{"id":22583,"date":"2014-12-29T11:36:41","date_gmt":"2014-12-29T10:36:41","guid":{"rendered":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2014\/12\/29\/sind-neutrinos-schneller-als-das-licht\/"},"modified":"2025-05-14T16:16:02","modified_gmt":"2025-05-14T14:16:02","slug":"sind-neutrinos-schneller-als-das-licht","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/2014\/12\/29\/sind-neutrinos-schneller-als-das-licht\/","title":{"rendered":"Sind Neutrinos schneller als das Licht?"},"content":{"rendered":"

Nichts bewegt sich schneller als das Licht! Das ist eine der gro\u00dfen physikalischen Erkenntnisse des 20. Jahrhunderts. Aber unser Verst\u00e4ndnis der Naturgesetze ist nicht f\u00fcr alle Ewigkeiten in Stein gemei\u00dfelt, sondern einem stetigen Prozess der Ver\u00e4nderung unterworfen. Je genauer wir die Natur betrachten, desto genauer wird auch unsere Beschreibung. Als Albert Einstein vor fast 100 Jahren intensiv \u00fcber Gravitation nachdachte, fand er am Ende ein Modell, das die Realit\u00e4t ein klein wenig genauer beschrieb als die Gravitationstheorie von Newton. Und in 100 Jahren wird vielleicht jemand anderes zeigen k\u00f6nnen, dass man eine noch bessere Ann\u00e4herung an die Natur als Einstein finden kann. Mit der Lichtgeschwindigkeit als Geschwindigkeitslimit k\u00f6nnte es vielleicht \u00e4hnlich sein. Gerade macht eine Arbeit des Physikers Robert Ehrlich<\/i> die Runde in den Medien („Six observations consistent with the electron neutrino being a tachyon with mass: m2\u03bde=\u22120.11\u00b10.016eV2“<\/a>) in der nahegelegt wird, dass Neutrinos sich schneller als das Licht bewegen.<\/p>\n

<\/p>\n

Ich sage sicherheitshalber gleich zu Beginn, worum es in diesem Artikel nicht gehen wird: Um \u00fcberlichtschnelle Raumfahrt, Warp-Antriebe, freie Energie aus dem Nichts und \u00e4hnliche Grenzgebiete der Science-Fiction und Pseudowissenschaft. Es geht um Elementarteilchen und theoretische Physik – aber die Sache ist trotzdem \u00e4u\u00dferst interessant.<\/p>\n

\"Albert<\/a>
Albert Einstein (der die Lichtgeschwindigkeit als universales Geschwindigkeitslimit einf\u00fchrte) und Wolfgang Pauli (der die Existenz des Neutrinos vorhersagte). Bild: <\/a>(c) CERN<\/a><\/figcaption><\/figure>\n

Neutrinos sind sehr faszinierende Elementarteilchen. Sie wurden 1930 vorhergesagt und 1956 nachgewiesen. Sie interagieren so gut wie gar nicht mit normaler Materie (Neutrinos sind „dunkle Materie“, das hei\u00dft sie senden keine elektromagnetische Strahlung aus und absorbieren sie auch nicht sondern interagieren nur \u00fcber die schwache Kernkraft mit dem Rest der Materie). Wir haben aber mittlerweile gelernt, sie trotzdem zu registrieren (siehe hier<\/a> und hier<\/a>) und diese Teilchen verraten uns viel dar\u00fcber, was im Universum vor sich geht.<\/p>\n

Eine der immer noch ungel\u00f6sten Fragen bei diesem Thema ist die Masse der Neutrinos. Urspr\u00fcnglich dachte man, sie h\u00e4tte gar keine Ruhemasse; so wie zum Beispiel auch die Photonen des Lichts. Und als masselose Teilchen w\u00fcrden sich die Neutrinos dann auch mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Diverse Experimente und theoretische \u00dcberlegungen haben aber mittlerweile zu der \u00dcberzeugung gef\u00fchrt, dass sie doch eine sehr, sehr kleine Ruhemasse besitzen und daher auch ein klein wenig langsamer als das Licht sind. Der genaue Wert der Masse ist allerdings noch unbekannt.<\/p>\n

