Schneller als Lichtgeschwindigkeit! Geht das?
1) Ist Licht eine Welle? Also wie eine Schallwelle? 2) Was ist schneller als Licht und wie schnell ist das ? 3) Was ist Warpantrieb? Und wie schnell wäre so etwas, wenn ea das gäbe? 4) Welches ist das seltenste Element auf der Erde bzw. Im Universum?
Mit freundlichen Grüßen
14 Antworten
Hallo Frag1234,
1) Licht ist nicht wie eine Schallwelle, ganz und gar nicht.
Eine Schallwelle braucht ein "Trägermedium". Denn Schall breitet sich als Druckwelle durch ein Medium aus. Der Schall ist ein sich ausbreitender Schubser an die Atome und Moleküle der Umgebung.
Deswegen gibt es im Vakuum keinen Schall, denn da gibt es keinen Träger der Schwingung. Deswegen kann sich Schall immer nur über eine mehr oder weniger große Entfernung ausbreiten, denn die Schwingung ist natürlich gedämpft.
Licht breitet sich mühelos auch Milliarden von Lichtjahre durch Ultrahochvakuum aus. Allein das zeigt, dass wir es mit einem anderen physikalischen Phänomen zu tun haben.
Klassisch wird Licht als eine elektromagnetische Welle beschrieben. Dabei ist Licht nur ein winziger Bruchteil des gesamten Spektrums an elektromagnetischen Wellen. Es ist der Bruchteil, für dessen Wellenlängen die Zäpfchen in unseren Augen empfindlich sind. Das ist kein Zufall: Dieser Teil des Spektrums kommt gut durch die Atmosphäre.
Es gibt aber auch elektromagnetische Wellen, die kürzere Wellenlängen haben als das Licht: Die Gammastrahlung oder die Röntgenstrahlung. Oder - bekannt vom Sonnenbrand: das Ultraviolett. Langwelliger als das Licht sind z.B. Radiowellen und Mikrowellen, sowie die Wärmestrahlung.
Physikalisch sind das alles Varianten desselben physikalischen Phänomens - nur die Wellenlänge variiert.
Nur: Das ist nur ein Teil der Wahrheit. Licht hat auch Teilchencharakter.
Max Planck hat im Jahr 1900 einsehen müssen, dass er die Strahlung eines heißen Körpers nur beschreiben kann, wenn er annimmt, dass Licht Energie immer nur in Vielfachen einer kleinsten Energiemenge transportieren kann. Wie kleine Pakete. Im Jahr 1905 gelang es Einstein in diesem Bild der Energiepakete den bisher unverstandenen Photoeffekt zu erklären.
Erst die Quantenmechanik liefert eine brauchbare Beschreibung für Licht. In der Welt des Allerkleinsten haben Teilchen immer auch Wellencharakter, Wellen immer auch Teilchencharakter. Auch ein Elektron verhält sich in bestimmten Randbedingungen eher wie eine Welle.
Physiker nennen das den "Welle-Teilchen-Dualismus". Damit ist jedoch nicht gemeint, dass wir nicht wissen, ob Licht nun Welle oder Teilchen ist. Damit ist gemeint, dass es etwas anderes ist. Etwas, das es in unserer makroskopischen Welt schlicht nicht gibt, nämlich beides zugleich. Die Welt ist nicht in allen Größenordnungen von denselben Phänomenen geprägt.
Licht ist deshalb etwas, was wir uns nicht richtig vorstellen können. Manchmal zeigt es uns Eigenschaften einer klassischen Welle, manchmel Eigenschaften eines Teilchens. Tatsächlich ist Licht etwas, das beides ist. Sowohl als auch. Nur manche Experimente kitzeln halt das eine oder das andere Erscheinungsbild hervor.
Das ist vermutlich eine etwas unbefriedigende Antwort. Es zeigt, dass naturwissenschaftliche Beschreibungen der Natur immer Modellvorstellungen sind. Wir haben kein geschlossenes Modell für das Licht (oder für irgendein Elementarteilchen), weil es keine Analogie in unserer makroskopischen Welt gibt, die alle Eigenschaften eines quantenmechanischen Zustandes adäquat beschreibt. Wir beschreiben Licht mathematisch und verwenden sprachlich je nach Fall das Welle oder das Teilchenbild.
--------------- Fortsetzung im Kommentar ------------
2) Überlichtgeschwindigkeit
Oft liest man "nichts ist schneller als das Licht". Das stimmt aber nicht.
Einstein sagt mit der Speziellen Relativitätstheorie lediglich
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine obere Grenze für die Bewegung massebehafteter Objekte und Information durch den Raum. Für massebehaftete Objekte ist sie nicht erreichbar.
