Schneller als Licht?

BLOG: Die Natur der Naturwissenschaft

Ansichten eines Physikers
Die Natur der Naturwissenschaft

In den Zeitungen findet man dieser Tage wieder Meldungen aus dem Forschungszentrum CERN in Genf.  Dieses Mal geht es nicht um schwarze Löcher  oder um die Suche nach dem Higgs-Boson,  vielmehr um einen Hilferuf einer Forschergruppe an die übrige Forschergemeinde.  Ihre Daten aus einem Experiment mit Neutrinos  können sie bisher nur so interpretieren, dass die Neutrinos, die  Genf erzeugt und in Italien tief unter dem Gran-Sasso-Massiv nachgewiesen werden,  schneller als Licht sind.  Das widerspricht aber einem fundamentalen Prinzip der Relativitätstheorie, und, so schließen sie erst einmal, müssen sie in ihren Überlegungen zur Interpretation der Daten irgendeinen Fehler gemacht haben, den vielleicht andere Physiker, die mit etwas mehr Abstand an die Sache herangehen können, entdecken könnten.  In den Zeitungen aber spekulierte man schon darüber, ob mit diesem Experiment nun "Einstein widerlegt" würde, d.h. die Relativitätstheorie Einsteins aus dem Jahre 1905 umgeschrieben werden müsse.
Meinem  Bloggerkollegen Michael Blume bin ich dankbar dafür, dass er mich angeregt hat, hierüber in meinem Blog etwas zu schreiben. Ich muss dabei gestehen, dass meine erste Reaktion auf diese Meldungen war: "Naja, warten wir es ab –  typisch, dass die Zeitungen das wieder aufbauschen".  Ich habe dabei  nicht bedacht, dass der Außenstehende bei dem Stichwort "Einstein" und "Relativitätstheorie" besonders aufhorcht und vor allem, dass sich hier eine gute Gelegenheit ergibt, mal wieder zu erklären, wie verlässlich die Theorien der Physik sind und in welcher Form sich ein Wandel für diese zeigen könnte.
 
Zunächst zur Sachlage:  Mit Lichtgeschwindigkeit ist hier die Geschwindigkeit des Lichtes im Vakuum gemeint, eine Größe, die in der ganzen Welt "c"  genannt wird.  Sie beträgt 299 792 458 Meter pro Sekunde.  Die Tatsache, dass man dafür einen so präzisen Wert angibt, müsste einen jeden, der nicht schon die Prinzipien der Relativitätstheorie kennt, verblüffen.  Er wird sich nach einiger Überlegung fragen, für wen denn diese  Geschwindigkeit  gelten soll.  Für den, der diese in einem bestimmten Labor gemessen hat, oder für einen, der sich relativ zu diesem Labor mit irgendeiner Geschwindigkeit bewegt?  Wir wissen doch aus Erfahrung,  dass Geschwindigkeit immer relativ zu einem Referenzpunkt zu messen ist. Aber das ist nun gerade das Grundpostulat der Speziellen Relativitätstheorie, dass die Geschwindigkeit des Lichtes immer den gleichen Wert hat, gleichgültig, von welchem Referenzpunkt diese gemessen bzw. ausgesandt wird.  Ich glaube, man braucht einige Zeit, um die Merkwürdigkeit dieser Aussage wirklich zu erfassen, denn sie widerspricht ja eklatant unserer Erfahrung, dass sich Geschwindigkeiten addieren.
 
