Relativität superluminaler Beobachter in 1+3 Raumzeit

Wie würde unsere Welt von Beobachtern gesehen, die sich in einem Vakuum schneller als das Licht bewegen? Ein solches Bild würde sich deutlich von dem unterscheiden, was uns täglich begegnet. „Wir sollten erwarten, nicht nur Phänomene zu sehen, die spontan und ohne deterministische Ursache auftreten, sondern auch Teilchen, die gleichzeitig mehrere Wege gehen“, argumentieren Theoretiker von Universitäten in Warschau und Oxford.

Auch das eigentliche Zeitkonzept würde sich vollständig verändern – eine superluminale Welt müsste mit drei Zeitdimensionen und einer räumlichen Dimension charakterisiert und in der vertrauten Sprache der Feldtheorie beschrieben werden. Es stellt sich heraus, dass die Anwesenheit solcher superluminaler Beobachter zu nichts logisch Widersprüchlichem führt, außerdem ist es durchaus möglich, dass superluminale Objekte wirklich existieren.

Anfang des 20. Jahrhunderts definierte Albert Einstein unsere Wahrnehmung von Zeit und Raum völlig neu. Der dreidimensionale Raum erhielt eine vierte Dimension – die Zeit, und die bisher getrennten Konzepte von Zeit und Raum begannen als Ganzes behandelt zu werden. „In der 1905 von Albert Einstein formulierten speziellen Relativitätstheorie unterscheiden sich Zeit und Raum nur im Vorzeichen einiger Gleichungen“, erklärt Prof. Andrzej Dragan, Physiker von der Fakultät für Physik der Universität Warschau und dem Center for Quantum Technologies der National University of Singapore.

Einstein stützte seine spezielle Relativitätstheorie auf zwei Annahmen: Galileis Relativitätsprinzip und die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Wie Andrzej Dragan argumentiert, ist das erste Prinzip entscheidend, das davon ausgeht, dass die Gesetze der Physik in jedem Inertialsystem gleich sind und alle Inertialbeobachter gleich sind. „Typischerweise gilt dieses Prinzip für Beobachter, die sich relativ zueinander mit Geschwindigkeiten unter Lichtgeschwindigkeit bewegen (c). Es gibt jedoch keinen grundsätzlichen Grund, warum sich Beobachter in Bezug auf die beschriebenen physikalischen Systeme mit Geschwindigkeiten über der Lichtgeschwindigkeit bewegen des Lichts sollte ihm nicht ausgesetzt sein“, argumentiert Dragan.

Was passiert, wenn wir – zumindest theoretisch – davon ausgehen, dass die Welt von superluminalen Bezugsrahmen aus beobachtbar sein könnte? Es besteht die Chance, dass damit die Grundprinzipien der Quantenmechanik in die Spezielle Relativitätstheorie integriert werden können. Diese revolutionäre Hypothese von Prof. Andrzej Dragan und Prof. Artur Ekert von der University of Oxford stellte erstmals in dem vor zwei Jahren erschienenen Artikel „Quantenprinzip der Relativitätstheorie“ vor Neue Zeitschrift für Physik.

Dort betrachteten sie den vereinfachten Fall beider Beobachterfamilien in einer Raumzeit, die aus zwei Dimensionen besteht: einer räumlichen und einer zeitlichen Dimension. In ihrer neuesten Veröffentlichung in der Zeitschrift Klassische und Quantengravitationbetitelt „Relativity of superluminal Observers in 1 + 3 spacetime“, geht eine Gruppe von 5 Physikern noch einen Schritt weiter und präsentiert Schlussfolgerungen über die volle vierdimensionale Raumzeit.

Die Autoren gehen von dem Konzept der Raumzeit aus, das unserer physikalischen Realität entspricht: mit drei räumlichen Dimensionen und einer zeitlichen Dimension. Aus der Sicht des superluminalen Beobachters behält jedoch nur eine Dimension dieser Welt einen räumlichen Charakter, diejenige, entlang der sich die Teilchen bewegen können.