Massebehaftete Objekte (also "alles mögliche Zeugs") können sich nur mit weniger als der Lichtgeschwindigkeit durch den sie umgebenden Raum bewegen. Du und ich, wir haben Pech gehabt. Da ist keine Überlichtgeschwindigkeit möglich.
Bei allen Vorgängen aber, bei denen weder Massen durch den sie umgebenden Raum flitzen, noch Information übertragen wird, liegt kein Verstoß gegen dieses Naturgesetz vor. Und deshalb geht da sogar einiges:
- Winkelgeschwindigkeiten können schneller als c werden. 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.
- Da die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum die oberste Grenze ist, tritt im "Medium" bei bestimmten Experimenten sogenannte "Tscherenkowstrahlung" auf. Im Wasser ist die Lichtgeschwindigkeit zum Beispiel deutlich geringer als im Vakuum. Bei einigen Teilchenexperimenten hat man geladene Teilchen, die mit höherer Geschwindigkeit ins Wasser eindringen und entsprechend ihre Bremsstrahlung überholen. Auch hier also kein Verstoß gegen die SRT.
Und um es abschließend noch einmal zu betonen:
Neutrinos sind nicht schneller als das Licht. Sie haben minimalste Masse und unterliegen der SRT. Die berühmten scheinbar überlichtschnellen Neutrinos aus dem OPERA-Experiment im Gran Sasso waren ein Messfehler: Ein defektes Kabel führte zu einem Übertragungsfehler und somit zu einer Fehlmessung der Signallaufzeit.
Das ist im Einklang mit astronomischen Messungen bei Supernovae, bei denen das Eintreffen der Neutrinos nicht entfernungsabhängig mal mehr, mal weniger vor dem Eintreffen des Lichts liegt.
--------------- Fortsetzung folgt -------------------
3) Warpantrieb
Zunächst einmal ist das der Antrieb der USS Enterprise NCC-1701. Also Science Fiction.
Wenn Physiker die Sache in die Finger kriegen, wird es etwas komplizierter.
Tatsächlich gibt es einige theoretische(!) Veröffentlichungen zu einem Antrieb, der ganz ähnliche Funktionsweise hat, wie das SciFi-Original.
Das ist - nach dem Autor des ersten Papers zu diesem Thema - der Alcubierre-Drive.
Beim Alcubierreantrieb erzeugt das Raumschiff um sich herum eine "Warpblase". Das ist eine Zone starker Krümmung des Raums vor und hinter sich, wobei die beiden Warpberge unterschiedliches Vorzeichen haben.
Raumkrümmung ist nicht der SRT unterworfen. Der Warpberg kann sich also mit Überlichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegen und zieht das Raumschiff in seinem Inneren mit. Der Witz ist: Auch das ist kein Verstoß mehr gegen die SRT, weil das Raumschiff ja relativ zu seiner Umgebung in Ruhe ist und keine Information mit der Außenwelt austauschen kann.
(Bei Interesse: Hier ist eine recht neue Arbeit zum Thema. Auf der letzten Seite ist ein Plot, der die berechnete Warpblase zeigt
http://arxiv.org/pdf/gr-qc/0009013.pdf)
Und? Baut man jetzt so ein Raumschiff?
Ganz gewiss nicht.
Oft hört man, die NASA wäre da längst dran. Aber da muss man die Kirche im Dorf lassen - oder besser den Kirk auf der Brücke.
Für die erste Version des Alcubierreantriebs benötigt man erstens gewaltige Energiemengen, zweitens - und hier hakt es - sogenannte exotische Materie. Das ist Materie mit einer negativen Energiedichte. (Bitte nicht verwechseln mit Antimaterie oder dunkler Materie)
Exotische Materie wird erlaubt in den Einsteinschen Gleichungen, einfach, weil das Zeug eine mögliche Lösung ist. Aber nicht alle mathematischen Lösungen einer Gleichung sind in der Natur auch realisiert.
Wenn Du die Seitenlänge eines Quadrats der Fläche 4 cm² ausrechnen sollst, dann ist Dir schnell klar, dass die Seitenlänge 2 cm lang ist. Mathematisch wäre auch - 2 cm eine Lösung gewesen. Doch in der Natur gibt es keine negativen Längen.
Und dasselbe Schicksal dürfte auch die exotische Materie treffen: Erlaubt nach dem, was wir bisher wissen, von der Natur nicht realisiert.
Ohne exotische Materie keine negative Energiedichte und damit kein Alcubierreantrieb.
Naja, fast. Das verlinkte Paper präsentiert erstmals einen Alcubierreantrieb, der ohne auskommt. Allerdings funktioniert die darin enthaltene Mathematik nur dann, wenn Einsteins ART falsch ist. Im verlinkten Paper wird eine andere Gravitationstheorie zugrundegelegt, die sogenannte "general gravity", die dem Universum andere Eigenschaften verpasst.
