Lichtgeschwindigkeit tatsächlich die Obergrenze?

19 Antworten

Hallo Neoraxios,

Die Wissenschaft ist derzeit der Meinung,

Äh... naturwissenschaftliche Fragen sind eigentlich keine Meinungsfragen. Naturwissenschaftler stützen ihre Aussagen auf Beobachtungen.

Dass die Lichtgeschwindigkeit für Massen eine unerreichbare Geschwindigkeitsgrenze darstellt, zeigen zum Beispiel alle Experimente am CERN, wo wir die Protonen nach einem Vorbeschleuniger bereits mit 99,99% c in den LHC jagen, nur um die ganze gigantische Energie des LHC aufbringen zu müssen, damit sie dann 99,9999% c drauf haben.

Aber der Reihe nach.

Erst einmal sollte man genau anschauen, was die Spezielle Relativitätstheorie eigentlich aussagt. Die sagt nämlich keineswegs, dass "nichts" schneller als das Licht sein kann.

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist vielmehr eine obere Grenzgeschwindigkeit für die Bewegung von normaler Materie oder Information durch den Raum. Für Massen ist sie dabei unerreichbar, Information kann mit exakt c übertragen werden.

Für alle anderen Fälle kann Überlichtgeschwindigkeit durchaus erreicht werden.

Beispiele, die erlaubt wären, sind etwa

  • Hättest Du einen extrem starken Laser, dann könntest Du damit herumwedeln und in großer Entfernung von Dir ändert der Lichtpunkt mit Überlichtgeschwindigkeit seine Position. Du könntest z.B. den Laserpunkt auf dem Mond mit Überlichtgeschwindigkeit herumwandern lassen, wenn Du auf der Erde "wedelst". Zwischen den überstrichenen Punkten der Mondoberfläche wird keine Information übertragen - und deshalb ist das kein Verstoß gegen die Lichtgeschwindigkeit als Obergrenze.
  • Beim quantenmechanischen Tunneleffekt können Teile von Wellenpaketen die Tunnelbarriere schneller als c überwinden. Auch kein Verstoß gegen Einsteins Regel, weil der Trick hier beim Unterschied von Gruppengeschwindigkeit und Phasengeschwindigkeit liegt.
  • Weit entfernte Galaxien entfernen sich von uns mit Überlichtgeschwindigkeit. Das ist kein Verstoß gegen die Lichtgeschwindigkeitsobergrenze, weil sowohl wir als auch die entfernte Galaxie relativ zu unserer Umgebung ruhen. Die Fluchtbewegung kommt durch die Entstehung neuer Raumzeit zwischen uns und dort zustande.

Und damit sind wir bei der Expansion des Universums und dem Urknall angekommen.

Wenn man die Theorien so anwendet, wie Sie existieren, dann hätte sich das Licht des Urknalls schneller ausbreiten müssen als das Universum selbst? Befindet sich hinter dem Universum also nichts weiter als reines Licht des Urknalls?

Nein.

Zunächst einmal gibt es kein "außerhalb" oder "hinter" oder einen "Rand" des Universums. Ich habe das hier

https://www.gutefrage.net/frage/was-passiert-wenn-man-das-ende-des-universums-erreicht

mal versucht, genauer zu erklären.

Zweitens addiert sich die Ausdehnungsrate des Raumes auf große Entfernungen eben sehr wohl zu Entfernungszuwachsen auf, die über der Lichtgeschwindigkeit liegen.

Beim Urknall hat möglicherweise sogar eine noch extrem schnellere Ausdehnung stattgefunden, die sogenannte Inflation, die innerhalb von weniger als 10^-32 Sekunden das Volumen des Universums auf das 10^50 fache ausgedehnt hat.

Und drittens ist mit dem winzigen Volumen des Universums beim Urknall das beobachtbare Universum gemeint: Das heutige beobachtbare Universum nahm beim Urknall ein winziges Raumvolumen ein... und dahinter sind einfach nur die Teile des Universums, die wir nicht beobachten können.

Grüße

Woher ich das weiß:Studium / Ausbildung – Diplom in Physik, Schwerpunkt Geo-/Astrophysik, FAU

Ich staune...
Du musst die Schwester von Harald Lesch sein ;-)

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@JoGerman

Wenn schon, dann doch umgekehrt: Harald ist der Bruder von Ute ...

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Super Post. Selten so etwas informatives auf GF gelesen. Allerdings in einem Punkt irrst du, wenn ich mich nicht irre:

Ich denke nicht, dass der Laserpunkt sich auf dem Mond mit Überlichtgeschwindigkeit bewegt, da die Strahlen des Lasers, die sich selbst nur in Lichtgeschwindigkeit zum Mond bewegen, dementsprechend zeitverzögert zum Mond gelangen und sich der Punkt auf dem Mond dementsprechend zeitverzögert auf dem Mond bewegt.

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@u3070

Doch, das ist so. Mach dir eine Skizze und schau was passiert.

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@u3070

Natürlich kommt jedes einzelne vom Laser ausgesandte Photon erst nach etwa 1.3 Sekunden auf dem Mond ein. Da diese Zeitverzögerung aber für jedes Photon gleich ist, ändert sich auch gar nichts an der Geschwindigkeit, mit der da der Laserpunkt (bzw. -Fleck) über die Mondoberfläche huscht.