Einstein hat dieses  Postulat nicht aus heiterem Himmel erfunden. Er hatte sich tief hinein gedacht in die Diskussionen um die Widersprüche, die sich am Ende des 19. Jahrhunderts bei Experimenten dadurch ergaben, dass man glaubte, dass Lichtwellen sich in einem Medium, Äther genannt, ausbreiteten wie Schallwellen in der Luft.  Mit diesem Postulat und einem allgemeinem Relativitätsprinzip konnte er alle Widersprüche beseitigen. Der Äther als Träger der Lichtwellen wurde dadurch überflüssig und verschwand von der Liste der physikalischen Objekte.  Es folgten aus diesen Postulaten aber auch, und zwar in bewundernswerter Klarheit und Stringenz, Aussagen über die Bewegung von Objekten und über die Eigenschaften von Raum und Zeit, die ganz ungewöhnlich und fremd waren, dennoch aber in den folgenden Jahren in unzähligen Tests bestätigt worden sind,  inzwischen zum festen Wissen der Physik gehören und heute auch schon Eingang in unseren Alltag gefunden haben: Ohne die Berücksichtigung dieser aus dem Postulat der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit der abgeleiteten Eigenschaften von Raum und Zeit würden unsere Navigationsgeräte, die wir in Autos, Schiffen und Fliegern benutzen, gar nicht richtig funktionieren.
Eine Folgerung aus diesem Postulat ist eben auch, dass die Lichtgeschwindigkeit die Grenzgeschwindigkeit für jede Bewegung ist. Kein Objekt kann sich schneller bewegen, relativ zu wem auch immer, und  Objekte, die Masse tragen, können diese Geschwindigkeit erst gar nicht erreichen; nur das Licht kann es, im Vakuum ist diese die ihr eigene Geschwindigkeit. 

Nun sieht es also so aus, dass man doch bei bestimmten Objekten, nämlich Neutrinos, Geschwindigkeiten gemessen hat, die größer als die Lichtgeschwindigkeit sind.  Nach einer Wegstrecke von etwa 720 km quer durch die Erde vom CERN in Genf bis zum einem Tunnel tief im Gran-Sasso-Massiv kommen sie  60 Nanosekunden früher an, als es die Lichtgeschwindigkeit erlaubt.  Über die Details des  Experiment selbst, über die Gruppe, die es betreibt, und über die notwendigen und erzielten Genauigkeiten bei der Messung der Distanz, der Abflug- und Ankunftszeiten der Neutrinos findet man im Internet viel  Information (siehe z.B. Wikipedia: OPERA(Experiment),  Google-Suchwort: Schneller als Licht, CERN Pressemitteilung).  Mein Blogger-Kollege Markus Pössel hat in seinem Post "Überschnelle Neutrinos"  viel Wissenswertes über Neutrinos und auch über wichtige frühere Experimente mit solchen zusammen getragen. Ich will mich hier auf die Frage konzentrieren, was man aus der Geschichte der Physik für die Lösung solcher Probleme lernen kann.  Im  Aufmacher vieler Meldungen über dieses Experiment fand man ja Sätze wie: "Einstein überholt?" oder "Einstein zittert".  Was ist da dran?  Zunächst muss man noch einmal feststellen, dass diese Formulierungen nur von den Journalisten kommen, zu deren  Handwerk es gehört, Aufmerksamkeit zu erzeugen, Übertreibungen und Spekulationen werden da oft zu Hilfe genommen.  Seriöser und realistischer  war schon die Überschrift eines Artikels über diesen Fall in der "Süddeutschen" vom 27.9.2011: "Das geht von alleine weg". 

Das ist nun auch das, was man zunächst erwartet.  Die Interpretation der Daten eines Experimentes ist ein schwieriges Geschäft:  Das endgültige Ergebnis setzt sich oft aus mehreren Einzelmessungen zusammen, bei  jeder muss man alle Einflüsse berücksichtigen, die das Ergebnis verfälschen könnten,  und bei jeder gibt es unvermeidliche Ungenauigkeiten, die sich im Endergebnis akkumulieren.  Bis man zur Überzeugung gelangt, dass man ein verlässliches Endergebnis vor sich liegen hat, müssen  alle Argumente von vielen Beteiligten unabhängig und von allen Seiten  geprüft worden sein.  Das ist oft ein  langer Prozess, und bevor man glaubt, eine ganz neue Entdeckung gemacht zu haben, wird man sich mehr als einmal fragen, ob man denn schon alles berücksichtigt hat, was das Ergebnis verfälschen kann.  Genau in diesem Stadium ist die "Opera"-Gruppe, die dieses Experiment betreibt und sie ruft nun die Kollegen zu Hilfe.
Was aber nun, wenn "es"  nicht "weg geht" ?  Die Aussagen der Relativitätstheorie  sind ja unzählige Male durch Experimente direkt oder indirekt überprüft worden und haben sich dabei bewährt.  Die Relationen zwischen Messgrößen, die die Relativitätstheorie liefert und die man im Experiment verifiziert hat, können ja nicht auf einmal falsch sein.  (Das erinnert an das, was ich im Blogbeitrag  "Strukturenrealismus und Evolution" geschrieben habe.)  Sollte sich wirklich ergeben, dass in diesem aktuellen Experiment eine wichtige Aussage der Relativitätstheorie nicht stimmt, so muss man erklären, warum gerade hier und nicht bei all den anderen Prüfungen.

