Studium, Ausbildung und Beruf

web uni-protokolle.de
 powered by
NachrichtenLexikonProtokolleBücherForenSamstag, 21. September 2019 

Überlichtgeschwindigkeit


Dieser Artikel von Wikipedia ist u.U. veraltet. Die neue Version gibt es hier.
Als Überlichtgeschwindigkeit wird jede Geschwindigkeit bezeichnet die größer die Vakuum- Lichtgeschwindigkeit ist.

Inhaltsverzeichnis

Allgemeines

Ob sich Materie oder Information auch überlichtschnell ( superluminar ) ausbreiten kann ist eine von der Mehrheit der Physiker verneinte aber noch nicht geklärte Frage. Dabei kommt es prinzipiell nicht an ob sich ein Objekt überlichtschnell bewegt darauf ob eine kausale Beziehung zwischen zwei bestehen kann die so weit räumlich bzw. kurz zeitlich getrennt sind dass eine Verbindung ihnen nur durch Überlichtgeschwindigkeit zu erreichen wäre. umfasst z.B. auch die Situation eines Objektes an einem Ort unvermittelt verschwindet um nach als einem Jahr ein Lichtjahr entfernt wieder erscheinen.

Umgekehrt ist überlichtschnelle Bewegung von Strukturen Kausalzusammenhang kein Problem: Wenn man z.B. von Erde aus mit einer starken Lampe auf Mond einen Lichtfleck produziert kann man diesen ohne weiteres mit Überlichtgeschwindigkeit über die Mondoberfläche indem man die Lampe nur wenig dreht. besteht kein Kausalzusammenhang zwischen den einzelnen Orten Lichtflecks zu unterschiedlichen Zeiten. Es besteht natürlich Zusammenhang zwischen dem Ort des Lichtflecks und Stellung der Taschenlampe aber hier reagiert der auch erst nachdem das Licht der gedrehten den Mond erreicht hat was es selbstverständlich mit Lichtgeschwindigkeit tut.

In Science-Fiction -Büchern und -Filmen werden Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit als Realität dargestellt weil sonst interstellare Reisen zu lange dauern würden.

Die Unterscheidung zwischen Überlichtgeschwindigkeit und Unterlichtgeschwindigkeit im Rahmen der Relativitätstheorie absolut: Ein Vorgang der in einem Bezugssystem mit Überlichtgeschwindigkeit stattfindet findet in jedem mit Überlichtgeschwindigkeit statt und dasselbe gilt auch Unterlichtgeschwindigkeit. So kann man z.B. nicht einfach gegen die Erde erreichen indem man erst Rakete mit 3/4 der Lichtgeschwindigkeit von der abschießt und von dieser Rakete eine relativ ihr wiederum mit 3/4 der Lichtgeschwindigkeit fliegende startet. Die relativistische Geschwindigkeitsaddition stellt sicher dass zweite Rakete relativ zur Erde nicht etwa eine einfache arithmetische Addition der Geschwindigkeiten nahelegt 5-fache Lichtgeschwindigkeit hat sondern gerade mal 96% also insbesondere Unterlichtgeschwindigkeit.

Wie schon erwähnt kann man diese Geschwindigkeiten nicht einfach addieren. Hier die Formel Berechnung der relativen Geschwindigkeit:

<math>v_{ges}=\frac{v_1+v_2}{1+ \frac{v_1 \cdot v_2}{c^2}}</math>.

So kommt man auf das Ergebnis 96% c bei den zwei Raketen mit c.

Eine Folge ist dass man einen nicht bis auf Lichtgeschwindigkeit oder gar darüber beschleunigen kann. In der Tat besagt die dass eine Beschleunigung eines Körpers mit positiver Ruhemasse auf Lichtgeschwindigkeit unendlich viel Energie benötigen Superluminare Geschwindigkeiten sind aber durch die Gleichungen Relativitätstheorie nicht kategorisch ausgeschlossen lediglich das Über- Unterschreiten der Lichtgeschwindigkeit ist für Objekte mit von null verschiedenen Ruhemasse nicht möglich. Theoretisch ein superluminares Teilchen existieren das Tachyon welches sich ausschließlich superluminar bewegt und imaginäre Ruhemasse hat. Es kann jedoch nicht Objekten unterhalb der Lichtgeschwindigkeit wechselwirken daher können es weder direkt beobachten noch nachweisen und kann auch keine sonstigen Auswirkungen haben. Die der Tachyonen mit formal imaginärer Masse wurde 1960 von Ja. P. Terleckij ausgesprochen. Betrachtet jedoch Tachyonen quantenmechanisch so stellt man fest sich selbst für diese eine lokale Störung überlichtschnell ausbreiten kann.

