Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, c = 299.792.458 Meter pro Sekunde, ist die fundamentalste Geschwindigkeitsgrenze in der Physik. Einsteins Spezielle Relativitaetstheorie stellte fest, dass kein Objekt mit Masse auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden kann. Doch die Relativitaetstheorie sagt etwas Subtileres als die meisten Menschen erkennen: Sie verbietet nicht kategorisch Teilchen, die immer schon superluminal waren. Die Suche nach solchen Teilchen erstreckt sich ueber mehr als ein Jahrhundert.
1. Die Lichtgeschwindigkeit als Barriere, nicht als Mauer
Die Spezielle Relativitaetstheorie unterteilt das Universum in drei kinematische Sektoren. Gewoehnliche Materie (Bradyonen) bewegt sich stets unterhalb von c. Masselose Teilchen wie Photonen (Luxonen) bewegen sich stets genau mit c. Der dritte Sektor, besetzt von hypothetischen superluminalen Teilchen (Tachyonen), beschreibt Entitaeten, die sich stets oberhalb von c bewegen.
Die entscheidende Erkenntnis ist, dass die Lichtgeschwindigkeit als Barriere fungiert, nicht als Mauer. Bradyonen koennen nicht von unten durch c gedrueckt werden, und Tachyonen koennen nicht von oben durch c abgebremst werden. Jede Klasse ist dauerhaft auf ihrer Seite der Grenze eingesperrt. Die Mathematik der Speziellen Relativitaetstheorie ist innerhalb jedes Sektors vollstaendig konsistent. Nichts in den Lorentz-Transformationsgleichungen erzeugt einen logischen Widerspruch bei Anwendung auf v > c, solange das Teilchen niemals bei oder unter c war.
2. Historische Vorschlaege fuer ueberlichtschnelle Teilchen
Die Idee, dass Teilchen die Lichtgeschwindigkeit ueberschreiten koennten, ist aelter als Einstein. 1904 analysierte der deutsche Physiker Arnold Sommerfeld das elektromagnetische Strahlungsmuster eines geladenen Teilchens, das sich schneller als Licht bewegt, und entdeckte, dass es einen Strahlungskegel erzeugen wuerde, analog zum Ueberschallknall eines Ueberschallflugzeugs. Diese "Tscherenkow-artige" Strahlung fuer superluminale Ladungen war zu jener Zeit eine rein theoretische Uebung.
Das moderne theoretische Fundament wurde 1962 von Olexa-Myron Bilaniuk, V. K. Deshpande und E. C. George Sudarshan an der Syracuse University gelegt. Ihre Arbeit "Meta Relativity" zeigte, dass ueberlichtschnelle Teilchen vollstaendig mit den Postulaten der Speziellen Relativitaetstheorie vereinbar sind. Sie wiesen nach, dass solche Teilchen imaginaere Ruhemasse, reelle Energie und Impuls sowie die kontraintuitive Eigenschaft haetten, schneller zu werden, wenn sie Energie verlieren.
1967 veroeffentlichte Gerald Feinberg an der Columbia University "Possibility of Faster-Than-Light Particles" in Physical Review und praegte den Begriff Tachyon. Feinberg ging weiter als seine Vorgaenger, indem er versuchte, eine Quantenfeldtheorie fuer Tachyonen zu konstruieren, ihre Emissions- und Absorptionseigenschaften analysierte und experimentelle Signaturen vorschlug, nach denen gesucht werden koennte. Seine Arbeit bleibt die grundlegende Referenz des Gebiets. Fuer eine vollstaendige Behandlung der Tachyonenphysik siehe unseren umfassenden Leitfaden.
3. Tachyonen: Der primaere Kandidat fuer ueberlichtschnelle Teilchen
Tachyonen bleiben der einzige theoretisch gut definierte Kandidat fuer ein fundamentales ueberlichtschnelles Teilchen. Ihre Eigenschaften werden vollstaendig durch die Spezielle Relativitaetstheorie und die Annahme imaginaerer Masse (m² < 0) bestimmt:
- Geschwindigkeitsbereich: Von knapp ueber c (bei hoher Energie) bis zu unendlicher Geschwindigkeit (bei Nullenergie). Ein Tachyon kann niemals auf c oder darunter abbremsen.