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@rumar

Ich habe mal noch die Rechnung durchgeführt. Damit der Laserfleck gerade mit Lichtgeschwindigkeit über die Mondoberfläche saust, muss man die Richtung des Laserpointers ungefähr mit der Winkelgeschwindigkeit 45°/Sekunde drehen. Dies kann man sich anschaulich recht gut vorstellen, und damit wäre auch niemand überfordert. Tatsächlich gibt es ja auch Laser, die z.B. von irdischen Observatorien aus auf die Retroreflektoren gerichtet sind, die von den Apollo-Astronauten auf dem Mond eingerichtet wurden.

https://de.wikipedia.org/wiki/Lunar_Laser_Ranging

Eine der Beobachtungsstationen ist in Bayern:

https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Wettzell_Laser_Ranging_System.jpg

Es wäre wohl ein Leichtes, diesen "Super-Laser-Pointer" mit der angegebenen Winkelgeschwindigkeit oder auch schneller zu drehen. Die Beobachtung des dann über die Mondoberfläche flitzenden Lichtflecks dürfte allerdings schwer fallen, da die Mondoberfläche wohl den größten Teil des dort eintreffenden Laser-Lichtes absorbiert.

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Masse, die sich durch den Raum bewegt, kann gemäß Einsteins Relativitätstheorie die Lichtgeschwindigkeit nur annäherungsweise erreichen, da die Masse bei hoher Geschwindigkeit zunimmt und der Energiebedarf zur Beschleunigung gegen unendlich tendiert.

Photonen, also Teilchen ohne Ruhemasse, sind immer lichtschnell unterwegs, haben in diesem bewegten Zustand aber Energie und demzufolge Masse.

Überlichtgeschwindigkeit finden wir jedoch bei der Expansion des gesamten Universums, weil sich hier nicht Masse durch den Raum bewegt, sondern das ganze Raum-Zeit-Gefüge ausdehnt. Das ist der Grund dafür, dass nur ein Teil des Universums beobachtbar ist und der Rest sich unseren Blicken entzieht.

Wir sehen zwar in Lichtjahren gemessen weiter, als das Alter des Universums in Jahren beträgt, weil das Universum früher kleiner war und das Licht nicht wirklich von so weit herkommt.

Woher ich das weiß:Recherche

Ergänzung: Überlichtgeschwindigkeit ist auch bei Winkelgeschwindigkeiten möglich. Wenn man von der Erde aus einen starken Laserstrahl schnell genug über die Mondoberfläche schwenkt, bewegt sich der Lichtpunkt auf dem Mond überlichtschnell. Das ist möglich, weil entlang der Linie auf dem Mond keine Informationen weitergegeben werden.

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Die Expansion des Raumes ist etwas anderes als die Bewegung einer Masse (letztere kann nie die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum erreichen). Die Expansion unterliegt dieser Beschränkung nicht.

Das Licht unterliegt der Beschränkung, es hat aber keine Ruhemasse. Daher bewegt es sich im Vakuum mit c fort.

Raum ungleich Masse ungleich Licht 

Die Wissenschaft ist derzeit der Meinung, dass die Lichtgeschwindigkeit die oberste Grenze darstellt.

Nicht ganz: Nach aktueller Lehrmeinung bewegen sich masselose Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit und es ist die Obergrenze bei der Übertragung von "Information".

Die aktuellen Theorien lassen durchaus Teilchen zu, die überlichtschnell sein könnten.

Allerdings lassen die Theorien nicht zu, daß Masse - egal wie gering sie auch ist - auf Lichtgeschwindigkeit gebracht werden kann. Zumeist denkt man dann daran, ein Teilchen auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Das geht nicht, weil man dafür unendlich viel Energie benötigen würde. Und mit "unendlich" meine ich wahrhaftig unendlich und nicht nur schrecklich unvorstellbar viel. Dasselbe Problem hätte man aber, wenn man ein überlichtschnelles Teilchen bis auf Lichtgeschwindigkeit abbremsen wollte. Geht auch nicht.

Aber wie gesagt: Überlichtschnelle Teilchen sind durch die aktuellen Theorien nicht zwingend verboten. Ist nur nicht so einfach festzustellen, ob es sie gibt, denn nach der Relativitätstheorie ist ihnen eine Wechselwirkung mit "normalen" Teilchen nicht möglich was bedeutet, daß wir eben kein Meßgerät bauen können.

dann hätte sich das Licht des Urknalls schneller ausbreiten müssen als das Universum selbst?

Stell Dir das Universum nicht wie einen Ballon vor, den man aufbläst. Da ist keine "Außenwand", die sich immer weiter nach "draußen" schiebt. Die Ausdehnung beruht darauf, daß der Raum selbst sich streckt - mal so ganz salopp ausgedrückt. Also die Abstände zwischen den "Gegenständen" im Universum wird größer.

Überlichtschnelle Teilchen sind durch die aktuellen Theorien nicht zwingend verboten.

Vor allem ist etwas überlichtschnelles relativ zu jedem möglichen Beobachter überlichtschnell.

Stell Dir das Universum nicht wie einen Ballon vor, den man aufbläst. Da ist keine "Außenwand", die sich immer weiter nach "draußen" schiebt.

Wenn man sich den Raum als das Innere des Ballons vorstellt, ist dies sicher falsch. Stellt man ihn sich allerdings als Hülle des Ballons vor, ist das schon wesentlich besser.

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@SlowPhil
Stellt man ihn sich allerdings als Hülle des Ballons vor

Danke für diese Ergänzung. Mir selbst fallen solche Veranschaulichungen immer viel zu selten ein.

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Lichtgeschwindigkeit ist nur die Obergrenze für Relativgeschwindigkeit, die sich gezielt per Beschleunigung erreichen lässt.

Indirekt — als Folge der Expansion des Raumes — kann es zu beliebig hoher Relativgeschwindigkeit kommen: Astronomen wissen, dass es jede Menge von Galaxien gibt, die sich eben jetzt von uns weit schneller als nur mit Lichtgeschwindigkeit entfernen.

Lies mehr dazu in https://www.gutefrage.net/frage/breitet-sich-das-universm-mit-ueberlichtgeschwindigkeit-aus#answer-293102495 .

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