Schlagwort: lichtgeschwindigkeit

Mysteriöse Entdeckung bei Neutronenstern: 7 Mal schneller als das Licht

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Darstellung einer Neutronensternkollision

Die NASA hat bei einem Neutronenstern etwas beobachtet, das sich laut Messungen mit siebenfacher Lichtgeschwindigkeit bewegt! Würde das nicht gegen die fundamentalen Naturgesetze der Relativitätstheorie verstoßen?

Neutronensterne sind so stark verdichtete Objekte, dass ein einziger Teelöffel eines solchen Sterns auf der Erde um die vier Milliarden Tonnen wiegen würde. Damit gehören Neutronensterne zu den dichtesten Objekten im gesamten Universum. Sie sind die übriggebliebenen Kerne von gestorbenen, sehr schweren Sternen.

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Besonders groß sind die Sterne nicht, aber sie sind unfassbar dicht und schwer, womit eine gigantische Gravitation einhergeht. Wenn sich zwei Neutronensterne zu nahe kommen, rasen sie in einem stellaren Todestanz aufeinander zu und treffen sich in einer heftigen Kollision, bei der Gravitationswellen und Gammastrahlung ins All geschleudert werden. Die NASA hat 2017 eine solche Neutronensternkollision mit dem Hubble-Weltraumteleskop beobachtet, die Auswertung der Daten hat mehrere Jahre gedauert und wurde erst vor kurzem veröffentlicht. Das beobachtete Ereignis trägt den sehr leicht zu merkenden Namen GW170817. Astronomen haben wirklich ein Talent für Namensgebung…

Darstellung einer Neutronensternkollision (ESO_L. Calçada. Music_ Johan B. Monell)
Darstellung einer Neutronensternkollision (ESO_L. Calçada. Music_ Johan B. Monell)

Gravitationswellen durch binäre Neutronensternverschmelzung

Bei diesem Ereignis sind zwei Neutronensterne kollidiert. Profis sprechen auch von binärer Neutronensternverschmelzung. Das klingt sehr abstrakt, aber dahinter steckt etwas Unfassbares: Durch die Kollision wurden nicht nur Gravitationswellen erzeugt, also die Raumzeit selbst wurde zum Wackeln gebracht, sondern es entstand auch ein Schwarzes Loch. Um das Schwarze Loch herum bildete sich eine rotierende Scheibe, eine sogenannte Akkretionsscheibe, in der sich Materie ansammelte, die von der Schwerkraft des Schwarzen Lochs erfasst wurde. In so einer Akkretionsscheibe entsteht viel Energie und es kann passieren, dass diese Energie in Form von heftigen Ausbrüchen, sogenannten Jets, in den Weltraum abgefeuert wird. 

Der NASA ist es gelungen, die Jets dieser Neutronensternkollision zu analysieren. Und das Ergebnis hat bei Wissenschaftlern für große Augen gesorgt. Die Messung ergab, dass sich die Strahlung mit siebenfacher Lichtgeschwindigkeit bewegt hat. Eigentlich ist das nicht möglich. Wir wissen seit Albert Einstein, dass die maximale Geschwindigkeit c als Naturkonstante das schnellste ist, was in unserem Kosmos erreicht werden kann. Und Lichtgeschwindigkeit im Vakuum entspricht dieser maximalen Geschwindigkeit c. 

Sieben Mal schneller als das Licht

Die siebenfache maximale Geschwindigkeit würde alles, was wir meinen, über das Licht und die Relativitätstheorie zu wissen, über den Haufen werfen. Die Leute von der NASA wussten direkt, dass es irgendeine Erklärung für die siebenfache Geschwindigkeit geben muss. Erstmal haben sie sich aber darüber gefreut, dass Hubble überhaupt solche präzisen Messungen machen kann. Der beteiligte Astronom Kunal P. Mooley sagt: “Ich bin erstaunt, dass Hubble uns eine so präzise Messung liefern konnte, die mit der Präzision von leistungsstarken, über den ganzen Globus verteilten VLBI-Radioteleskopen konkurriert.”

Hubble-Aufnahme der Kollision (Hubble Space Telescope, NASA and ESA)
Hubble-Aufnahme der Kollision (Hubble Space Telescope, NASA and ESA)

Es war auch der erste kombinierte Nachweis von Gravitationswellen und Gammastrahlung bei der Verschmelzung eines binären Neutronensterns. Also eine absolut historische Leistung der NASA und des Hubble-Teleskops. Aber was hat es denn nun mit der Lichtgeschwindigkeit auf sich? Die Antwort lautet: Superluminalbewegung.

