Ausgabe: 2/2003, Seite 56  

TACHYONEN – SCHNELLER ALS LICHT

Sie fliegen in der Zeit zurück, werden immer schneller, wenn man sie abbremst und haben abstruse Konsequenzen: Tachyonen. Physiker erkunden ihr bizarres Reich, das ein Drittel der Wirklichkeit ausmachen soll, aber niemals betreten werden kann.

Ulrich Walter
 

Auf seinem T-Shirt prangt ein Verbotsschild, aber Robert Ehrlich ist ein sehr toleranter Mann. „Ban tardycentrism“, steht da in großen Buchstaben, „Tardyzentrismus verboten“. Der Physik-Professor an der George Mason University in Fairfax, Virginia, genießt die irritierten Blicke seiner Mitmenschen. Nur wenige sind mit Tardyonen vertraut – neuerdings auch Bradyonen genannt –, obwohl sie diese ständig am und im Körper tragen. Denn der Begriff umfasst alle Teilchen, die eine Masse haben und langsamer als Lichtgeschwindigkeit sind. Dem stehen die Luxonen gegenüber – Partikel ohne Ruhemasse, die sich lichtschnell bewegen. Dazu gehören neben den Photonen („Lichtteilchen“) auch die noch hypothetischen Gravitonen, die Überträger der Schwerkraft. Doch Ehrlich will nicht glauben, dass sich die Fülle der Welt schon mit Tardyonen und Luxonen erschöpft. Denn dann würde ein Drittel der Möglichkeiten schlicht fehlen: das Reich überlichtschneller Teilchen. Für dieses hat der an der Columbia University in New York arbeitende Physiker Gerald Feinberg 1967 den Namen Tachyonen geprägt (von griechisch „tachys“: schnell). Ehrlich streitet dafür, diesem physikalischen Reich nicht einfach aufgrund eines intoleranten Tardyzentrismus die Existenzberechtigung abzusprechen.

Die Idee der Tachyonen ist freilich viel älter. Schon vor mehr als zwei Jahrtausenden hat der römische Dichter Lukrez über Teilchen spekuliert, die schneller als das Licht aus der Sonne flitzen. Doch erst 1962 fanden sie einen Platz in der modernen Physik. Olexa-Myron P. Bilaniuk, V. K. Deshpande und E. C. George Sudarshan formulierten damals die Hypothese, dass es Partikel geben könnte, die sich ab dem ersten Moment ihrer Entstehung in einer subatomaren Teilchenreaktion stets überlichtschnell bewegen. Die Lichtgeschwindigkeit wäre also eine unüberwindliche Barriere sowohl für Tardyonen (nach oben) als auch für Tachyonen (nach unten).

Tachyonen widersprechen der Speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein nicht, da diese nur besagt, dass es für Körper mit Masse unmöglich ist, die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit c (299792,458 Kilometer pro Sekunde) zu erreichen, egal wie viel Energie und Zeit man dafür einsetzt. „Tachyonen sind mit allen Gleichungen der Relativitätstheorie vereinbar“, sagt Ehrlich. „Sie verletzen aber den ,Geist‘ der Theorie, die die Existenz eines absoluten Bezugssystems verneint. Tachyonen könnten einen solchen Bezugsrahmen definieren helfen, denn mit ihrer fast unendlichen Geschwindigkeit wäre es theoretisch möglich, alle Uhren eines solchen Systems zu synchronisieren.“

Dennoch will es sich Ehrlich keinesfalls so leicht machen wie zum Beispiel das renommierte sechsbändige „Lexikon der Physik“ (Spektrum Akademischer Verlag), das Tachyonen gerade zwei abschlägige Sätze widmet: Tachyonen: hypothetische Elementarteilchen, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen. Tachyonen sind ein beliebtes Thema der Science-Fiction-Literatur, werden aber in physikalischen Theorien nicht betrachtet, da sie im Widerspruch zur Speziellen Relativitätstheorie stehen.“

Tatsächlich wären Tachyonen nicht die ersten Teilchen, deren Existenz aus theoretischen Gründen vorhergesagt wurde, bevor ihr experimenteller Nachweis glückte. Nobelpreisgekrönte Beispiele sind Positronen, Antiprotionen, Omega-Minus-Teilchen, Z- und W-Bosonen, die drei Sorten von Neutrinos und die sechs Sorten von Quarks. Freilich kamen sie alle bereits in einer ausgearbeiteten physikalischen Theorie vor oder ergaben sich, wie im Fall der Neutrinos, als Konsequenzen experimenteller Befunde. Doch haben Physiker inzwischen so viele interessante Eigenschaften von Tachyonen – zumindest in der Theorie – entdeckt und auch mit großem Aufwand nach ihnen gesucht, dass Ehrlich zwei abwiegelnde Sätze in einem sonst so umfassenden Lexikon einfach armselig erscheinen.

