“Nichts bewegt sich schneller als das Licht.” So wird eine der Kernaussagen der Relativitätstheorie oft wiedergegeben. Ganz richtig ist das aber nicht – und um das zu zeigen, gibt es heute überlichtschnelle Scheren, Lichtpunkte und astronomische Objekte.
Dabei geht es heute mal nicht um die – möglicherweise – überlichtschnellen Neutrinos oder um den überlichtschnellen Kollaps der Wellenfunktion in der Quantenmechanik, sondern um Phänomene, die man zumindest theoretisch mit den handelsüblichen Mitteln der klassischen Physik beobachten kann.
Lichtkegel
Fangen wir ganz einfach an: Wir knipsen eine Glühlampe (oder eine Energiesparlampe, wenn ihr denn umweltbewusst seid) an und dann gleich wieder aus. In alle Richtungen wird Licht ausgesandt, die “Lichtfront” bildet also eine Kugel. Der Radius der Kugel wächst, weil sich das Licht ja von der Lampe entfernt. Wie schnell wächst er? Offensichtlich mit Lichtgeschwindigkeit, denn das Licht fliegt mit Lichtgeschwindigkeit von der Glühlampe weg.
Wenn wir jetzt zwei einander gegenüberliegende Punkte der “Lichtkugel” beobachten, dann trennt diese nicht der Radius, sondern der Durchmesser der Lichtkugel. Es sieht für uns also so aus, als würden sich die beiden Punkte mit doppelter Lichtgeschwindigkeit voneinander entfernen.
Über dieses Phänomen hat schon Einstein nachgedacht und die sich kugelförmig ausbreitenden Lichtfronten sind für viele Gedankenexperimente in der Relativitätstheorie (wie üblich hier mit SRT=spezielle Relativitätstheorie abgekürzt) zentral.
Weil man sich die vierdimensionale Raumzeit ja immer etwas schwer vorstellen kann, veranschaulichen sich Physiker vieles gern mit einer Dimension weniger, also mit nur zwei Raumdimensionen. Dann bildet die Lichtfront einen Kreis, der sich ausdehnt. Tragen wir die Zeit in der vertikalen Richtung auf, so bildet sich ein Kegel, der sogenannte Lichtkegel. (Und der heißt auch in drei Raumdimensionen noch so, auch wenn er natürlich eigentlich ein Hyperkegel wäre.) So sieht der Lichtkegel aus (Bild gemeinfrei, modifiziert von Wikipedia)
Dieser Lichtkegel ist – gerade beim Übergang zur Allgemeinen RT – ein ziemlich zentrales Objekt. Solange wir davon ausgehen, dass nichts sich schneller als das Licht bewegen kann, heißt das, dass alles, was an der Spitze unseres Lichtkegels startet, den Kegel nicht verlassen kann. Mit Hilfe des Lichtkegels kann man deshalb schnell herausfinden, welche Ereignisse sich gegenseitig beeinflussen können: Nur solche bei denen das eine innerhalb des Lichtkegels des anderen liegt.
Wie war das jetzt mit der doppelten Lichtgeschwindigkeit? Wir sehen doch, dass der Lichtkegel (also der Durchmesser unserer Lichtkugel) mit 2c wächst (c ist wie immer die Lichtgeschwindigkeit). Also entfernt sich doch die eine Lichtfront von der anderen mit dieser Geschwindigkeit? Und das widerspricht doch der SRT?
Nein, tut es nicht. Das wusste schon Einstein und viele seiner Gedankenexperimente beruhen letztlich genau darauf: Da gibt es sehr häufig Züge, bei denen in der Mitte eine Lampe angezündet wird und dann überlegt wird, wann das Licht die Spitze und das Ende des Zugs erreicht.
Der SRT würde es nur dann widersprechen, wenn sich die eine Lichtfront von der anderen aus gesehen mit Überlichtgeschwindigkeit entfernen würde, aber das tut sie nicht. Hier kommt die seltsame Vermischung von Raum und Zeit ins Spiel, die ich neulich erklärt habe. Sie sorgt dafür, dass die eine Lichtfront sich von der anderen aus gesehen auch nur genau mit Lichtgeschwindigkeit entfernt.
Betrachtet man nämlich unseren Lichtkegel aus der Perspektive eines Beobachters, der sich relativ zu uns bewegt, dann sieht dieser auch einen Lichtkegel – obwohl man eigentlich denken sollte, der Kegel wäre verzerrt, weil der Beobachter ja der einen Lichtfront hinterherläuft und sich von der anderen entfernt. Das ist aber nicht so – Zeitdilatation und Längenkontraktion sorgen dafür, dass ein Lichtkegel für alle ein Lichtkegel ist. Wie das genau geht, wäre dann wieder einen eigenen Text wert, heute wollen wir Überlichtgeschwindigkeiten.
Der tanzende Laser
Aber ihr wollt richtige Überlichtgeschwindigkeit sehen, oder? Ihr wollt sehen, wie irgendetwas einen Lichtstrahl überholt, stimmt’s? Das habe ich im Titel ja versprochen.
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