Superluminale Bewegung ist ein Effekt, der auftreten kann, wenn sich Licht unseren Beobachtungsinstrumenten nähert und der die Illusion erzeugt, das Licht würde sich mit einer Geschwindigkeit höher als die maximale Geschwindigkeit c bewegen. Da sich der Jet der Neutronensternkollision unserer Erde mit nahezu Lichtgeschwindigkeit nähert, hat das Licht, das er aussendet, jeweils eine kürzere Strecke zurückzulegen. Man könnte sagen, dass der Jet seinem eigenen Licht hinterherjagt. 

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In Wirklichkeit ist zwischen der Aussendung des Lichts durch den Jet mehr Zeit vergangen, als der Beobachter denkt. Das führt dazu, dass die Geschwindigkeit des Objekts überschätzt wird – und in diesem Fall scheint sie die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten. Stellt euch das Schwarze Loch mit seiner Akkretionsscheibe vor. Dort werden Photonen in den Weltraum geschossen, die sich mit fast maximaler Geschwindigkeit c bewegen. Diese Photonen leben in der relativistischen Welt, für sie existiert die Zeit nicht. Denn je schneller man sich bewegt, desto mehr beeinflusst das die Zeit und bei maximaler Geschwindigkeit vergeht die Zeit dann gar nicht mehr. 

Was ist die Superluminalbewegung?

Die Strahlungswellen, die uns von der Neutronensternkollision erreichen, bewegen sich fast mit maximaler Geschwindigkeit. Die Zeit vergeht also nur noch ganz minimal für sie. Bedeutet: Ein Photon, das heute dort losgeschossen wird, wird die Erde unwesentlich früher erreichen als ein Photon, das erst in einem Monat losgeschossen wird. Denn für diese Photonen existieren Kategorien wie heute, nächste Woche oder einem Monat aufgrund ihrer Geschwindigkeit nicht. Die Zeitspanne zwischen solchen zwei Photonen ist viel kürzer als ein Monat, was den Eindruck erweckt, der Strahl bewege sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit. Das ist Superluminalbewegung. Die NASA hat dann errechnen können, wie schnell sich die Strahlungswellen tatsächlich bewegen. Der beteiligte Forscher Wenbin Lu sagt: “Unser Ergebnis deutet darauf hin, dass sich der Jet mindestens mit 99,97 % der Lichtgeschwindigkeit bewegte, als er gestartet wurde.”

Also wesentlich langsamer als siebenfache Lichtgeschwindigkeit, aber um ehrlich zu sein, immer noch beeindruckend schnell. Übrigens gelang die erste präzise Messung der Lichtgeschwindigkeit schon im Jahre 1676. Der dänische Astronom Ole Romer nutzte dafür den Jupitermond Io. Anhand der Verfinsterungszeiten des Mondes in Abhängigkeit von der Entfernung des Jupiters zur Erde konnte er die Lichtgeschwindigkeit verifizieren. 

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Laser ist schneller als Lichtgeschwindigkeit – ist das möglich?

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Laser sind schneller als Lichtgeschwindigkeit

Forschern ist es gelungen, etwas zu erschaffen, das schneller ist als Lichtgeschwindigkeit – klingt unglaublich ist aber wahr.

Selbst in diesem mysteriösen und unbegreifbaren Kosmos gibt es einige Regeln, an die sich alle halten müssen. Eine dieser Naturkonstanten ist die maximale Geschwindigkeit c, auch bekannt als Lichtgeschwindigkeit. Albert Einstein stellte in seiner Relativitätstheorie fest, dass sich die Geschwindigkeit von Licht, das sich durch ein Vakuum bewegt, nie verändert. Mit gerundet 300.000 Kilometern pro Sekunde bewegt sich Licht im Vakuum mit der höchsten Geschwindigkeit, die in unserem Universum denkbar ist.

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Lichtgeschwindigkeit ist aber keine akkurate Bezeichnung. Erstens erreicht nicht nur das Licht diese maximale Geschwindigkeit, sondern auch alle anderen elektromagnetischen Wellen. Zweitens kann das Licht auch langsamer sein, je nachdem durch welches Medium es sich bewegt. Im Wasser reduziert sich die Geschwindigkeit auf knapp 231.000 Kilometer pro Sekunde. Lichtgeschwindigkeit kann also variieren, nur im Vakuum erreicht es die maximale Geschwindigkeit c. 

