Frank Close
26.09.2011 | 16:50 19

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)

Übersetzung: Holger Hutt

Kommentare (19)

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Ehemaliger Nutzer 26.09.2011 | 19:50

Zunächst einmal:
23.09.2011 | 20:43
www.freitag.de/community/blogs/kunibert-hurtig/schneller-als-das-licht-

Auf jeden Fall hat die Redaktion das mit der Lichtgeschwindigkeit noch nicht versucht ... aber sei's drum.

Brian Greene, Columbia University New York scheint nicht so sicher zu sein, wie Frank Close ... hat vielleicht etwas damit zu tun, dass der Pontifex Maximus auch auf ewige Wahrheiten besteht. Warten wir es einmal ab.

Referenzen:
en.wikipedia.org/wiki/Frank_Close
www-thphys.physics.ox.ac.uk/people/frankclose/
en.wikipedia.org/wiki/Kelvin_Prize (1996)

Saskia-Nene 26.09.2011 | 23:45

Guten Tag,

liebe Redaktion, Ihnen ist ein massiver Denkfehler unterlaufen.
Wenn es sich herausstellen sollte, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht mehr die absolute Geschwindigkeit zur Informationsübetrtragung sein sollte, dann gäbe es eben genau ---keine--- Paradoxien, welche bewirken, dass die Wirkung vor der Ursache eintritt.
Wenn es keine Absolutgeschwindigkeit gäbe, dann wäre V in Einsteins Formeln nicht durch C gegeben, sondern eben offen. Man müsste dir jeweilige Geschwindigkeit eingeben, da es keine Naturkonstante mehr gäbe.
Eine offene und somit unbegrenzte Geschwindigkeit zur Informationsübertragung selbst von Teilchen mit Masse würde jedoch auch gleichzeitig die Urknalltheorie zum Fall bringen. Warum? Nun, weil man für eine offene Maximalgeschwindigkeit unendliche Energie und somit ein unendliches Energiesystem als Voraussetzung benötigen würde. Das Modell der Urknalltheorie beschreibt jedoch ein geschlossenes und somit energetisch begrenztes System.
Für unendliche Geschwindigkeit ist jedoch unendliche Energie die Voraussetzung, da Vund E in direktem Bezug stehen.
Zeitreisen wären durch das Erreichen von bestimmten Geschwindigkeiten überhaupt nicht mehr möglich, da bei einer offenen Geschwindigkeitsgrenze nach oben eben keine Paradoxien eintreten würden, wie Sie fälschlicherweise gehaupten. Bitte ändern Sie dies um.

Netter Gruß

Saskia-Nene

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Ehemaliger Nutzer 27.09.2011 | 15:05

Holger Hutt schrieb am 27.09.2011 um 11:50

Nun, Herr Hutt,

Diese Reise dauert ungefähr fünf Hundertstel einer Sekunde.
Das steht da in Ihrer Übersetzung des Artikels.
In der Graphik vom Guardian steht jedoch: 2,4 Millisekunden, das sind 0,0024 Sekunden. Das Hunderstel einer Sekunde sind jedoch 0,01 Sekunde, 5 Hundertstel mithin 0,05 Sekunden. Solche Übersetzungsfehler sind schon schlimm, wenn ich das mal sagen darf; vom immanenten Verständnis wollen wir ja gar nicht sprechen.
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.
Genau das, Herr Hutt, war der Ergebnis der Messung, obwohl eigentlich etwas anderes gemessen werden Sollte (Siehe Ihr Link). Die gemessenen Neutrinos (es waren etwa 15.000) waren um etwa 2*10^-9 Sekunden schneller am Ziel, als sie hätten sein dürfen. Und da den Forschern am CERN die Konsequenzen dieser Messungen durchaus klar sind, haben sie die Fachwelt um Überprüfung gebeten, denn es wäre wirklich ein fundamentaler Bruch mit der geltenden Lehre der SRT.
Einige Experimente im Cern bestätigen die Vorhersagen der Relativität genauer als bis auf ein Trillionstel nach dem Komma
Das würde bedeuten, dass am CERN bis auf 10^-18 Sek. Genau gemessen wird / wurde. Das bedeutet, dass bei der im Guardian angegebene Lichtgeschwindigkeit ein Photon gerade einmal 2,99798454*10^-10 Meter zurücklegt. Sie können selber weiter rechnen, Herr Hutt, was das bedeutet. Der Fehler, Herr Hutt, liegt darin, dass Sie die amerikanische Zahlennomenklatur übernommen haben: Milliardstel sind dort Billionstel und Billionstel eben Trillionstel. Das ist im deutschen Sprachraum – na ich sag mal – verwirrend.
Es existieren noch mehr verwirrende Darstellungen … aber da der FREITAG kein Physikjournal ist, lassen wir es einmal dabei.
Aber vielleicht sollte sich die Redaktion zukünftig doch lieber mit Leuten vom CERN unterhalten (wenn sie denn einen Termin bekommt) und nicht auf die Darstellung eines Preisträgers des Kelvin Preises von 1996: The prize is awarded each year to acknowledge outstanding contributions to the public understanding of physics
Was ich damit meine ist: Die Redaktion sollte ihre Artikel gegenlesen lassen, dann sind solche Darstellungen weitgehend ausgeschlossen.

