Überlichtgeschwindigkeit
Überlichtgeschwindigkeit übersteigt, unter der Voraussetzung, daß es sie gibt, die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit von 299.792.458 m/s. Ob sich Materie oder Information im Vakuum auch überlichtschnell, d.h. superluminar, bewegen oder ausbreiten kann, ist eine von der überwiegenden Mehrheit der Physiker verneinte, aber keineswegs abschließend geklärte Frage. Dabei kommt es prinzipiell nicht darauf an, ob sich ein Objekt überlichtschnell bewegt, sondern darauf, ob eine ursächliche 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.
Inhaltsverzeichnis
Fallbeispiele
Ein Beispiel hierfür ist ein Objekt, das an einem Ort unvermittelt verschwindet, um nach weniger als einem Jahr ein Lichtjahr entfernt wieder zu erscheinen. Ein von einem rotierenden Spiegel auf eine weit entfernte Wand projizierter Lichtpunkt kann sich dort überlichtschnell bewegen. Allerdings handelt es sich nicht um Überlichtgeschwindigkeit im oben definierten Sinn, da das Auftreffen des Lichts an verschiedenen Stellen der Wand keiner kausalen Beziehung folgt, sondern nur von uns als zusammenhängend (sich bewegender Lichtpunkt) interpretiert wird. In der klassischen Newtonschen Mechanik können Objekte beliebig beschleunigt werden. Da die Theorie dabei keine Grenzen setzt, könnte auch die Lichtgeschwindigkeit übertroffen werden. 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. Die Datenübertragung findet in diesen Geschichten fast immer ohne Zeitverzögerung statt, auch wenn die Raumschiffe Lichtjahre voneinander entfernt sind und damit jede Information nach momentanen wissenschaftlichen Erkenntnissen also mindestens diese Zeit für die Strecke vom Sender zum Empfänger benötigen würde. 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 drei und mehr als 20 Minuten.
Superluminares Tunneln
In der Universität Köln unter der Leitung von Günter Nimtz wurde der quantenmechanische Effekt des Superluminaren Tunnelns von Mikrowellen-Photonen, dem der Tunneleffekt zu Grunde liegt, als erstes nachgewiesen. Experimente vom Nimtz-Typ mit Photonen anderer Wellenlänge, insbesondere mit sichtbarem Licht, durch andere Gruppen haben stattgefunden und haben die Beobachtungen von Nimtz 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.
Tunneleffekt
Der radioaktive Alphazerfall von Atomkernen lässt sich mit Hilfe des Tunneleffekts erklären[1]: Um den Atomkern herum befindet sich ein Kraftfeld der starken Kernbindungskräfte mit nur kurzer Reichweite, in weiterer Entfernung vom Atomkern wirkt das abstoßende Kraftfeld der Coulombkraft. Das Feld der Kernbindungskräfte stellt für die Alpha-Teilchen einen Potentialwall dar, der nur mit großem Energieaufwand zu überwinden wäre. Erstaunlich ist, daß einzelne Alpha-Teilchen aus dem Kern heraus, durch diesen „Potentialberg“ der Kernbindungskräfte hindurch „tunneln“ und danach durch die Abstoßungskräfte zwischen gleichen – positiven – Ladungen stark beschleunigt werden. Eine Erklärung für diesen Typus von Effekten wird von der Quantentheorie geliefert: Die Partikel überspringen nicht den Potentialwall, sondern durchtunneln ihn. Eine Erklärung liefert die Heisenbergsche Unschärferelation, derzufolge kurzzeitige Verletzungen des Energieerhaltungssatzes möglich sind.
EPR-Effekt
Ein anderes Phänomen, bei dem Überlichtgeschwindigkeit in der Quantenmechanik eine Rolle spielen könnte, ist der EPR-Effekt, benannt nach Einstein, Podolski, Rosen: 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 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.
