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Astronomie|Physik Technik|Digitales

Einstein ausgetrickst?!

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Teilchenfänger: Im OPERA-Experiment unter dem Gran Sasso in Italien wurden über 16.000 Neutrinos gemessen, die anscheinend mit Überlichtgeschwindigkeit unterwegs waren. Das ist eine physikalische Sensation ? wenn es stimmt. (Foto: CERN)
Wenn die Daten stimmen, die eine internationale Forschergruppe mit dem OPERA-Experiment am CERN gemessen hat, bewegen sich Neutrinos schneller als das Licht. Eigentlich dürften diese geisterhaften Elementarteilchen die von der Speziellen Relativitätstheorie gebotene Höchstgeschwindigkeit nicht überschreiten. Doch die Neutrinos kamen nach ihrer 730 Kilometer langen Reise von Genf zu den Detektoren tief unter dem Gran-Sasso-Massiv in Italien schneller an als von Albert Einstein erlaubt. Dieses erstaunliche Ergebnis hätte gewaltige und noch völlig unabsehbare Konsequenzen für die Physik.

Über 200 Physiker von 36 Institutionen in 13 Ländern ? in Deutschland an den Universitäten Hamburg, Münster und Rostock ? sind am OPERA-Experiment beteiligt (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus). Das Projekt wurde 2006 begonnen, um die Umwandlung von verschiedenen Typen von Neutrinos zu erforschen. Neutrinos sind Elementarteilchen mit einer sehr geringen Masse. Sie unterliegen nicht der elektromagnetischen Wechselwirkung und können deshalb selbst die Erde mühelos durchdringen. (Beispielsweise passieren in jeder Sekunde 66 Milliarden Neutrinos, die im Zentrum der Sonne entstehen, ein Quadratzentimeter der menschlichen Haut, ohne dass wir etwas davon bemerken würden.) Nur sehr selten interagieren sie mit Materie und können so nachgewiesen werden. Neutrinos kommen in drei Formen vor: Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos. Seit einigen Jahren ist bekannt, dass sich die Neutrinos ineinander umwandeln können, also gleichsam ihre Identität tauschen. Das zeigen neben anderen Experimenten auch die Messungen von OPERA. Voriges Jahr hat das Experiment die Verwandlung von Myon- in Tau-Neutrinos nachgewiesen.

Nun haben die OPERA-Forscher bei der Datenauswertung der letzten drei Jahre eine brisante Entdeckung gemacht: Eine aufwändige und hochpräzise Analyse von über 16.000 Neutrinos weist eine ?winzige, aber signifikante Differenz zur Lichtgeschwindigkeit nach?, teilte das CERN heute mit.

?Dieses Resultat ist eine komplette Überraschung?, sagt OPERA-Sprecher Antonio Ereditato, Professor für Hochenergiephysik an der Universität Bern. Er und seine Kollegen haben herausgefunden, dass die Neutrinos, die im Super Proton Synchrotron (SPS) am CERN bei Genf erzeugt werden, durch die Erdkruste in Richtung Italien flitzen, nach einer 730 Kilometer langen, gerade mal 2,4 Millisekunden dauernden Reise schließlich das LNGS-Untergrund-Labor (Laboratori Nazionali del Gran Sasso) in der Nähe von Rom erreichen … und dort anscheinend rascher ankommen, als es die Physik erlaubt. ?Die Neutrinos sind signifikante 60 Nanosekunden schneller am Ziel, als man dies mit Lichtgeschwindigkeit erwarten würde?, sagt Ereditato. ?Dieses Ergebnis kann große Auswirkungen auf die geltende Physik haben ? so groß, dass zurzeit eine Interpretation schwierig ist. Weitere Experimente für die Bestätigung dieser Daten müssen unbedingt folgen.?

Die errechnete Überlichtgeschwindigkeit ist zwar winzig, 0,0025 Prozent, aber signifikant. Die Physiker haben bei ihrer Datenauswertung eine statistische Sicherheit von sechs Sigma Standardabweichung erreicht, also weit über 99,999 Prozent. Das liegt über den hohen Standards in der Physik (fünf Sigma genügen normalerweise für eine Entdeckung, in anderen Wissenschaften liegt die Schwelle meist viel tiefer). Über die ? äußerst geringen ? Unsicherheiten haben die Physiker genaue Vorstellungen. So ist die 730 Kilometer lange Flugstrecke der Neutrinos auf 20 Zentimeter genau bekannt, und die Zeitunsicherheiten liegen bei weniger als 10 Milliardstel Sekunden. Das ergaben hochpräzise Messungen unter anderem mit dem Satellitennavigationssystem GPS und den leistungsfähigsten Atomuhren.

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?Wenn ein Experiment ein scheinbar unglaubliches Resultat findet und kein Artefakt bei den Messungen dafür verantwortlich gemacht werden kann, dann besteht das übliche Verfahren darin, es in breiterem Rahmen zu prüfen?, sagt CERN-Forschungsdirektor Sergio Bertolucci. ?Das ist genau das, was die OPERA-Kollaboration tut, in guter wissenschaftlicher Praxis. Wenn die Messungen bestätigt werden, könnten sie unser Bild der Physik verändern, aber wir müssen sicher sein, dass es keine andere Erklärung gibt. Das erfordert unabhängige Messungen.?