- Energie-Geschwindigkeits-Inversion: Im Gegensatz zu gewoehnlichen Teilchen beschleunigen Tachyonen, wenn sie Energie abstrahlen. Der niedrigste Energiezustand entspricht unendlicher Geschwindigkeit.
- Reelle Observablen: Trotz imaginaerer Masse sind Energie, Impuls und Geschwindigkeit eines Tachyons alle reelle, messbare Groessen.
- Tscherenkow-Strahlung: Ein geladenes Tachyon, das sich durch das Vakuum bewegt, wuerde elektromagnetische Tscherenkow-Strahlung emittieren, analog zum blauen Leuchten, das von Teilchen emittiert wird, die die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium wie Wasser ueberschreiten.
Die experimentelle Suche nach Tachyonen hat sich auf die Detektion dieser Vakuum-Tscherenkow-Strahlung und auf Anomalien in der Zerfallskinematik von Teilchen konzentriert. Es wurde kein positiver Nachweis erbracht. Details zu den experimentellen Bemuehungen finden Sie auf unserer Seite ueber Tachyonen-Nachweismethoden.
4. Scheinbare Ueberlichtphaenomene, die nicht wirklich ueberlichtschnell sind
Mehrere bekannte physikalische Phaenomene scheinen ueberlichtschnelle Ausbreitung zu beinhalten, uebertragen jedoch bei genauer Analyse keine Information superluminal. Das Verstaendnis dieser Faelle ist wesentlich, um echte Ueberlichtgeschwindigkeit von Illusionen zu unterscheiden.
Phasengeschwindigkeit und Gruppengeschwindigkeit
Die Phasengeschwindigkeit einer monochromatischen Welle (die Geschwindigkeit, mit der sich ein Wellenkamm bewegt) kann c in vielen Medien ueberschreiten. Bei der Roentgenausbreitung in Glas ist die Phasengeschwindigkeit superluminal. Ebenso kann die Gruppengeschwindigkeit eines Wellenpakets c in Bereichen anomaler Dispersion ueberschreiten, wie Lijun Wang in Princeton im Jahr 2000 demonstrierte, als er einen Lichtpuls durch Caesiumgas mit einer Gruppengeschwindigkeit von -c/310 schickte (was bedeutet, dass der Peak austrat, bevor er eintrat). Weder Phasen- noch Gruppengeschwindigkeit transportieren Information. Die Signalgeschwindigkeit, definiert durch die Wellenfront, bleibt bei oder unter c.
Quantentunneln
Wenn ein Teilchen durch eine Potentialbarriere tunnelt, kann die Durchgangszeit extrem kurz sein, was zu einer scheinbar superluminalen Durchgangsgeschwindigkeit fuehrt. Guenter Nimtz an der Universitaet zu Koeln behauptete in den 1990er Jahren, Mozarts 40. Symphonie mit 4,7-facher Lichtgeschwindigkeit durch einen Mikrowellenhohlleiter unterhalb der Grenzfrequenz uebertragen zu haben. Der Konsens ist jedoch, dass Tunneln eine Umformung des Wellenpakets beinhaltet und keine genuine ueberlichtschnelle Signalausbreitung. Die Vorderflanke des Wellenpakets, die die Information traegt, ist nie wirklich superluminal.
Expandierendes Universum
Entfernte Galaxien entfernen sich von uns mit Geschwindigkeiten, die c ueberschreiten, aufgrund der Expansion des Raums selbst. Galaxien jenseits der Hubble-Sphaere haben Rezessionsgeschwindigkeiten groesser als c, und wir koennen einige von ihnen beobachten, weil ihr Licht emittiert wurde, als sie naeher waren. Dies stellt keine Verletzung der Speziellen Relativitaetstheorie dar, da die Geschwindigkeitsgrenze fuer Objekte gilt, die sich durch den Raum bewegen, nicht fuer die Expansion der raeumlichen Metrik selbst. Keine Information wird schneller als Licht uebertragen.