„Die anderen drei Dimensionen sind Zeitdimensionen“, erklärt Prof. Andrzej Dragan. „Aus der Sicht eines solchen Beobachters ‚altert‘ das Teilchen in jeder der drei Zeiten unabhängig voneinander quantenmechanische Kugelwelle, die einem Teilchen zugeordnet ist“, kommentiert Prof. Krzysztof Turzyński, Co-Autor der Abhandlung.

Es ist, wie Prof. Andrzej Dragan nach dem im 18. Jahrhundert formulierten Prinzip von Huygens, wonach jeder von einer Welle erreichte Punkt zum Ursprung einer neuen Kugelwelle wird. Dieses Prinzip galt zunächst nur für die Lichtwelle, aber die Quantenmechanik erweiterte dieses Prinzip auf alle anderen Materieformen.

Wie die Autoren der Veröffentlichung belegen, erfordert die Aufnahme von superluminalen Beobachtern in die Beschreibung die Schaffung einer neuen Definition von Geschwindigkeit und Kinematik. „Diese neue Definition bewahrt Einsteins Postulat der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum auch für superluminale Beobachter“, belegen die Autoren der Arbeit. „Daher scheint unsere erweiterte spezielle Relativitätstheorie keine besonders extravagante Idee zu sein“, fügt Dragan hinzu.

Wie verändert sich die Beschreibung der Welt, in die wir superluminale Beobachter einführen? Nach Berücksichtigung superluminaler Lösungen wird die Welt nicht deterministisch, Teilchen – statt einzeln – beginnen sich gemäß dem Quantenprinzip der Überlagerung auf vielen Bahnen gleichzeitig zu bewegen.

„Für einen superluminalen Beobachter macht das klassische Newtonsche Punktteilchen keinen Sinn mehr, und das Feld wird zur einzigen Größe, die zur Beschreibung der physischen Welt verwendet werden kann“, bemerkt Andrzej Dragan. „Bis vor kurzem wurde allgemein angenommen, dass Postulate, die der Quantentheorie zugrunde liegen, grundlegend sind und nicht aus etwas Grundlegenderem abgeleitet werden können. In dieser Arbeit haben wir gezeigt, dass die Begründung der Quantentheorie unter Verwendung der erweiterten Relativitätstheorie natürlich auf 1 + 3 Raumzeit und so weiter verallgemeinert werden kann Erweiterung führt zu Schlussfolgerungen, die von der Quantenfeldtheorie postuliert werden“, schreiben die Autoren der Veröffentlichung.

Alle Teilchen scheinen daher in der erweiterten speziellen Relativitätstheorie außergewöhnliche Eigenschaften zu haben. Funktioniert es umgekehrt? Können wir Teilchen entdecken, die für superluminale Beobachter normal sind, dh Teilchen, die sich relativ zu uns mit superluminaler Geschwindigkeit bewegen?

„So einfach ist das nicht“, sagt Prof. Krzysztof Turzyński. „Die bloße experimentelle Entdeckung eines neuen Elementarteilchens ist eine Nobelpreis-würdige Leistung, die in einem großen Forschungsteam mit den neuesten experimentellen Techniken machbar ist. Wir hoffen jedoch, unsere Ergebnisse zu einem besseren Verständnis des Phänomens der spontanen Symmetriebrechung anwenden zu können.“ im Zusammenhang mit der Masse des Higgs-Teilchens und anderer Teilchen im Standardmodell, insbesondere im frühen Universum.“

Andrzej Dragan fügt hinzu, dass der entscheidende Bestandteil jedes spontanen Symmetriebrechungsmechanismus ein tachyonisches Feld ist. Es scheint, dass superluminale Phänomene eine Schlüsselrolle im Higgs-Mechanismus spielen könnten.