Ein Blick in die Geschichte der Physik ist hier hilfreich. Es gibt mindestens drei Szenarien, die dieser aktuellen sehr ähnlich sind.
Im frühen 19. Jahrhundert stellte man fest, dass die Bahn des Planeten Uranus nicht den Keplerschen Gesetzen entspricht.  Das Newtonsche Gravitationsgesetz hätte so in Zweifel gezogen werden müssen.  Dass man das ernsthaft erwogen hat, ist mir nicht bekannt,  zu etabliert war wohl die Klassische Mechanik und  die Lösung lag auch nicht so fern:  Es wird jenseits des Uranus einen weiteren Planeten geben, der die Störungen der Uranus-Bahn bewirkt.  Es dauerte aber immerhin noch 25 Jahre, bis man diesen Planeten wirklich am Himmel identifiziert hatte und ihm schließlich den Namen "Neptun" gegeben hat (siehe Wikipedia: Neptun(Planet)).
Beim zweiten Szenarium dieser Art war es das Prinzip der Erhaltung der Energie, dass verletzt zu sein schien.  In den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts studierte man intensiv die Zerfälle des Atomkerns;  bei einem bestimmten, dem so genannten ß-Zerfall,  wandelt sich ein Neutron in ein Proton um. Das Elektron, das dabei ausgesandt wurde, konnte alle möglichen Werte für seine kinetische Energie besitzen.  Das war nach dem damaligen Wissen über solche Zerfallsprozesse nicht zu erklären. Während Max Born an dem Energieerhaltungssatz für Kernprozesse zweifelte, kam der Wolfgang Pauli auf die Idee, dass ein weiteres, bis dahin unbekanntes Teilchen mit im Spiel sein musste, welches einen Teil der beim Zerfall zur Verfügung stehenden Energie übernimmt, so dass der  Energieerhaltungssatz gültig bleibt. Sein  italienischer Kollege Enrico Fermi führte 1933 diese Idee in eine nachprüfbare Theorie des Beta-Zerfalls über. Das neue Teilchen bekam dabei den Namen "Neutrino" , so wie man damals in Rom das von Pauli postulierte Teilchen nannte. In der Tat hat man fast dreißig Jahre später Neutrinos experimentell nachweisen können  und heute kann man, wie in diesem Opera-Experiment, Neutrino-Strahlen für  höchstpräzise Experimente erzeugen.
In diesen beiden Fällen ergab sich der Widerspruch dadurch, dass man den Einfluss eines Teilchens nicht berücksichtigt hatte, weil man von deren Existenz noch nichts wusste.  Im dritten Beispiel aber wird es aber nun ernster:  Ende des 19.Jahrhunderts experimentierte man viel mit so genannten Kathodenstrahlen,  man hatte sie gerade als Strahlen von Elektronen verstanden, und man konnte diese auch erzeugen, in dem man die Elektronen mit geeignetem Licht aus Metallen herausschlug.  Die Relationen zwischen den Eigenschaften der Elektronen und denen des eingestrahlten Lichtes konnte man aber nun im Rahmen der damaligen Theorie für das Licht, der Elektrodynamik, nicht verstehen.  Hier war es nun also die gesamte Maxwellsche Elektrodynamik, die zu versagen schien, eine Theorie, die gerade zu ihrer größten Blüte ansetzte und schon zu beeindruckenden technischen Fortschritte geführt hatte.  Hier löste sich nun  das Problem auf eine andere Art.  Albert Einstein verstand, dass der Gültigkeitsbereich der Elektrodynamik nicht so weit reicht, dass man in ihrem Rahmen diese Experimente verstehen kann.  So wagte er die Hypothese, dass sich das Licht bei solchen Prozessen, bei denen es Elektronen aus Metallen herausschlagen kann, nicht mehr als Welle zeigt, sondern als ein Strom von "lokalisierten Energiequanten".  Hier dauerte es wieder fast zwei Jahrzehnte, bis sich die Vorstellung von solchen Lichtquanten etablierte und heute kann man mit einzelnen solcher, auch Photonen genannt, nach allen Regeln der Kunst experimentieren. 

