Kommen Überlichtgeschwindigkeitsreisen? Keine Sorge, hören Sie auf die Experten

Die Relativitätstheorie verlangt, dass „die Geschwindigkeit jedes Teilchens geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit.“ Mit der Geschwindigkeit ist hier insbesondere die Geschwindigkeit gemeint, die durch die Messung des Partikels zu diesem Zeitpunkt und an diesem Ort ermittelt wird, also die lokale Geschwindigkeit. Solange sie nicht dieser Geschwindigkeitsdefinition entspricht, verstößt die Überlichtgeschwindigkeit nicht unbedingt gegen die Relativitätstheorie.

——Li Li, Assoziierter Forscher, Institut für Theoretische Physik, Chinesische Akademie der Wissenschaften

Die Protagonisten in Science-Fiction-Werken verwenden oft ein Werkzeug namens Warp-Antrieb, um mit Überlichtgeschwindigkeit durch interstellare Welten zu reisen. Im fiktiven Universum von Star Trek ist der Warp-Antrieb ein überlichtschnelles Antriebsgerät. Davon inspiriert und basierend auf der Allgemeinen Relativitätstheorie schlug der Physiker Miguel Alcubierre 1994 das Konzept des Warp-Antriebs im wissenschaftlichen Sinne vor.

Kürzlich berichtete die international renommierte Fachzeitschrift European Physical Journal C, dass Harold White, ein Physiker der US-amerikanischen Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), ein Team geleitet habe, das eine Warp-Blase in der realen Welt entdeckt habe. Manche Leute glauben, dass Whites nanoskalige Warp-Blase eine Tür für die Herstellung von Warp-Antrieben öffnen und die Menschheit in das Überlichtzeitalter führen wird.

In diesem Zusammenhang erklärte Li Li, ein assoziierter Forscher am Institut für Theoretische Physik der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, Reportern Mitte Februar, dass Whites Team einige numerische Simulationen durchgeführt und vorhergesagt habe, dass unter einer bestimmten Mikrostruktur eine negative Energiedichteverteilung gegeben sein könnte, die in gewisser Weise der negativen Energie ähnelt, die zur Aufrechterhaltung der Alcubierre-Raum-Zeit-Struktur (Warp-Blase) erforderlich ist. Ob es jedoch mit der Warp-Blase oder dem Warp-Antrieb in Verbindung gebracht werden kann, muss noch untersucht werden.

Negative Energie ist für Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit unerlässlich

Der theoretische Physiker Michio Kaku wies in „Incredible Physics“ darauf hin, dass es gemäß der allgemeinen Relativitätstheorie zwei Möglichkeiten gibt, sich mit Überlichtgeschwindigkeit zu bewegen: die Dehnung des Raums und die Krümmung des Raums. Das beste Beispiel für Ersteres ist der Warp-Antrieb, und das beste Beispiel für Letzteres ist das Wurmloch.

Li Li stellte vor, dass die Warp-Triebwerktechnologie darin besteht, eine künstliche Blase normaler Raumzeit außerhalb des Raumschiffs zu erzeugen, die als Warp-Blase bezeichnet wird. Die Raumzeit in der Nähe der Warpblase ist sehr stark verzerrt. Der Raum vor dem Raumschiff wird komprimiert, während der Raum dahinter gedehnt wird, sodass das Raumschiff von der Warp-Blase weggetragen wird. Für jemanden, der sich in großer Entfernung vom Raumschiff befindet, kann es so aussehen, als ob sich das Raumschiff schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, während die Besatzungsmitglieder im Inneren des Raumschiffs denken, dass es stillsteht. „Die gesamte Blase bewegt sich mit dem Raumschiff, ähnlich wie ein Boot von der Strömung in einem Fluss getragen wird“, sagte er.

Die von Alcubierre 1994 vorgeschlagene spezifische Idee der Raum-Zeit-Verzerrung kann den Effekt des Fliegens bei jeder „Geschwindigkeit“ erzielen, aber diese Raum-Zeit-Struktur (bezogen auf die Warp-Blase) erfordert zur Aufrechterhaltung exotische Materie mit negativer Energie.