Es gibt drei Beobachtungen die auf ersten Blick superluminare Bewegungen zu bestätigen scheinen:

  1. Seit einigen Jahren werden im Universum Jets beobachtet die sich superluminar von ihrem zu entfernen scheinen. Allerdings ist dies nur optischer Effekt in Wahrheit bewegen sich diese mit Unterlichtgeschwindigkeit.
  2. In der Universität zu Köln und mittlerweile mehrfach durch andere überprüft nachgewiesen dass es beim quantenmechanischen Tunneln von Photonen zu Effekten kommen kann die von Forschern als superluminare Geschwindigkeiten interpretiert werden. Die dieser Beobachtungen ist sehr kontrovers.
  3. Bei einer Messung an quantenmechanisch verschränkten Teilchen Information zwischen den Teilchen instantan (also ohne Zeitdifferenz) übertragen zu werden EPR-Effekt ). Es ist aber nicht möglich diesen zur Kommunikation mit Überlichtgeschwindigkeit zu verwenden.

Scheinbar überlichtschnelle Objekte in der Astronomie

Im Weltall hat man einige scheinbar superluminare Jets z.B. in Quasaren . Die Bewegung eines solchen Jets in Richtung erklärt dies als Projektionseffekt. Der Jet der Galaxie M87 bewegt sich z.B. mit scheinbar Lichtgeschwindigkeit gegen den Hintergrund (also quer zur


Erklärung scheinbarer Überlichtgeschwindigkeit durch Projektionseffekte

Beispiel (links) : Ein leuchtender Knoten im Jet bewege mit annähernder Lichtgeschwindigkeit. Im linken Beispiel bewegt sich im 45 Grad Winkel auf uns zu nach unten in Richtung Beobachter (rot). D.h. hat nach einem Jahr 0.7 Lichtjahre vor Himmelshintergrund und 0.7 Lichtjahre in unsere Richtung Das Licht das der Knoten am Anfang Jahres aussendet ist uns um ein Lichtjahr (blaue Linie). Das Licht das der Knoten Ende aussendet startet um 0.7 Lichtjahre näher der Erde als das zu Beginn des Wir messen das Licht aus Punkt zwei also 0.3 Jahre nach dem Licht aus Punkt (Unterschied beider violetter Linien auf der Hochachse). den Himmelshintergrund hat der Knoten aber 0.7 zurückgelegt. Er bewegt sich also scheinbar mit mehr als zweifacher Lichtgeschwindigkeit.

Beispiel (rechts) : Hier bewegt der Knoten sich im Winkel auf uns zu. Die Argumentation bleibt aber die Zahlen ändern sich: Der Jet nun zwischen zwei im Zeitraum von 0.15 gemessenen Positionen 0.5 Lichtjahre vor dem Himmelshintergrund also scheinbar mehr als dreifache Lichtgeschwindigkeit.

Je genauer der Jet sich auf zubewegt um so höher sind die scheinbaren Es ist nicht notwendig in dieser Argumentation Effekte zu bemühen. In radialer Richtung also uns zu oder von uns weg werden Überlichgeschwindigkeiten beobachtet da Radialgeschwindigkeiten mit dem Doppler-Effekt werden der natürlich nicht solchen Projektionseffekten unterliegt. die Geschwindigkeit jedoch aus der Änderung der bestimmt (z.B. durch Parallaxe ) so könnte man auch in Radialrichtung scheinbaren Überlichtgeschwindigkeiten beobachten.

Überlichtschnelle Effekte in der Quantentheorie

Superluminares Tunneln

In der Universität zu Köln wurde der Effekt des superluminaren Tunnelns Mikrowellenphotonen als erstes nachgewiesen und ist mittlerweile andere Gruppen nachgeprüft und bestätigt. Experimente mit anderer Wellenlänge insbesondere mit sichtbarem Licht haben und die Beobachtungen wurden auch hier bestätigt. allen Experimenten wird festgestellt dass sich eine Geschwindigkeit dann einstellt wenn sich zwischen der und dem Detektor eine Barriere befindet welche die Photonen überwinden (durchtunneln) müssen.

Die Interpretation dieser Messungen als Informationsausbreitung Überlichtgeschwindigkeit ist aber keineswegs unumstritten. So kann z.B. zeigen dass ein Wellenzug beim Tunneln im hinteren Teil gedämpft wird als im so dass sich sein Intensitätsmaximum nach vorne Definiert man die Lage des Maximums als des Wellenzuges so kann man eine Überlichtgeschwindigkeit ohne dass irgendein Teil des Wellenzuges mit vorangeschritten wäre.