In allen drei Fällen sehen wir also, das gut etablierte Prinzipien oder Theorien nicht aufgegeben werden mussten.   Sprüche wie "Die Physik muss neu geschrieben werden"  oder "Ein Weltbild gerät ins Wanken" sind also völlig fehl am Platze:  Regelmäßigkeiten der Natur, die man einmal nach allen Regeln der Wissenschaft festgestellt hat, gelten immer weiter.  Einfache Prinzipien  und Grundgleichungen, aus denen die entsprechenden Relationen in mathematischer Strenge  abgeleitet werden können, sind nicht beliebig.  Man kann höchstens entdecken, dass für ein bestimmtes Phänomen der Gültigkeitsbereich der zuständigen Theorie ausgereizt ist und dass man für die Erklärung  nach einer erweiterten Theorie suchen muss. Die alte Theorie wird dabei aber nicht obsolet, in ihrem Gültigkeitsbereich sind die Änderungen, die sich durch die erweiterte Theorie für die Relationen ergeben, stets zu vernachlässigen.

Nun sind wir gespannt, wie es weiter geht mit dem Opera-Experiment. Wie interessant wäre es doch, wenn sich der Effekt bestätigte und man wirklich über eine Erweiterung der Speziellen Relativitätstheorie nachdenken müsste!   Aber höchst wahrscheinlich ist es so, wie es in der Süddeutschen Zeitung  über diesen aktuellen Widerspruch zwischen Experiment und Theorie hieß:  "Das geht von alleine weg."

Veröffentlicht von

Josef Honerkamp war mehr als 30 Jahre als Professor für Theoretische Physik tätig, zunächst an der Universität Bonn, dann viele Jahre an der Universität Freiburg. Er hat er auf den Gebieten Quantenfeldtheorie, Statistische Mechanik und Stochastische Dynamische Systeme gearbeitet und ist Autor mehrerer Lehr- und Sachbücher. Nach seiner Emeritierung im Jahre 2006 möchte er sich noch mehr dem interdisziplinären Gespräch widmen. Er interessiert sich insbesondere für das jeweilige Selbstverständnis einer Wissenschaft, für ihre Methoden sowie für ihre grundsätzlichen Ausgangspunkte und Fragestellungen und kann berichten, zu welchen Ansichten ein Physiker angesichts der Entwicklung seines Faches gelangt. Insgesamt versteht er sich heute als Physiker und "wirklich freier Schriftsteller".

14 Kommentare

  1. Pauli statt Fermi

    Lieber Herr Honerkamp,

    “Der italienische Physiker Enrico Fermi postulierte deshalb, dass es ein Elementarteilchen, von ihm sinnigerweise “Neutrino” genannt, geben müsse, das beim Neutron-Zerfall zusätzlich zum Elektron ausgesandt werde und einen Teil der beim Zerfall zur Verfügung stehenden Energie übernehme, so dass der Energieerhaltungssatz gültig bleibe.”

    Postuliert hat das Neutrino Wolfgang Pauli (1930) und nannte es “Neutron”. Enrico Fermi gab dem hypothetischen Teilchen dann den neuen Namen “Neutrino” (1934), nachdem James Chadwick das uns heute geläufige Neutron entdeckte (1932) und auch so benannte.

    Ansonsten ein sehr schöner Artikel, der den angemessenen Realismus versprüht.