Foto von unter Wasser
Unter Wasser: Reduzierung der Lichtgeschwindigkeit

Das Konzept der Raumzeit

Stellt euch mal ein Raumschiff vor, das durch das All düst. Das Raumschiff bewegt sich durch Raum und Zeit. Je schneller es sich durch den Raum bewegt, desto langsamer vergeht die Zeit. Das ergibt sich aus dem Konzept der Raumzeit, wonach Raum und Zeit untrennbar miteinander verbunden sind. 

Jetzt stellen wir uns ein Photon vor, ein Lichtteilchen. Das bewegt sich schneller als ein Raumschiff, nämlich im Vakuum mit der maximalen Geschwindigkeit c. Diese Geschwindigkeit hat einen so massiven Einfluss auf die Raumzeit, dass die Zeitkomponente komplett entfällt. Die Zeit wird so sehr verlangsamt, dass sie stillsteht – für das Licht existiert keine Zeit. Und das stellt die maximale Ausreizung der Beziehung zwischen Raum und Zeit dar. Mehr als das Wegfallen der Zeitkomponente geht nicht und deswegen ist an diesem Geschwindigkeitspunkt die maximale Geschwindigkeit erreicht. 

Lichtgeschwindigkeit hört nicht auf Naturkonstanten

Das sind also Naturkonstanten, die sich nicht brechen lassen. Aber es gibt Eigenschaften des Lichts, die nicht nach denselben Regeln spielen. Es ist Physikern am Lawrence Livermore National Laboratory in den USA gelungen, Wellen, die aus Gruppen von Photonen bestehen, auf Überlichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Die Forscher erzeugten zunächst ein Wasserstoff-Helium-Plasma, also ein ultra erhitztes Gemisch, in dem die Elektronen aus den Atomen herausgerissen werden und so ein ionisiertes Gas bilden. 

Laser am Lawrence Livermore National Laboratory
Schneller als das Licht: Laser am Lawrence Livermore National Laboratory

Um das Plasma zu erzeugen, beschossen sie das Wasserstoff-Helium-Gemisch mit einem polarisierten Laserstrahl. Dann richteten sie einen zweiten Laserstrahl auf das Plasma. Genau dort, wo sich die Wege der beiden Strahlen kreuzten, verlangsamte sich der zweite Laserpuls als Reaktion auf eine Änderung des Brechungsindex des Plasmas. Also anders gesagt: Die Verlangsamung wurde durch Wechselwirkungen zwischen den beiden Lasern und dem Plasma verursacht. 

Laserpuls schneller als Lichtgeschwindigkeit

Die Laserpulse besitzen eine horizontale und vertikale Komponente und die Physiker haben die Zeitdifferenz zwischen diesen beiden Komponenten des Laserstrahls gemessen. Indem man die genauen Justierungen der beiden Laserstrahlen leicht verändert, kann man die Zeitdifferenz zwischen der horizontalten und der vertikalen Komponente des einen Laserstrahls anpassen. Die Forscher spielten ein wenig mit der Justierung der Laserimpulse herum und sie fanden heraus, dass sie so die Geschwindigkeit des einen Lasers von 0,995 c, also fast Lichtgeschwindigkeit, um minus 0,34 c verringern oder um bis zu 0,12 c erhöhen konnten. Damit erhalten wir einen Wert höher als 1 c. Höher als die maximale Geschwindigkeit c, höher als die Lichtgeschwindigkeit. Die Spitze des Puls bewegt sich schneller als c. 

Darstellung verschiedener Lichtimpulse
Darstellung verschiedener Lichtimpulse, Quelle: Miles Padgett University of Glasgow

Aber: Wir reden hier über die Geschwindigkeit von Lichtpulsen, also ganzen Gruppen von Photonen. Und obwohl es die meisten Leute nicht wissen, kann sich die Geschwindigkeit, mit der sich Lichtpulse durch ein Material bewegen, stark von der Geschwindigkeit c unterscheiden, mit der sich Licht im Vakuum bewegt. Diese Geschwindigkeit der Lichtpulse, die so genannte Gruppengeschwindigkeit, kann sowohl höher als auch niedriger als c sein und hat starken Einfluss darauf, wie sich die Form eines Lichtpulses ausbreitet und verzerrt, während er sich durch ein bestimmtes Material bewegt. 

Gruppengeschwindigkeit für Raumschiffe anwendbar?

