Wie lassen sich Zeitdehnung und Längenkontraktion nachweisen?

Die Zeitdilatation Und die Längenkontraktion sind keine Illusionen, sondern messbare Effekte. Das zeigen beispielsweise Myonen. Sie entstehen unter anderem durch Reaktionen energiereicher Partikel der Kosmischen Strahlung (vorwiegend fast lichtschneller Protonen) mit Atomkernen in der Erdatmosphäre. Diese Myonen, die schweren Geschwister der Elektronen, lassen sich mit speziellen Detektoren nachweisen. Das überrascht, weil sie instabil sind und mit einer Halbwertszeit von nur 1,5 Millionstel Sekunden zerfallen. Da sie sich durch die Kernreaktionen in 30 Kilometer Höhe bilden, können sie – obwohl sie fast lichtschnell sind – in 1,5 Millionstel Sekunden bloß 450 Meter zurücklegen. Nach 30 Kilometern sollten demnach fast alle zerfallen sein. Doch für irdische Beobachter ist das nicht so, denn durch die Zeitdilatation wird die Lebensdauer der Myonen stark verlängert. Anders herum ausgedrückt: Aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit ist der Weg für die Myonen stark verkürzt. Aus der Perspektive ihres Bezugssystems legen sie nicht 30 Kilometer bis zur Erdoberfläche zurück, sondern nur wenige Hundert Meter.

Raserei bei Genf

Im Europäischen Zentrum für Teilchenphysik CERN bei Genf wurde 1976 die Zeitdilatation bei Myonen erstmals direkt gemessen. Die Physiker erzeugten dort Myonen, die mit 99,94 Prozent der Lichtgeschwindigkeit durch einen Speicherring rasten. Ihre Halbwertszeit betrug 44,6 Millionstel Sekunden – also das 30-Fache des Ruhewerts. Das Ergebnis steht in Einklang mit der Vorhersage der SRT (Messunsicherheit: 0,2 Prozent). Inzwischen werden Teilchen am CERN sogar noch viel näher an die Lichtgeschwindigkeit beschleunigt – mit entsprechend lebensverlängerndem Effekt. Könnte man das mit Menschen tun, die geboren wurden, als Stonehenge errichtet wurde, dann wären diese jetzt immer noch Kinder. Auch die Längenkontraktion macht sich in Teilchenbeschleunigern bemerkbar. Das müssen Physiker berücksichtigen, wenn sie beispielsweise Gold- oder Blei-Kerne aufeinander schießen, um in der Kollisionszone kurz physikalische Verhältnisse zu erreichen, wie sie weniger als eine Milliardstel Sekunde nach dem Urknall überall im All herrschten (bild der wissenschaft 2/2009, „Als der Weltraum flüssig war“). Die fast lichtschnellen schweren Kerne erscheinen nämlich nicht mehr kugelig, sondern durch die Längenkontraktion platt wie Flundern, was die Kollisionsfront vergrößert und messbare Auswirkungen hat. ■