26.09.2011

PHYSIK

Reise in die Vergangenheit

Von Schmundt, Hilmar

Haben Physiker Geisterteilchen gemessen, die sich schneller fortbewegen als das Licht? Wenn das wahr wäre, müssten die Naturgesetze umgeschrieben werden.

Tief im Innern des Gran-Sasso-Massivs unweit von Rom, wo sich Autos durch einen düsteren Tunnel quälen, hat sich ein gravierender Verstoß gegen ein Tempolimit zugetragen. Physiker haben dort Teilchen aufgefangen, die sich womöglich schneller bewegten, als es die Natur erlaubt.

1400 Meter unter Tage haben die Forscher des "Opera"-Experiments eine Messstation aufgebaut, um einen Teilchenstrom aufzufangen, der vom Beschleuniger-Zentrum Cern bei Genf in ihre Richtung geschleudert wird - rund 730 Kilometer weit durch die Erdkruste hindurch.

Neutrinos heißen die von einem Teilchenbeschleuniger erzeugten Geisterpartikel, die so gut wie keine Masse besitzen und ungehindert jeden Fels durchdringen. Für die Strecke Genf-Rom brauchten die Neutrinos nur 2,4 Millisekunden - und waren 60 Nanosekunden schneller als das Licht. Über 15 000 Teilchen wurden gemessen - allesamt mit verboten hohem Tempo.

Schneller als das Licht zu reisen verstößt eindeutig gegen die geltenden Naturgesetze; denn im Universum, besagt Albert Einsteins Relativitätstheorie, herrscht ein absolutes Tempolimit. Kein massetragendes Teilchen vermag sich demnach schneller als 300 000 Kilometer pro Sekunde fortzubewegen, unter anderem, weil es dann unendlich schwer werden würde. Müssen nun also die Lehrbücher umgeschrieben werden?

Leidenschaftlich wurden derlei Fragen vorigen Freitagnachmittag am Cern diskutiert. Bereits einen Tag zuvor hatten die beteiligten Forscher ihre Messergebnisse zur Diskussion gestellt, im offenen Wissenschaftsforum "arXiv".

Seither ist die Fachwelt in heller Aufregung: "Wenn sich das bestätigen sollte, wäre das ein unfassbares Ereignis", sagte der Oxford-Physiker Subir Sarkar. Alan Kostelecky, Professor für Theoretische Physik an der Indiana University in Bloomington, sprach gar von einem "Riss im Gebäude der Physik".

Sich schneller als das Licht zu bewegen, das ist der Stoff, aus dem Science-Fiction-Träume sind. Wer das Licht und den Rest der Materie überholen kann, vermag in die Vergangenheit zu reisen - bei Überlichtgeschwindigkeit würden Uhren gleichsam rückwärtslaufen. Viele Zukunftsromane spielen lustvoll mit dem Gedanken, wie das Überholen der Lichtgeschwindigkeit es ermöglichen würde, beliebig mit einer Zeitmaschine in die Vergangenheit zu reisen.

Doch derartige Gedankenexperimente führen schnell in verwirrende Zeitparadoxien. Was geschähe etwa, wenn ein Zeitreisender in der Vergangenheit noch vor der eigenen Zeugung seinen künftigen Vater töten würde - und damit nie geboren worden wäre, um in die Vergangenheit aufzubrechen?

Wer die Ausnahmestellung der Lichtgeschwindigkeit nicht respektiert, wirft folglich nicht nur ein Tempolimit über Bord, sondern hebelt das Prinzip von Ursache und Wirkung aus - die Basis jeder Welterkenntnis. "Die Ursache kann nicht nach der Wirkung kommen", sagt Subir Sarkar. "Wenn wir keine Kausalität mehr haben, sind wir erledigt."

Weil es ums große Ganze geht, geben sich die Opera-Forscher denn auch betont vorsichtig. "Wir haben versucht, alle möglichen Fehler zu finden", erklärte Opera-Sprecher Antonio Ereditato, "einfache Fehler, komplizierte Fehler, bösartige Nebeneffekte, aber da war nichts."

Schließlich entschloss sich Ereditatos Team, einfach die bisherigen Messergebnisse zu veröffentlichen, um sie weltweit von anderen Physikern überprüfen zu lassen.

Einige der weit über hundert Mitarbeiter finden den ungewöhnlichen Hilferuf übereilt - und setzten ihren Namen nicht unter die Veröffentlichung. "Ich war dafür, dass wir intern weiter nach Fehlern suchen", sagt etwa Caren Hagner, Professorin an der Universität Hamburg und Mitarbeiterin bei Opera, "aber so etwas kann natürlich sehr lange dauern."

Auch bei der Krisensitzung am Cern Ende voriger Woche ging es ausschließlich um die Fehlersuche: Stimmt die Distanzmessung? Stimmt die Zeitmessung?

Als einer vorschlug, auch über die wissenschaftshistorischen Implikationen des Experiments zu sprechen und damit natürlich über die Frage, ob Einstein widerlegt worden sei, kam nur Gelächter aus dem Auditorium. Zugleich aber gab es viel Lob für die bislang unerreichte Genauigkeit der Opera-Messung.

Die Physiker haben penibel gearbeitet, um methodische Hindernisse auf der Neutrino-Rennstrecke zwischen Genf und Rom zu beseitigen. So maßen sie sogar nach, ob ein Erdbeben in der nahegelegenen Stadt L'Aquila eine leichte Verschiebung in der Erdkruste ausgelöst und damit den Weg für die Neutrinos beeinflusst hat. Und tatsächlich veränderte das Beben die Strecke um sieben Zentimeter. Doch auch das konnte den unmöglichen Geschwindigkeitsrekord nicht erklären.

Wann also wird das Rätsel der spukhaften Raser gelöst sein? "Das könnte gut ein, zwei Jahre dauern", schätzt Rolf Nahnhauer vom Desy-Forschungszentrum in Zeuthen bei Berlin, der am Südpol ein riesiges Neutrino-Observatorium mitbetreibt.

Andere Forschungsgruppen werden nun wohl versuchen, die Opera-Ergebnisse mit eigenen Experimenten zu überprüfen. Vor allem Physiker vom Fermilab-Forschungszentrum bei Chicago dürften bald einen Neutrino-Strahl über fast dieselbe Distanz schicken wie die Europäer - 735 Kilometer bis tief in eine ehemalige Eisenmine.

Ein anderes Vergleichsexperiment hat in der Vergangenheit bereits die Natur selbst geliefert. 1987 wurde in der Großen Magellanschen Wolke eine Supernova-Explosion beobachtet - das lange zurückliegende Sterben eines Sterns. 168 000 Jahre lang war der freigesetzte Strahlungsblitz mit Lichtgeschwindigkeit durchs All gesaust, bis er die Erde erreichte.

Die Astrophysiker stoppten nicht nur das Eintreffen des Lichtblitzes, sondern auch die Ankunft der gleichzeitig durch die Supernova freigesetzten Neutrinos. Wären sie so schnell gerast, wie es im italienischen Tunnel gemessen wurde, hätten die Geisterpartikel Jahre vor dem Blitz die Erde erreichen müssen.

Stattdessen kamen Licht und Neutrinos nahezu zeitgleich an.


DER SPIEGEL 39/2011
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