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RELATIVITÄTSTHEORIE
Lichtgeschwindigkeit keine Konstante?
von Stefan Deiters
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13. Februar 2001

"Alles ist relativ", das ist für viele die Kernaussage von Einsteins Relativitätstheorie, obwohl die meisten vermutlich kaum das gesamte Gedankengebäude hinter diesem Satz erfasst haben. Nach Einstein gibt es allerdings eine unveränderliche Konstante: die Lichtgeschwindigkeit. Aber genau dies könnte sich, so glauben einige Physiker, als ein Irrtum herausstellen. 

Die konstante Geschwindigkeit des Lichtes ist einer der zentralen Elemente von Einsteins Relativitätstheorie. Entsprechend groß wären die Folgen, wenn sich herausstellen sollte, dass diese Annahme nicht richtig ist: "Wenn man tatsächlich beweisen könnte, dass die Lichtgeschwindigkeit keine Konstante ist, auch wenn es nur ganz geringe Abweichungen gibt, müsste man die Gesetzte der Physik, einschließlich der Relativitätstheorie dramatisch ändern", erläutert Dimitri Nanopoulos, Professor für Physik an der Universität von Texas und Chef der Arbeitsgruppe für Astro-Teilchenphysik am Houston Advanced Research Center

Der Wissenschaftler arbeitet mit Kollegen an einer Theorie der Quantengravitation, in der zwei der bedeutendsten physikalischen Theorien des 20. Jahrhunderts zusammengefasst werden sollen: die Quantenphysik, die die Vorgänge im Kleinen beschreibt und die Relativitätstheorie, die Raum, Zeit und Gravitation erklärt. Bisher ist es noch keinem gelungen diese beiden Theorien, durch eine übergeordnete Theorie zu ersetzen, doch glauben Nanopoulos und seine Kollegen, dass sie auf dem richtigen Weg sind.

Zusammen mit Nikolaos Mavromatos vom Londoner King's College und John Ellis vom European Center for Particle Physics (CERN) in Genf entwickelte Nanopoulos eine neue Formel für die Lichtgeschwindigkeit, die frequenzabhängig ist. "Allerdings", so erläutert der Physiker, "ist diese Anhängigkeit nur bei Licht zu bemerken, das von sehr weit entfernten Objekten kommt. Daher ist diese Abhängigkeit bis heute nicht aufgefallen."

Eine Möglichkeit zum Test dieser Hypothese bietet sich in der Beobachtung entfernter Galaxien: Man fängt Licht auf, das zur gleichen Zeit von dem entfernten Objekt ausgesandt wurde und schaut, ob etwa das Licht mit höherer Frequenz die Erde später erreicht. In der Formel der Forscher für die Lichtgeschwindigkeit findet sich die schon seit Newton bekannte Gravitationskonstante. Und durch die Messung von verzögerten Ankunftszeiten des Lichts verschiedener Frequenzen von insgesamt sechs astronomischen Objekten versuchte das Team diese Konstante aus ihrer neuen Formel zu berechnen. 

"Wir waren sehr angetan davon, dass wir tatsächlich einen Wert erhielten, der der Gravitationskonstante recht nahe kam", so Nanopoulos. "Das war unsere erste Überraschung: Man mischt eine Reihe von Daten zusammen, die nichts mit der Gravitationskonstante zu tun haben und erhält einen Wert der sehr dicht an dem erwarteten Wert liegt."

Einen zweiten Hinweis für die Frequenzabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit lieferten Ergebnisse des High Energy Gamma Ray Astronomy (HEGRA)-Experimentes auf der Kanaren-Insel La Palma. Dort hatten die Forscher sehr energiereiche Photonen entdeckt, die von der Galaxie Markarian 501 ausgesandt wurden. Diese hätten eigentlich zusammen mit weniger energiereichen Photonen reagieren und Elektronen/Anti-Elektronen-Paare bilden müssen. Nur konnte man diese mit dem Detektor auf La Palma nicht entdecken. "Durch Verwendung unserer frequenzabhängigen Formel für die Lichtgeschwindigkeit ist das erklärbar", erläutert Nanopoulos. "Die Energie der beiden Photonenarten reicht auch kombiniert nicht für die  ursprünglich erwartete Paarbildung aus."

"Diese Frequenzabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit ändert unser Bild von der Relativitätstheorie dramatisch", meint der Wissenschaftler. "Es ist außerdem das erste Mal, dass es eine Möglichkeit geben könnte, die Quantengravitation zu studieren und damit auch den Ursprung des Universums." Wenn sich seine Theorie bestätigen sollte müsse man, so betont Nanopoulos, Einsteins Relativitätstheorie allerdings nicht gleich über Bord werfen. Diese würde unter bestimmten Bedingungen weiterhin gültig bleiben - zum Beispiel dann, wenn die Entfernung zwischen zwei Objekten geringer ist als mehrere Millionen Lichtjahre ist.

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