Sternengeschichten Folge 719: Tachyonen - Schneller als das Licht

Shownotes

Sternengeschichten Folge 719: Tachyonen - Schneller als das Licht

Nichts ist schneller als das Licht. Das ist eine zentrale Erkenntnis von Albert Einsteins Relativitätstheorie und ein Grundpfeiler der modernen Physik. Das heißt aber nicht, dass niemand darüber nachdenkt, wie man diese Geschwindigkeitsbeschränkung nicht doch irgendwie umgehen kann. Ich habe in Folge 252 der Sternengeschichten schon einmal ausführlich über das Problem des Reisens mit Überlichtgeschwindigkeit gesprochen. In dieser Folge gibt es aber ein anderes Thema. Es geht nicht um Raumschiffe, mit denen wir Menschen überlichtschnell durch das Weltall reisen können. Sondern um die Frage, ob die Natur das mit dem Tempolimit der Lichtgeschwindigkeit wirklich ernst nimmt - oder ob es nicht vielleicht auch Teilchen geben könnte, die sich schneller bewegen.

Wir wissen, dass es Teilchen gibt, die sich langsamer als das Licht bewegen, nämlich quasi alle die wir kennen. Wir wissen auch, dass es Teilchen gibt, die sich exakt mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, nämlich alle die, die eine Ruhemasse von Null haben. Das sind zum Beispiel Photonen, also die quantenmechanischen Teilchen, aus denen das Licht besteht. Oder Gluonen, ebenfalls masselose Teilchen, die die Bindung zwischen den Partikeln des Atomkerns herstellen. Da ist die Sache in Wahrheit ein wenig komplizierter, aber das lasse ich jetzt am besten aus. Der Punkt ist: Wenn es Teilchen gibt, die langsamer als das Licht sind und Teilchen, die gleich schnell wie das Licht sind: Warum soll es dann keine geben, die schneller sind?

Diese Frage haben sich Leute schon gestellt, bevor Albert Einstein zu Beginn des 20. Jahrhunderts seine Relativitätstheorie entwickelt hat, aus der die Geschwindigkeitsgrenze des Lichts folgt. Auch das möchte ich hier nur kurz erklären, aber es läuft auf folgendes hinaus: Um etwas zu beschleunigen, braucht es Energie und zwar umso mehr, je mehr Masse das Ding hat, dass man beschleunigen will. Ein Spielzeugauto lässt sich sehr leicht anschieben, ein voll beladener LKW dagegen eher schwer. Das ist wenig überraschend und auch nicht neu. Aber eine der vielen überraschenden Konsequenzen von Einsteins Theorie ist der relativistische Massenzuwachs. Das soll heißen: Je schneller sich ein Objekt bewegt, desto mehr Masse hat es. Oder, ein klein wenig wissenschaftlich korrekter gesagt: Die Masse eines Objekts hängt von der Geschwindigkeit ab, die es relativ zu einem unbewegten Beobachter hat. Der Effekt ist aber durchaus real. Wenn man sich zum Beispiel an die alten Röhrenfernseher erinnert, dann haben die funktioniert, weil dort Elektronen beschleunigt und dann auf einen Leuchtschirm geworfen wurden, wo sie das Bild erzeugt haben. Damit das alles funktioniert, müssen die Elektronen durch Magnetfelder präzise abgelenkt werden. Und damit DAS funktioniert muss das Magnetfeld exakt auf die Masse der Elektronen abgestimmt werden und wenn man die relativistische Massezunahme ignoriert, dann würde der Fernseher nicht funktionieren.

Wenn jetzt aber ein Teilchen mehr Masse hat, wenn es sich schnell bewegt, braucht man auch mehr Energie als gedacht, wenn man es noch schneller machen will. Und wenn man das geschafft hat, schlägt die relativistische Massezunahme wieder zu und man braucht noch mehr Energie, um es noch weiter zu beschleunigen. Und so weiter: Irgendwann landet man an dem Punkt, wo man unendlich viel Energie benötigen würde, um ein Objekt bis zur Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen und unendlich viel Energie ist eher schwer aufzutreiben. Deswegen kann sich nichts schneller als das Licht bewegen, so Einstein. Das einzige, was sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann, sind Teilchen die gar keine Ruhemasse haben, so wie eben die Photonen.

