Ein rasantes Gerücht

Neutrino Forscher wollen Einsteins Relativitätstheorie widerlegt haben, der zufolge nichts schneller sein kann als Licht. Ein Oxford-Professor zweifelt an der Sensation

Sagt der Kellner: "Es tut mir leid, wir bedienen keine Neutrinos.“ Betritt ein Neutrino eine Bar.

Dies ist einer der vielen Tweets, die auf die Nachricht folgten, Neutrinos – gespenstische Teilchen, die viel, viel kleiner sind als Atome – könnten sich schneller bewegen als das Licht. Wenn dem so wäre, würde aus Science-Fiction wissenschaftliche Realität werden und wunderbare Paradoxien kein Ding der Unmöglichkeit mehr. Zum Beispiel könnten die Wirkungen den Ursachen vorausgehen und ein Witz auf die Pointe folgen. (Falls Sie den Witz auch nicht gleich verstanden haben sollten.)

Als Wissenschaftler bin ich allerdings im Vertrauen auf das Gesetz aufgewachsen, dass nur ein Gerücht schneller sein kann als das Licht. Und als sich am vergangenen Freitag die Nachricht ausbreitete, dass Forscher am Cern in Genf (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) offenbar überlichtschnelle Neutrinos erzeugt hätten, befand ich mich noch im Halbschlaf und war damit offenbar der letzte Beleg für dieses Gesetz.

Als ich dann wach war und die Geschichte sich noch nicht in Luft aufgelöst hatte, befiel mich zunächst die panische Angst, ich müsste mein Buch (es heißt Neutrino) komplett umschreiben, weil es von den Ereignissen scheinbar mit größter Geschwindigkeit überholt worden war. Mein einziger Trost bestand darin, dass, sollte die Neuigkeit wirklich wahr sein, diese  Überarbeitung angesichts aller damit verbundenen Veränderungen vom Verständnis des Lebens, des Universums, tatsächlich: von allem,  eine vergleichsweise nur marginale Erschütterung darstellen würde. Denn alle Physik-Lehrbücher dieser Welt wären auf einmal falsch, die Grundlagen der Wissenschaft würden zerbröckeln. Teilchen, die sich schneller bewegen können als das Licht und dabei Informationen mit sich führen können, würden alles verändern. Was also war da passiert?

Raum und Zeit als Matrix

Einsteins Relativitätstheorie war eine der großen wissenschaftlichen Revolutionen des 20. Jahrhunderts und wohl das größte theoretische Gedankengebäude des menschlichen Geistes überhaupt. Als Isaac Newton im 17. Jahrhundert seine Bewegungsgesetze aufstellte, stellte er sich Raum und Zeit als eine Art unsichtbare Matrix vor, in der wir uns bewegen, ohne sie dabei zu verändern. Es ist die Vorstellung eines Metronoms, das gleichmäßig klickt, während wir uns durch einen dauerhaft statischen dreidimensionalen Raum bewegen. Einsteins Vorstellung hingegen geht davon aus, dass Raum und Zeit miteinander verbunden sind und von unserer Bewegung abhängen: Je schneller man sich bewegt, desto langsamer altert man. Dies führt zu vielen wunderbaren Implikationen, wie beispielsweise dem Zwillingsrätsel, bei dem Tweedledum zuhause bleibt, während Tweedledee ein Jahr Auszeit nimmt, in dem er mit großer Geschwindigkeit durch die Welt reist, um hernach nicht nur erfahrener, sondern auch jünger zurückzukehren als sein Bruder.

Die Tatsache, dass Raum und Zeit elastisch und dehnbar sind und sich synchron zu unserer Bewegung in dieser Raumzeit krümmen ist zwar befremdlich, muss aber zwangsläufig wahr sein. Die Teilchenstrahlen im Cern, die nur mit einem Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit unterwegs sind, treffen nur dann rechtzeitig in ihrem Ziel ein, wenn die Feinheiten der Relativität in die Rechnung mit einbezogen werden. GPS-Satelliten können präzise Ortungen vornehmen, müssen bei der Kalkulation aber Einsteins Arithmetik mit berücksichtigen. Einige Experimente im Cern bestätigen die Vorhersagen der Relativität genauer als bis auf ein Billionstel nach dem Komma – das ist, als würde man die Breite des Atlantischen Ozeans bis auf weniger als die Stärke eines menschlichen Haares genau messen – allerdings nur, wenn man die Realtivität berücksichtigt. Wissenschaftler und überraschend viele andere von uns brauchen die Relativitätstheorie, um ihren täglichen Aufgaben nachzugehen.

Was aber hat all dies mit der Lichtgeschwindigkeit zu tun? Einsteins Gedankengebäude fußt auf der experimentellen Tatsache, dass die Geschwindigkeit des Lichtes unabhängig von unserer eigenen Bewegung ist: Es macht keinen Unterschied, ob man sich auf die Quelle zubewegt, sich von ihr entfernt, oder stehen bleibt. Die Lichtgeschwindigkeit ist universell. Das widerspricht der eigenen Intuition: Ein schnelleres Auto überholt ein langsameres langsamer als die am Fahrbahnrand stehenden Zuschauer. Ein Lichtstrahl hingegen durchläuft alles mit der gleichen Geschwindigkeit – das Publikum beim Grandprix würde dieselbe Geschwindigkeit messen wie Lewis Hamilton. Das ist zwar kontraintuitiv, aber es ist wahr und führte Einstein zu seiner Weltsicht. Und eine der grundlegenden Konsequenzen seiner Theorie besteht darin, dass die Lichtgeschwindigkeit – in einem Vakuum – die Obergrenze der in der Natur möglichen Geschwindigkeit markiert. Nichts kann sich schneller durch ein Vakuum bewegen als das Licht.