„Normalerweise nutzen Physiker zunächst positive Energie, um ein Raumschiff anzutreiben, das sich immer langsamer als mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Um die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten, muss der Treibstoff ersetzt werden.“ Michio Kaku schrieb in dem Buch, dass negative Energie für Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit unersetzlich sei und dass es negative Energie vielleicht tatsächlich gebe. In diesem Zusammenhang erklärte Li Li, dass es für den Antrieb eines Raumfahrzeugs mit Überlichtgeschwindigkeit notwendig sei, Materie mit negativer Energie zu finden. Die Bemühungen der Wissenschaftler, negative Materie in der Natur zu finden, waren bisher erfolglos und ihre Existenz konnte noch nicht bewiesen werden, was der Situation beim Wurmloch entspricht.

Li Li sagte, dass die Energie, die derzeit als der negativen Energie am nächsten kommend gilt, durch den sogenannten Casimir-Effekt erzeugt wird, der sich auf die Anziehung zwischen zwei nahe beieinander liegenden Metallplatten bezieht. Dabei handelt es sich um einen Quanteneffekt, der dazu führt, dass die Energiedichte im Bereich zwischen den Metallplatten geringer ist als außerhalb der Metallplatten. Normalerweise wird angenommen, dass die Energiedichte des Bereichs außerhalb der Metallplatten Null ist, sodass der Bereich zwischen den Metallplatten eine negative Energiedichte aufweist. Li Li sagte, dass dies auch die Quelle der negativen Energiedichte sei, von der Whites Team berichtete.

Die überlichtschnelle Bewegung von Warp-Blasen verstößt nicht gegen die Relativitätstheorie

Die Lichtgeschwindigkeit ist eine Grenzgeschwindigkeit und die Geschwindigkeit eines Objekts kann die Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten. Dieses Konzept der speziellen Relativitätstheorie hat sich tief in den Köpfen der Menschen verwurzelt. Bewegt sich ein Objekt mit annähernd Lichtgeschwindigkeit, kommt es zu einer deutlichen Längenkontraktion, einer Verlangsamung der Uhr und einer Massenzunahme.

Verstößt die überlichtschnelle Bewegung der Warp-Blase also gegen die Relativitätstheorie?

Li Li betonte, dass es sich bei der „Überlichtgeschwindigkeit“ hier nur um eine scheinbare Überlichtgeschwindigkeit handele und diese nicht gegen die Relativitätstheorie verstoße. Er erklärte, dass die Relativitätstheorie erfordere, dass „die Geschwindigkeit (der Betrag der Geschwindigkeit) jedes Teilchens geringer sei als die Lichtgeschwindigkeit.“ Mit der Geschwindigkeit ist hier insbesondere die Geschwindigkeit (lokale Geschwindigkeit) gemeint, die durch die Messung des Partikels zu diesem Zeitpunkt und an diesem Ort ermittelt wird. Solange sie nicht dieser Geschwindigkeitsdefinition entspricht, verstößt die Überlichtgeschwindigkeit nicht unbedingt gegen die Relativitätstheorie.

„Obwohl die Relativitätstheorie der Bewegungsgeschwindigkeit eines Objekts Grenzen setzt, setzt sie der Geschwindigkeit, mit der sich der Raum selbst ausdehnt, keine Grenzen.“ Li Li nannte ein Beispiel: Das gegenwärtige Universum dehnt sich mit zunehmender Geschwindigkeit aus und die Geschwindigkeit, mit der sich zwei Galaxien voneinander entfernen, nimmt mit zunehmender Entfernung zu. Bei Galaxien, die weit genug entfernt sind, ist die Rückzugsrate größer als die Lichtgeschwindigkeit. Dies liegt jedoch nicht an der Bewegung der Galaxien (Galaxienhaufen) selbst, sondern daran, dass sich der Weltraum selbst ausdehnt. Derzeit verstößt die „Überlichtgeschwindigkeit“ nicht gegen die Relativitätstheorie.

