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Astronomie|Physik Technik|Digitales

Messfehler Überlichtgeschwindigkeit?

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Teilchenfänger: Die 15.000 Neutrinos, die hier im OPERA-Experiment unter dem Gran Sasso gemessen wurden, sollten mit Überlichtgeschwindigkeit unterwegs gewesen sein. Jetzt rudern die Forscher zurück ? alles nur ein Fehler? (Foto: CERN)
Es war eine sensationelle Meldung, die letztes Jahr um die Welt ging: 15.000 Myon-Neutrinos, die im Lauf mehrerer Jahre vom Kernforschungszentrum CERN bei Genf 730 Kilometer durch die Erde zum OPERA-Detektor im Gran Sasso geschossen wurden, sollen ein wenig schneller gewesen sein, als es die Spezielle Relativitätstheorie erlaubt ? um 57,8 Milliardstel Sekunden. Anders gesagt: Sie hätten die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit um 0,0025 Prozent übertroffen. Doch vielleicht haben banale technische Fehler die Physiker genarrt. Ein loses Kabel oder ein Fehler in einem Intervallzähler könnten die GPS-Signale zur Zeitmessung systematisch verzerrt haben. Allerdings: Vielleicht waren die Neutrinos ja sogar noch schneller, als Einstein erlaubt?

Das 2006 begonnene OPERA-Experiment (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus) dient zur Erforschung der Neutrinos. Diese geisterhafte Elementarteilchen wechselwirken fast nicht mit Materie und durchdringen daher auch riesige Felsmassen ungehindert. Am 23. September 2011 verkündete der OPERA-Forscher Dario Autiero in einem Vortrag am CERN, die Messdaten würden darauf hindeuteten, dass die Neutrinos schneller unterwegs waren als das Licht im Vakuum. Die Lichtgeschwindigkeit gilt aber als Obergrenze für alles, was eine Masse hat (und Neutrinos besitzen eine winzige Ruhemasse).

Die Schlagzeilen verbreiteten sich ebenfalls rasant in den Medien ? wenn auch nicht überlichtschnell. Durch Twitter, Blogs, Webseiten und, am nächsten Tag, auf den Titelseiten der Zeitungen geisterte die Nachricht von den angeblich überlichtschnellen Geisterteilchen. Auch wissenschaft.de hatte berichtet sowie später mit ausführlichem Hintergrund bild der wissenschaft (Heft 11/2011): Schneller als Einstein erlaubt?

Wenn die Messungen stimmten, und zumindest ein statistischer Fehler war ausgeschlossen, dann wäre Überlichtgeschwindigkeit keine reine Science Fiction mehr. Dies hätte eine atemberaubende Konsequenz: Entweder wäre die Relativitätstheorie falsch oder man könnte ? zumindest im Prinzip, und das ist für Physiker alarmierend genug ? Botschaften in die Vergangenheit schicken. Oder beides.

Schnöde Technik als Spielverderber?

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Seither ließen die OPERA-Messungen vielen Physikern keine Ruhe mehr. Sie zerbrachen sich über mögliche Fehler und Folgen nach dem ersten Hype den Kopf. Über 200 wissenschaftliche Artikel wurden dazu bereits geschrieben und teilweise auch schon in den einschlägigen begutachteten Fachzeitschriften publiziert. Während manche Forscher bereits Albert Einsteins Relativitätstheorie zu Grabe tragen wollten, glaubten die meisten an einen Irrtum in der Messung, Datenauswertung, Rechenlogik, Experiment-Konzeption oder -Interpretation.

Vor allem wurde und wird der OPERA-Detektor nach allen Regeln der wissenschaftlichen Kunst geprüft. Weitere, unabhängige Experimente sind in Vorbereitung. Zusätzliche Messungen erfolgten bereits letzten Oktober und November. Sie hatten einige Unsicherheitsfaktoren ausgeräumt sowie die vermeintlichen überlichtschnellen Bewegungen bestätigt.

Nun herrscht aber Aufregung im OPERA-Team ? und weit darüber hinaus. Die sorgfältigen Kontrollen der gesamten Anlage haben Probleme aufgespürt, die wohl zu Messfehlern führten. Darüber hat das Online-Magazin “ ScienceInsider“ berichtet, das von der American Association for the Advancement of Science (AAAS) herausgegeben wird, dem renommierten US-Wissenschaftsverband. Details sind freilich noch unklar.