Aber, und jetzt kommen wir zur Überlichtgeschwindigkeit, nur weil es unmöglich ist, die Barriere der Lichtgeschwindigkeit zu durchdringen, heißt das ja nicht zwingend, dass nichts schneller als Licht sein kann. Es mag zwar nicht klappen, etwas von Unterlichtgeschwindigkeit auf Überlichgeschwindigkeit zu bringen. Aber was ist mit Teilchen, die einfach IMMER schneller als das Licht sind. Sie halten sich dann quasi im übertragenen Sinn immer auf der anderen Seite der Grenze auf, während die "normalen" Teilchen immer auf der einen Seite sind. Gut, sowas kann man sich durchaus denken. Aber kriegt man sowas auch irgendwie sinnvoll physikalisch formuliert? Diese Frage haben sich Oleksa Bilaniuk, Vijay Deshpande und George Sudarshan von der Universität Rochester in den USA im Jahr 1962 gestellt und in einem kurzen Fachartikel beantwortet.

Wenn man die Materie in die drei vorhin genannten Klassen einteilt - unterlichtschnell, lichtschnell und überlichtschnell - dann kriegt man im dritten Fall ein kleines Problem. Folgt man den Gleichungen der Relativitätstheorie, dann müssen solche Teilchen eine imaginäre Ruhemasse haben. Das klingt seltsam, und ist es auch. "Imaginär" heißt in diesem Zusammenhang nicht, dass es sich um eine eingebildete Masse handelt, sondern dass man imaginäre Zahlen braucht, um die Masse zu beschreiben. Diese Zahlen hat man vor ein paar Jahrhunderten erfunden, um Gleichungen wie x² = -1 lösen zu können. Wir alle wissen noch aus der Schule, dass minus mal minus plus ergibt. Oder anders gesagt: -1 mal -1 ergibt 1 (und nicht -1). Wenn ich eine Zahl mit sich selbst multipliziere, egal ob sie positiv oder negativ ist, ist das Ergebnis immer positiv. Eine Gleichung wie x² = -1 hat also keine Lösung - es sei denn man definiert eine neue Klasse an Zahlen. Genau das hat man mit den imaginären Zahlen getan. Im Fall der überlichtschnellen Teilchen errechnet sich aus der Relativitätstheorie eine Ruhemasse, deren Quadrat negativ ist - man kann die Ruhemasse also nur mit Hilfe imaginärer Zahlen beschreiben.

Rein mathematisch ist das ok. Aber physikalisch ist das schwierig. Es gibt für die imaginären Zahlen keine Entsprechung in der Realität; im Fall der Masse ist das wie mit den negativen Zahlen. Ein Objekt kann, vereinfacht gesagt, eine Masse von 5 Kilogramm haben. Aber es gibt nichts, was -5 Kilogramm schwer ist. Und es gibt auch nichts, was eine imaginäre Zahl an Kilogramm schwer ist. Aber das ist kein wirkliches Problem, haben Bilaniuk und seine Kollegen gesagt: Die Ruhemasse haben die überlichtschnellen Teilchen sowieso nie, weil sie sich ja dauernd so schnell bewegen. Und die Energie solcher Teilchen kann dann trotzdem ganz normale Werte annehmen. Obwohl "normal" hier vielleicht auch nicht das richtige Wort ist. Solche Teilchen würden sich sehr anders verhalten, als wir es gewöhnt sind. Je mehr Energie man in sie steckt, desto langsamer werden sie nämlich. Und man bräuchte unendlich viel Energie, um sie bis auf Lichtgeschwindigkeit abzubremsen, so wie bei den normalen Teilchen, nur andersrum.

Und bevor ich jetzt noch ein paar mal "diese Teilchen" sage, verwende ich jetzt den Namen, der sich in der Wissenschaft eingebürgert hat: Tachyonen. Der Begriff stammt vom amerikanischen Physiker Gerald Feinberg, der ihn in einer Arbeit aus dem Jahr 1967 eingeführt hat. Teilchen die schneller als Licht sind, sind "Tachyonen", frei übersetzt "schnelle Teilchen". Die, die sich langsamer als Licht bewegen, heißen "Tardyonen", vom lateinischen Wort "tardus", für "langsam" und die, die sich immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, hat er "Luxonen" genannt. Und er hat sich auch die Eigenschaften der hypothetischen Tachyonen angeschaut. Das Problem ist nicht nur die Sache mit der imaginären Masse, auch die Kausalität könnte Probleme schaffen. Wir wissen ja - auch dank Einstein - dass die Zeit ebenso flexibel ist wie die Masse. Wie schnell die Zeit vergeht, hängt von der Geschwindigkeit ab, mit der man sich in Bezug auf einen anderen Beobachter bewegt. Aber es ist trotzdem immer noch so, dass jede Ursache eine Wirkung hat; die zeitliche Reihenfolge von Ereignissen ist klar definiert. Ich erspare euch jetzt die ganzen Details, aber bei Tachyonen ist es nicht mehr ganz so eindeutig. Hier hängt die zeitliche Reihenfolge vom Bezugssystem ab; Ursache und Wirkung lassen sich nicht mehr eindeutig definieren. Und das führt, wie auch schon Einstein festgestellt hatte, dass man mit Tachyonen unter anderem Nachrichten in die Vergangenheit könnte.