Seiner Ansicht nach ist auch die „überlichtschnelle“ Bewegung des Warp-Antriebs auf die Expansion des Weltraums zurückzuführen. Das Raumfahrzeug selbst bewegt sich in der Warp-Blase nicht relativ zur Warp-Blase, wodurch der in der Relativitätstheorie angenommene Effekt der Massenzunahme und der Zeitdilatation (Zeitverlangsamungseffekt) vermieden werden. Gleichzeitig wird die Raumzeit in der Nähe der Warp-Blase stark verzerrt, wodurch die gesamte Warp-Blase und das Raumfahrzeug in der Blase vorwärtsgetrieben werden. Sagte Li Li.

Reisen mit Überlichtgeschwindigkeit sind theoretisch nicht möglich

Im Jahr 1905 veröffentlichte Einstein „Zur Dynamik bewegter Körper“ und begründete damit die spezielle Relativitätstheorie. Die spezielle Relativitätstheorie basiert auf zwei Grundprinzipien: dem Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und dem Prinzip der speziellen Relativität. Noch wichtiger ist, dass Einstein Zeit und Raum zu einer ganzen „Raumzeit“ vereinte.

Li Li führte ein, dass in der speziellen Relativitätstheorie zwei Ereignisse aus der Perspektive eines Bezugssystems gleichzeitig stattfinden, aus der Perspektive eines anderen Bezugssystems der Relativbewegung jedoch nicht mehr. „Es ist diese Zerstörung von Newtons absoluter Sicht von Raum und Zeit, die zu vielen scheinbar abnormalen Phänomenen führt. Die drei typischsten Effekte sind der Längenkontraktionseffekt, der Uhrverlangsamungseffekt und der Massenzunahmeeffekt“, betonte er.

Der wichtigste Punkt ist die Relativität der „Gleichzeitigkeit“. Um beispielsweise die Länge eines Lineals zu messen, müssen Sie die Koordinaten beider Enden des Lineals gleichzeitig messen und die Länge des Lineals anhand der Differenz zwischen den beiden berechnen. Bei einem stationären Lineal ist dies einfach durchzuführen, wird jedoch komplizierter, wenn sich das Lineal bewegt. Da Gleichzeitigkeit relativ ist, unterscheiden sich gleichzeitige Messungen in einem bewegten Bezugssystem von denen in einem stationären System. Dieser Größenkontraktionseffekt wird nicht durch physikalische Mechanismen wie Elastizität verursacht, sondern ist ein rein kinematischer Effekt. Es gibt nur ein physikalisches Lineal, aber unterschiedliche Inertialsysteme haben unterschiedliche „Simultanebenen“, was zu unterschiedlichen Messlängen führt. Derselbe kinematische Effekt ist der Uhrverlangsamungseffekt, d. h. bei einem bewegten Objekt werden dessen Änderungen verlangsamt, wenn sie von der Uhr eines stationären Beobachters gemessen werden. Beim Längenkontraktionseffekt kommt es tatsächlich zu keiner Verkürzung der Uhrgeschwindigkeit und beim Taktverlangsamungseffekt kommt es tatsächlich zu keiner Verlangsamung der Uhrgeschwindigkeit.

Genauer gesagt resultieren sowohl die Effekte der Längenkontraktion als auch der Taktdilatation aus der Anforderung der speziellen Relativitätstheorie, dass die Form der physikalischen Gesetze bei Lorentz-Änderungen unverändert bleibt (Lorentz-Kovarianz), und auch der Effekt der Massenzunahme ist eine direkte Folge dieser Situation.

