Kann die Lichtgeschwindigkeit übertroffen werden? Erforschung des erstaunlichen Phänomens des „Lichtblitzes“

Seit der Veröffentlichung von Einsteins spezieller Relativitätstheorie ist die Lichtgeschwindigkeit eine sehr wichtige Konstante in der Physik geworden, nämlich c=299792458m/s. Das bedeutet, dass die Lichtgeschwindigkeit etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde beträgt.

Einstein glaubte, dass kein Objekt auf dieser Welt, einschließlich mikroskopischer oder makroskopischer Objekte, die Lichtgeschwindigkeit erreichen, geschweige denn überschreiten könne. Daher ist die Lichtgeschwindigkeit zu einem wichtigen Parameter in vielen Formeln der Physik geworden und viele berühmte Gesetze werden daraus abgeleitet, wie etwa die Masse-Energie-Gleichung E=mc², wobei E die Energie, m die Masse und c die Lichtgeschwindigkeit darstellt.

Mit anderen Worten: Energie und Masse sind gleichwertig und können ineinander umgewandelt werden. Die Masse eines Objekts multipliziert mit der Lichtgeschwindigkeit im Quadrat ergibt die im Objekt enthaltene Energie.

Aus der Geschwindigkeitsbegrenzung des Lichts leitete Einstein auch den Massenzunahmeeffekt und den Zeitdilatationseffekt der Geschwindigkeit ab. Das heißt, je höher die Geschwindigkeit während der Bewegung ist, desto deutlicher ist der Effekt der Massenzunahme. Durch die verzerrte Raumzeit vergeht die Zeit langsamer. Wenn die Lichtgeschwindigkeit erreicht ist, wird der Impuls unendlich und die Zeit stagniert.

Dadurch wird die Bewegungsgeschwindigkeit in unserer Welt blockiert und es ist für kein Objekt möglich, die Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, geschweige denn, sie zu überschreiten.

Dieses Gesetz wird durch zwei Formeln ausgedrückt, nämlich die Formel für den Massenzunahmeeffekt: M=m/√[1-（v/c）^2], wobei M die kinetische Masse der Materie ist, m die Ruhemasse der Materie, v die Bewegungsgeschwindigkeit und c die Lichtgeschwindigkeit; die Formel für den Zeitdilatationseffekt der Geschwindigkeit: t'=t√(1-2GM/rc^2), wobei t' der Wert des gravitativen Zeitdilatationseffekts ist, t der Zeitdurchgangswert des Beobachters im Trägheitssystem mit geringer Gravitation, G die Gravitationskonstante, M die Masse des Himmelskörpers, r der Radius des Himmelskörpers und c die Lichtgeschwindigkeit.

All dies verdeutlicht ein Problem. In unserer Welt ist die Lichtgeschwindigkeit die Obergrenze. Kein Gegenstand kann es durchbrechen. Nicht einmal ein Teilchen oder ein Neutrino mit fast keiner Masse ist eine Ausnahme. Andernfalls wäre der Impuls unendlich und das Universum würde kollabieren. Die Zeit wird stagnieren und alles wird stagnieren.

Dies wird als Lichtgeschwindigkeitsgrenze bezeichnet. Wenn dies der Fall ist, warum sehen wir dann im Internet häufig das Phänomen der „Lichtexplosion“, also das durch Überlichtgeschwindigkeit verursachte Phänomen?

Wir wissen, dass ein Überschallknall eine Stoßwelle ist, die entsteht, wenn sich ein Objekt mit einer Geschwindigkeit bewegt, die schneller ist als die Schallgeschwindigkeit. Der Grund hierfür ist, dass die von einem Überschallobjekt erzeugten Schallwellen nicht schnell genug sein können, um das Objekt zu verlassen. Die Wellen „stauen“ sich und bilden eine Stoßwellenfront, auch Knall genannt. Der sogenannte Lichtknall ist die Vibrationswelle, die entsteht, wenn sich ein Objekt schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegt.

Da die Lichtgeschwindigkeit die Grenze der Bewegungsgeschwindigkeit in unserer Welt darstellt und kein Objekt mit Ruhemasse die Lichtgeschwindigkeit erreichen, geschweige denn überschreiten kann, stellt sich die Frage, warum das Überlichtgeschwindigkeitsphänomen auftritt.

Denn die sogenannte Grenze der Lichtgeschwindigkeit bezieht sich auf die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Das heißt, die konstante Lichtgeschwindigkeit c=299792458m/s bezieht sich auf die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ohne Medium, und Licht wird in anderen Medien langsamer. Beispielsweise beträgt sie in der Luft etwa 1 °C, in Eis etwa 0,77 °C, in Wasser etwa 0,75 °C, in Alkohol etwa 0,73 °C und in Glas etwa 0,67 °C.