Einfacher gesagt: Die einzelnen Photonen bewegen sich immer noch in ihrem gewohnten Tempo, aber ihr kollektiver Tanz beschleunigt sich. Ihr kennt das bestimmt aus dem Club, wenn man alleine auf der Tanzfläche steht, bewegt man sich eher verhalten. Aber wenn dann alle anderen auch zu tanzen beginnen, der DJ die Backstreet Boys anwirft und der zehnte Gin Tonic intus ist, dann geht die Post ab.

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Klingt ja alles super, also wann fangen wir an Raumschiffe zu bauen, die sich diese Gruppengeschwindigkeit zunutze machen und uns zu den Sternen bringen? Das wird vermutlich etwas knifflig, denn für komplexere Vorgänge wie Antriebe oder Informationsübertragung ist die faktische Geschwindigkeit der Photonen relevant und nicht die Gruppengeschwindigkeit. Und wie wir jetzt schon ausgiebig gelernt haben, können die einzelnen Photonen die maximale Geschwindigkeit c nicht knacken. 

Fortschritt für die Lasertechnologie

So spektakulär das Experiment am Lawrence Livermore National Laboratory auch ist, es wird uns wohl erst mal nicht den Überlichtgeschwindigkeitsantrieb bringen. Aber das bedeutet nicht, dass wir damit nicht andere spektakuläre technologische Durchbrüche erzielen könnten. Vor allem für die Lasertechnologie sind diese Durchbrüche interessant. Die Verwendung von Plasmaströmen zur Verstärkung oder Veränderung der Lichteigenschaften erlauben es uns, fortschrittliche High-Tech-Laser zu bauen und die wiederum sind für eine ganze Reihe an Zukunftstechnologien maßgeblich. 

Clément Goyon, Leiter des Experiments, sagt: “Langsames und schnelles Licht ist nur die Spitze des Eisbergs. Die Fähigkeit, Plasmaeigenschaften vorherzusagen und zu unserem Vorteil zu nutzen, ist entscheidend für Hochenergie-Laserexperimente in der Physik der hohen Energiedichte und der Trägheitsfusion.” 

Solche Laser bräuchten wir beispielsweise für das Hochfahren von Teilchenbeschleunigern oder zur Verbesserung von Kernfusionsanlagen. Das ist eine Technologie, die uns potentiell irgendwann mit fast unendlich Energie versorgen könnte, was wiederum auch entscheidend für Antriebe in der Raumfahrt ist. Über Umwege bescheren uns diese Plasma-Überlichtgeschwindigkeits-Experimente also vielleicht doch noch eine Art Hyperantrieb wie bei Star Wars.

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Tscherenkow-Strahlung: Schneller als das Licht

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Darstellung von Lichtgeschwindigkeit und Tscherenkow-Strahlung

Schneller als Lichtgeschwindigkeit geht nicht? Oh doch. Forscher haben herausgefunden, dass unsere grundlegenden Annahmen über das Universum und die Lichtgeschwindigkeit fehlerhaft sein könnten. 

Lichtgeschwindigkeit ist das schnellste, was es gibt. Diesen Satz hört man oft, aber er ist unvollständig. Er sagt nichts darüber aus, worin sich das Licht bewegt. Gemeint ist mit diesem Satz die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum. Und die beträgt 299.792 Kilometer pro Sekunde. Das bezeichnet man als maximale Geschwindigkeit c. Laut Albert Einsteins Relativitätstheorie ist das das Maximum, das erreicht werden kann. Nicht nur von Licht, sondern auch von den anderen elektromagnetischen Wellen.

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Lichtgeschwindigkeit hängt davon ab, worin sich Licht bewegt. Wenn es sich nicht im Vakuum bewegt, wird es langsamer. Im Wasser etwa legt das Licht nur noch 230.769 Kilometer pro Sekunde zurück. Es ist logisch, dass das Licht im Wasser langsamer ist, denn die Lichtteilchen, die sogenannten Photonen, müssen sich ihren Weg durch die Wassermoleküle erkämpfen. Das kostet Zeit. Genau so wie Ihr langsamer im Schwimmbecken seid, als wenn Ihr am Rand des Beckens entlang laufen würdet. Natürlich ist das Licht trotzdem noch immens schnell und natürlich können wir auch immer noch korrekterweise von Lichtgeschwindigkeit sprechen, nur eben nicht von der maximalen Geschwindigkeit c. 