Aber so einfach ist es dann doch nicht. Feinberg hat sich das angesehen und festgestellt, dass man mit Tachyonen eher keine vernünftigen Signale verschicken könnte. Man könnte ein potentielles Signal aus der Zukunft nicht von zufälligen Emissionen unterscheiden. Tachyonen sind aber auch anderweitig seltsam: Man kann auch schwer beschreiben, wie viele davon irgendwo sind. Wenn zum Beispiel ein Beobachter ein Stück Weltall anschaut und darin keine Tachyonen sieht, kann ein andere Beobachter mit einem anderen Bezugssystem und anderer Geschwindigkeit darin jede Menge Tachyonen entdecken. Und apropos entdecken: Diese ganzen theoretischen Überlegungen sind spannend, aber wenn es Tachyonen geben sollte: Könnte man das nachweisen?

Im Prinzip ja. Aber erst, wenn sie schon wieder weg sind. Wenn ein Tachyon an uns vorbei fliegt, ist es schneller als sein Bild. Das ist wie beim Überschall, wo zuerst zum Beispiel das Flugzeug kommt und die Geräusche die erst verursacht, erst danach bei uns ankommen. Beim Tachyon ist es genau so, nur das wir das Ding eben erst sehen, wenn es schon vorbei ist. Dann sehen wir es dafür doppelt, einmal in die Richtung in die es fliegt und einmal in der Richtung, aus der es kommt. Bis jetzt hat man so etwas aber nicht entdeckt. Es gab zwar im Jahr 2011 tatsächlich Hinweise, dass Neutrinos sich schneller als Licht bewegt haben. Aber das hat sich am Ende doch nur als Fehler im Experimentaufbau herausgestellt.

Wenn wir uns die Sache mit den Tachyonen physikalisch nüchtern ansehen, dann steht es eher schlecht um ihre Existenz. Tachyonen müssen zwar nicht direkt dem widersprechen, was wir dank Relativitätstheorie und Quantenmechanik wissen. Man könnte sie da irgendwie einbauen - das haben Gerald Feinberg, Oleksa Bilaniuk und seine Kollegen gezeigt. Aber es gibt auch einerseits keinen Grund, von ihrer Existenz auszugehen und bis jetzt keinerlei Beobachtungen, die so etwas nahelegen. Und andererseits würde man sich mit ihnen viel Ärger einhandeln, und müsste jede Menge Paradoxa auflösen. Und wir haben bis jetzt auch nicht mal den Ansatz einer Ahnung, warum es Tachyonen geben sollte. Keine Theorie, keine Hypothese verlangt, dass solche Teilchen existieren.

Die moderne Wissenschaft beschäftigt sich trotzdem noch mit dem Thema, denn man weiß ja nie, was man für spannende Sachen rausfinden kann, auch wenn man etwas untersucht, was nicht existieren kann. Und wir wissen ja längst noch nicht alles; das Universum hat mit Sicherheit noch die eine oder andere Überraschung für uns parat.

Wo die Tachyonen dagegen immer noch und immer weiter sehr populär sind, ist die Esoterik. Aber, weil es ja die Esoterik ist, haben die Leute dort eher wenig Ahnung von Wissenschaft. Wenn dort von irgendwelchen Produkten mit "Tachyon-Energie" oder "Tachyonen-Behandlungen" die Rede ist, dann ist da immer eher irgendeine nebulöse, nicht näher definierte Art von "kosmischer Energie" gemeint. Mit Relativitätstheorie, Quantenmechanik und Mathematik beschäftigt man sich dort wenig. Da empfehle ich dann doch lieber die Science-Fiction, die sich natürlich auch mit den Tachyonen beschäftigt hat. Zum Beispiel das Buch "The Quincunx of Time", auf deutsch "Der Zeitagent" von James Blish. Das ist genau die Geschichte, die Gerald Feinberg zu seiner Arbeit mit den Tachyonen inspiriert hat. Das Buch ist 1973 erschienen; 5 Jahre nach Feinbergs Arbeit. Dafür ist aber kein Tachyonentelefon verantwortlich, dass Nachrichten in die Vergangenheit schickt (darum geht es übrigens im Buch). Aber Blish hat dieses Thema schon 1954 in einer Kurzgeschichte verarbeitet und erst in den 1970er Jahren ein Buch daraus gemacht und es war die Kurzgeschichte, die Feinberg inspiriert hat. Manchmal sind Erklärungen eben auch einfach unspektakulär…