Nichts ist schneller als Licht?

Licht ist schnell: Im Vakuum legt es stolze 299 792 458 m/s zurück, die Entfernung Sonne-Erde schafft es so in knappen 8 Minuten. Doch Licht ist nicht überall gleich schnell! Misst man die Lichtgeschwindigkeit in transparenten Körpern wie Luft, Wasser oder Glas, so liegt ihr Wert unter der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit. Spannend ist, dass es so zu Situationen kommen kann, in denen sich Teilchen schneller durch ein Medium ausbreiten als Licht: Sie haben Überlichtgeschwindigkeit.

Vom Leuchten der Reaktoren

Sind diese Teilchen auch noch elektrisch geladen, senden sie Tscherenkow-Strahlung aus. Diese können wir zum Beispiel als blaues Licht in den mit Wasser gefüllten Becken von Atomreaktoren, wo verbrauchte Brennstäbe gelagert und gekühlt werden, beobachten. Dort bringen überlichtschnelle Elektronen, die bei Kernreaktionen frei werden, das Wasser zum Leuchten. Astronom:innen nutzen die Tscherenkow-Strahlung, um indirekt energiereiche kosmische Strahlung zu beobachten, die in der Atmosphäre Lichtblitze auslöst. Physiker:innen wiederum halten in riesigen Wassertanks Ausschau nach dem verräterischen Leuchten, mit dem sich besonders schnelle und leichte Teilchen, Neutrinos, bemerkbar machen.

Die Nabel der Welt

In manchen Medien können sich Teilchen also schneller als das Licht bewegen. Doch zumindest im Vakuum wird die Lichtgeschwindigkeit nie überschritten. Dieser Meinung waren Wissenschaftler:innen, bis astronomische Beobachtungen ergaben, dass sich das Universum ausdehnt. Dabei expandieren nicht die Objekte im Raum, sondern der Raum selbst: Wie sich Rosinen in einem Kuchen voneinander entfernen, wenn der Kuchen aufgeht, so bewegen sich auch Galaxien von der Erde fort. Da sich das Universum in jedem Punkt gleich ausdehnt, dehnt es sich auch von jedem Punkt in alle Richtungen aus: Jede:r von uns ist also tatsächlich der Mittelpunkt des Universums!

Überlichtschneller Rosinenkuchen

Der Haken dabei ist, dass sich Objekte schneller von einem Beobachter entfernen, je weiter sie von ihm entfernt sind. Daher gibt es einen Abstand, ab dem die Fluchtgeschwindigkeit der Galaxien der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit entspricht: der Hubble-Radius, benannt nach dem Astronomen und Entdecker der Expansion des Universums Edwin Hubble. Der Hubble-Radius beträgt etwa 14 Milliarden Lichtjahre. Zum Vergleich: Der Durchmesser der Milchstraße ist etwa 170 000 bis 200 000 Lichtjahre. Jedes Objekt, dessen Abstand zur Erde nun größer als der Hubble-Radius ist, entfernt sich von uns mit Überlichtgeschwindigkeit. Doch verbietet das nicht Einsteins Relativitätstheorie?

Albert Einstein veröffentlichte zwei Relativitätstheorien, 1905 die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) und darauf aufbauend 1915 die Allgemeine Relativitätstheorie (ART). In der SRT beschäftigte Einstein sich bereits mit Systemen mit sehr hohen Geschwindigkeiten nahe der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit, doch erst in der ART bezog er große Massen, wie Sterne und Galaxien sowie die Gravitation, in die Theorie mit ein. Es zeigt sich, dass überlichtschnelle Fluchtgeschwindigkeiten der ART nicht widersprechen und gleichzeitig die SRT nicht verletzen: Stellt man sich einen lokalen Beobachter vor, der neben einer Galaxie jenseits des Hubble-Radius der Erde schwebt, so rast diese Galaxie keinesfalls dem Licht davon – sie ruht relativ zu ihm. Nur bezüglich der Erde bewegen sich der Beobachter und die Galaxie dann mit Überlichtgeschwindigkeit von uns weg.

Licht kann also tatsächlich überholt werden: Entweder von kleinsten Teilchen, die durch Medien fliegen, in denen die Lichtgeschwindigkeit verringert ist. Oder von ganzen Galaxien, die sich relativ zu einem Beobachter mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen, wenn sie sich, vom Beobachter aus gesehen, außerhalb des Hubble-Radius befinden.