Die Tscherenkow-Strahlung im Kühlwasser eines Reaktors

Wenn Licht durch Vanillepudding fliegt

Und jetzt kommt ein Effekt ins Spiel, bei dem die Lichtteilchen überholt werden können, bei dem etwas schneller wird als die Lichtgeschwindigkeit. Geladene Teilchen können schneller fliegen als das Licht, wenn das Licht durch ein Medium abgebremst wird. Also zum Beispiel durch Wasser. Oder irgendwas anderes wie Vanillepudding. Diesen Effekt nennt man Tscherenkow-Strahlung oder Tscherenkow-Licht. Beobachten kann man das beispielsweise im wassergefüllten Reaktorgefäß von Atomkraftwerken. Die durch die Strahlung der Brennelemente ausgesandte Elektronen, also negativ geladene, subatomare Teilchen, rasen dort so schnell durch das Reaktorwasser, dass das von angeregten Atomen abgegebene Licht nicht hinterherkommt. Es entsteht eine Art subatomare Kielwelle – quasi ein Überschallkegel aus Licht, der sich in Kernkraftwerken als eine Art bläuliches Schimmern äußert. 

Noch mal zurück zum Schwimmbecken. Stellt euch vor, Ihr zieht eure Bahnen im Wasser, durch eure Schwimmbewegung entstehen Wellen. Wellenberge und Wellentäler. Aber durch jede weitere Schwimmbewegungen gleicht ihr die vorherigen Wellen wieder aus. Insgesamt neutralisieren sich die Wellen, die Ihr durch eure Schwimmbewegungen erzeugt, da jede Welle die Welle von davor ausgleicht. Sie überlagern sich. Ihr seid aber sicherlich sehr gute Schwimmer und steigt deshalb noch mal ins Becken und zieht jetzt ein paar Bahnen mit Lichtgeschwindigkeit. Eure Schwimmgeschwindigkeit ist nun viel höher als die Geschwindigkeit der Wellen, denn die entstehen logischerweise nicht mit Lichtgeschwindigkeit. Die Wellen können sich nicht mehr überlagern, denn Ihr seid so schnell unterwegs, das es immer ein paar Wellen gibt, die vor allen anderen sind. Auf diese Art und Weise hättet Ihr im Schwimmbad eine Tscherenkow-Welle erzeugt. 

Beim Schwimmen werden Wellen erzeugt

Wie entsteht Tscherenkow-Strahlung?

Ganz einfach formuliert könnte man sagen, dass die Tscherenkow-Strahlung entsteht, wenn subatomare Teilchen durch ein Medium rasen und dabei schneller sind als das sich im Medium ausbreitende Licht. Die dabei entstehende subatomare Kielwelle ist dann schneller als Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium. Einige von euch denken jetzt vielleicht, dass das ja geschummelt ist. Denn die Tscherenkow-Strahlung ist nicht schneller als das, was man gemeinhin mit dem Wort Lichtgeschwindigkeit meint, also nicht schneller als die maximale Geschwindigkeit c. Sie ist nur schneller als Lichtgeschwindigkeit außerhalb eines Vakuums. Stimmt, aber es ist trotzdem interessant, sich mal vor Augen zu führen, dass Lichtgeschwindigkeit nicht gleich Lichtgeschwindigkeit ist. 

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Und jetzt kommt noch ein Clou. Könnte man das Prinzip der Tscherenkow-Strahlung nicht vielleicht doch auf die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum anwenden? Könnten nicht auch außerhalb von Medien wie Wasser und Vanillepudding strahlende Kielwellen entstehen? Genau das wollten Forscher aus Schottland von der University of Strathclyde in Glasgow herausfinden. Und ihre Überlegungen basieren – wie könnte es anders sein – auf der mysteriösen Quantenphysik, dem Teil der Physik, der sich mit der verrückten Welt der kleinsten Teilchen beschäftigt. In ihren Berechnungen ermittelten die Forscher, wie schnell ein Teilchen sein müsste und durch welche Feldstärken es fliegen müsste, damit im Vakuum Tscherenkow-Licht in Form von Gammastrahlung frei wird. Und tatsächlich: Sie kamen zu dem Ergebnis, dass Quantenfluktuationsteilchen Licht aussbremsen können, wenn sie einem starken Magnetfeld ausgesetzt werden. “Das impliziert, dass energiereiche Partikel im All auch Tscherenkow-Strahlung freisetzen können, wenn sie durch starke elektromagnetische Felder fliegen”, so die Forscher. 

