Mythen der Physik 1: Einsteins Maximalgeschwindigkeit ist identisch mit der Lichtgeschwindigkeit

Eines der Axiome (Grundannahme, Postulat Anm. des Übers.) von Einsteins spezieller Relativitätstheorie ist, dass die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit eine absolute Konstante c ist. Sie ist unabhängig von der Geschwindigkeit der Lichtquelle oder einem Beobachter. Der erste weitverbreitete Mythos, den ich ansprechen möchte, ist, dass c eine messbare Größe ist und dass man möglicherweise die spezielle Relativitätstheorie widerlegen kann, indem man in verschiedenen Bezugssystemen unterschiedliche Lichtgeschwindigkeiten misst. 

Gelegentlich liest man in den Medien, dass manche Wissenschaftler Phänomene beschreiben, die zeigen sollen, dass sich Einstein geirrt hat. Zuletzt hat ein Artikel vom Physiker J.D Franson von der Universität Maryland Aufsehen erregt. Sein Artikel wurde als Andeutung verstanden, dass Einsteins Axiom verletzt werde. Das ist eine Fehlinterpretation. Der Autor hat das nicht behauptet. Stattdessen behauptet er, dass Lichtstrahlen innerhalb der Sonne stärker abgebremst werden als nach Einsteins Berechnungen.  Sein Vorschlag würde eine Anomalie der Zeitverzögerungen zwischen Neutrinos und sichtbaren Licht, die bei der Supernova 1987a gemessen wurden, erklären.

Fransons Berechnungen sind so fragwürdig wie die Daten, die auf diese Anomalie hinweisen. Jedoch ist das nicht das Thema dieses Artikels. Stattdessen möchte ich die physikalische Bedeutung des Parameters c klären, der in so vielen physikalischen Formeln auftaucht, um den Mythos zu zerstören, dass eine genauere Messung der Lichtgeschwindigkeit die Relativitätstheorie widerlegen könnte.

Licht verbreitet sich nicht immer mit der Geschwindigkeit c. Im Allgemeinen verbreitet es sich in einem Medium langsamer. Und, wie Einstein zeigte, verlangsamt sich das Licht auch, wenn es die Sonne oder ein anderes starkes Gravitationsfeld passiert. Franson behauptet einigermaßen fragwürdigerweise, dass Licht wegen Quantengravitationseffekten, die Einstein nicht kannte, stärker abgebremst wird. Selbst wenn Franson recht hat, hat das keine Auswirkung auf die Axiome der Relativitätstheorie.

Nun, nach der speziellen Relativitätstheorie verbreiten sich masselose Partikel mit der Geschwindigkeit c. Photonen, die einen Lichtstrahl bilden, scheinen präzise die Masse 0 zu haben und es wird gewöhnlich angenommen, dass sie sich mit der Geschwindigkeit c ausbreiten. Wenn es sich jedoch eines Tages herausstellt, dass Photonen eine kleine, von Null verschiedene Masse haben, bewegen sie sich mit einer niedrigeren Geschwindigkeit als c, so wie jedes andere Teilchen auch, weil die Geschwindigkeit einer Masse von seiner Energie abhängt. Außerdem sagen manche vorgeschlagenen Theorien zur Quantengravitation selbst für masselose Photonen eine andere Geschwindigkeit als c voraus.

Der Punkt ist: „Lichtgeschwindigkeit“ ist eine falsche Namensgebung der Größe c. Licht breitet sich nicht immer mit dieser Geschwindigkeit aus, nicht einmal in einem Vakuum. Nach der speziellen Relativitätstheorie wird sie präziser mit „Einsteins Maximalgeschwindigkeit“ bezeichnet. Das ist die Geschwindigkeit, über die hinaus kein Partikel beschleunigt werden kann. Die Theorie erlaubt Partikel, die sich schneller als c fortbewegen, aber nicht langsamer als c werden. Diese sogenannten „Tachyonen“ wurden jedoch, obwohl sie theoretisch möglich sind, noch niemals beobachtet.

Seit mehr als einem Jahrhundert wurden tausende Experimente durchgeführt um die spezielle Relativitätstheorie detailliert zu überprüfen und bisher hat sie jedem Test widerstanden. Diese Tests beinhalteten viele Phänomene, nicht nur die Lichtgeschwindigkeit. Im Jahr 1983 wurde durch eine internationale Übereinkunft Einsteins Postulat in das operative Rahmenwerk der Physik aufgenommen, indem die Bedeutung des Raumes neu definiert wurde. Die Entfernung zwischen zwei Punkten im Raum wurde definiert als die Zeit, die ein Partikel mit Einsteins Maximalgeschwindigkeit c benötigt, um die Strecke zwischen diesen Punkten zurückzulegen.

Üblicherweise wird das erklärt als „die Zeit, die ein Lichtstrahl im Vakuum benötigt, um die Strecke zwischen den Punkten zurückzulegen“, aber wir erkennen, dass das nicht genau der Definition entspricht.

So wie die Zeit wird auch der Raum mit einer Uhr gemessen.

Früher, im Jahr 1967, wurde die Grundeinheit der Zeit, die Sekunde, neu definiert als die Dauer von 9.192.631.770 Perioden der Strahlung, die der Übergang zwischen zwei Energieniveaus eines Cäsiumatoms im Grundzustand bei einer Temperatur von 0 Kelvin hervorruft. 1983 wurde die Grundeinheit der Entfernung im Internationalen Standard der Einheiten („SI – System“, Anm. des Übers.), das Meter, festgelegt als die Entfernung, die ein Partikel, das sich mit Einsteins Maximalgeschwindigkeit c fortbewegt, in einer 1/299792458 Sekunde zurücklegt. Noch einmal: Ich habe die originale, immer noch offizielle Definition präzisiert.

Kurz zusammengefasst ist das Meter nun nicht mehr wie ursprünglich als eigenständige Größe definiert, sondern es wird mit derselben Atomuhr gemessen, die auch für die Zeitmessung herangezogen wird.  Das schreibt die grundlegende Annahme von Einsteins Modell fest, dass Zeit und Raum voneinander abhängige Teile eines vierdimensionalen Raum-Zeit-Kontinuums sind.

Das Ergebnis ist, dass der Wert der Größe c davon abhängt, welche Einheiten man für die Messung von Entfernungen und Zeit verwendet. Wenn man Zeit in Sekunden und Entfernungen in Metern misst, dann ist per Definition c= 299792458 Meter pro Sekunde. Wenn man die Zeit in Jahren und Entfernungen in Lichtjahren misst, ist c= 1 Lichtjahre pro Jahr. Und wieder ist c nicht notwendigerweise die Geschwindigkeit des Lichts oder eines anderen materiellen Substanz.

Man kann jetzt weiterhin die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum messen, wenn man will. Wenn die Messinstrumente ordentlich nach einer Atomuhr kalibriert sind, wird man jedes Mal 299 792 458 Meter pro Sekunde erhalten. Wenn das nicht der Fall ist, wird das beweisen, dass dieses Licht nicht mit der Geschwindigkeit c unterwegs ist und nicht, dass Einstein geirrt hat. Einsteins Theorie kann sich möglicherweise eines Tages als falsch erweisen, weil die Wissenschaft so funktioniert. Aber diese Tatsache wird nicht durch die Messung der Lichtgeschwindigkeit erkannt werden.

 

Übersetzt von Erwin Nüßler, Günter Dantrimont