewissen statistischen Regeln, den Bellschen Ungleichungen, gehorchen müssten. Eine Verletzung dieser Ungleichungen wurde experimentell (wenn auch noch nicht zweifelsfrei) bestätigt. Andere Erklärungsversuche ziehen auch zeitumgekehrte Kausalbeziehungen für quantenmechanische Systeme in Betracht.
[Bearbeiten] Zeitreisen
Nach der heute weit verbreiteten Einsteinschen Interpretation der speziellen Relativitätstheorie würde Überlichtgeschwindigkeit Zeitreisen oder zumindest das Versenden von Nachrichten in die Vergangenheit ermöglichen. Der Zusammenhang zwischen Überlichtgeschwindigkeit und Zeitreise lässt sich aus den Eigenschaften der Lorentz-Transformation im Minkowski-Diagramm ableiten.
Da die spezielle Relativitätstheorie in Experimenten ausgezeichnet bestätigt ist, muss zumindest der mathematische Formalismus von Einsteins Arbeit akzeptiert werden. Dennoch sind, wie Hendrik Antoon Lorentz zeigte, auch andere Interpretationen möglich. Die Lorentzianische Interpretation der speziellen Relativitätstheorie macht z. B. für alle messbaren Größen die gleichen Voraussagen wie Einstein. Lorentz setzt aber einen absoluten Raum voraus, in dem die Lichtgeschwindigkeit konstant c ist. Mit Einsteins Formeln kann man die Geschehnisse in einem beliebigen Inertialsystem S auf ein beliebiges anderes umrechnen.
Nach Einstein sind alle Inertialsysteme gleichberechtigt, weil wir experimentell keinen Unterschied messen können. Lorentz dagegen stellt fest, dass ein Ruhesystem, also ein absoluter Raum existieren kann, auch wenn wir diesen nicht messen können. So wie Einstein von einem Inertialsystem auf ein anderes umrechnet, rechnet Lorentz vom Ruhesystem auf ein beliebiges anderes System um. Alle Zeit- und Längenmessungen, die von denen im Ruhesystem abweichen, werden als Raum- oder Zeitdilatation erklärt. Dies führt zwar zu komplizierteren Rechnungen, aber letztlich zur gleichen Physik. Dieser liegt aber eine andere Philosophie zugrunde, was z. B. bei der Erklärung des EPR-Experiments eine Rolle spielen könnte. In der Lorentzianischen Interpretation ist Überlichtgeschwindigkeit theoretisch erlaubt, wobei Zeitreisen nur in bewegten Systemen und nur bei gleichzeitiger räumlicher Verschiebung gegen die Bewegungsrichtung möglich sind.
[Bearbeiten] Überlichtgeschwindigkeit in der Kosmologie
[Bearbeiten] Überlichtgeschwindigkeit bei der Expansion des Raumes
Wie geschildert, ist die Lichtgeschwindigkeit in Einsteins spezieller Relativitätstheorie eine obere Grenze: Relativ zu einem Inertialsystem kann sich nichts schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Diese Aussage kann nicht ohne weiteres auf das Universum als Ganzes übertragen werden, das mit der allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben wird. Denn nach heutiger Auffassung kann die Lichtgeschwindigkeit lokal zwar nicht überschritten werden. Nach der allgemeinen Relativitätstheorie dehnt sich aber das Universum, also der Raum selbst, aus. Dies führt zu einer zusätzlichen Vergrößerung der Entfernungen.
Anschaulich stellt man sich eine Ameise vor, die auf einer Ballonoberfläche von A nach B läuft, während der Ballon aufgeblasen wird. Obwohl die Ameise mit Höchstgeschwindigkeit in Richtung B läuft, kann es sein, dass sie sich zunächst von B entfernt, weil sie mit der sich ausdehnenden Ballonoberfläche mitgetragen wird. Der Punkt B entfernt sich in diesem Beispiel schneller von A weg, als die Ameise rennen kann. Sehr ähnlich können ferne Galaxien in gewissem Sinne mit Überlichtgeschwindigkeit von uns weggetragen werden, obwohl sie sich lokal nur weniger schnell als Licht bewegen können. Dass sich das Universum ausdehnt, ist durch Analyse der kosmologischen Rotverschiebung sehr gut belegt.
[Bearbeiten] Der Warpantrieb von Miguel Alcubierre
Ebenfalls auf „Bewegung“ der Raumzeit ohne lokale Überschreitung der Lichtgeschwindigkeit beruht der hypothetische Warpantrieb von Miguel Alcubierre.[6]
Dabei wird die Raumzeitmetrik so gewählt, dass der Raum hinter dem Raumfahrzeug expandiert und vor ihm komprimiert wird. Das Raumstück, das das Raumfahrzeug enthält, wird vom expandierenden Raum verdrängt und von dem komprimierten Bereich „angesaugt“. Da diese Bereiche kontinuierlich mitbewegt werden, kann das Raumstück mit dem Raumfahrzeug weiter beschleunigt werden und so rein rechnerisch auch Überlichtgeschwindigkeit erreichen. Die Blase mit dem Raumfahrzeug bewegt sich also quasi wie ein Surfer, der beständig den Hang einer sich hinter ihm herbewegenden Welle in das Wellental herabrutscht. Da sich aber das Raumfahrzeug relativ zu dem es umgebenden Raum nicht bewegt, verletzt es dabei die von der Relativitätstheorie formulierte Geschwindigkeitsbegrenzung nicht. Allerdings bräuchte man zur Herstellung einer solchen Metrik Materie mit negativer Energiedichte, so genannte exotische Materie. Für die Existenz solcher Materie gibt es bisher keinen Hinweis. Es gibt jedoch theoretische Argumente, die gegen deren Existenz sprechen.