Eine potenzielle Fehlerquelle ist ein loses Glasfaserkabel, das GPS-Signale auf einen Computer überträgt. Mithilfe der GPS-Satelliten sind die Zeitmessungen der Neutrinosignale vom CERN zum OPERA-Detektor erfolgt. Eine systematische Verzerrung der Datenübertragung wäre natürlich verheerend für die Analysen. Und tatsächlich scheint es, dass die Kabelverbindung die Daten um 60 Nanosekunden verlangsamt hatte ? also gerade den Betrag, um den die Neutrinos angeblich zu schnell unterwegs waren. Eine weiteres Problem betrifft einen Intervallzähler, der die Präzisen der GPS-Messungen erhöht, indem er ihnen einen genauen Zeitstempel „aufdrückt“. Auch hier ist es vielleicht zu systematischen Abweichungen gekommen.

„Im Augenblick können wir keine Aussage machen, weil wir die Ergebnisse nochmals überprüfen und genau diskutieren müssen“, sagte Caren Hagner vom OPERA-Forschungsteam. In welche Richtung sich die Fehler ausgewirkt haben könnten, ist ebenfalls unklar. „Einer von ihnen könnte dafür gesorgt haben, dass die Geschwindigkeit überschätzt wurde und ein anderer dafür, dass sie unterschätzt wurde“, sagte James Gillies, der Pressesprecher vom CERN.

Wie das CERN inzwischen offiziell bekannt gab, sind die beiden möglichen Fehler gegenläufig. Insofern ist es nicht ausgeschlossen, dass die Neutrinos sogar noch schneller sind, als bislang gedacht, und nicht langsamer als die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit. Trotzdem wäre das Vertrauen in die Resultate angeschlagen, denn niemand kann gegenwärtig sagen, was vielleicht sonst noch übersehen wurde. Doch die Physiker fischen nicht im Trüben, sondern werden alles weiter rigoros unter die Lupe nehmen. Dazu sind allerdings noch mehr Neutrinostrahlen nötig. Erst mit ihnen lässt sich austesten, welcher Fehler welchen Effekt hatte und welche Neutrinogeschwindigkeit sich dann letztlich ergibt.

Fehleranalyse unter Hochdruck

„Wir sind uns alle einig, dass alles noch einmal nachgemessen werden muss, beispielsweise Kabellängen, die Zeitsignalübertragung und die Distanzbestimmung zwischen CERN und Gran Sasso. Die GPS-Synchronisation werden wir ebenfalls wiederholen“, erläuterte Caren Hagner erst kürzlich gegenüber bild der wissenschaft. Die Physikerin an der Universität Hamburg war von Anfang an skeptisch. Obwohl sie es begrüßte, dass die Theoretiker bereits über mögliche Erklärungsversuche nachdachten, habe sie „keine Meinung zu den Theorien“, wie sie sagte. „Bislang gibt es keine K.O.-Argumente oder eine schöne Gegentheorie. Und die verschiedenen vorgeschlagenen Hypothesen widersprechen sich auch, es könnte also höchstens eine richtig sein. Ich habe aber eine Meinung zum Experiment: Wir müssen akribisch nach Fehlern suchen. Erst wenn die ausgeschlossen sind, brauchen wir eine neue Theorie.“

Nun geht die Fehleranalyse mit Hochdruck weiter. Bald sollen weitere Experimente gemacht werden. Demnächst werden am CERN wieder Neutrinos produziert werden. Davon werden auch andere Experimente im Gran Sasso profitieren, Borexino (Boron Experiment) und ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signal), die gerade mit genaueren Uhren ausgerüstet werden und die Neutrino-Geschwindigkeiten dann ebenfalls messen sollen. Die nächsten kurzen und damit besonders „scharfen“ Neutrino-Pulse waren im Mai für zwei bis drei Wochen geplant. Jetzt wird am CERN überlegt, ob es sinnvoll ist, die Experimente sogar vorzuziehen.

Physiker als Fischer

„Es wäre schade, wenn ein loses Glasfaserkabel für die scheinbare Überlichtgeschwindigkeit der Neutrinos verantwortlich wäre. Aber man sollte erst einmal die neuen Messungen abwarten, bis man zu einer endgültigen Konklusion kommt“, kommentiert Heinrich Päs von der Technischen Universität Dortmund. Mit Kollegen aus den USA hatte er schon länger vermutet, dass Neutrinos überlichtschnell unterwegs sein könnten ? und zwar durch zusätzliche Raumdimensionen, ohne die Relativitätstheorie zu wiederlegen. Damit will er Probleme mit Messungen zu den Neutrino-Umwandlungen erklären, die früher aufgetreten sind und nichts mit OPERA zu tun haben. In den letzten Monaten arbeitete er daran, seine Hypothese mit den OPERA-Daten in Einklang zu bringen. Vielleicht umsonst. Doch die extradimensionalen Hypothesen sind damit selbstverständlich nicht widerlegt.