    Beste Grüße aus Berlin
    Max Feierabend

  2. @Max Feierabend

    Ja, meine Formulierung wird der Sachlage nicht ganz gerecht. Pauli hatte die Idee, ein neues Teilchen einzuführen, wirklich zuerst. Fermi hat auf dieser Idee aufbauend eine nachprüfbare Theorie des Beta-Zerfalls formuliert und für das neue Teilchen den damals in Rom gängigen Namen Neutrino gebraucht.

    Ich werde es gleich verbessern. Herzlichen Dank.

  3. Einstein

    “Er hatte sich tief hinein gedacht in die Diskussionen um die Widersprüche, die sich am Ende des 19. Jahrhunderts bei Experimenten dadurch ergaben, dass man glaubte, dass Lichtwellen sich in einem Medium, Äther genannt, ausbreiteten wie Schallwellen in der Luft.”

    War es nicht so, dass Einstein diese Entdeckung aus den Maxwellschen Gleichungen herleitete und von den Experimenten, die zu seiner Zeit stattfanden, erst mal nicht inspiriert wurde?

    Und zu ihren Artikel: Sie haben natürlich recht, dass der Mensch die Tendenz hat, an alten Theorien grundsätzlich erst mal festzuhalten und sie möglichst zu “retten”. Noch ist das wahrscheinlich gar nicht der Fall, da die Möglichkeit eines Messfehlers heute meines Wissens noch nicht ausgeschlossen ist. Aber genauso ist es selbstverständlich, dass einige Theoretische Physiker und Kosmologen versuchen werden, schon mal einige mögliche Spekulationen zu entwickeln. Falls es sich “nur” um einen Messfehler handelt, gut, dann hat man eben umsonst einige Überlegungen angestellt, wenn die Ergebnisse aber valide sind, gehört man vielleicht zu den bedeutenden Physikern, die ein physikalisches Problem gelöst haben. Die Lösung wird dabei wahrscheinlich unspektakulär ausfallen…

    Man “investiert” so also bewusst geistige Ressourcen zur Förderung der eigenen Karriere und der Wissenschaft. Die Medien nehmen die Spekulationen natürlich dankbar auf, den sie suchen immer etwas, über das es sich zu berichten lohnt.

  4. @ursuppe

    Vielen Dank für den Link. Das ist ja ein Hammer: Die statistische Analyse stammt nur von einer Gruppe und ist nicht von anderen Gruppen bzw. Statistik-Experten geprüft worden. Eine mögliche unabhängige Messung der Ankunftszeit hat man auch noch nicht unternommen. Und da tut man so, als wenn man die Kollegen zu Hilfe ruft, dabei hat man seine Hausaufgaben noch nicht gemacht. Respekt vor Frau Hagner und den Kollegen/Kollegiinnen, die nicht unterschrieben haben.

  5. @Illutionius

    – Von “Herleitung” aus den Maxwell-Gleichungen kann keine Rede sein. Dann wäre es ja auch gar keine neue Theorie. Aber die Tatsache, dass es für die Maxwell-Gleichungen ein anderes Relativitätsprinzip gab als für die Newtonsche Mechanik, hat ihn schon gestört, und diese Tatsache war “das” Problem auf der theoretischen Seite. Aber letztlich ist ja die Natur entscheidend, und da ging es eben darum, wie man eine Bewegung gegen den Äther denn wohl beobachten könne.
    – Ich habe den Eindruck, dass Sie unter Messfehler etwas verstehen, was man ausmerzen kann, wenn man nur gut genug ist. Wenn man eine Messung wiederholt, ergibt sich aufgrund unvermeidlicher Einflüsse von außen (Rauschen) immer ein etwas anderer Wert, man erhält also bei vielen Messungen eine Verteilung, aus deren Breite man den Messfehler berechnen kann. Für jedes Messergebnis muss man also einen Messfehler angeben, der auch ein Maß für die Genauigkeit der Messung ist.