Jüngste Experimente an der Universität Berkeley inzwischen nachgewiesen dass ein „Tunneln“ von Hindernissen einer Geschwindigkeit von bis zu 500.000 km Sekunde also schneller als die Lichtgeschwindigkeit möglich Es ist deutschen Wissenschaftlern sogar vor kurzem gelungen eine Informationsstruktur (ein Musikstück von Mozart) tunneln. Hinter dem undurchdringlichlichen Hindernis ließ sich und verrauscht diese Mozart-Melodie vernehmen. Dieses Experiment jedoch von verschiedener Seite als nicht korrekt

EPR-Effekt

Ein anderes Phänomen bei dem Überlichtgeschwindigkeit der Quantenmechanik eine Rolle spielen könnte ist EPR-Effekt : Hat man zwei verschränkte Teilchen an verschiedenen Orten so sagt Quantenmechanik voraus dass einerseits vor der Messung Zustand jedes einzelnen der Teilchen unbestimmt ist Wert der Messgröße also nicht feststeht) andererseits Messung des einen Teilchens auch sofort der Zustand des anderen Teilchens festgelegt ist. Diese von Einstein "spukhafte Fernwirkung " bezeichnete Eigenschaft der Quantenmechanik ist experimentell Allerdings lässt sich der EPR-Effekt nicht nutzen damit überlichtschnell zu kommunizieren da die einzelnen für sich genommen jeweils zufällig sind. Erst Vergleich der Messergebnisse an beiden Teilchen kann Korrelation festgestellt werden. Dazu ist aber erst "klassische" unterlichtschnelle Informationsübertragung notwendig. Beispielsweise beruht die Quantenteleportation auf dieser Kombination aus EPR-Effekt und klassisch übertragener Information .

Ob beim EPR-Effekt überhaupt Information übertragen ist umstritten und hängt sehr von der der Quantenmechanik und des Informationsbegriffs ab. Eine Interpretation besagt dass die zusätzliche Information in verborgenen Variablen d.h. nicht Eigenschaften die die Korrelation steuern mitführen. Man jedoch zeigen dass die Messergebnisse dann gewissen Regeln den Bell'schen Ungleichungen gehorchen müssten. Eine dieser Ungleichungen wurde experimentell (wenn auch noch zweifelsfrei) bestätigt. Andere Erklärungsversuche ziehen auch zeitumgekehrte für quantenmechanische Systeme in Betracht.

Können wir damit in der Zeit

Nach der heute weit verbreiteten Einsteinschen der speziellen Relativitätstheorie würde Überlichtgeschwindigkeit Zeitreisen oder zumindest das Versenden von Nachrichten die Vergangenheit ermöglichen. Der Zusammenhang zwischen Überlichtgeschwindigkeit Zeitreise lässt sich aus den Eigenschaften der Lorentz-Transformation im Minkowski-Diagramm ableiten.

Da die spezielle Relativitätstheorie in Experimenten bestätigt ist muss zumindest der mathematische Formalismus Einsteins Arbeit akzeptiert werden. Dennoch sind wie Hendrik Antoon Lorentz zeigte auch andere Interpretationen möglich. Die Interpretation der speziellen Relativitätstheorie macht z. B. alle messbaren Größen die gleichen Voraussagen wie Lorentz setzt aber einen absoluten Raum voraus dem die Lichtgeschwindigkeit konstant c ist. Mit Formeln kann man die Geschehnisse in einem Inertialsystem S auf ein beliebiges anderes umrechnen.

Nach Einstein sind alle Inertialsysteme gleichberechtigt wir experimentell keinen Unterschied messen können. Lorentz stellt fest dass ein Ruhesystem also ein Raum existieren kann auch wenn wir diesen messen können. So wie Einstein von einem auf ein anderes umrechnet rechnet Lorentz vom auf ein beliebiges anderes System um. Alle und Längenmessungen die von denen im Ruhesystem werden als Raum- oder Zeitdilatation erklärt. Dies führt zwar zu komplizierteren aber letztlich zur gleichen Physik. Dieser liegt eine andere Philosophie zugrunde was z. B. der Erklärung des EPR-Experiments eine Rolle spielen In der Lorentzianischen Interpretation ist Überlichtgeschwindigkeit theoretisch wobei Zeitreisen nur in bewegten Systemen und bei gleichzeitiger räumlicher Verschiebung gegen die Bewegungsrichtung sind.

Überlichtgeschwindigkeit in der Kosmologie

Überlichtgeschwindigkeit bei der Expansion des Raumes

Wie geschildert ist die Lichtgeschwindigkeit in spezieller Relativitätstheorie eine obere Grenze: Relativ zu einem Inertialsystem kann sich nichts schneller als mit bewegen. Diese Aussage kann nicht ohne weiteres das Universum als Ganzes übertragen werden das mit allgemeinen Relativitätstheorie beschrieben wird. Denn nach heutiger kann die Lichtgeschwindigkeit lokal zwar nicht überschritten werden. Nach der Relativitätstheorie dehnt sich aber das Universum also Raum selbst aus. Dies führt zu einer Vergrößerung der Entfernungen.

