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Steffen Schumann (35) hat an der Technischen Universität Dresden Physik studiert und dort im Jahr 2007 in theoretischer Teilchenphysik promoviert. Danach führten ihn Forschungsaufenthalte nach Edinburgh und Heidelberg. Seit 2011 ist er Juniorprofessor für theoretische Teilchenphysik und Teilchenbeschleuniger-Phänomenologie am II. Physikalischen Institut der Universität Göttingen.

Lichtgeschwindigkeit

Warum ist es unmöglich, mit Lichtgeschwindigkeit zu reisen?

Nach der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein gibt es eine absolute Grenzgeschwindigkeit, die Lichtgeschwindigkeit. Genauer ist damit die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht im Vakuum gemeint. Bezeichnet wird diese üblicherweise mit c und sie beträgt ca. 300.000 km/s. Zum Vergleich: Ein Jumbojet fliegt mit einer Geschwindigkeit von höchstens 0,25 km/s  vergleichsweise doch recht langsam. In der Astronomie benutzt man die Kenntnis der Lichtgeschwindigkeit, um Angaben über astronomische Distanzen zu machen. Man misst Längen in Lichtjahren. Ein Lichtjahr entspricht dabei der Strecke, die Licht in einem Jahr Laufzeit zurücklegt. Mit unserem Jumbojet bräuchten wir für diese Strecke 1,2 Millionen Jahre.

Es stellt sich die Frage, ob es prinzipiell möglich ist, dass wir ebenfalls mit Lichtgeschwindigkeit reisen. Wir wissen, dass sich alle masselosen Teilchen und elektromagnetische Strahlung mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Für Objekte mit Masse, egal ob Elementarteilchen oder Jumbojet, ist dies allerdings nicht möglich. Nach der speziellen Relativitätstheorie ist die Masse eines Objektes abhängig von seiner Geschwindigkeit. Sie wird größer, je schneller sich das Objekt bewegt. Unsere Alltagserfahrung lehrt uns aber, dass je schwerer ein Objekt ist, desto mehr Energie aufgewendet werden muss, um es zu beschleunigen.

Nehmen wir an, wir hätten unser Flugzeug auf 75 Prozent der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Dann  entspricht seine bewegte Masse bereits dem 1,5-fachen seiner Masse in Ruhe. Bewegt es sich mit 99 Prozent der Lichtgeschwindigkeit, so ist es schon das 7-fache. Je mehr wir uns der Lichtgeschwindigkeit nähern, desto dramatischer wird der Anstieg und damit verbunden der Energiebedarf für eine weitere Beschleunigung. Im Grenzfall der Lichtgeschwindigkeit wird die bewegte Masse formal unendlich. Es wird entsprechend unendlich viel Energie benötigt, diese Geschwindigkeit zu erreichen. In diesem Sinne ist es unmöglich, ein Objekt mit Masse auf exakt Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen.

Offensichtlich gelangen wir mit Objekten wie Flugzeugen nicht annähernd an Geschwindigkeiten nah der Lichtgeschwindigkeit heran. Wie sieht es aber im ganz Kleinen aus? Da liegt der aktuelle Geschwindigkeitsrekord für massebehaftete Teilchen bei 99,988 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. Erbracht wurde dieser am Large Hadron Collider (LHC) am CERN in der Schweiz, wo Protonen, d.h. die Kerne von Wasserstoffatomen, beschleunigt und zur Kollision gebracht werden. Die bewegte Masse der Protonen entspricht dabei ungefähr dem 4250-fachen ihrer Ruhemasse.

 

 
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