Und hier kommt die Arbeit von Robert Ehrlich ins Spiel: Er behauptet, die Neutrinos h\u00e4tten eine imagin\u00e4re<\/i> Masse. Das klingt nicht nur ziemlich seltsam. Das ist<\/i> auch ziemlich seltsam. Imagin\u00e4re Zahlen werden die meisten noch aus dem Schulunterricht kennen. Man hat sie eingef\u00fchrt, um Gleichungen wie x\u00b2 = -1<\/i> l\u00f6sen zu k\u00f6nnen. Mit den „normalen“ Zahlen geht das nicht, denn egal ob man eine positive oder eine negative Zahl mit sich selbst multipliziert; am Ende ist das Ergebnis immer positiv. Der Ausweg aus diesem Dilemma waren die imagin\u00e4ren Zahlen. Man hat einfach per Definition festgelegt, dass eine Zahl mit der Bezeichnung „i“ existieren soll, die gleich der Wurzel aus -1 ist. Dann ist i\u00b2 = -1<\/i> und die L\u00f6sung f\u00fcr die oben gestellte Gleichung lautet einfach x=i<\/i>. Mit imagin\u00e4ren Zahlen kann man genau so rechnen wie mit normalen Zahlen und die moderne Mathematik bzw. Physik w\u00fcrde mittlerweile nicht mehr ohne diese Erweiterung des Zahlenraums auskommen. Aber eine Entsprechung in der realen Welt haben die imagin\u00e4ren Zahlen nicht. Was also soll es dann bedeuten, wenn behauptet wird, die Masse der Neutrinos w\u00e4re imagin\u00e4r?<\/p>\n

Dazu muss man sich eine der wichtigsten Formeln der speziellen Relativit\u00e4tstheorie von Albert Einstein ansehen:<\/p>\n

\"formelemc\"<\/a><\/p>\n

Sie beschreibt die Energie eines Teilchens. Die muss<\/i> immer eine reale, beobachtbare Gr\u00f6\u00dfe mit einem positiven Wert sein. Und das ist normalerweise auch kein Problem. Ist die Geschwindigkeit v<\/i> eines Teilchens kleiner als die Lichtgeschwindigkeit c<\/i>, dann wird in der Formel der Ausdruck unter der Wurzel positiv und der Wert der Energie ist eine normale Zahl. Ist die Geschwindigkeit eines Teilchens aber gr\u00f6\u00dfer<\/i> als die Lichtgeschwindigkeit, dann ist die Zahl unter der Wurzel negativ. Und wenn man die Wurzel einer negativen Zahl zieht, bekommt man eine imagin\u00e4re Zahl. Damit am Ende die Energie trotzdem eine normale Zahl sein kann, muss als Ausgleich die Masse m<\/i> \u00fcber dem Bruchstich ebenfalls eine imagin\u00e4re Zahl sein. Dann hat man zwei imagin\u00e4re Zahlen, die durcheinander geteilt werden und das Ergebnis so einer Rechnung ist immer eine normale Zahl.<\/p>\n

Kurz gesagt: Die Masse eines Teilchens das sich schneller als das Licht bewegt, muss imagin\u00e4r sein!<\/p>\n

Eigentlich k\u00f6nnte man ja denken, man m\u00fcsste sich mit so etwas gar nicht besch\u00e4ftigen. Denn immerhin sagt Einstein ja, dass sich nichts schneller als das Licht bewegen kann. Aber das ist nicht ganz korrekt. Seine Theorie besagt nur, dass man unendlich viel Energie ben\u00f6tigen w\u00fcrde, um ein Objekt auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Es ist also unm\u00f6glich, irgendetwas schneller als das Licht zu beschleunigen<\/i>. Es ist aber – zumindest rein theoretisch – m\u00f6glich, dass Teilchen entstehen, die schon von Anfang an schneller als das Licht sind<\/i>! Man kann von Unterlichtgeschwindigkeit nicht zur \u00dcberlichtgeschwindigkeit wechseln. Aber Teilchen die sich immer mit \u00dcberlichtgeschwindigkeit bewegen, sind kein Widerspruch zur Relativit\u00e4tstheorie.<\/p>\n

Solche hypothetischen Teilchen nennt man Tachyonen<\/i> (und sie tauchen heutzutage meistens in der Esoterik auf<\/a>; darum soll es hier aber nicht gehen) und sie haben eine imagin\u00e4re Masse. Die Idee, dass es sich bei Neutrinos um genau solche Tachyonen handeln k\u00f6nnte, ist nicht neu – sie ist schon in den 1980er Jahren aufgetaucht. Und tats\u00e4chlich gab es fr\u00fcher Messdaten, die damit nicht in Widerspruch standen. Sie lieferten einen negativen Wert f\u00fcr das Quadrat der Masse der Neutrinos, also eine imagin\u00e4re Masse. Innerhalb der Fehlergrenzen waren die Werte aber auch mit einer normalen oder gar keiner Masse vereinbar und die Experimente selbst stellten sich sp\u00e4ter als fehlerbehaftet heraus.<\/p>\n

\"Verteilung<\/a>
Verteilung der kosmischen Strahlung am Himmel; beobachtet im R\u00f6ntgenlicht (Bild: NASA<\/a>)<\/figcaption><\/figure>\n

