Einstein im Visier: Lichtgeschwindigkeit wird auf die Probe gestellt

Physiker haben neueste Messmethoden eingesetzt, um die berühmte Relativitätstheorie Albert Einsteins einem Härtetest zu unterziehen. Das dient letztlich auch dem Ziel einer Vereinigung der großen physikalischen Modelle.

Wirklich immer gleich?

Ein Team europäischer und US-amerikanischer Physiker hat mit einer neuen Analyse hochenergetischer Gammastrahlen einen der zentralen Grundsätze der modernen Physik erneut auf die Probe gestellt: Im Mittelpunkt des Experiments stand die sogenannte Lorentz-Invarianz, ein Prinzip, das seit über hundert Jahren besagt, dass die Gesetze der Physik für alle Beobachter gleich sind, unabhängig davon, wie sie sich relativ zueinander bewegen.

Diese Annahme wurde Ende des 19. Jahrhunderts erstmals infrage gestellt, als Albert A. Michelson und Edward Morley versuchten, eine unterschiedliche Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Richtungen nachzuweisen. Dieses experimentelle Vorhaben scheiterte letztlich, ebnete aber den Weg zu Einsteins spezieller Relativitätstheorie. Seither gilt die konstante Lichtgeschwindigkeit als fester Bestandteil des physikalischen Weltbilds.


Es gibt allerdings einen triftigen Grund, diese vermeintliche Wahrheit erneut auf die Probe zu stellen. Schließlich gibt es einen ungelösten Konflikt zwischen Quantenphysik und allgemeiner Relativitätstheorie. Während die eine die Welt im Kleinstmaßstab beschreibt und auf Wahrscheinlichkeiten basiert, behandelt die andere Raum und Zeit als dynamisch verformbares Kontinuum. Versuche, beide Theorien in der übergeordneten Theorie der Quantengravitation zu vereinen, scheitern immer wieder an mathematischen und konzeptionellen Widersprüchen.

Suche im Extremen

Einige theoretische Modelle erlauben hier minimale Abweichungen von der Lorentz-Invarianz, wenn bestimmte extreme Bedingungen vorliegen. Genau hier setzen die aktuellen Untersuchungen an. Ein Forschungsteam um Mercè Guerrero, von der Autonomen Universität Barcelona (UAB) und die UAB-Doktorandin Anna Campoy-Ordaz nutzte Strahlung aus dem Kosmos, um nach winzigen Geschwindigkeitsunterschieden zwischen Photonen zu suchen. Gammastrahlen mit sehr hoher Energie, die über Milliarden Lichtjahre unterwegs sind, bieten dafür ideale Bedingungen: Selbst kleinste Abweichungen in der Geschwindigkeit würden sich auf diesen Distanzen in messbare Verzögerungen summieren.

Mit einer neu entwickelten statistischen Methode kombinierten die Forschenden eine Vielzahl bestehender Messdaten und prüften mehrere theoretische Parameter aus dem sogenannten Standard Model Extension Framework. Das Ergebnis: Auch bei extremen Energien konnten keine Hinweise auf Verstöße gegen die Lorentz-Invarianz gefunden werden.

Zu einem spektakulären Durchbruch kam es also nicht, trotzdem ist die Studie ein wichtiger Fortschritt. Die neuen Grenzen, innerhalb derer mögliche Abweichungen liegen könnten, sind nun um eine Größenordnung enger als zuvor und damit deutlich restriktiver für alternative Theorien. Weitere Messungen dieser Art sind allerdings bereits geplant. Mit künftigen Observatorien wie dem Cherenkov Telescope Array wollen Wissenschaftler noch empfindlichere Messungen durchführen und Einsteins Fundament neu herausfordern.


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