Millisekunden-Pulsare erzeugen starkes Magnetfeld

Aber wo könnte man eine solch extreme Umgebung finden, in der ein so starkes Magnetfeld vorhanden ist? Die Antwort: Im Umfeld der sogenannten Millisekunden-Pulsare. Das sind gestorbene Sterne, die nun mit einer hohen Geschwindigkeit um sich selbst rotieren und dabei pulshafte Strahlungsausbrüche abgeben, daher der Name Pulsar. Millisekunden-Pulsare rotieren in nur rund zwanzig Millisekunden um sich selbst. Einige dieser Millisekunden-Pulsare konnte man aufspüren, was gar nicht so einfach ist, denn die Objekte sind sehr klein, da die Restmasse des Sterns in ihnen sehr stark verdichtet ist. Wir reden hier von Größen von nur 15 bis 20 Kilometern, also für kosmische Objekte winzig. Aber diese Millisekunden-Pulsare verraten sich durch Gammastrahlung. Und hier fügen sich nun die Ergebnisse der schottischen Forscher perfekt zusammen, denn ein Teil dieser verräterischen Strahlung könnte Tscherenkow-Strahlung sein. Die Forscher schreiben: “Die Astrophysik liefert uns damit Umgebungen, in denen der Vakuum-Tscherenkow-Effekt beobachtet werden könnte. Für Protonen der energiereichsten kosmischen Strahlung wird dort die hochenergetische Abstrahlung vollständig vom Tscherenkow-Prozess dominiert.”

Gibt es etwas, das schneller als das Licht ist? Ja, die Tscherenkow-Strahlung. Mehr dazu hier.
Künstlerische Darstellung eines Pulsars

Das würde perfekt passen, denn in der Vergangenheit beobachteten Astronomen im Herzen vieler Galaxien, auch innerhalb unserer eigenen Milchstraße, ein mysteriöses Gammaglühen. Eine Strahlung im Gammabereich, deren Quelle völlig unbekannt ist. Einige Astronomen versuchen dieses Gammaglühen mit Effekten der Dunklen Materie zu erklären – das Problem ist nur, dass niemand so richtig weiß, was Dunkle Materie eigentlich ist. Es handelt sich bislang um ein komplett theoretisches Konstrukt. Die Tscherenkow-Strahlung im Vakuum, ausgelöst durch Millisekunde-Pulsare könnte eine realistischere Erklärung für das Gammaglühen sein. Aber – und leider gibt es immer ein aber – die Vakuum-Tscherenkow-Theorie ist eben auch nur das. Eine Theorie. Es fehlt mangels besserer Erforschungsmöglichkeiten dieser extremen Umgebungen um die Pulsare herum noch der letztliche Beweis. Es ist aber dennoch eine plausible Idee, denn sie würde nicht gegen die Relativitätstheorie verstoßen. Auch die Vakuum-Tscherenkow-Strahlung würde keine Geschwindigkeiten jenseits der maximalen Geschwindigkeit c erzeugen. Denn durch die Quantenfluktuation im starken Pulsar-Magnetfeld werden die Lichtteilchen ja verlangsamt und dadurch kann dann wiederum eine Tscherenkow-Kielwelle entstehen, die schneller als das verlangsamte Licht ist, aber nicht schneller als die maximale Geschwindigkeit c. Das Forscherteam schreibt: “Unsere theoretische Vorhersage ist sehr spannend, denn sie könnte Antworten auf einige grundlegende Fragen liefern – darunter auch nach dem Ursprung des Gammaglühens im Herzen von Galaxien. Gleichzeitig bietet sie eine neue Möglichkeit, fundamentale Theorien an ihre Grenzen zu bringen und so zu testen.”

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NASA entwickelt Lichtgeschwindigkeitsantrieb

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Darstellung von Helical Engine im Weltraum

Steht die NASA kurz davor einen Lichtgeschwindigkeitsantrieb zu bauen? Könnten wir bald schon unser Sonnensystem verlassen und zu weit entfernten Sternen reisen?

