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Relativitätstheorie: Lichtgeschwindigkeit auch auf kleinsten Skalen konstant

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Die Vakuumlichtgeschwindigkeit hängt auch auf winzigen Skalen nicht von der Wellenlänge ab, selbst wenn bereits Quanteneffekte eine Rolle spielen. Physiker zeigten dies, indem sie die Strahlung eines Gammastrahlenausbruchs analysierten, und bestätigen damit die so genannte Lorentz-Invarianz, die Albert Einstein im Rahmen seiner speziellen Relativitätstheorie formulierte.

Jonathan Granot von der University of Hertfordshire in Großbritannien und seine Kollegen beobachteten mit dem Weltraumteleskop Fermi einen fernen und kurzen Gammablitz. Anhand der aufgenommenen Spektren prüften sie, ob Photonen mit verschiedenen Energien zu unterschiedlichen Zeiten auf die Detektoren getroffen waren. Wäre das der Fall, würde die Lichtgeschwindigkeit von der Photonenenergie abhängen und die Lorentz-Invarianz wäre verletzt. Da die Lichtquelle 7,3 Milliarden Lichtjahre von uns entfernt ist, sollten selbst winzige Variationen nachweisbar sein.

Reisende PhotonenLaden...
Reisende Photonen | In dieser Abbildung ist ein Photon (violett) dargestellt, dessen Energie die eines anderen Lichtteilchens (gelb) um das Millionenfache übersteigt. Einige Theoretiker sagen vorher, dass energiereiche Photonen wegen ihrer kürzeren Wellenlänge stärker mit der Raumzeit interagieren und damit langsamer reisen. Dies sei eine Konsequenz der "körnigen" Raumzeit. Wissenschaftler konnten diesen Effekt nun aber nicht bestätigen. Einstein hatte dagegen eine kontinuierliche Raumzeit angenommen.
Die Wissenschaftler untersuchten zum einen hochenergetische Photonen, die weniger als eine Sekunde nach Auftreten des Gammablitzes emittiert wurden und verfolgten zum anderen charakteristische scharfe Spektrallinien im Verlauf des Ausbruchs. In beiden Fällen konnten sie keine signifikante Verzögerung der eintreffenden Lichtquanten feststellen. Basierend auf diesen Ergebnissen definieren die Forscher eine Grenze, knapp unterhalb der so genannten Plancklänge von rund 10-33 Zentimeter, oberhalb der die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum nicht linear mit der Photonenenergie variieren sollte. Weitere Messungen seien allerdings nötig, so die Forscher, um auch andere Abhängigkeiten auszuschließen. Zudem gäbe es auch andere Möglichkeiten, die Lorentzinvarianz zu verletzen als die hier untersuchte.

Physiker versuchen die Quantenmechanik mit der allgemeinen Relativitätstheorie zu vereinen, etwa in der Stringtheorie oder Loop-Quantengravitation. Einige dieser Theorien sagen vorher, dass die Lorentzinvarianz auf sehr kleinen Skalen, insbesondere nahe der Plancklänge, womöglich bricht. Denn ab hier sollten Quanteneffekte die Raumzeit stark beeinflussen. Diese Vorhersage direkt zu testen ist nicht möglich, da die dazu benötigten Energien auf der Erde nicht erzeugt werden können. (mp)
44. KW 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 44. KW 2009

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