Ohne näher erklären zu wollen: Dann wäre unser Universum riemanninvariant statt lorentzinvariant. Und nach allen bisherigen Experimenten ist unser Universum nun mal lorentzinvariant. Hat unser Universum die falschen Eigenschaften, ist es wieder aus mit dem Warpantrieb, auch nach der neuen Arbeit.
Ein gewisses Interesse hat man an der Arbeit aber, weil sie auch die benötigte Energiemenge drastisch reduziert. Das ermöglicht vor allem, darüber nachzudenken, den Antrieb im Miniaturmodell nachzubauen. Man könnte so eben eine fundamentale Eigenschaft des Universums im Labor testen. Wäre nett. Ist aber auch nicht so einfach, wie eben geschildert. Jedenfalls war und ist das Interesse der NASA an dem Paper exakt auf die Möglichkeit beschränkt, dieses Experiment ggf irgendwann mal durchzuführen. An ein echtes Raumschiff wird in keiner Weise gedacht.
Ein solches Raumschiff hätte auch ein paar ernst zu nehmende Nachteile: Die Warpblase würde Gezeitenkräfte erzeugen, die sich gewaschen haben. Wenn Kirk und Spock den Planeten gerettet haben, wird er also durch die Gezeitenkräfte beim Abflug zermahlen, wenn Scotty auf Warp 9 geht...
Ein solches Raumschiff hat man nicht gern im Hinterhof.
-------------- Fortsetzung folgt --------------------
Wieder die hilfreichste Antwort. :)
Danke für die mühe. :)
Bitte nur 1 Frage!!
1) Licht=elektromagnetische Strahlung mit Teilchen- & Wellencharakter (Frequenz siehe Wikipedia)
2) Wurde schon unter
http://www.gutefrage.net/frage/kann-etwas--schneller-sein-als-lichtgeschwindigkeit#answer-174839370
beantwortet: NEIN für Körper und Ja für Ereignisgeschwindigkeit.
3) zig Si-Fi-Internetseiten! Formel zur Umrechnung suche nach
"arndt brünner warp" f(x) = x ^((10/3) / (1 - (x/10)^(( 91,28 / (10-x)^0,27))))4)
4) Definitionssache, da man beim "Zusammenschießen von Atomen/Elementarteilchen" für 1 millionstel Sekunde stabile Energie-Zustände erzeugen kann und so Elemente mit Ordnungszahl größer 110 (bis 118) hinbekommt: z.B. Ununtrium (siehe Wikipedia) oder
"...Element 115 unter Aussendung eines Alphateilchens zuerst zu Element 113 und dann über weitere Emissionen von Alphateilchen (Helium-Kerne) zu Dubnium mit der Ordnungszahl 105. Hier setzte der elegante experimentelle Beweis des PSI-Teams an: Es installierte hinter der rotierenden Americium-Scheibe eine Kupferplatte, welche die herausgeschleuderten Element-115-Atome auffing. Wenn darauf sich nach einer gewissen Zeit Dubnium-Atome (mit einer Halbwertszeit von 32 Stunden) nachweisen...
1) So ähnlich, allerdings kann sich Licht auch wie ein Teilchen verhalten.
2) Es gibt nichts schnelleres als Licht.
3) Der Warpantrieb basiert darauf, dass man sich auf einer Welle gekrümmten Raumes "bewegt". Das ist bis heute nicht möglich. Du findest dazu genügend im Internet.
4) Das dürften die exotischen ab Ordnungszahl 110+ sein. Da sie nicht natürlich vorkommen.
Ich hätte da mal noch zwei Bemerkungen zum Thema Warp-Antrieb:
Das, was Alcubierre damit beschreibt verstößt erstmal prinzipell nicht gegen SRT und ART. Von dem Punkt mit der exotischen Materie und der negativen Energie mal abgesehen und vor allem von der gigantischen Menge an Energie, die dafür gebraucht wird.
Allerdings beschreibt Alcubierre in seine Gleichungen eine stationäre Lösung der Feldgleichungen und keine dynamische. d.h. er beschreibt eine statische Warp-Blase - eine die bereits existiert.
Für eine Verwendung als Raumschiffantrieb muss aber eine erst aufgebaut werden. Und hier kommen die üblichen und allgemein bekannten Effekte der RT zum Tragen:
Für das Schiff im Inneren dauert der Aufbau nur wenige Sekunden. Für den außenstehenden Beobachter allerdings vergeht während des Aufbaus der Blase genauso viel Jahre Zeit wie die Entfernung zwischen Start- und Zielpunkt an Lichtjahren beträgt. Das gleiche am Ende des "Fluges". Am Ziel muss die Blase erst wieder abgebaut werden - es vergeht nochmal so viel Zeit.
Defacto vergeht für den Außenstehenden genauso viel Zeit, als würde der Käptain in aller Ruhe mit halber Lichtgeschwindigkeit zum Ziel "schleichen".