Die Theorie von Alcubierre, die den Fehler hatte, dass sie selbst von der exotischen Materie mehr Masse benötigte, als das Universum (an positiver Masse) besaß, wurde 1999 von Chris van den Broeck verbessert[7], der in die Alcubierresche Metrik („Warpblase“) zwei weitere Blasen einschloss. Seine Rechnungen zeigten, dass der Bedarf an exotischer Materie dadurch zwar nicht aufgehoben, aber zumindest auf ein paar Sonnenmassen reduziert werden kann. Die äußere Blase, die eigentliche Alcubierre-Warpblase, wird zwar von ihm als sehr klein (R = 3 · 10-15m) angesetzt. Die innerste „Tasche“ besitzt aber dagegen eine Oberfläche, die einer Blase von 200 m Durchmesser entspricht. Diese scheinbare Diskrepanz wird durch die vierdimensionale Geometrie ermöglicht. Alcubierre und Broeck gingen von einer vorher ungekrümmten Raumzeit aus. Ist die Raumzeit aber schon gekrümmt, so genügen 10 kg exotischer Materie um eine Warpblase zu erzeugen, ergaben Berechnungen von Sergei Krasnikov.
[Bearbeiten] Wurmlöcher
Ein damit verwandter Effekt ist das Durchqueren so genannter Wurmlöcher, das oft in Science-Fiction-Romanen verwendet wird. Dabei bewegt sich ein Raumschiff lokal zwar nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit. Es nimmt aber im gekrümmten Raum eine Abkürzung, so dass es am Ende doch schneller als das Licht am Ziel ankommt. Als weitere Vorstellung ist der Weg über ein gefaltetes Blatt Papier denkbar. Statt auf dem Papier zu bleiben, kann ein Reisender auch einfach ein Loch ins Papier bohren und damit die darangefaltete andere Seite erreichen. Mit dieser Technik wären auch Zeitmaschinen denkbar. Solche Wurmlöcher können zwar in der Relativitätstheorie theoretisch konstruiert werden. Es scheint aber, dass sie in der Praxis sehr instabil wären, so dass nicht einmal Informationen durch sie hindurch geleitet werden könnten. Auch hier könnte man theoretisch mit exotischer Materie Abhilfe schaffen.
[Bearbeiten] Hyperraum / Subraum
Einen vergleichbaren Effekt gäbe die ebenfalls in der Science-Fiction gerne verwendete Vorstellung einer Abkürzung durch einen Hyperraum, in den unsere Raumzeit eingebettet sein könnte. Die Idee ist dabei folgende: Um den Weg vom Nordpol zum Südpol abzukürzen, reise man quer durch die Erde anstatt entlang der Oberfläche. Der Weg durch die Erde (in die dritte Dimension) ist kürzer als der Weg auf der (zweidimensionalen) Erdoberfläche. Genauso könnte man sich vorstellen, dass unsere Raumzeit auch in einen höherdimensionalen Hyperraum eingebettet ist (wie die Erdoberfläche in den Raum), und man daher durch den Hyperraum abkürzen könnte. Auch hier würde man (im Hyperraum) nicht schneller als Lichtgeschwindigkeit fliegen müssen, um schneller als das Licht im Normalraum am Ziel anzukommen. In der M-Theorie herrscht die Vorstellung, dass das uns bekannte Universum die Form einer mehrdimensionalen Membran besitzt und in einen noch höherdimensionalen Raum eingebettet ist. Es gibt allerdings bisher keinerlei Beweise auf eine Einbettung der Raumzeit in einen höherdimensionalen Raum, oder die Möglichkeit „dorthin“ zu gelangen.
[Bearbeiten] Quellen
- ↑ „Stürzt Einsteins Dogma?” – wissenschaft.de-Artikel, vom 01.08.1997, mit einer Beschreibung der Experimente von Günter Nimtz
- ↑ Research in the Chiao Group (englisch) – Papers der Chiao-Gruppe
- ↑ Unvollständiges kommentiertes Literaturverzeichnis zum Thema „Überlichtgeschwindigkeit durch Tunneln“ (Stand 2001)
- ↑ Quantum Physics, abstract quant-ph/0412146 (englisch) – Tunnelling times: An elementary introduction von G. Privitera, G. Salesi, V.S. Olkhovsky, E. Recami; veröffentlicht in: Rivista del Nuovo Cimento vol.26, n.4 (2003)
- ↑ Superluminales Tunneln – Argumente gegen eine Interpretation des Tunneleffektes als überlichtschnelle Informationsausbreitung (Stand: 23. Juni 1999)
- ↑ The Warp Drive: Hyper-Fast – Travel Within General Relativity (englisch) – Der Warpantrieb von Miguel Alcubierre (Original-Artikel)
- ↑ A ‘warp drive’ with more reasonable total energy requirements (englisch, PDF) – Der verbesserte Warpantrieb, nach Chris van den Broeck (Original-Artikel)
[Bearbeiten] Literatur
- Kirk T. McDonald: Radiation from a superluminal Source. Princeton University, Princeton. NJ 08544, 26. November 1986
- Ernst Udo Wallenborn: Was ist das Nimtz-Experiment? theorie.gsi.de 23. Juni 1999
- Rüdiger Vaas: Tunnel durch Raum und Zeit, Franckh-Kosmos, Stuttgart 2006 (2. Aufl.), ISBN 3440093603
[Bearbeiten] Weblinks
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Wiktionary: Überlichtgeschwindigkeit – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme und Übersetzungen |
[Bearbeiten] Videos
Aus der Fernsehsendung Alpha Centauri:
