Überlichtschnelle Teilchen, sogenannte Tachyonen, galten in der Physik lange Zeit als theoretische Kuriosität und wurden oft als unvereinbar mit der Speziellen Relativitätstheorie angesehen. Eine neue wissenschaftliche Untersuchung von Forschern der Universitäten Warschau und Oxford kommt nun jedoch zu dem Ergebnis, dass bisherige Vorurteile gegenüber diesen hypothetischen Teilchen unbegründet sind, wie Techno-Science berichtet. Demnach bieten diese Teilchen sogar die Möglichkeit eines besseren Verständnisses der kausalen Struktur der Relativitätstheorie.
Neue Studie sieht mathematische Konsistenz von Tachyonen
Überwindung früherer physikalischer Hindernisse
Die Bezeichnung «Tachyon» stammt von dem aus dem Griechischen abgeleiteten Wort «tachýs» für schnell und wurde im Jahr 1967 von dem US-amerikanischen Physiker Gerald Feinberg in einer Arbeit mit dem Titel «Possibility of faster-than-light particles» in der wissenschaftlichen Literatur eingeführt, wie Space.com dokumentiert. In frteren Theorien gab es jedoch erhebliche Einwände gegen die Existenz solcher Teilchen. Dazu zählten die angebliche Instabilität ihres Grundzustands, die zu Lawinen von überlichtschnellen Teilchen hätte führen können, sowie die Annahme, dass die Zahl der beobachteten Teilchen vom jeweiligen Beobachter abhinge. Auch negative Energien stellten ein großes Hindernis für die Akzeptanz im Rahmen der Quantentheorie dar.
Wie die beteiligten Wissenschaftler – darunter Jerzy Paczos, Kacper Dębski und Andrzej Dragan – zeigten, resultierten diese Probleme aus unvollständigen Randbedingungen in früheren Modellen. Durch die Einbeziehung des Endzustands eines Systems zusätzlich zu seinem Anfangszustand konnten diese Schwierigkeiten laut Techno-Science aufgelöst werden, wodurch die Theorie der Tachyonen mathematisch stimmig wird.
Erweiterter Zustandsraum und neue Quanteneffekte
Der neue Forschungsansatz ermöglicht es nach Angaben der Autoren, den Einfluss der Zukunft auf die Gegenwart zu berücksichtigen – ein Konzept, das in der Quantentheorie zwar existiert, aber selten angewendet wird. Durch diese Erweiterung des Zustandsraumes gelang es den Forschern, Tachyonen zu integrieren. Zudem sagen die Wissenschaftler als Konsequenz der erweiterten Randbedingungen das Auftreten eines neuen Typs von Quantenverschränkung voraus, der Vergangenheit und Zukunft miteinander verknüpft.
Nach Hypothese der Autoren spielen Tachyonen zudem eine entscheidende Rolle beim Prozess der spontanen Symmetriebrechung, die mit der Entstehung von Materie zusammenhängt. So könnten Anregungen des Higgs-Feldes vor der Symmetriebrechung mit überlichtschnellen Geschwindigkeiten unterwegs gewesen sein, so Techno-Science weiter.
Mathematischer Hintergrund und Kausalitätsfragen
Bereits in Albert Einsteins Spezieller Relativitätstheorie aus dem Jahr 1905, auf die sich Space.com beruft, ergeben sich überlichtschnelle Teilchen aus bestimmten mathematischen Zusammenhängen. Folgt man den Gleichungen, besitzen solche Teilchen jedoch eine sogenannte imaginäre Ruhemasse. Wie Spektrum erläutert, bedeutet dies rein mathematisch, dass das Quadrat der Ruhemasse negativ ist und imaginäre Zahlen zur Beschreibung benötigt werden, da keine realen physikalischen Entsprechungen dafür existieren. Allerdings bewegen sich solche Teilchen ohnehin ständig mit überlichtschneller Geschwindigkeit.
Zusätzlich werfen Tachyonen Fragen zur Kausalität auf. Da bei Überlichtgeschwindigkeit die zeitliche Reihenfolge von Ereignissen vom jeweiligen Bezugssystem abhängt, ließen sich Ursache und Wirkung in manchen Beobachtersystemen so definieren, dass Signale scheinbar empfangen werden, bevor sie abgesendet wurden, wie in den Berichten von Spektrum und Space.com dargelegt wird.
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