Kwaku Ananse

Seit einem Jahrzehnt sorgen Nachrichten über Signalübertragung mit Überlichtgeschwindigkeit für Aufregung. Stellen diese Experimente die Relativitätstheorie in Frage, müssen wir bald den Besuch unserer Nachfahren aus der Zukunft erwarten, die durch Kenntnis der Lottozahlen von morgen den Jackpot knacken, oder gibt es Erklärungen, die das physikalische Weltbild wieder zusammenfügen?

Günter Nimtz, 1994 bekannt geworden durch die überlichtschnelle Übertragung von Mozarts 40. Sinfonie, und Astrid Haibel haben ein populärwissenschaftliches Buch geschrieben, in dem versucht wird, Antworten auf diese Fragen zu geben.

Inhalt des Buchs
Zunächst erklären die Autoren, was sie unter einem Tunnelprozess verstehen: Es gibt Vorgänge in der Natur, die dürften überhaupt nicht passieren, weil die dazu notwendige Energie nicht zur Verfügung steht. Ein Beispiel ist die in der Sonne ablaufende Kernfusion. Für eine „ordentliche” Fusion von Wasserstoff- zu Heliumkernen ist es dort nämlich viel zu kalt und der Druck ist zu gering. Auch der radioaktive Zerfall von Atomkernen oder das Verhalten von Elektronen in Halbleitern sind ohne Tunneleffekt nicht erklärbar. Mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit geschehen diese Ereignisse aber doch. In den letzten Jahren kam die Beobachtung hinzu, dass diese Vorgänge „instantan” ablaufen, d.h. egal wie geometrisch ausgedehnt der „Tunnel” für ein Teilchen ist, in demselben Augenblick, in dem es auf der einen Seite in den Tunnel eintritt, kommt es auf der anderen Seite wieder heraus.

Die beiden Autoren nehmen sich viel Zeit für die Einführung in das Thema, in den einleitenden Abschnitten werden Raum- und Zeitmaße erläutert. Über Raum (Abstände) und Zeit ist die Geschwindigkeit definiert. Die Entwicklung unserer Vorstellungen, beginnend von Newton über Einstein bis zur Quantenmechanik wird gezeigt. Danach werden einige Experimente vorgestellt, in denen eine Übertragung schneller als das Licht stattgefunden hat. Genaue Messungen haben inzwischen bewiesen, dass sich Teilchen im Tunnel nicht nur schneller als das Licht, sondern sogar unendlich schnell bewegt haben, die verbrauchte Zeit ist null.

Probleme mit der Kausalität?
In der Relativitätstheorie nimmt die Lichtgeschwindigkeit eine besondere Rolle ein. Wenn sich ein Teilchen mit einer Geschwindigkeit kleiner als der des Lichts bewegt, dann kann es niemals Lichtgeschwindigkeit erreichen. Hat ein Teilchen (zum Beispiel ein Photon) aber diese Geschwindigkeit, dann kann es niemals langsamer werden, ohne zerstört zu werden. Die Wechselwirkungen zwischen Teilchen und in physikalischen Feldern laufen ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit ab.

Scheinbar verbietet die Relativitätstheorie höhere Geschwindigkeiten. Es gibt ein Rechenbeispiel, bei dem einem Raumschiff ein überlichtschnelles Signal gesendet wird und dieses daraufhin ein ebenfalls überlichtschnelles Signal zurücksendet. Entfernt sich dieses Raumschiff zusätzlich mit einer sehr hohen Geschwindigkeit vom Sender, dann ergeben die Gleichungen, dass das Antwortsignal vor dem Absenden des ersten Signals, d.h. in der Vergangenheit eintreffen müsste.

Vor den Überlichtexperimenten waren solche Berechnungen der Grund, die Lichtgeschwindigkeit für die größtmögliche zu halten, jetzt ist das nicht mehr möglich. Das für mich wichtigste Kapitel des Buchs „Kausalität” bietet eine Lösung dieses Widerspruchs. Die Erklärung der beiden Autoren Nimtz und Haibel besteht darin, dass ja der Beginn eines Signals nicht gleichbedeutend mit dem Empfang der darin enthaltenen Informationen ist. Während in dem Raumschiffbeispiel von einem punktförmigen Signal ausgegangen wurde, das hin und hergesendet wird, hat ein reales Signal immer eine zeitliche Ausdehnung. Je kleiner diese ist, umso ausgedehnter ist es dafür im Frequenzbereich, d.h. umso größer ist die benötigte Bandbreite und Energie. Das bedeutet: Je weiter man das Signal in die Vergangenheit schicken möchte, durch einen längeren Tunnel oder durch ein kürzeres Signal, umso stärker fallen Dispersion und Bandbreitenbegrenzung jedes Tunnels ins Gewicht. Man benötigt im Gegenteil ein immer längeres Signalstück für die Rückgewinnung der übertragenen Information. Natürlich wird das im Buch nicht berechnet, aber ich bin mir nach dem Lesen absolut sicher, dass man zeigen kann, dass die theoretisch schnellste Dekodierung der Antwort am Sendeort erst abgeschlossen ist, wenn das Signal von dort bereits abgesendet wurde.

Es war für mich sehr interessant zu lesen, dass die Auflösung eines Widerspruchs zwischen Relativitäts- und Quantentheorie durch die Signal- bzw. Informationstheorie erfolgen kann. Vielleicht liegt ja genau hier der Schlüssel, Relativitäts- und Quantentheorie zu vereinigen?

Jedenfalls bietet auch der experimentelle Nachweis von Überlichtgeschwindigkeit keinen Anlass, an der Kausalität der Welt zu zweifeln oder gar einen monadischen Solipsismus zu fürchten. Um mit Einstein zu sprechen, der eigens dafür im Buch zitiert wird:

Raffiniert ist der Herrgott, aber boshaft ist er nicht.

Möglicher Leserkreis
Weil man davon ausgehen kann, dass ein dünnes Physikbuch für 30 € ohnehin alle Leute abschreckt, die Zweifel an ihrem eigenen Interesse für Relativitätstheorie und Überlichtgeschwindigkeit haben, es aber sehr gut lesbar ist, darf man es den wenigen wahren Enthusiasten uneingeschränkt empfehlen.

Kategorien: Bücher, Physik