Untersucht man die Gleichungen der Speziellen Relativitätstheorie, zeigt sich, dass sie tatsächlich ein Schlupfloch für überlichtschnelle Teilchen lassen: wenn deren Ruhemasse m nämlich imaginär ist. Sie wäre dann weder positiv noch negativ, sondern etwas anderes. Mathematisch gesprochen gälte weder m > 0 noch m < 0, sondern m2 < 0. Das ist theoretisch genauso sinnvoll wie die Behauptung, die imaginäre Zahl i sei die Lösung des scheinbar unlösbaren Problems „Wie lautet die Wurzel aus der Zahl –1?“. Sie existiert innerhalb der uns vertrauten reellen Zahlen nicht. Definiert man aber i2 = –1, dann gibt es sie doch. Damit verlässt man die reelle Zahlenwelt und vereinigt reelle und imaginäre Zahlen zum „komplexen Zahlenraum“. So lassen sich ganz reale Probleme knacken, die sonst nur schwer oder gar nicht lösbar sind. Von diesem Trick lebt ein sehr angesehener Bereich der höheren Mathematik, die Funktionentheorie.

Besonders bizarr ist, dass die Eigenzeit der Tachyonen gerade umgekehrt zu unserer verläuft. Nichts zeigt deutlicher, wie relativ die Zeit ist. Wenn Tachyonen mit Tardyonen wechselwirken, hieße dies aber, dass sich mit ihnen Signale zeitlich rückwärts übertragen lassen. Man könnte beispielsweise Morse-Zeichen in die Vergangenheit senden. Für die Science-Fiction ist das natürlich ein faszinierendes Thema, von dem auch ausgiebig Gebrauch gemacht wurde, etwa in John Carpenters Film „The Prince of Darkness“ oder in Gregory Benfords Roman „Zeitschaft“. Auch in „Star Trek“ spielten Tachyonen mehrmals eine Rolle. Schon in den sechziger und siebziger Jahren erkannten Physiker die paradoxen Kommunikationsmöglichkeiten, die sich ergeben, wenn Tachyonen irgendwie mit Tardyonen in Kontakt treten könnten. Dann wäre beispielsweise ein Antitelefon möglich, mit dem man Informationen zurück in die Vergangenheit senden könnte, was dem Kausalitätsprinzip widerspräche.

Eine krasse Form dieses Paradoxons wäre eine Tachyonen-Selbstzerstörungsmaschine. Sie könnte etwa so programmiert sein, dass sie sich automatisch um 2 Uhr in die Luft sprengt, wenn sie um 1 Uhr den Befehl dazu erhält, den sie selbst um 3 Uhr ausgesendet hat. (Achtung: Die Grammatik unserer Sprache ist schlecht geeignet, solche zeitlichen Verwirrspiele deutlich wiederzugeben – aber vielleicht erfinden künftige Grammatiker ja einmal ein futurisches Präsens Plusquamperfekt, wenn sie mit ihren Kollegen aus anderen Zeiten telefonieren wollen.) Weil das um 3 Uhr losgeschickte Tachyonen-Signal in der Zeit zurückläuft, könnte es tatsächlich um 1 Uhr bei der Maschine eintreffen. Angenommen, sie sendet um 3 Uhr das Signal ab, dann erreicht es sie um 1 Uhr, und sie explodiert um 2 Uhr. Dann hätte sie aber um 3 Uhr keinen Selbstzerstörungsbefehl geben können. Auch umgekehrt entsteht ein logischer Widerspruch: Erhält die Maschine um 1 Uhr ein Zerstörungssignal und sprengt sich in die Luft, dann konnte sie um 3 Uhr kein Signal aussenden, das sie um 1 Uhr erreichte. Kurz: Die Maschine explodiert dann und nur dann, wenn sie nicht explodiert.