  6. Hagner Interview

    Im Interview heisst es: “Man kennt den Startzeitpunkt der Neutrinos am Cern nur bis auf zehn Millionstel Sekunden genau“. Da besteht also eine Unsicherheit von etwa 100 ns. Dies allein rechtfertigt starke Zweifel an der Signifikanz dieses vermeintlich superluminalen Effekts von 60 ns.

    Frau Hagner und jenes angesprochene Dutzend ihrer Kollegen demonstrieren hier echte Professionalität, indem sie offensichtlich folgendes beachten:

    “The first principle is that you must not fool yourself, and you are the easiest person to fool.”
    — Richard P. Feynman

  7. Frage von außen

    Ich verstehe ja nicht sehr viel vom CERN-Experiment – vielleicht nur so einen Bruchteil wie es um Bruchteile kleinster Zeiteinheiten geht 😉
    Doch als Frage von außen: Die haben doch hoffentlich dran gedacht, dass auch absolut gleich gehende Atomuhren unterschiedlich schnell gehen müssen, wenn sie an verschiedenen Orten der Erde aufgestellt sind; denn die unterschiedlichen Orte sind mit unterschiedlicher Geschwindigkeit unterwegs auf der Erdkugel, die nicht einmal eine exakte Kugel ist. Lasen wir doch alle mal, dass zwei absolut gleiche Atomuhren in unterschiedlichen Flugzeugen/Flugrichtungen unterschiedlich schnell gehen müssen.
    Vielleicht wäre ein solcher Fehler so banal, dass es frivol ist, einen solchen zu unterstellen. Vielleicht ist er auch so banal, dass er gerade deshalb doch übersehen worden sein könnte?

  8. @Hermann Aichele

    Die beiden am Experiment beteiligten Atomuhren in Genf und Rom werden beständig nachjustiert, sodass sie synchron bleiben. Eingerichtet wurde das vom schweizerischen Bundesamt für Metrologie (METAS), und die deutsche Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) hat die Funktionalität nach einer unabhängigen Überprufung bestätigt. Für die Metrologie-Spezialisten sind solche Aufgaben zudem auch ganz alltäglich:

    The common-view technique is routinely used by national time & frequency laboratories around the world in order to compare atomic clocks. These international time comparisons are the basis for the generation of UTC (Universal Time Coordinated) by the Bureau International des Poids et Mesures (BIPM).

    Quelle: http://www.metas.ch/…locity%20of%20neutrinos.pdf

    Kurz gesagt, die Uhren sind in dieser Causa wohl eher unverdächtig.

  9. Defektes Glasfaserkabel

    http://www.handelsblatt.com/…rettet/6243068.html

    Unter der Überschrift “Einsteins Ehre ist gerettet” berichtet das Handelsblatt am 23.2.12:

    Ursache des Fehlers ist nach den Informationen des Magazins wohl ein Glasfaserkabel, das einen Computer mit einem GPS-Gerät verbindet, welches für die korrekte Erfassung der Ankunftszeit der Neutrinos benötigt wird. Nachdem diese Verbindung überprüft worden war, stellten die Forscher fest, dass die Daten 60 Nanosekunden weniger für die Strecke durch das Kabel brauchten als erwartet.

    Da die Reisezeit dieser Signale von der gemessenen Flugzeit abgezogen werden muss, führt das zu einer entsprechenden Diskrepanz zur eigentlich erwarteten Flugzeit – und damit genau zum im letzten Jahr gemessenen Wert. Um sicher nachzuweisen, dass dieser Fehler für das Ergebnis verantwortlich war, müssen die Forscher nun die ursprünglichen Messungen wiederholen.

    Also – Viel Lärm und nichts …

  10. Personelle Konsequenzen

    http://physicsworld.com/…_for_the_opera_col.html

    Spokesperson for the OPERA collaboration resigns.

    Auf physicsworld.com wird berichtet, dass innerhalb von Opera jetzt auch personelle Konsequenzen gezogen wurden.

  11. Warum soll Licht das letztlich schnellste Medium sein – es gibt eines, das viel schneller ist, und sie kennt jeder, das sind die Größen, mit denen Heute gerechnet werden sollte.

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