Anschaulich stellt man sich eine Ameise die auf einer Ballonoberfläche von A nach läuft während der Ballon aufgeblasen wird. Obwohl Ameise mit Höchstgeschwindigkeit in Richtung B läuft es sein dass sie sich zunächst von entfernt weil sie mit der sich ausdehnenden mitgetragen wird. Der Punkt B entfernt sich diesem Beispiel schneller von A weg als Ameise rennen kann. Sehr ähnlich können sich Galaxien in gewissem Sinne mit Überlichtgeschwindigkeit von weggetragen werden obwohl sie sich lokal nur schnell als Licht bewegen können. Dass sich Universum ausdehnt ist durch Analyse der kosmologischen Rotverschiebung sehr gut belegt.

Der Warp-Antrieb von Miguel Alcubierre

Ebenfalls auf "Bewegung" der Raumzeit ohne Überschreitung der Lichtgeschwindigkeit beruht der Warp-Antrieb von Alcubierre. Durch entsprechende Wahl der Raumzeit ist rein rechnerisch möglich im einem Bereich derselben zu erreichen ohne lokal die Lichtgeschwindigkeit zu Allerdings bräuchte man zur Herstellung einer solchen Materie mit negativer Energiedichte so genannte exotische Für die Existenz solcher Materie gibt es keinen Hinweis zudem gibt es theoretische Argumente gegen deren Existenz sprechen.

Wurmlöcher

Ein damit verwandter Effekt ist das so genannter Wurmlöcher das oft in Science-Fiction Romanen verwendet wird. Dabei fährt ein zwar lokal nicht schneller als Licht. Es aber im gekrümmten Raum eine Abkürzung so es im Endeffekt doch schneller als das am Ziel ankommt. Mit dieser Technik wären Zeitmaschinen denkbar. Solche Wurmlöcher können zwar in Relativitätstheorie theoretisch konstruiert werden. Es scheint aber sie in der Praxis sehr unstabil wären dass nicht einmal Information durch sie hindurch werden könnte. Auch hier könnte man theoretisch exotischer Materie Abhilfe schaffen.

Hyperraum

Einen vergleichbaren Effekt gäbe die ebenfalls der Science-Fiction gerne verwendete Vorstellung einer Abkürzung einen Hyperraum in den unsere Raumzeit eingebettet sein Die Idee ist dabei folgende: Um den vom Nordpol zum Südpol abzukürzen reise man durch die Erde anstatt entlang der Oberfläche. Weg durch die Erde (in die dritte ist kürzer als der Weg auf der Erdoberfläche. Genauso könnte man sich vorstellen dass Raumzeit auch in einen höherdimensionalen Hyperraum eingebettet (wie die Erdoberfläche in den Raum) und daher durch den Hyperraum abkürzen könnte. Auch würde man (im Hyperraum) nicht schneller als fliegen müssen um schneller als das Licht Normalraum am Ziel anzukommen. Es gibt allerdings keinerlei Hinweise auf eine Einbettung der Raumzeit einen höherdimensionalen Raum.

Weblinks

  1. http://www.heise.de/tp/deutsch/inhalt/lis/15882/1.html
    Neuestes Experiment dass die Unmöglichkeit überlichtschnellter Informationsverbreitung
  2. http://www.uni-koeln.de/~abb11 :
    Dokumente der Kölner Gruppe die sich mit Tunneln von Mikrowellen beschäftigt hat
  3. http://theory.gsi.de/~vanhees/faq/nimtz/nimtz.html :
    Argumente gegen eine Interpretation des Tunneleffektes als Informationsausbreitung
  4. http://www.stillmoving.ca/physics/usenetFAQ.php?mode=1&faqID=63 :
    UsenetPhysics-FAQ über Tachyonen (englisch)
  5. http://www.datadiwan.de/netzwerk/index.htm?/experten/he_003d_.htm
    Artikel zur Quantenmechanik im Verbindung mit morphischer
  6. http://www.astro.cf.ac.uk/groups/relativity/papers/abstracts/miguel94a.html
    Der Warpantrieb von Miguel Alcubierre (Original-Artikel)

Literatur zur Lorentzianischen Interpretaion

  • Selleri/Brandes/Czerniawski/Hoyer/Wohlrabe Die Einsteinsche und Lorentzianische Interpretation der speziellen allgemeinen Relativitätstheorie Verlag relativistischer Interpretationen - VRI Karlsbad



Bücher zum Thema Überlichtgeschwindigkeit

Dieser Artikel von Wikipedia unterliegt der GNU FDL.

ImpressumLesezeichen setzenSeite versendenSeite drucken

HTML-Code zum Verweis auf diese Seite:
<a href="http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/%DCberlichtgeschwindigkeit.html">Überlichtgeschwindigkeit </a>