Schon der Tachyonen-Täufer Gerald Feinberg sagte angesichts solcher logischen Kapriolen, dass dies „der schwerwiegendste Einwand“ gegen die Existenz dieser Partikel sei. „Das steht in offensichtlichem Gegensatz zu der natürlichen Einstellung, dass man frei ist zu entscheiden, welches Experiment man tun möchte, bis zum Zeitpunkt, an dem man es tatsächlich tut.“ Wie rein mechanische Beispiele zeigen, muss man sich aber gar nicht auf einen ominösen freien Willen der Experimentalphysiker berufen, um Paradoxien zu erzeugen, sondern die Natur könnte dies auch ganz von selbst einrichten. Viele Wissenschaftler schlossen daraus, dass Tachyonen eine widersprüchliche Vorstellung sind und deshalb nicht existieren können.

Doch vielleicht haben Physiker die Tachyonenwelt noch nicht vollständig verstanden, weil die Relativitätstheorie keine allumfassende Theorie ist, sondern mit der Quantentheorie zu einer „Weltformel“ vereinigt werden muss. Dagegen spricht allerdings die Erfahrung. Beide Theorien haben uns bislang ein konsistentes Bild der Natur geliefert. Erst an den Grenzen ihres Gültigkeitsbereichs und jenseits davon ist eine neue Theorie notwendig, die die Vorgänger ergänzen wird, ihnen innerhalb ihres Gültigkeitsbereichs jedoch nicht widersprechen darf. Wenn die Tachyonen wirklich existieren, sollten sie also bereits innerhalb der Relativitätstheorie ein konsistentes Bild liefern. Doch wenn Tachyonen zu unauflösbaren Widersprüchen führen, wäre dies ein starkes Indiz dafür, dass sie eine Fiktion sind. Es gäbe dann nur ein Universum (oder viele) mit Tardyonen und Luxonen – und weiter nichts.

Andere Forscher wie Robert Ehrlich sind nicht bereit, das Kind mit dem Bad auszuschütten – das heißt die Tachyonen mit den Zeitparadoxien: „Die Natur hätte einen Weg gefunden, so absurde Möglichkeiten und all die damit verbundenen Paradoxien zu eliminieren.“ Soll heißen: Wenn Tachyonen existieren, sind Sendungen in die Vergangenheit unmöglich oder zumindest sehr unwahrscheinlich. So könnte die Komplementarität von Wellen und Teilchen in der Quantenphysik verhindern, dass sich mit Tachyonen Informationen übertragen lassen. Manche Forscher glauben sogar, dass Tachyonenwellen oder lokalisierte Tachyonen im Wellenzug selbst unterlichtschnell wären.

Andere Wissenschaftler wie Lawrence Schulman von der amerikanischen Clarkson University sind noch toleranter und lassen sogar Botschaften in die Vergangenheit zu, ohne die Physik in einen logischen Trümmerhaufen zu verwandeln.

Boshafte Zeitgenossen führen hartgesottene Skeptiker, die Warp-Antriebe, Wurmlöcher und Tachyonen vielleicht für unterhaltsam, aber physikalisch für vollkommen ausgeschlossen halten, manchmal mit einer Wette aufs Glatteis, indem sie behaupten, dass Überlichtgeschwindigkeiten dennoch existieren und schon häufig gemessen wurden. Dies stimmt tatsächlich, denn die Lichtgeschwindigkeit ist zwar eine universelle Naturkonstante und Grenzgeschwindigkeit, aber eben nur im Vakuum. Wenn Licht durch transparente Stoffe wie Glas oder Wasser strahlt, wird es langsamer. Und Teilchen wie Elektronen oder Neutrinos können ein solches Medium schneller durchqueren als das Licht. Dabei senden sie Tscherenkow-Strahlung aus. Dieses bläuliche Leuchten wurde 1934 von dem russischen Physiker Pawel Alexejewitsch Tscherenkow entdeckt und ist ein Pendant zu dem Überschallknall, den ein Düsenflugzeug beim Durchbrechen der Schallmauer erzeugt.