Eine Kugel durch die Nebelbank

Ich bezweifle, dass das Cern dieses Paradigma über den Haufen geworfen hat. Licht ist im Wasser, durch Glas und sogar in der Luft langsamer als im Vakuum. Das gleiche gilt für Radiowellen. Die Lichtgeschwindigkeit kann also gedrosselt werden, nicht aber erhöht: das Vakuum ist die Autobahn der Natur, wo das Licht sich mit maximaler Geschwindigkeit bewegt. Wir müssen vorsichtig sein, wenn wir danach fragen, was genau bei dem Experiment im Cern gemacht wurde oder besser, wie dies gemacht wurde.
Das Cern produziert Neutrino-Strahlen, die sich so leicht durch die Erde bewegen können wie eine Kugel durch eine Nebelbank. Ein Strahl durchdringt die Erdoberfläche in gerader Linie, wobei sich die Oberfläche zunächst nach oben von ihm weg krümmt und sich schließlich nach unten neigt, bis der Neutronino-Strahl 730 Kilometer später im Labor Gran Sasso in der Nähe von Rom wider austritt. Diese Reise dauert ungefähr fünf Hundertstel einer Sekunde.

Wäre es möglich, einen Lichtstrahl durch die Erde zu schicken, müsste dieser eigentlich zur gleichen Zeit wie das Neutrino am Ziel ankommen, wenn das Neutrino mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs ist, oder kurz vor dem Neutrino, wenn dieses sich langsamer bewegt als das Licht. Aber niemals später, denn dazu müsste das Neutrino sich schneller bewegen als das Licht. Könnten wir dieses Experiment durchführen, wäre alles klar. Das Problem besteht aber darin, dass die Erde zwar für Neutrions durchlässig ist, nicht aber für Licht.

Würden wir die Entfernung zwischen dem Cern und Rom und die Zeit, die das Neutrino für diese benötigte, genau genug kennen, ließe sich aus dem Verhältnis von Entfernung und Zeit die Geschwindigkeit berechnen. Und tatsächlich geht das Experiment so vor. Aber selbst das ist nicht ganz unkompliziert. Will man die Zeit auf Nanosekunden genau messen, muss man berücksichtigen, wie lange die elektronischen Signale brauchen, um durch den Stromkreis zu den Messgeräten und weiteren Teilen des Komplexes aus Zählern, Computerchips und den vielfältigen Pfaden der Nanowelt zu gelangen. Hat man das alles gemessen und sollte es wirklich alles sein, was es zu berücksichtigen gilt, dann kann man mit einer gewissen Messunsicherheit feststellen, wieviel Zeit verstrichen ist. Das haben die Cern-Leute getan. Sollte es aber irgendeinen unerwarteten Flaschenhals geben, der nicht entdeckt und daher auch nicht berücksichtigt wurde, könnten dem Messwert ein paar Nanosekunden fehlen.

Außerdem ist da noch die Messung der Entfernung. Diese muss für eine Strecke von 730 Kilometern auf zehn Zentimeter genau bestimmt werden, was erdvermessungstechnisch vielleicht möglich ist. Wie dies aber genau vonstatten geht, ist zumindest für mich eines der vielen Rätsel dieses Experiments. Mit Sicherheit verwendet man hierfür kein Maßband – selbst wenn man eines hätte, das bis aufs Atom genau wäre. Ein Radiosignal im selben Augenblick zu einem Satelliten zu schicken, in dem das Neutrino sich nach Rom aufmacht und dann zu vergleichen, wer von beiden als erster und mit wieviel Vorsprung ankommt, birgt Schwierigkeiten ganz eigener Art. Die Geschwindigkeit, mit der Radiowellen sich durch die Atmosphäre bewegen, wird durch magnetische Felder und andere Phänomene beeinflusst. Es ist bei weitem nicht mit einer Radiowelle zu vergleichen, die „mit Lichtgeschwindigkeit“ ein Vakuum durchquert.

Ich würde wetten, dass ein kleiner Fehler in der berechneten Entfernung oder Zeit wahrscheinlicher ist, als dass deren Verhältnis – die geschlussfolgerte Zeit – wirklich Einsteins Tempolimit übersteigt. Letztlich ist es die Natur, die die Antworten kennt und wir müssen sie mithilfe von Experimenten finden. Sollte es aber möglich sein, schneller zu reisen als mit Lichtgeschwindigkeit – in einem Vakuum – dann spielt es keine Rolle, wie viele Physiker dies bestreiten: Die Wahrheit wird sich Bahn brechen. Und wenn es so kommt? Dann muss ich mein Buch umschreiben und werde von E-Mail auf Nu-Mail (Neutrino-Mail) umsteigen – das geht schneller.

Frank Close ist Professor für Theoretische Physik an der Oxford University, emeritierter Fellow am Exeter College in Oxford und Autor des Buches Neutrino (OUP)

16:50 26.09.2011
Geschrieben von

Frank Close | The Guardian

Der Freitag ist Syndication-Partner der britischen Tageszeitung The Guardian
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