Wer nachts hoch zu den Sternen blickt, kennt das Gefühl: die Faszination über die Schönheit und Größe des Kosmos und gleichzeitig die Enttäuschung darüber, dass man diese fremden Systeme und Planeten vermutlich niemals zu Gesicht bekommen wird. Die Distanzen im Weltraum sind gigantisch groß und mit herkömmlichem Antrieb nicht zu überbrücken. Alleine unser Nachbarstern, also der nächste Stern an unserem Sonnensystem, Proxima Centauri, ist 4,2 Lichtjahre von uns entfernt. Unsere derzeitigen Antriebe reichen noch nicht mal annähernd dafür aus, den nächsten Exoplaneten, Proxima Centauri B, zu besuchen. Müssen wir die Hoffnung aufgeben, dass wir unseren nächsten Urlaub statt auf Malle vielleicht doch auf Proxima B verbringen können? 

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Lichtgeschwindigkeit: Ingenieur hat Bauplan erstellt

Es gibt Hoffnung, denn ein NASA-Ingenieur sagt, er habe einen Bauplan für einen Lichtgeschwindigkeitsantrieb entwickelt. David Burns hat ein Triebwerkskonzept entwickelt, das theoretisch auf 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigen könnte – ganz ohne Treibstoff. Aber was heißt überhaupt Lichtgeschwindigkeit? Wie im normalen Leben auf der Erde gibt es auch im Universum gewisse Regeln. Die nennt man Naturgesetze und eines davon lautet: Schneller als Lichtgeschwindigkeit im Vakuum geht nicht. Die Relativitätstheorie besagt, dass sich die Geschwindigkeit von Licht, das sich durch ein Vakuum bewegt, nie verändert. Mit gerundet 300.000 Kilometern pro Sekunde erreicht Licht die höchstmögliche Geschwindigkeit im Universum. Das gilt übrigens nicht nur für Licht, sondern für alle anderen elektromagnetischen Wellen. 

Ein Raumschiff fliegt durch die Raumzeit

Diese Geschwindigkeit ist bekannt als maximale Geschwindigkeit c. Woraus ergibt sich diese maximale Geschwindigkeit? Ein Raumschiff, das durch den Kosmos fliegt, bewegt sich durch Raum und Zeit. Je schneller es sich durch den Raum bewegt, desto langsamer vergeht die Zeit. Ihr erinnert euch an das Konzept der Raumzeit. Jetzt stellen wir uns ein Photon vor, ein Lichtteilchen. Das bewegt sich natürlich wesentlich schneller als ein Raumschiff, nämlich mit der maximalen Geschwindigkeit c. Diese Geschwindigkeit hat einen derart massiven Einfluss auf die Raumzeit, dass die Zeitkomponente komplett entfällt. Die Zeit wird so sehr verlangsamt, dass sie stillsteht – für das Licht existiert so gesehen keine Zeit. Und das stellt die maximale Ausreizung der Beziehung zwischen Raum und Zeit dar. Mehr als das Wegfallen der Zeitkomponente geht nicht und deswegen ist an diesem Geschwindigkeitspunkt die maximale Geschwindigkeit erreicht. 

Wie kann man Lichtgeschwindigkeit erreichen?

Wie kann es denn nun gelungen sein, mit einem Antrieb annähernd Lichtgeschwindigkeit zu erreichen? David Burns nennt sein Konzept Helical Enginge, also auf Deutsch Helix-Antrieb, und es macht sich masseverändernde Effekte zunutze, die bei annähernder Lichtgeschwindigkeit auftreten. Stellt euch mal folgende Konstruktion vor: Ein Kasten befindet sich auf einer reibungsfreien Oberfläche. Im Inneren dieses Kastens befindet sich eine Stange, auf der ein Ring gleiten kann. Wenn eine Feder im Inneren des Kastens dem Ring einen Schubs gibt, gleitet der Ring entlang der Stange in die eine Richtung, während der Kasten in die andere zurückschnellt. Wenn der Ring das Ende des Kastens erreicht, springt er zurück, und die Rückstoßrichtung des Kastens ändert sich ebenfalls. Das ist das euch bestimmt bekannte Prinzip der Aktion und Reaktion – auch bekannt als Newtons drittes Bewegungsgesetz. 

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Genau dieses Aktion-Reaktion-Gesetz machen sich auch klassische Raketen zunutze, die Treibstoff in die eine Richtung abfeuern, um in die andere Richtung empor zu fliegen. So weit, so unspektakulär. In unserem Kasten würde das nun einfach dazu führen, dass der Kasten gleichmäßig hin und her wackeln würde, der Ring bekommt ja von jeder Feder immer denselben Rückstoß. Mit so einem Kasten kommen wir sicherlich nicht nach Proxima Centauri. Aber was wäre, wenn die Masse des Rings viel größer wäre? Dann würde der Kasten an einem Ende einen größeren Stoß erhalten als am anderen. Die Aktion würde die Reaktion übertreffen und die Kiste würde nach vorne beschleunigt – Richtung unendliche Weiten! 