Überlichtgeschwindigkeit bei der Expansion der Raumzeit
Die Spektren der meisten Galaxien weisen Rotverschiebungen auf, die umso größer sind, je weiter entfernt die Galaxien sind. Die korrekte Interpretation der kosmologischen Rotverschiebung führt diese auf die Zunahme der Entfernungen in Folge der Expansion des Universums zurück. Abstandsänderungen unterliegen als globale Größen nicht diesen Beschränkungen und können beliebig groß werden. Echte Überlichtgeschwindigkeiten liegen also auch bei weit entfernten Galaxien nicht vor. Man könnte es mit der Relativgeschwindigkeit von zwei Lichtwellenfronten vergleichen, die von einer Lichtquelle in entgegengesetzte Richtungen ausgesandt werden und mit ihrer Änderungsgeschwindigkeit des Abstandes auf die zweifache Lichtgeschwindigkeit, d.h. 2c, kämen. Da es sich bei den beiden sich auseinander bewegenden Lichtstrahlen um unabhängige Ereignisse handelt, wird dieser Vorgang ebenfalls als unechte Überlichtgeschwindigkeit angesehen.
Wurmlöcher
Ein wiederholt genannter Effekt ist das Durchqueren sogenannter 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. Man könnte sich ein Kugelschicht-Aquarium vorstellen, durch dessen Mitte ein Rohr auf die andere Seite führt, so daß der Fisch nicht unbedingt den Weg außen herum, sondern auch mitten durch wählen kann.
Hyperraum
Einen vergleichbaren Effekt bewirken würde 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 (über 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.
Schiebungen von Feststoffen
Wenn man beispielsweise einen Bleistift auf der Schreibtischplatte verschiebt, so wäre dieser Vorgang mit dem Verschieben eines elastischen Materials, z.B. einer Kette von Spiralfedern, zu vergleichen, d.h. wenn der Anfang des Materials verschoben wird, dann befindet sich das Ende noch in Ruhe und es dauert eine kurze Zeit bis sich der Schiebeimpuls oder die Kraftwirkung über eine Folge von Komprimierungen und Entlastungen bis zum Ende fortgepflanzt hat. Im allgemeinen wird die Geschwindigkeit einer solchen Schiebung mit dem Wert der Schallgeschwindigkeit des Feststoffes angenommen, z.B. 5000 m/s bei Stahl. Diese Geschwindigkeit der Schiebung ist umso höher ist, je härter das Material ist, d.h. je weniger es komprimiert werden kann. Nimmt man ein millionenfach härteres Material als Stahl, nämlich Atomkerne, so wäre es logisch, daß die Geschwindigkeit mit der sich die Schiebung von einem Ende des Atomkerns zum anderen überträgt, mit Überlichtgeschwindigkeit stattfindet. Allerdings ist diese Hypothese noch nicht bestätigt worden.
Addition von Geschwindigkeiten
Wenn sich in einem Ruhesystem ein Bezugssystem bewegt, in welchem wiederum ein Objekt eine Geschwindigkeit in Bewegungsrichtung hat, so addieren sich die Geschwindigkeiten, d.h. jemand, der in einem fahrenden Zug nach vorne geht, hat von außen gesehen die Geschwindigkeitssumme des Zuges und seinem Schritttempo. Entsprechend hätte von außen betrachtet ein Schallsignal innerhalb eines Flugzeuges Überschallgeschwindigkeit. Wird dieser Gedanke auf die Verhältnisse beim Licht ausgeweitet, so hätte, von außen betrachtet, der Lichtstrahl in einer fliegenden Rakete bereits Überlichtgeschwindigkeit.
Warp-Antrieb
Unter Warp-Antrieb (engl. warp „verzerren“, „krümmen“) versteht man einen fiktiven, wegverkürzenden Raumschiffantrieb. Bei dieser Science-Fiction-Technologie handelt es sich um ein literarisches Stilmittel, das vom US-amerikanischen Science-Fiction-Autor Gene Roddenberry für seine Fernsehserie Star Trek benutzt wurde, um damit in Erzählungen die Bewältigung großer Entfernungen zu anderen Sternensystemen plausibel beschreiben zu können, ohne in Konflikte mit den Gesetzen der Relativitätstheorie zu kommen. Der Begriff ist heute in der Science Fiction allgemein bekannt, wird aber je nach Autor unterschiedlich beschrieben. Anders als im Allgemeinen angenommen, ist der Warp-Antrieb aber keinesfalls eine Erfindung Roddenberrys; Chester S. Geier beschreibt bereits 1948 in seinem Roman The Flight of the Starlight den Warp-Antrieb.