Quantenverschraenkung
Die Messung eines verschraenkten Teilchens bestimmt augenblicklich den Zustand seines Partners, unabhaengig von der Entfernung. Einstein nannte dies "spukhafte Fernwirkung". Das No-Communication-Theorem beweist jedoch rigoros, dass Verschraenkung nicht zur Informationsuebertragung verwendet werden kann. Die Messergebnisse erscheinen fuer jeden Beobachter einzeln zufaellig; die Korrelationen werden erst sichtbar, wenn die Beobachter ihre Notizen ueber einen klassischen (subluminalen) Kanal vergleichen.
5. Der Scharnhorst-Effekt
Eine der faszinierendsten theoretischen Vorhersagen genuiner superluminaler Ausbreitung stammt von Klaus Scharnhorst und Gabriel Barton. 1990 berechneten sie, dass Photonen, die zwischen zwei Casimir-Platten reisen (eng beabstandete leitende Oberflaechen, die Quantenvakuumfluktuationen unterdruecken), sich geringfuegig schneller als c bewegen sollten. Das unterdrueckte Vakuum reduziert den effektiven "Widerstand" durch virtuelle Elektron-Positron-Paare, die waehrend der Photonausbreitung kurzzeitig erscheinen.
Die vorhergesagte Geschwindigkeitszunahme ist ausserordentlich gering: etwa ein Teil von 10 hoch 36 fuer Platten im Abstand von einem Mikrometer. Dies liegt weit jenseits der aktuellen Messfaehigkeit. Dennoch stellt es einen Fall dar, in dem die Standard-Quantenelektrodynamik selbst v > c fuer Photonen in einem modifizierten Vakuum vorhersagt. Fuer eine ausfuehrliche Behandlung siehe unsere Seite ueber den Casimir-Effekt und tachyonische Physik.
6. Der OPERA-Vorfall
Im September 2011 berichtete das OPERA-Experiment am Nationalen Labor Gran Sasso in Italien, dass Myonneutrinos, die vom CERN (730 km entfernt) gesendet wurden, 60,7 Nanosekunden frueher eintrafen als fuer eine Reise mit Lichtgeschwindigkeit erwartet. Waere dies korrekt gewesen, haette es die erste direkte Beobachtung ueberlichtschneller Teilchen dargestellt.
Die Ankuendigung loeste enorme wissenschaftliche und mediale Aufmerksamkeit aus. Tausende theoretischer Arbeiten versuchten, das Ergebnis zu erklaeren oder zu integrieren. Die OPERA-Kollaboration identifizierte jedoch im Februar 2012 zwei Geraeteprobleme: eine fehlerhafte Glasfaserverbindung im GPS-Synchronisationssystem (die die Neutrinos frueh ankommen liess) und einen Oszillator-Takt, der geringfuegig zu schnell lief. Nach der Korrektur war die Neutrino-Reisezeit mit der Lichtgeschwindigkeit konsistent.
Lehren aus OPERA
Die OPERA-Episode demonstrierte sowohl die Strenge als auch die selbstkorrigierende Natur der Physik. Die Kollaboration war transparent bezueglich ihres anomalen Ergebnisses, lud zur Pruefung ein und identifizierte schliesslich den systematischen Fehler. Vier unabhaengige Experimente (ICARUS, LVD, Borexino und OPERA selbst nach Reparaturen) bestaetigten anschliessend, dass sich Neutrinos mit einer Geschwindigkeit bewegen, die innerhalb der experimentellen Praezision mit c uebereinstimmt.