Gruß Kuni

Holger Hutt 27.09.2011 | 17:12

Geehrter Herr Hurtig,
vielen Dank für den Hinweis auf den Übersetzungsfehler. Die richtige Übersetzung von billion und trillion ist mir durchaus geläufig. Sie gilt übrigens im Englischen allgemein, nicht nur im Amerikanischen. Ich werde das bei nächster Gelegenheit korrigieren.
Was allerdings die Aussagen von Herrn Close angeht, so kann ich auch Sie nur an ihn verweisen. Wenn im Text fünf Hundertstel steht: "his journey has taken about 1/500th of a second.
his journey has taken about 1/500th of a second", dann übersetz ich das auch. Leider ist es mir nicht gegeben, einen Text wie diesen auf die Richtigkeit seiner Aussagen hin zu überprüfen. Ich habe ehrlich gesagt auch nicht verstanden, welche Konsequenzen sich aus ihrer Detailkritik ergeben: Ist Close' Einwand, es müsse sich um einen Messfehler handeln, denn damit vom Tisch?
Dank und Gruß,
H.Hutt

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Ehemaliger Nutzer 28.09.2011 | 13:29

Holger Hutt schrieb am 27.09.2011 um 15:12

Die richtige Übersetzung von billion und trillion ist mir durchaus geläufig.
Kein Problem ... im Prinzip; aber wenn man die Größenordnungen einsetzt (10^-XY) wird es eines. ;-)
Darauf wollte ich mit meinem Zahlenspiel hinweisen: 2,99798454*10^-10, denn diese Strecke liegt weit unterhalb der Wellenlänge selbst ultravioletten Lichts; eine Wechselwirkung (also auch eine Messung) wäre nach meinem Wissen mit einer Teilwellenlänge nicht beobachtbar (wegen der Quantelung der Photonen)

Ist Close' Einwand, es müsse sich um einen Messfehler handeln, denn damit vom Tisch?

Wenn die Ergebnisse bestätigt werden: Ja; wenn es ein Messfehler ist: Dann hat er Recht, wie einige Andere auch.

Das Problem, das angesprochen wurde, liegt darin, dass das GPS - System für die Zeitmessung verwendet wurde. In SCINEXX wird allerdings darauf hingewiesen, dass sich die Physiker mit den Systemspezialisten beraten haben und einen Fehler der Größenordnung ausgeschlossen werden kann. Vielleicht können die Forscher am Fermilab auf eine andere Methode der Zeitmessung zurückgreifen ... das bleibt abzuwarten.

Da aber mehr als 15.000 Neutrinos vermessen wurden, verweisen die Experimente eher darauf, dass F. Close seine Bücher wohl korrigieren muss.

Ich darf vielleicht in diesem Zusammenhang auf die neueste Ausgabe von
Spektrum der Wissenschaft
verweisen, in dem ein hoch interessanter Artikel über Zahlensysteme steht, die als Alternative zum Dezimalsystem die so genannte Stringtheorie wesentlich vereinfachen, d.h. durchgägiger machen: Seite 54 ff.

In diesen Sinne beste Grüße vom

Kunibert

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Ehemaliger Nutzer 28.09.2011 | 13:51

Pferde schrieb am 27.09.2011 um 23:24

Genauer: Die der Erfindung immer neuer Teilchen unwissender Physiker bei Unfähigkeit zur Philosophie.
Warum immer Teilchen?

Lauter und ernergischer Einspruch! ;-)
Man spricht zwar von Teilchen, aber im Grunde sind es Energieäquvalente, die bei bestimmten Energieniveaus in die Wirklichkeit treten. Genau das wird am CERN gemacht: Es werden verschiedenste Teilchen (Elektronen, Protonen, geladene Atomkerne z.B. Bleikerne) bis auf 99,99999(usw) % der LG beschleunigt um sie dann kollidieren zu lassen. Dabei werden Ernergiedichten erreicht, wie sie kurz nach dem (logischen aber gleichwohl hypothetischen) Urknall herrschten, als sich aus der Ursuppe die Materie bildete, aus der wir letztlich alle bestehen.