Wenn Tachyonen elektrisch geladen wären, würden sie Tscherenkow-Strahlung aussenden. Das wäre die einfachste Möglichkeit, ihre Existenz nachzuweisen. Doch dies ist trotz intensiver Suche seit den sechziger Jahren und einiger Falschmeldungen noch niemandem gelungen. Deshalb gehen selbst die leidenschaftlichsten Tachyonen-Verfechter davon aus, dass die Teilchen elektrisch neutral sind. Damit erledigt sich auch ein weiteres Problem: Bei der Abgabe von Tscherenkow-Strahlung würden Tachyonen Energie verlieren und dabei schneller werden. Das könnte zu einer ausufernden Kettenreaktion führen und das Vakuum instabil machen – denn eine größere Geschwindigkeit erzeugt eine stärkere Tscherenkow-Strahlung, bis schließlich die Tachyonen unendlich schnell und ihre Lichtblitze außerordentlich stark würden.

Tachyonen könnten aber auch anderweitig mit gewöhnlicher Materie wechselwirken und sich dadurch bemerkbar machen. Ein Energieverlust bei Teilchen-Umwandlungen wäre beispielsweise ein indirektes Indiz. Oder es kommt zu Streu-Effekten, wenn Tachyonen der starken oder schwachen Kernkraft unterliegen. Ersteres ist experimentell inzwischen ausgeschlossen, aber eine schwache Wechselwirkung erscheint noch möglich, wenn die imaginäre Ruhemasse der Tachyonen sehr gering wäre.

Dann gäbe es vielleicht Hoffnung auf Tachyonen-Triebwerke. Denn unendlich schnelle, masse- und energielose Tachyonen haben – wie Photonen – einen endlichen Impuls. Und der impliziert Rückstoß. Nötig wäre nur eine halb offene Kammer am Heck des Raumschiffs, ein Tachyonen-Generator in der Mitte sowie ein Hauptschalter in der Zentrale mit den Stellungen „Ein“ und „Aus“. Die aus dem Generator huschenden Tachyonen würden zwar aufgrund des Gesetzes von der Impulserhaltung mit Gesamtimpuls null erzeugt, aber das ist kein Problem. Denn bei der Zündung von konventionellem Treibstoff geschieht dies auch: Teile, die vorne auf die Reaktionskammer prallen, treiben das Raumschiff voran, die anderen strömen ungeschoren hinten aus der Kammer. Darauf basiert das Rückstoßprinzip.

Bislang ist es nicht ausgeschlossen, dass Tachyonen mit der uns vertrauten Welt wechselwirken. Auch Tardyonen und Luxonen sind ja nicht isolierte Reiche, denn gewöhnliche Materie mit Masse kann Licht erzeugen, und Licht kann sich in Materie mit Masse umwandeln. Vielleicht verhält es sich mit Tachyonen ähnlich. Allerdings gibt es ein Problem: Die gravitative Wechselwirkung wird durch das Produkt der beteiligten Massen beschrieben. Wenn eine davon imaginär ist, wird die gesamte Kraft imaginär. Was aber ist eine imaginäre Kraft in einer realen Welt?

Auch sind manche Physiker ganz froh, dass selbst unsere hoch entwickelte Experimentaltechnik keinen Hinweis auf Tachyonen gefunden hat. Womöglich wäre das Universum vor lauter Tscherenkow-Blitzen sonst extrem lebensfeindlich. Oder es würden merkwürdige Dinge geschehen: Wir würden mit Botschaften aus der Zukunft bombardiert, und es gäbe ein heilloses Durcheinander, weil eindeutige Ursachen und Wirkungen nicht existierten – nichts wäre kalkulierbar, die Welt wäre ein völliges Chaos.

Tachyonen ohne jegliche Wechselwirkung mit Materie oder Licht wären jenseits der Reichweite unserer Erfahrung. Doch selbst das beweist nicht, dass sie nicht existieren, denn die Tachyonen-Welt könnte ja, mathematisch gesprochen, senkrecht zu unserer Welt stehen. Und es wäre unmöglich, von einer Welt in die andere zu gelangen, weil die Lichtgeschwindigkeit eine unüberwindliche Barriere darstellt. Tardyonen und Tachyonen existieren dann in getrennten Welten – wie die beiden Königskinder im Märchen, die nie zusammenkommen können.