Warp-Antrieb als Stilmittel der Science-Fiction
Erzählungen, die auf Mischungen wissenschaftlicher und fantastischer Ideen basieren, sind darauf angewiesen, grobe Unstimmigkeiten mit wissenschaftlichen Erkenntnissen zu vermeiden. Dies ist bei Handlungen, die im Weltraum spielen, nur schwer möglich, da einerseits viele kosmologische Erscheinungen als Handlungsorte genutzt werden sollen, andererseits aber erdähnliche Verhältnisse herrschen müssen, um Handlungen und Sozialbeziehungen darstellen zu können, die der Leser aus dem Alltagsleben kennt. Die benötigten Handlungsorte in verschiedenen Planetensystemen, Nebeln, Galaxien usw. sind viele Lichtjahre voneinander entfernt. Die Erzählungen wären ohne die Einführung einer Antriebsart, die Reisen über (astronomisch) große Entfernungen in kurzer Zeit ermöglicht, nicht konsistent aufzubauen. Hieraus resultiert die Einführung des Warp-Antriebes als häufiges Stilmittel in der modernen Fiktion.
Funktion Warp-Antrieb
Ein funktionsfähiger Warp-Antrieb muß die Eigenschaft haben, einen bestimmten Energie-Impuls zu erzeugen, welcher das Raumzeitgebiet um ein Raumschiff herum derart verändert, daß die Entfernung zwischen Start- und Zielpunkt verringert wird. Dies bedeutet nichts anderes, als dass die Raumzeit vor dem Schiff kontrahiert und hinter ihm wieder expandiert. Da sich die Raumzeit selbst überlichtschnell ausbreiten darf, könnte ein Objekt also theoretisch in einer solchen Warp-Blase mitreisen. Die benötigte Menge und Dichte an exotischer Materie ist jedoch derzeit (2011) nicht realisierbar und selbst, wenn deren Vorhandensein möglich wäre, ließe sich ein solcher Antrieb womöglich dennoch nicht realisieren, weil das Gravitationsfeld von der Materieverteilung im Raum abhängt. Sie müsste sich nicht nur dort befinden, wo sich das Raumschiff befände, sondern auch außerhalb desselben. Weiterhin wäre es unmöglich, eine bestimmte Materieverteilung auf Knopfdruck an der richtigen Stelle erscheinen zu lassen und diese wieder zu entfernen, wollte man den Antrieb abschalten.
Warp-Antrieb in Star Trek
Um die Nutzung des Warp-Antriebs plausibel machen zu können, wurden eine spezielle Energiequelle und zusätzliche Aggregate eingeführt, deren Konstruktion erneut diverse physikalische Probleme aufwirft. Die Autoren von Star Trek entwickelten nachfolgende Ideen: Die großen Mengen an notwendiger Energie für einen Warp-Antrieb werden durch einen fiktiven Antimaterie-Reaktor erzeugt, der neben dem Antrieb auch die anderen Schiffssysteme wie Schilde und Waffen mit Energie versorgt. Hierbei reagieren (annihilieren) die Materie-Antimaterieteilchen im Warp-Kern miteinander und es entsteht Energie. Diese Energie wird über die seitlich am Raumschiff aufgehängten Warp-Gondeln (oder über den Deflektor) abgegeben, so daß ein Warp-Feld (Raum-Zeit-Blase) erzeugt wird, welches das Schiff teilweise in den sogenannten Subraum übergehen lässt. Solange das Warp-Feld aktiv ist, bewegt sich das Schiff nun mit Warp-Geschwindigkeit. Da es sich auf der Grenze zwischen dem normalen Raum und dem kompakten Subraum innerhalb seines Warp-Felds in seinem eigenen lokalen „Universum“ befindet, werden die Gesetze der Physik nach dieser Theorie nicht verletzt; innerhalb seines eigenen „Universums“ bewegt sich das Schiff nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit.
Siehe auch
Verweise
- Stürzt Einsteins Dogma?
- Literaturverzeichnis zum Tunneln
- Superluminares Tunneln
- Warpantrieb
- Berechnung der Warpgeschwindigkeit
- FAZ: Teilchen schneller als das Licht: Einsteins Relativitätstheorie bröckelt
