..scheint sich der Zahl der Außerirdischen zu nähern...
Nickles - Team Seti 1.753 Themen, 10.321 Beiträge
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Amenophis IV „Die Zahl der SETI-Rechner...“
Überlichtgeschwindigkeit
Allgemeines
Ob sich Materie oder Information auch überlichtschnell (superluminar) 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 Raum-Zeit-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 (v Umgekehrt ist überlichtschnelle Bewegung von Strukturen ohne Kausalzusammenhang kein Problem: Wenn man z.B. von der Erde aus mit einer starken Lampe auf dem Mond einen Lichtfleck produziert, kann man diesen Lichtfleck ohne weiteres mit Überlichtgeschwindigkeit über die Mondoberfläche jagen, indem man die Lampe nur wenig dreht. Hier besteht kein Kausalzusammenhang zwischen den einzelnen Orten des Lichtflecks zu unterschiedlichen Zeiten. Es besteht natürlich ein Zusammenhang zwischen dem Ort des Lichtflecks und der Stellung der Taschenlampe, aber hier reagiert der Lichtfleck auch erst, nachdem das Licht der gedrehten Lampe den Mond erreicht hat, was es selbstverständlich nur mit Lichtgeschwindigkeit tut.
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 insbesondere Unterlichtgeschwindigkeit.
Wie schon erwähnt kann man diese zwei Geschwindigkeiten nicht einfach addieren. Hier die Formel zur Berechnung der relativen Geschwindigkeit:
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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 das Über- oder Unterschreiten der Lichtgeschwindigkeit ist 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 jedoch Tachyonen quantenmechanisch, so stellt man fest, dass sich selbst für diese eine lokale Störung nicht überlichtschnell ausbreiten kann.
Es gibt drei Beobachtungen, die auf den ersten Blick superluminare Bewegungen zu bestätigen scheinen:
1. 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.
2. In der Universität zu Köln, und mittlerweile mehrfach durch andere überprüft, wurde nachgewiesen, dass es beim quantenmechanischen Tunneln von Photonen zu Effekten kommen kann, die von einigen Forschern als superluminare Geschwindigkeiten interpretiert werden. Die Interpretation dieser Beobachtungen ist sehr kontrovers.
3. 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.
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 zur uns).
Überlichtschnelle Effekte in der Quantentheorie
Superluminares Tunneln
In der Universität zu Köln wurde der Effekt des superluminaren Tunnelns von Mikrowellenphotonen als erstes nachgewiesen. Medienwirksam wurde ein Teil der Mozart-Sinfonie 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.
Die Interpretation dieser Messungen als Informationsausbreitung mit Überlichtgeschwindigkeit ist aber keineswegs unumstritten. 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.
Weiter ist zu beachten, dass Informationen durch Tunneln verloren gehen. Der Datenverlust steigt zudem stark exponentiell zur Strecke. Um ein vernünftiges Ausgangssignal zu bekommen muss man also mehr Information hineinstecken als tatsächlich benötigt. Dies verlangt eine längere Sendedauer, was den angeblichen Effekt der Informationsübertragung mit Überlichtgeschwindigkeit zunichte macht.
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.
Können wir damit in der Zeit zurückreisen?
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.
Überlichtgeschwindigkeit in der Kosmologie
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.
Der Warpantrieb von Miguel Alcubierre
Ebenfalls auf "Bewegung" der Raumzeit ohne lokale Überschreitung der Lichtgeschwindigkeit beruht der Warp-Antrieb von Miguel Alcubierre. Durch entsprechende Wahl der Raumzeit ist es rein rechnerisch möglich, in einem Bereich derselben Überlichtgeschwindigkeit zu erreichen, ohne lokal die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten. 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, zudem gibt es theoretische Argumente, die gegen deren Existenz sprechen.
Wurmlöcher
Ein damit verwandter Effekt ist das Durchqueren so genannter Wurmlöcher, das oft in Science-Fiction-Romanen verwendet wird. Dabei fährt ein Raumschiff zwar lokal nicht schneller als Licht. Es nimmt aber im gekrümmten Raum eine Abkürzung, so dass es im Endeffekt doch schneller als das Licht am Ziel ankommt. 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 unstabil wären, so dass nicht einmal Informationen durch sie hindurch geleitet werden könnten. Auch hier könnte man theoretisch mit exotischer Materie Abhilfe schaffen.
Hyperraum
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. Es gibt allerdings bisher keinerlei Hinweise auf eine Einbettung der Raumzeit in einen höherdimensionalen Raum.