John Richard Gott III von der Princeton University spekulierte darüber, dass mit dem Urknall nicht nur ein Universum entstand – unser eigenes –, sondern gleich drei: Unseres mit einem Überschuss an Materie sowie vorwärtslaufender Zeit, ein zweites mit einem Überschuss an Antimaterie und einem entgegengesetzten Zeitpfeil, und ein drittes, das nur aus überlichtschnellen Tachyonen besteht. Unser Universum ist vom Antimaterie-Universum zeitlich, vom Tachyonen-Universum dagegen räumlich getrennt. Aber möglicherweise enthält jedes der Universen ein paar Spuren der anderen.

Vielleicht sind wir nicht nur von Tachyonen umgeben, sondern kennen diese Partikel sogar schon lange – als Neutrinos. Physiker um Alan Kostelecky´ von der Indiana University in Bloomington haben mit dieser kühnen Vermutung 1985 für Aufmerksamkeit gesorgt. Neutrinos, deren Erforschung der Schwedischen Akademie der Wissenschaften letztes Jahr die Hälfte des Physik-Nobelpreises wert war, wechselwirken mit Materie kaum. Der Lehrmeinung zufolge haben diese Geisterteilchen nur eine winzige Ruhemasse und sind fast so schnell wie das Licht. Doch Kostelecky´ und Ehrlich glauben, dass die Partikel überlichtschnelle Tachyonen sein könnten. „Wenn das Neutrino ein Tachyon ist, dann müssen hochenergetische Protonen in Neutronen, Positronen und Elektron-Neutrinos zerfallen“, sagt Ehrlich.

Der Nachweis eines solchen Zerfalls wäre also ein ausgezeichnetes Indiz für die Existenz der Tachyonen. Ein Schlüssel zu ihrer Entdeckung wäre die Kosmische Strahlung. Ständig wird die Erde mit Teilchen aus dem All bombardiert. Ihre Energie ist zuweilen mehr als eine Million mal höher als alles, was selbst die stärksten Teilchenbeschleuniger leisten können. Bei etwa 4,5 Petaelektronenvolt (Billiarden Elektronenvolt) hat das Energiespektrum der Kosmischen Strahlung einen Knick. Die Zahl der Partikel mit höherer Energie fällt hier steiler ab als bei niedrigerer Energie. Das wird üblicherweise auf einen anderen Entstehungsmechanismus dieser Partikel zurückgeführt.

Doch Robert Ehrlich provozierte seine Kollegen kürzlich mit einer alternativen Erklärung. Er glaubt, dass in diesem Energiebereich Protonen zerfallen und dabei Tachyonen aussenden. Der Betrag ihrer Masse |m| (mit |m| = ?–m2) von 0,5 plus/minus 0,25 Elektronenvolt geteilt durch das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit wäre mit den bekannten Neutrino-Daten vereinbar. Wenn Ehrlich Recht hat, müssten Neutronen mit einer Energie von 4,5 plus/minus 2,2 Petaelektronenvolt existieren. Zwar haben freie Neutronen nur eine Halbwertszeit von 890 Sekunden, doch könnten sie darin auf Grund der relativistischen Zeitdilatation infolge ihrer hohen Geschwindigkeit 100 Lichtjahre zurücklegen.

Und bei einer noch viel höheren Energie der ursprünglichen Protonen käme eine Zerfallskette in Gang, bei der sich ein Proton in ein Neutron umwandelt, dieses wieder in ein Proton, dieses erneut in ein Neutron und so weiter mit ständig abnehmender Energie. Dann könnten sich sogar Neutronen aus entlegenen Winkeln der Galaxis zur Erde verirren.

Ehrlichs Tachyonen-Modell ist somit überprüfbar. Tatsächlich gibt es Messungen von zwei Röntgen-Doppelsternen, Hercules X-1 und Cygnus X-3, aus den achtziger Jahren, bei denen Ehrlich Anzeichen von Neutronen im vorhergesagten Energiebereich auszumachen glaubt. Dass neuere präzisere Daten den Effekt nicht mehr zeigen, könnte auf Messfehler damals hindeuten oder auf ein Verstummen des Senders. Inzwischen sind noch empfindlichere Detektoren in Betrieb, und Ehrlich wartet gespannt auf neue Daten: „Physiker sollten offen für die Möglichkeit sein, dass es überlichtschnelle Partikel gibt. Da ihre Existenz eine experimentelle Fragestellung ist, sollten wir kein Vorurteil gegen die Idee haben. Jeder Tardyzentrismus macht uns blind gegenüber den Möglichkeiten, wie Tachyonen sich enthüllen könnten.“


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