Li Li sagte, dass im Extremfall, wenn sich die Geschwindigkeit eines bewegten Objekts der Lichtgeschwindigkeit nähert, das Skalenkontraktionsverhältnis unendlich wird und es so aussieht, als ob die Uhr stehen geblieben wäre. Darüber hinaus neigt die Masse (Energie) eines Objekts dazu, zu divergieren, wenn es sich der Lichtgeschwindigkeit nähert. Dies bedeutet, dass unendlich viel Energie erforderlich ist, um ein Objekt auf Lichtgeschwindigkeit zu bringen. Daraus können wir ersehen, dass die Lichtgeschwindigkeit eine Grenzgeschwindigkeit ist und sich kein Objekt schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen kann. Wenn die Geschwindigkeit viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit ist, können die relativistischen Effekte nicht reflektiert werden. Die Newtonsche Mechanik kann unter Niedriggeschwindigkeitsbedingungen als gute Näherung für die spezielle Relativitätstheorie dienen.

„Diese Effekte der speziellen Relativitätstheorie sind durch zahlreiche Experimente belegt. Auch die Satellitennavigationssysteme, die wir im Alltag häufig nutzen, müssen den Einfluss des Taktverzögerungseffekts berücksichtigen.“ Li Li fügte hinzu, dass die Quantenfeldtheorie, die die spezielle Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik kombiniert, große Erfolge bei der Beschreibung subatomarer Teilchen erzielt und ein Standardmodell der Teilchenphysik etabliert habe, das die drei grundlegenden Wechselwirkungen elektromagnetischer Kraft, starker Kraft und schwacher Kraft einheitlich beschreibe. Erstaunlicherweise ist die Relativitätstheorie auch in der Chemie sehr wichtig. Die Durchschnittsgeschwindigkeit der Elektronen in den inneren Schalen von Atomen schwerer Elemente kann bis zu zwei Drittel der Lichtgeschwindigkeit betragen, daher müssen relativistische Effekte berücksichtigt werden. Dies führt zu der glänzenden goldenen Farbe von Gold und dem niedrigen Schmelzpunkt von Quecksilber, die wir im täglichen Leben sehen.

Als hypothetische Überlichtgeschwindigkeitstheorie gibt es keine Beweise für ihre Existenz

Weder die allgemeine Relativitätstheorie noch die Quantenfeldtheorie erlauben lokale Geschwindigkeiten, die die Lichtgeschwindigkeit überschreiten. Wenn Beobachtungen ergeben, dass die lokale Geschwindigkeit die Lichtgeschwindigkeit übersteigt, stellt dies eine große Herausforderung für die Grundlagenphysik dar.

Im Jahr 2011 entdeckten Forscher des OPERA-Experimentteams am Gran Sasso National Laboratory in Italien bei einem Experiment das Phänomen der „Superluminalenergie von Neutrinos“, was für großes Aufsehen sorgte. Es stellte sich jedoch letztendlich heraus, dass es sich um ein fehlerhaftes Ergebnis handelte, das auf Probleme mit dem Versuchsaufbau zurückzuführen war.

Es wurden auch einige Überlichtgeschwindigkeitstheorien mit unterschiedlichen Begründungen vorgeschlagen. Ein Tachyon ist ein theoretisch hypothetisches Überlichtgeschwindigkeitsteilchen, das sich immer mit Überlichtgeschwindigkeit bewegt. Theoretisch ist es möglich, dass ein aus Tachyonen bestehendes Universum existiert, doch wurden nie direkte oder indirekte Beweise für ihre Existenz gefunden. Darüber hinaus gibt es einige modifizierte Gravitationstheorien, die ebenfalls über das Phänomen der Ausbreitung mit Überlichtgeschwindigkeit verfügen, wie etwa einige Gravitationstheorien mit Ableitungskorrekturen höherer Ordnung und dualmetrische Theorien.

„Objektiv betrachtet weisen alle diese Theorien mehr oder weniger große Probleme auf, und bisher wurden keine glaubwürdigen experimentellen Hinweise auf Überlichtgeschwindigkeit gefunden. Die Entwicklung der Wissenschaft zeigt uns jedoch, dass wir unvoreingenommen bleiben müssen“, sagte Li Li.

Quelle: Science and Technology Daily

Tang Fang, Reporter der Science and Technology Daily

Originaltitel: Warp-Blasen in der realen Welt entdeckt? Keine Sorge, es ist zu früh für Überlichtgeschwindigkeitsreisen