Daher kann keine Substanz im Vakuum ohne Medium die Lichtgeschwindigkeit erreichen, geschweige denn die Lichtgeschwindigkeit überschreiten, aber es ist möglich, die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium zu überschreiten. Natürlich kann es sich bei diesen sogenannten Substanzen, die im Medium die Lichtgeschwindigkeit überschreiten, nur um mikroskopisch kleine Partikel handeln. Neutrinos haben beispielsweise eine extrem kleine Masse und fast keine elektromagnetische Kraft. Ihre Bewegungsgeschwindigkeit liegt nahe der Lichtgeschwindigkeit. Daher muss ihre Geschwindigkeit in Medien wie Wasser, Eis und Glas die Lichtgeschwindigkeit überschreiten.

Da Neutrinos nicht geladen sind, interagieren sie nicht mit Materie. Selbst wenn Billionen Neutrinos pro Sekunde durch ein Objekt von der Größe eines Fingernagels hindurchfliegen, hinterlassen sie daher kaum Spuren. Unter diesen Neutrinos gibt es jedoch alle paar Tage ein oder zwei besondere Individuen, die mit den Atomkernen der Materie kollidieren. Bei der Hypergeschwindigkeitskollision werden die Atomkerne zertrümmert und sogenannte subatomare „Schrapnelle“ erzeugt, die vom Kollisionspunkt aus mit einer Geschwindigkeit leicht unter der Lichtgeschwindigkeit weggeschleudert werden. Die Geschwindigkeit dieser „Schrapnelle“ übersteigt die Lichtgeschwindigkeit und erzeugt so das Phänomen des „Lichtblitzes“.

Um diese Neutrinos einzufangen, bauten Wissenschaftler in der Antarktis das IceCube-Neutrino-Observatorium. Im Gegensatz zu typischen Observatorien verwendet dieses Observatorium keine Teleskope mit großer Apertur zur Beobachtung des Weltraums. Stattdessen verfügt es über mehr als 5.000 vertikal aufgehängte Sensoren, die 1,6 Kilometer tief in der Eisschicht die Blitze erfassen, die entstehen, wenn Neutrinos auf Atomkerne treffen, und so bestimmen, woher diese Neutrinos kommen.

„Photonenausbrüche“ sind auch als Tscherenkow-Strahlung bekannt, eine Art kurzwelliger elektromagnetischer Strahlung, die sich hauptsächlich als blaue Blitze manifestiert. Dieses Phänomen wurde 1934 vom ehemaligen sowjetischen Physiker Pavel Alexeevich Cherenkov entdeckt und ist daher nach ihm benannt.

Die Tscherenkow-Strahlung ähnelt dem Überschallknallphänomen, das bei Überschallflügen entsteht. Das heißt, wenn sich ein geladenes Teilchen mit einer Geschwindigkeit bewegt, die die Lichtgeschwindigkeit im Medium übersteigt, wird im Medium eine kegelförmige elektromagnetische Welle erzeugt, die durch ein blaues Leuchten gekennzeichnet ist. Dies ist ein photonischer Boom. Der Kegelwinkel dieser kegelförmigen elektromagnetischen Welle kann mit der Formel cosθ=nvc berechnet werden.

Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, n der Brechungsindex des Mediums und v die Geschwindigkeit des geladenen Teilchens. Aus der Formel ist ersichtlich, dass ein Lichtblitz nur dann auftreten kann, wenn der v-Wert größer als c/n ist. Beispielsweise beträgt der n-Wert in Wasser ungefähr 1,33 und man kann berechnen, dass der Kegelwinkel ungefähr 49° beträgt, wenn das Elektronen-v 0,75c beträgt.

In der Praxis sind es nicht nur die subatomaren Fragmente von Neutrinokollisionen, die die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium überschreiten können. Darüber hinaus gibt es in Medien wie Wasser und Eis viele Teilchen, die sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen können, wie etwa das Strahlungsphänomen bei Kernreaktionen, durch Teilchenbeschleuniger beschleunigte Teilchen, kosmische Strahlung usw.

Daher müssen wir die Grenze der Lichtgeschwindigkeit genau definieren. Die Lichtgeschwindigkeitskonstante c=299792458m/s bezieht sich speziell auf die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, und die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist die sogenannte Grenzgeschwindigkeit. Eine weitere Einschränkung besteht darin, dass kein Objekt im Vakuum die Lichtgeschwindigkeit erreichen kann, und zwar ein Objekt mit Ruhemasse, selbst wenn diese Masse extrem klein und unendlich nahe bei Null ist, wie beispielsweise ein Neutrino.

Das sogenannte überluminale Phänomen des Lichtausbruchs verstößt nicht gegen Einsteins Theorie der Lichtgeschwindigkeitsgrenze. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum stellt noch immer die Obergrenze dar, die durch die Bewegungsgeschwindigkeit im Universum nicht durchbrochen werden kann.

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