Robert Ehrlich aber hat nun in seiner Arbeit diverse Daten zusammen getragen, die erneut zeigen sollen, dass die Masse von Neutrinos imagin\u00e4r ist. Eine seiner \u00dcberlegungen hat zum Beispiel mit dem „Knie“ in der kosmischen Strahlung zu tun. Die Argumentationskette ist ein wenig knifflig: Es beginnt mit Teilchen, die aus dem Weltraum zur Erde gelangen. Davon gibt es jede Menge; Sterne und andere kosmische Ph\u00e4nomene schicken st\u00e4ndig diverse Teilchen durch die Gegend und wenn sie zu uns auf die Erde gelangen, kann man ihre Energie messen und deren Verteilung aufzeichnen. Tut man das, bekommt man ein Diagramm mit einem „Knie“, also einer Region, in der ein bisschen weniger Teilchen einer bestimmten Energie vorhanden sind, als man eigentlich erwarten w\u00fcrde.<\/p>\n

Die Auswertung ist komplex, denn wir wissen immer noch nicht genau \u00fcber alle Prozesse Bescheid, die kosmische Strahlung produzieren; k\u00f6nnen also auch nicht exakt sagen, wie viele Teilchen einer bestimmten Energie wir eigentlich erwarten. Aber eine<\/i> m\u00f6gliche Erkl\u00e4rung f\u00fcr dieses „Knie“ w\u00e4ren \u00fcberlichtschnelle Neutrinos. Denn wenn es die gibt, dann folgt daraus unter anderem, dass Protonen nicht stabil sein k\u00f6nnen. Protonen die sehr hohe Energien haben zerfallen zu Neutronen und Neutrinos und deswegen gibt es weniger davon als man erwarten w\u00fcrde.<\/p>\n

Das ist nat\u00fcrlich ein sehr, sehr indirektes Indiz und das gilt auch f\u00fcr die f\u00fcnf anderen Argumentationslinien, die Ehrlich in seinem Artikel verfolgt. Es handelt sich dabei immer um Messdaten anderer Wissenschaftler, die jede f\u00fcr sich auch ganz ohne \u00fcberlichtschnelle Neutrinos erkl\u00e4rt werden k\u00f6nnen. Aber Ehrlich hat die Daten neu und anders ausgewertet und kam dabei zu dem Schluss, das sie alle auf die gleiche und eben imagin\u00e4re Neutrinomasse hindeuten, wie dieses Diagramm aus seiner Arbeit zeigt:<\/p>\n

\"Bild:<\/a>
Bild: Ehrlich, 2014<\/a><\/figcaption><\/figure>\n

Die sechs Punkte entsprechend seiner Auswertung der Daten und geben die Neutrinomasse an. Innerhalb der Fehlerbalken stimmen sie \u00fcberein und geben eine Masse an, die imagin\u00e4r ist und zwei dreimillionstel der Masse eines Elektrons entspricht (mit der angeblichen „Entdeckung“ \u00fcberlichtschnellen Neutrinos am CERN<\/a> hat das \u00fcbrigens erst Mal nichts zu tun; beim CERN ging es um eine andere Art von Neutrinos als denjenigen, mit denen sich Ehrlich besch\u00e4ftigt).<\/p>\n

Man darf ob dieser Behauptung durchaus skeptisch sein. Es ist immer ein wenig schwierig, Experimente im Nachhinein unter anderen Gesichtspunkten zu interpretieren und nicht so zu betrachten, wie sie eigentlich gedacht waren. Und es gibt durchaus auch Argumente, die gegen eine imagin\u00e4re Neutrinomasse sprechen. Man sollte dann zum Beispiel eine der Tscherenkow-Strahlung \u00e4hnlich Strahlung beobachten k\u00f6nnen, was man aber nicht getan hat (Tscherenkow-Strahlung entsteht, wenn sich Teilchen in einem Medium schneller als die lokale Lichtgeschwindigkeit bewegen – siehe hier<\/a>). Mit \u00fcberlichtschnellen Neutrinos k\u00f6nnte man auch theoretisch r\u00fcckw\u00e4rts in der Zeit kommunizieren, was zu allerlei Paradoxien f\u00fchrt weswegen viele Physiker davon ausgehen, dass sie in der Natur nicht existieren k\u00f6nnen.<\/p>\n

Aber nat\u00fcrlich sollte man die M\u00f6glichkeit auch nicht v\u00f6llig ausschlie\u00dfen, solange sie nicht einwandfrei widerlegt ist. Eine imagin\u00e4re Masse ist in anderen Bereichen der Teilchenphysik zumindest nicht v\u00f6llig unbekannt. Bei Quantenfeldern kann es sogenannte „Tachyonenfelder“ geben, die imagin\u00e4re Massen haben. Das hei\u00dft in diesem Fall aber (sehr vereinfacht gesagt) nichts anderes als dass diese Felder nicht stabil sind, sondern spontan zu einem niedrigeren Energiezustand wechseln k\u00f6nnen und das bei diesem Vorgang Teilchen entstehen, die dann aber eine normale Masse haben (das Higgs-Feld ist zum Beispiel so ein Tachyon-Feld). <\/p>\n