Dies, liebe(r) Pferde, sind gleichwohl philosophisch hochinteressante Fragen, denn der Grund des Daseienden liegt in den Fragen verborgen, die der Physiker an die Wirklichkeit stellt. Einen Gott zu postulieren, der für das Wesen der Wirklichkeit zuständig und verantwortlich ist, haben Menschen seit Anbeginn ihrer Zeit, ihres Denkens getan. Erklärt wurde damit nichts, lediglich eine Kausalität für das Unerklärliche konstruiert, denn wie sagte Schopenhauer ...
Nihil est sine ratione cur potius sit quam non sit (Nichts ist ohne Grund warum es sei oder nicht sei)
www.textlog.de/22995.html
Das klingt zwar gut, erklärt aber nichts.

Gruß Kuni

common sense 28.09.2011 | 16:14

Soweit ich weiß, verstoßen überlichtschnelle Teilchen (sog. Tachionen) nicht gegen die Relativitätstheorie.
Sollte es aber z.B. gelingen, Teilchen auf Lichtgeschwindigkeit oder schneller zu beschleuigen, wäre für die Theorie kritisch.

Weiter ist die Relativitätstheorie gut bestätigt und wird, selbst wenn bei dem tatsächlich Versuch kein Messfehler vorliegen soll, nicht einfach umgestoßen werden. Siehe dazu:
www.scienceblogs.de/hier-wohnen-drachen/2011/09/uberlichtgeschwindigkeit-ist-einstein-gesturzt-und-die-physik-am-ende.php?utm_source=feedburner=feed=Feed%3A+ScienceBlogs%2FGlobal+%28ScienceBlogs%29

In dem Artikel ist meines Wissens nach noch ein inhaltlicher Fehler: Soweit ich weiß, wusste Einstein, als er die Relativitätstheorie aufstellte, nichts vom Michelson-Morley-Experiment bei dem die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit erstmals gemessen wurde.
Die Relativitätstheorie ist dadurch entstanden, dass Einstein die unvereinbarkeit von klassischer Mechanik und Elektrodynamik betrachtete.
Aus der Elektrodynamik folgt nächmlich bereits, dass die Lichtgeschwindigkeit eine konstante ist, was klassisch nicht ins Weltbild passte.

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Ehemaliger Nutzer 28.09.2011 | 16:40

tlacuache schrieb am 27.09.2011 um 13:41

Kunineutrino schneller als Freitag erlaubt?
Kuni hatte übermorgen vorbeigeschaut und des Gärtners Apfelbaumbogen nächstes Jahr gesehen, klare Sache ... oder?
Pontifex durch's Tequilawurmloch gestopselt?
Aber HALLO! Auf Jahrhunderte konserviert und für diese Zeit auch schweigsam, tanzen die Schafe um die Flasche und blöken fröhliche Lieder. Oder, wie James Joyce einst im Ulysses schrieb:
Der Pontifex Maximus ist genau so einer wie der Pfarrer von Bray ... und der hatte eine knallrote Knollennase
;-)

HP-2011 30.09.2011 | 02:45

"Nichts kann sich schneller durch ein Vakuum bewegen als das Licht."

Das ist lokal korrekt wenn es keine Hintergrundfelder gibt, die die Lorentzinvarianz brechen. Global können Teilchen aber in den gekrümmten Räumen der Allgemeinen Relativitätstheorie Abkürzungen nehmen und damit schneller sein als das Licht.

Wer das verstehen will muss nicht auf die neue Version von Frank's Buch warten. Mein Buch:

Die perfekte Welle - mit Neutrinos an die Grenzen von Raum und Zeit (letzten Monat im Piper-Verlag erschienen)

gibt es auf deutsch und erklärt für den Laien, wie Neutrinos mit Hilfe von Abkürzungen in extra Dimensionen schneller sein können als das Licht.

Prof. Dr. Heinrich Paes
TU Dortmund

GEBE 02.10.2011 | 23:47

Zum philosophischen Aspekt:

Egal ob Teilchen oder Energieäquivalent, Idee oder Gedanke: etwas, was sich von A nach B bewegt oder so in Bewegung gebracht wird, kann dies nur, weil B schon als Erwartung definiert ist bevor die Bewegung von A aus erfolgt. Insofern liegt das Ziel schon vor dem Weg, oder anders ausgedrückt: die Wirkung vor der Ursache. Alleine die Subjektivität des Bewegungserkenners/Bewegungsinterpretierenden macht den Unterschied und damit eine „Geschwindigkeit“ aus, je nachdem ob er A oder B als favorisierten Bezugspunkt wählt – oder sogar zwischen diesen Erkenntnis-Neigungen hat. Die größte Täuschung dabei ist die geneigte Voraussetzung einer Bewegung überhaupt! Nicht Energie bewegt sich, sondern die Erkenntnis derselben vollzieht einen Erkenntnisweg.