Im Vorabdruck ihres Forschungsberichts halten sich die Physiker mit Spekulationen vollkommen zurück. ?Trotz der großen Signifikanz der hier berichteten Messungen und der Stabilität der Analyse motiviert die große Bedeutung des Ergebnisses eine Fortsetzung unserer Untersuchungen, um mögliche noch unbekannte systematische Effekte zu finden, die die Beobachtungen erklären könnten. Wir unternehmen ganz bewusst keine theoretischen oder phänomenologischen Interpretationen der Resultate.?

Trotzdem ist die Aufregung unter den Physikern selbstverständlich groß. Am nächsten liegt die Erklärung, dass bei der Datengewinnung oder -analyse trotz der großen Sorgfalt irgendetwas übersehen wurde. Deshalb ist der kritische Blick der Kollegen dringend erwünscht. Vor allem aber muss versucht werden, die Resultate mit anderen Experimenten zu überprüfen. Da sind jetzt konkurrierende Forschergruppen am US-amerikanischen Fermilab sowie in Japan gefordert, die ebenfalls Neutrinos erzeugen und durch die Erde zu weit entfernten Detektoren senden.

Seltsam ist auch, warum Neutrinos, wenn sie überlichtschnell sind, nicht zum Beispiel von fernen Sternexplosionen vor deren Licht die Erde erreichen ? womöglich Jahre vorher. Bei einer Supernova entstehen durch den Kollaps des ausgebrannten Sterns nämlich Myriaden von Neutrinos, die die Explosion wahrscheinlich erst auslösen. In einem Fall, der Supernova SN 1987A in der Großen Magellanschen Wolke, wurden tatsächlich Neutrinos gemessen ? höchstens ein paar Stunden vor der Ankunft des Lichts. Doch das spricht nicht unbedingt gegen die OPERA-Messungen, zumal es verschiedene Neutrinos mit ganz unterschiedlichen Energien gibt.

Was also, wenn sich die Ergebnisse erhärten? Das wäre eine wissenschaftliche Sensation!

Eine Möglichkeit ist, dass letztlich die Relativitätstheorie falsch ist. Obwohl sie die am besten bestätigte wissenschaftliche Theorie ist und oft aufs Genaueste überprüft wurde, steht sie nicht unverrückbar auf einem Altar, über jeden Zweifel erhaben. Allerdings sind die meisten Physiker skeptisch, dass sich Einsteins Meisterwerk so einfach vom Sockel stoßen lässt ? von ein paar leichtgewichtigen Geisterteilchen. Außerdem: Überlichtschnelle Bewegungen, wenn sie Signale übertragen, könnten im Prinzip dazu genutzt werden, Botschaften in die Vergangenheit zu senden. Mit all den Paradoxien, die damit verbunden sind. (Andererseits: Wäre es nicht schön, heute schon das Ergebnis der nächsten Lottozahlen-Ziehung zu wissen oder der Aktienkurse vom kommenden Monat?) Da schrillen bei Physikern sämtliche Alarmglocken. Und Stephen Hawking hat sogar ein physikalisches Prinzip zum Schutz der Zeitordnung gefordert.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Neutrinos unerwartete Eigenschaften haben. ?Meine erste Reaktion war: Neutrinos verblüffen noch immer mit Geheimnissen?, meinte Antonio Ereditato. So war ja bis vor einigen Jahren noch unbekannt, dass sie eine winzige Masse besitzen ? zuvor galten sie als ruhemasselos wie die Photonen und entsprechend exakt lichtschnell. Vielleicht ist ihre ? nur indirekt ermittelte Masse ? aber ?imaginär?. Dann wären Neutrinos Tachyonen und per definitionem schneller als das Licht. Das wird von der Speziellen Relativitätstheorie nicht ausgeschlossen, sondern sogar beschrieben. Und schon früher haben Forscher darüber nachgedacht.

Eine weitere ? und vielleicht die faszinierendste ? Möglichkeit ist, dass die Neutrinos eine ?Abkürzung? durch Raum oder Zeit nehmen können. So wird schon länger darüber spekuliert, dass es neben den drei bekannten Raum-Dimensionen ? Höhe, Breite und Tiefe ? zusätzliche, aber extrem winzige Extradimensionen gibt. Das ist beispielsweise eine Konsequenz der Stringtheorie, die als ein Kandidat für eine ?Weltformel? die Naturkräfte einheitlich zu beschreiben versucht. Vielleicht können sich Neutrinos durch solche Extradimensionen bewegen. Sogar Flüge zurück in der Zeit ? bezogen auf die Uhren in unserer Alltagswelt ? lassen sich dann nicht ausschließen. All das würde die Relativitätstheorie nicht widerlegen, sondern stünde mit ihr im Einklang. Allerdings wäre dann die Welt, wie wir sie kennen, nicht mehr dieselbe.

wissenschaft.de ? ===Rüdiger Vaas bdw-Physik-Redakteur ===Rüdiger Vaas hat in seinem Buch Tunnel durch Raum und Zeit. Von Einstein bis Hawking: Schwarze Löcher, Zeitreisen und Überlichtgeschwindigkeit ausführlich über die Chancen, Risiken und Nebenwirkungen überlichtschneller Bewegungen berichtet ? einschließlich der Neutrinos, die als Tachyonen oder durch Extradimensionen schneller rasen als das Licht.
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