Das einzige, was die Warp Blase tatsächlich bewirkt ist, daß das Schiff nicht den gigantischen Inertialkräften ausgesetzt ist, die es erfahren würde, wenn es am Start schlagartig auf c/2 beschleunigen und am Ende der Strecke wieder abbremsen würde.
Haargenau den gleichen Effekt kann ich aber auch erreichen, wenn ich eine gigantisch schwere Punkmasse nehme, diese am Startpunkt beschleunige und am Zielpunkt wieder abbremse und das Schiff in dessen Gravitationsfeld "mitschleppe".
Das zweite Problem ist ein thermodynamisches:
Die "Oberfläche" der Warp-Blase hat zwei "Seiten" - wie jede andere Oberfläche auch. Von außen betrachtet erstreckt sie sich über die ganze Länge der "Flug"-strecke und ist jahrelang der kosmischen Hintergrundstrahlung von 2.7K ausgesetzt. Da sie sich im thermischen Gleichgewicht mit ihrer Umgebung befindet, strahlt sie die gleiche Menge an Energie, die sie dabei aufnimmt auch wieder ins Innere ab. Die Oberfläche von Innen betrachtet ist aber nur wenige m² groß und die Zeitdauer beträgt nur wenige Sekunden.
Will damit sagen, die Oberfläche der Warp Blase strahlt mit einer Temperatur von Billionen von Kelvin ins Innere!
Ob dafür die NASA jetzt schon eine technische Lösung hat?
Glaub ich nicht ;-)
Wenn ich mir das ganze thermodynamische noch mal etwas genauer ansehe, komme ich komischerweise zu folgendem:
Wenn ein gewöhnliches Raumschiff (ohne Warp Antrieb) mit fast Lichtgeschwindigkeit von A nach B donnert, dann sieht der Käptain das Strahlungsfeld der kosmischen Hintergrundstrahlung auf genau dieselbe Weise:
Durch Aberration auf eine kleine Fläche von wenigen m² vor sich in Flugrichtung konzentriert und durch den Dopplereffekt in einem derartig gigantischem Maß blauverschoben, daß es im Endeffekt auf genau und zwar hargenau dasselbe hinausläuft. Einer thermischen Strahlung, die einer Temperatur von mehrenen Millionen Kelvin entspricht.
Oder eben Billionen K, je nachdem wie nah dran an der Lichtgeschwindigkeit er schippert.
So langsam kommt bei mir der Verdacht auf, daß Miguel Alcubierre uns da mit seinem Warp-Antrieb eigentlich nur alten Wein in neuen Flaschen verkaufen will ;-)
1) Licht ist beides: Eine Welle (mit Wellenlänge und allem was dazu gehört und ein Teilchen (Photon).
2) Nichts ist (lokal) schneller als das Licht.
3) Der Warp-Antrieb verursacht eine künstliche Krümmung der Raumzeit: Er "zieht" sie vor dem Schiff zusammen und dehnt sie hinter den Schiff wieder aus. Mit diesem Trick kann sich das Schiff (von außen betrachtet) schneller als das Licht bewegen. Um die Raumzeit zu krümmen bräuchte man entweder sehr viel Masse oder sehr viel Energie.
4) Das dürfte irgendein Transuran mit der kürzesten Halbwertszeit sein.
4) Das seltenste Element im Universum dürften wir tatsächlich auf der Erde gehabt haben. Sehr wahrscheinlich in Moskau.
Das liegt daran, dass dort (wie auch in Darmstadt z.B.) eine Physikertruppe sitzt, die sich ein wenig darauf spezialisiert hat, besonders schwere Atomkerne zu erzeugen und nachzuweisen.
Das ist trickreich, weil diese Elemente nicht stabil sind: Bei Kernen, die zu viele Nukleonen enthalten, ist die Bindungsenergie pro Nukleon lausig. Die Dinger zerfallen erheblich(!) schneller, als man "hoppalla" sagen kann.
Meines Wissens - und ich bin mir nicht sicher, wie aktuell ich da bin, sorry - ist das aktuell schwerste nachgewiesene Element das mit der Ordnungszahl 118, das Ununoctium
https://de.wikipedia.org/wiki/Ununoctium
Laut Wiki konnte man 3 Atome dieses Elementes nachweisen, bevor sie wieder futsch waren.
Wegen ihrer extrem kurzen Halbwertszeit und ihrer extremen Kernmasse kommen solche Kerne in der Natur nicht vor, so dass möglicherweise tatsächlich nur die in den Experimenten erzeugten Atome von Ununoctium im Universum existierten. Zumindest sehr kurzfristig.
Insofern wäre das mein Tip auf das seltenste Element im Universum.
Bietet jemand weniger??
Grüße