7. Warum ueberlichtschnelle Teilchen die Kausalitaet brechen wuerden
Der tiefste Einwand gegen ueberlichtschnelle Teilchen betrifft nicht Energie oder Impuls, sondern die Kausalitaet. In der Speziellen Relativitaetstheorie gilt: Wenn ein Signal in einem Bezugssystem schneller als Licht reisen kann, dann existieren andere Bezugssysteme (verbunden durch eine Standard-Lorentz-Boost), in denen dieses Signal rueckwaerts in der Zeit reist. Wenn zwei solcher Signale zwischen zwei Beobachtern in relativer Bewegung ausgetauscht werden koennen, entsteht eine geschlossene Kausalschleife: Eine Nachricht kann in die eigene Vergangenheit des Absenders gesendet werden.
Diese Konstruktion, erstmals von Albert Einstein beschrieben und spaeter als tachyonisches Antitelefon formalisiert, wuerde echte Zeitreise-Paradoxien ermoeglichen. Man koennte sich prinzipiell selbst eine Nachricht senden, bevor man sich entschieden hat, sie zu senden -- ein logischer Widerspruch.
Vorgeschlagene Loesungen umfassen das Reinterpretationsprinzip (urspruenglich von Bilaniuk, Sudarshan und Feinberg), das ein Tachyon mit negativer Energie, das rueckwaerts in der Zeit reist, als Tachyon mit positiver Energie uminterpretiert, das vorwaerts in der Zeit in die entgegengesetzte Richtung reist. Ob dies das Paradoxon vollstaendig loest, bleibt umstritten. Einige Physiker argumentieren, dass eine konsistente Quantenfeldtheorie der Tachyonen das Aufgeben des Prinzips der Lorentz-invarianten Kausalitaet erfordern wuerde.
8. Aktueller Stand der Suche
Bis Mitte der 2020er Jahre wurde kein ueberlichtschnelles Teilchen experimentell nachgewiesen. Die Einschraenkungen sind streng:
- Neutrino-Geschwindigkeitsmessungen: Post-OPERA-Experimente haben bestaetigt, dass sich Neutrinos mit c bewegen, bis auf wenige Teile pro Milliarde genau. Die Multi-Messenger-Beobachtung der Neutronensternverschmelzung GW170817 im Jahr 2017 schraenkte die Geschwindigkeit von Gravitationswellen relativ zum Licht auf einen Teil von 10 hoch 15 ein.
- Vakuum-Tscherenkow-Suchen: Beobachtungen hochenergetischer kosmischer Strahlung setzen strenge Grenzen fuer die Existenz geladener Tachyonen. Wenn sie mit nennenswerter Kopplung an das elektromagnetische Feld existierten, waere ihre Tscherenkow-Strahlung nachgewiesen worden.
- Beschleunigerexperimente: Keine anomalen fehlenden Energiesignaturen, die mit Tachyonenproduktion vereinbar waeren, wurden am LHC oder frueheren Beschleunigern beobachtet.
- Tachyonische Felder in der Theorie: Waehrend tachyonische Felder (m² < 0) im Standardmodell (das Higgs-Feld vor der Symmetriebrechung) und in der Stringtheorie (offene String-Tachyonen auf instabilen Branen) wesentlich sind, beschreiben sie Vakuuminstabilitaeten, keine nachweisbaren superluminalen Teilchen.
Die theoretische Landschaft hat sich verschoben. Die meisten Physiker betrachten tachyonische Felder heute nicht als Quellen buchstaeblich ueberlichtschneller Teilchen, sondern als Signale von Vakuuminstabilitaet, die sich durch Kondensation aufloesen. Dennoch bleibt die Frage offen, ob der dritte kinematische Sektor der Speziellen Relativitaetstheorie physikalisch realisiert ist. Superluminale Teilchen sind nicht logisch verboten, und die Abwesenheit von Beweisen ist kein Beweis der Abwesenheit. Die Suche geht weiter durch Praezisions-Neutrino-Experimente, Observatorien fuer kosmische Strahlung und theoretische Arbeiten zur Verletzung der Lorentz-Invarianz.