Auch viele andere Forschungen der Theoretiker in den letzten Wochen sind nicht vergebens. Schließlich geht es dabei ja nicht darum, Spekulationen um irgendwelche Daten zu ranken, sondern tiefere Einsichten in die Zusammenhänge der Natur zu gewinnen. Dabei muss viel ausprobiert werden, im Experiment wie in der Theorie. Denn nur wer Netze auswirft, hat eine Chance, vielleicht einmal einen dicken Fisch zu fangen. Ärgerlich aber, wenn der Fisch, den OPERA zu versprechen schien, nun durch die Maschen schlüpft.

Keine Blamage, sondern ein Gütesiegel

Was also, wenn sich der Verdacht erhärtet und die vermeintliche Überlichtgeschwindigkeit nur ein banaler Fehler wäre? Hätten sich die Teilchenphysiker dann nicht völlig blamiert? Und wäre das nicht Wasser auf die Mühlen jener selbsternannten Wissenschaftskritiker, die den scheinbar „weltfremden“ Experimenten ohnehin nicht glauben?

Sicherlich wäre es ? je nach Einstellung ? peinlich oder amüsant, wenn ein loses Kabel für den Wirbel gesorgt hätte. Und dies nach einer monatelangen akribischen Analyse, bevor die OPERA-Forscher mit ihrem ersten Ergebnis an die Öffentlichkeit getreten sind. Denn sie hatten ja nicht leichtfertig und vorschnell eine Sensation verkündet.

In ihrem Forschungsbericht hielten sich die Physiker mit Spekulationen auch vollkommen zurück:. „Trotz der großen Signifikanz der hier berichteten Messungen und der Zuverlässigkeit der Analyse motiviert die große Bedeutung des Ergebnisses uns, die Untersuchungen fortzusetzen, um mögliche noch unbekannte systematische Effekte zu finden, die die Beobachtungen erklären könnten. Wir versuchen ganz bewusst keine theoretischen oder phänomenologischen Interpretationen der Resultate.“ Dasselbe sagte auch Dario Autiero am Ende seines Vortrags am CERN letztes Jahr.

Systematische Fehler spielen Wissenschaftlern oft einen Streich. Es kommt eben nicht nur darauf an, sehr genau zu messen ? und das hat OPERA zweifellos getan ?, sondern auch darauf, richtig zu messen. Doch Fehler sind nun einmal unvermeidbar, nicht nur in der Wissenschaft. Irren ist menschlich. Das Erfolgsrezept und Gütesiegel der Wissenschaft ist es jedoch, Fehler nicht zu vertuschen, sondern so akribisch wie möglich aufzuspüren. Und dann zu korrigieren. Einen Fehler zu finden, ist daher keine Blamage, sondern ein Zeugnis von gewissenhafter Arbeit und wissenschaftlichem Ethos. Nur Ideologen sind beharrliche Rechthaber. In der Wissenschaft zählen dagegen stets kritische Prüfung und die Suche nach Bestätigungen und Widerlegungen.

Was in der Öffentlichkeit oft übersehen wurde: Das OPERA-Experiment wurde nicht dazu gebaut, um überlichtschnelle Neutrinos zu suchen. Vielmehr erforscht es Umwandlungen von einem Neutrino-Typ in einen anderen. Über die vermeintliche Überlichtgeschwindigkeit waren die Forscher ganz unfreiwillig „gestolpert“. Und sind dann aber konsequent den Daten nachgegangen. Auch das ist gute Physik!

Es besteht also gar kein Grund zu Besorgnis, Enttäuschung oder Häme ? im Gegenteil. So funktioniert Wissenschaft immer. Und nicht nur, wenn ein überraschender Effekt auftaucht wie ein unerwarteter Partygast. Der Prozess der Forschung ist kein gerader Weg, der große Entdeckungen verbindet wie eine Römerstraße. Er ist vielmehr ein verschlungener Pfad, der seine Richtung ändert abhängig von der Landschaft, durch die er führt, und der auch manchmal im Kreis geht, Umwege macht, zur Umkehr zwingt. Der Weg zu den Gipfeln der Erkenntnis ist kein Spaziergang. Aber mit Beharrlichkeit und Selbstkritik führt er zum Erfolg.

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.
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Pi|ke|nier  〈m. 1; im späten MA〉 Landsknecht mit Pike [nach frz. piquier … mehr

As|best  〈m. 1; Min.〉 faseriges, grausilbernes Mineral, Verwitterungsprodukt von Hornblende od. Serpentinstein, wärmedämmend (aus Gesundheitsgründen als Baustoff zunehmend ersetzt) [zu grch. asbestos … mehr

me|ta|kar|pal  〈Adj.; Anat.〉 zur Mittelhand gehörend [zu lat. metacarpus … mehr

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