Die neue Alma&Georges-Serie «Ask A Scientist» eignet sich nicht nur für Kinder, sondern für alle Wissenschaftsbegeisterte, die gerne Dingen auf den Grund gehen. In jedem Artikel stellt ein junger Mensch eine wissenschaftliche Frage, die unsere Prof(i)s beantworten müssen.
Diesmal haben wir etwas für Sci-Fi-Fans. Die Frage ist berechtigt: Warum altert man nicht, wenn man mit Lichtgeschwindigkeit fährt?
Es ist richtig, dass Lichtteilchen (Photonen) nicht altern, eben weil sie sich im leeren Raum mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen.
Im Jahr 1905 hatte Albert Einstein, der damals in Bern als Experte im Patentamt arbeitete, eine fundamentale Einsicht: Wenn Beobachter_innen, die sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten bewegen, die Geschwindigkeit eines Lichtstrahls messen, so werden sie alle exakt den gleichen Wert erhalten, nämlich c = 299 792.458 km/s. Man bezeichnet dies als das Prinzip von der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Dieses Prinzip klingt für uns ungewohnt, weil es für Geschwindigkeiten, die kleiner sind als jene des Lichts, nicht gilt. So wird ein Fussgänger, der sich auf ein Fahrrad zubewegt, eine grössere Geschwindigkeit des Fahrrads messen als ein Fussgänger, der sich in der gleichen Richtung bewegt wie dieses.
Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit hat, wie Einstein gezeigt hat, einschneidende Konsequenzen für unser physikalisches Weltbild. Insbesondere müssen wir die Vorstellung einer absoluten Zeit, die im ganzen Kosmos gleichmässig verläuft, aufgeben. Die Zeit ist nicht absolut, sondern bewegte Uhren gehen langsamer als ruhende. Dieses Phänomen, das man als Zeitdilatation bezeichnet, betrifft alle physikalischen Abläufe, also auch die Alterungsprozesse unseres Körpers. Dazu gibt es ein bekanntes Gedankenexperiment: Stellen wir uns zwei Personen vor, die das gleiche Alter haben, z.B. Zwillinge. Der eine Zwilling besteigt eine Superrakete, die sich mit 99% der Lichtgeschwindigkeit im Weltraum bewegt. Er unternimmt in der Superrakete eine Reise, die aus seiner Sicht 5 Jahre dauert. Wenn er auf die Erde zurückkehrt, wird der Reisende also 5 Jahre älter sein. Der Zwilling, welcher auf der Erde verblieben ist, wird hingegen, wenn sich die Zwillinge nach der Reise treffen, um 35 Jahre gealtert sein!
Dieses sog. Zwillingsparadoxen wurde in den 70er Jahren des vergangenen Jahrhunderts experimentell bestätigt, als erstmals genügend präzise Uhren, sog. Atomuhren, zur Verfügung standen. Zwei Atomuhren wurden synchronisiert. Hernach umkreiste eine der Atomuhren in einem Flugzeug die Erde. Als nach dem Flug die Zeitangaben der Uhren verglichen wurden, stelle man fest, dass die Uhr aus dem Flugzeug einige Nanosekunden zurücklag, eine Zeitdifferenz, die genau Einsteins Voraussage entsprach. (Die Auswertung des Experiments war kompliziert, weil auch der Einfluss der Erdgravitation berücksichtigt werden musste. Einstein hat gezeigt, dass auch die Schwerkraft zu einer Zeitdilatation führt.) Die Zeitdilatation ist heutzutage sehr gut bestätigt und wird beispielsweise bei der GPS-Positionsbestimmung berücksichtigt.
Lichtteilchen (Photonen) bewegen sich mit der höchstmöglichen Geschwindigkeit c und stellen daher den Grenzfall dar: für sie vergeht gar keine Zeit. Sie können sich aber nur so schnell bewegen, weil sie keine Masse haben. Massive Objekte, wie wir es sind, können nicht auf Lichtgeschwindigkeit bewegt werden, weil das unendlich viel Energie benötigen würde. So bleibt uns der Traum der ewigen Jugend verbaut!
Unsere Person vom Fach
Dr. Christoph Leuenberger ist Lektor an der Naturwissenschaftlichen Fakultät. Unter anderem hält er eine Vorlesung zum Thema „Relativität und Kosmologie“.
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