H\u00e4tten Neutrinos wirklich eine imagin\u00e4re Masse, dann w\u00e4re das nat\u00fcrlich eine ziemlich gro\u00dfe Sensation. Ihre Masse w\u00e4re dann nicht negativ und nicht positiv und auch nicht gleich null. Sie w\u00e4re irgendetwas<\/i> anderes und man m\u00fcsste sich ein v\u00f6llig neues Konzept dessen ausdenken, was „Masse“ bedeutet. Solche Paradigmenwechsel gibt es immer wieder in der Physik. Die allgemeine Relativit\u00e4tstheorie hat ein v\u00f6llig neues Konzept der Gravitation entwickelt; die Quantenmechanik hat unser Verst\u00e4ndnis dessen, was ein „Teilchen“ ist komplett revolutioniert. Wenn ein „Teilchen“ weder ein Teilchen, noch eine Welle ist sondern „etwas“, das eben mal so erscheint wie eine Welle und mal so erscheint wie ein Teilchen; warum soll es dann nicht auch m\u00f6glich sein, eine imagin\u00e4re Masse in unser Modell der Natur einzubauen?<\/p>\n

\"Der<\/a>
Der riesige Vakuumtank von KATRIN wird verladen (Bild: dkw<\/a>, CC_BY-SA 2.0 DE<\/a>)<\/figcaption><\/figure>\n

Aber bevor man sich diese M\u00fche macht, braucht es nat\u00fcrlich zuerst noch mehr und bessere Daten. Die k\u00f6nnten in den n\u00e4chsten Jahren in Karlsruhe gesammelt werden. Dort wird demn\u00e4chst das KATRIN-Experiment<\/a> (Karlsruhe Tritium Neutrino Experiment) gestartet. Dabei wird das sogenannte Betaspektrum des Tritiumzerfalls<\/i> gemessen. Tritium (ein Wasserstoff-Isotop mit einem Atomkern, der aus einem Proton und zwei Neutronen besteht) ist nicht stabil sondern zerf\u00e4llt mit einer Halbwertszeit von etwa 12 Jahren. Die Energie der zerfallenden Teilchen wird dabei auf die entstehenden Teilchen aufgeteilt und dazu geh\u00f6rt auch ein Neutrino. Wie genau die Energie aufgeteilt wird, h\u00e4ngt unter anderem davon ab, ob und was f\u00fcr eine Masse das Neutrino besitzt. Misst man also die Energie der beim Tritium-Zerfall entstehenden Teilchen enorm genau, dann kann man daraus die Masse der Neutrinos ableiten. Bis jetzt war so eine Messgenauigkeit nicht m\u00f6glich, aber der KATRIN-Detektor wird dazu in der Lage sein. <\/p>\n

Wenn KATRIN in den n\u00e4chsten Jahren Ergebnisse liefert, werden wir also besser wissen, ob wir uns tats\u00e4chlich Gedanken dar\u00fcber machen m\u00fcssen, wie man sich eine „imagin\u00e4re Masse“ vorzustellen hat… So oder so – am Ende werden wir auf jeden Fall besser \u00fcber die Welt Bescheid wissen als vorher und darauf kommt es ja an! \t\"\"<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Nichts bewegt sich schneller als das Licht! Das ist eine der gro\u00dfen physikalischen Erkenntnisse des 20. Jahrhunderts. Aber unser Verst\u00e4ndnis der Naturgesetze ist nicht f\u00fcr alle Ewigkeiten in Stein gemei\u00dfelt, sondern einem stetigen Prozess der Ver\u00e4nderung unterworfen. Je genauer wir die Natur betrachten, desto genauer wird auch unsere Beschreibung. Als Albert Einstein vor fast 100 […]<\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":15407,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"footnotes":""},"categories":[11],"tags":[7096,7097,8090,8541,10571,10576,12422,14248,14919,14921],"class_list":["post-22583","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-naturwissenschaften","tag-imaginaere-masse","tag-imaginaere-zahlen","tag-katrin","tag-kosmische-strahlung","tag-neutrino","tag-neutrinomasse","tag-robert-ehrlich","tag-tachyonen","tag-uberlichtgeschwindigkeit","tag-ueberlichtschnelle-teilchen"],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/22583","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=22583"}],"version-history":[{"count":1,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/22583\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":22584,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/22583\/revisions\/22584"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media\/15407"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=22583"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=22583"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/astrodicticum-simplex.ulrich.digital\/index.php\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=22583"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}