Kosmische Strahlung verlangt "Verdoppelung" der Speziellen Relativitätstheorie

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Auf der Erde sollte eigentlich keine kosmische Strahlung mit Energien über 60 Trillionen Elektronenvolt ankommen. Denn nach Einsteins Spezieller Relativitätstheorie müsste eine derart energiereiche Strahlung mit der überall im Universum vorhandenen kosmischen Hintergrundstrahlung wechselwirken. Doch in den vergangenen Jahren hat man solche Strahlung mehrfach auf der Erde entdeckt. In der Fachzeitschrift Physical Review Letters (Bd. 88, Nr. 19, S. 190403) präsentieren Lee Smolin und João Magueijo vom Imperial College in London die so genannte „doppelte spezielle Relativitätstheorie“, die diesen Widerspruch auflösen könnte.

Doppelt heißt diese Theorie deshalb, weil sie nicht nur ? wie Einsteins Relativitätstheorie ? die Unveränderlichkeit der Lichtgeschwindigkeit verlangt, sondern zusätzlich die Invarianz der so genannten Planckmasse. Diese Planckmasse taucht beim Versuch auf, die Quantenmechanik mit der Allgemeinen Relativitätstheorie in Einklang zu bringen. Es stellt sich heraus, dass Teilchen, die eine höhere Masse und Energie als 10 Millionen Trilliarden Elektronenvolt haben, nicht mehr durch diese beiden Theorien allein beschrieben werden können. Oberhalb dieser Planckmasse benötigt man eine neue Theorie ? oft Quantengravitation genannt, die diese beiden Theorien mit einschließt.

Wie Giovanni Amelino-Camelia von der Universität La Sapienza in Rom im Fachmagazin Nature (Bd. 418, S. 34) erläutert, löst die „doppelte spezielle Relativitätstheorie“ von Smolin und Magueijo nun nicht nur das Problem der kosmischen Strahlung, sondern zusätzlich ein Problem, dass bei der Vereinigung von Quantenmechanik und Allgemeiner Relativitätstheorie auftaucht.

Denn gemäß der Speziellen Relativitätstheorie kann es vorkommen, dass ein Teilchen für einen Beobachter, der sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt, unterhalb der Planckmasse liegt, während das gleiche Teilchen für einen anderen Beobachter mit einer abweichenden Geschwindigkeit über der Planckmasse liegt. Das macht aber keinen Sinn. Für den ersten Beobachter würde das Teilchen den Gesetzen der Quantenmechanik und der Allgemeinen Relativitätstheorie gehorchen, während der zweite die Quantengravitation anwenden müsste. Gemäß der „doppelten speziellen Relativitätstheorie“ sind sich die beiden Beobachter dagegen darüber einig, ob Energie und Masse des Teilchens über- oder unterhalb der Planckmasse liegen.

Ob die Theorie von Smolin und Magueijo mit den experimentellen Daten der kosmischen Strahlung in Einklang steht, ist zur Zeit noch nicht eindeutig zu klären. Amelino-Camelia glaubt, dass das GLAST-Teleskop, das die Nasa im September 2006 in eine Umlaufbahn um die Erde bringt, die Entscheidung liefern wird.

Axel Tillemans

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