Helical Drive: Möglich mit einem Teilchenbeschleuniger

Aber: Wenn die Aktion die Reaktion ohne externe Einwirkung übersteigt, hätten wir dann nicht Newtons drittes Gesetz und damit einen der Grundsätze der Physik verletzt? Nein, denn der Helical Drive macht sich Effekte zunutze, die nahe der Lichtgeschwindigkeit auftreten. Einsteins spezielle Relativitätstheorie besagt, dass Objekte an Masse gewinnen, wenn sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähern, ein Effekt, der übrigens auch in Teilchenbeschleunigern wie dem Large Hadron Collider im Forschungszentrum CERN berücksichtigt werden muss. Die Ausnutzung dieses Effekts ist das Kernstück des Helical Drives.

Ähnlich wie der Large Hadron Collider funktioniert auch Helical Engine

Aber natürlich funktioniert das Ganze im Weltraum nicht wirklich mit einem Kasten, einer Stange und einem Ring. Dann könntet Ihr das Ding ja Zuhause bauen. Was cool wäre, aber man müsste in der Realität wohl den Ring durch einen kreisförmigen Teilchenbeschleuniger ersetzen, in dem Ionen, also elektrisch geladene Atome, schnell auf immense Geschwindigkeit beschleunigt und ebenso schnell wieder abgebremst werden können. Und was machen wir mit dem Kasten und dem Stab? Brauchen wir gar nicht, stattdessen bauen wir den Teilchenbeschleuniger spiralförmig. Er fungiert dann sowohl als Kasten, Stange, Ring und Feder. Mit einem solchen spiralförmigen Teilchenbeschleuniger, der Ionen auf annähernde Lichtgeschwindigkeit bringt, könnten wir durch den massebeinflussenden Effekt der Lichtgeschwindigkeit also den Helical Drive Realität werden lassen. 

Das Problem mit der Energie

David Burns beschreibt das so: “Das Triebwerk beschleunigt die in einer Schleife eingeschlossenen Ionen auf mäßige relativistische Geschwindigkeiten und variiert dann ihre Geschwindigkeit, um ihre Masse leicht zu verändern. Das Triebwerk bewegt die Ionen dann entlang der Bewegungsrichtung hin und her, um Schub zu erzeugen.” Das klingt jetzt erst mal alles sehr durchdacht und raffiniert. Aber: Ein paar praktische Probleme gibt es doch. Einige Forscher haben nachgerechnet und kamen zu dem Schluss, dass das spiralförmige Gebilde gigantische Ausmaße haben müsste. Damit das Konzept funktioniert, müsste es etwa 200 Meter lang und zwölf Meter im Durchmesser sein. Das wäre sicherlich noch machbar, aber das größte Problem ist der Energieaufwand. Damit der Helix-Antrieb funktioniert, müsste man Unmengen an Energie hineinstecken. Denn er benötigt 165 Megawatt Leistung, um nur 1 Newton Schub zu erzeugen, was in etwa der Kraft entspricht, die man zum Tippen auf einer Tastatur benötigt. Also man müsste bereits große Mengen Energie investieren, um auch nur die Kraft eines Tippens auf einer Tastatur herauszubekommen. 

Andererseits könnte sich die Menge an Energie, die man reinstecken muss, im Vakuum des Weltraums reduzieren. Dennoch wird es wohl dabei bleiben, dass der Helix-Antrieb extremst energieineffizient bleibt. Aber das wichtigste ist: Der Helix-Antrieb würde funktionieren und er würde durch die Anwendung der speziellen Relativitätstheorie nicht das Aktion-Reaktionsprinzip verletzen und alleine dadurch hebt er sich schon von ähnlichen Konzepten wie beispielsweise dem sogenannten EM-Drive ab, der auf der Nutzung von Mikrowellen basiert, aber eben nach herrschender Meinung die newtonschen Gesetze verletzt. 

Bis wir wirklich einen praktisch einsetzbaren Helix-Antrieb haben, der uns zu den Sternen bringt, wird wohl noch etwas Zeit vergehen. Insbesondere brauchen wir dafür Durchbrüche in der Energieerzeugung, eventuell durch Kernfusion. Aber es ist ein erstes vielversprechendes Konzept und irgendwo muss man anfangen, um dann darauf aufzubauen.

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