Einstein und die Lichtmauer

Für Einstein war die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit freilich kein dogmatischer Glaubensakt. Naturwissenschaft ist eine empirische Angelegenheit, die sich nach den – hoffentlich erkennbaren – Eigenschaften des Universums zu richten hat, nicht nach Vorurteilen oder Wunschvorstellungen. Einstein hinterfragte seine Grundannahme auch später noch mehrfach. 1911 erwog er sogar vorübergehend eine variable Vakuum-Lichtgeschwindigkeit.

Unendliche Energie

Aus einer konstanten, in allen Bezugssystemen identischen Lichtgeschwindigkeit allein folgt allerdings noch nicht, dass sie auch die naturgesetzliche Höchstgeschwindigkeit sein muss und deren Übertreten quasi verboten, also unmöglich ist. Doch auch hier formuliert die Spezielle Relativitätstheorie eine klare Schranke, weil ihr zufolge die Lichtgeschwindigkeit die Grenzgeschwindigkeit für Materie bedeutet. Denn man bräuchte unendlich viel Energie, um eine Masse auf Vakuum-Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen.

Und damit nicht genug. Aus der Relativitätstheorie folgt auch, dass Objekte bei der Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit einer unendlichen Längenkontraktion und Zeitdehnung unterliegen. Zudem würde die Intensität einer Lichtquelle für einen Beobachter unendlich groß, falls er sich lichtschnell auf sie zu bewegt.

Einstein zog daher das Fazit, dass überlichtschnelle Bewegungen „keine Existenzmöglichkeit“ in seiner Theorie haben. Es ist, als hätte die Natur superluminalen Ambitionen ein unüberwindliches Hindernis entgegengestellt. Diese theoretische Grenze wird zuweilen Lichtmauer genannt.

Das hielt prominente Physiker aber nicht davon ab, zumindest konzeptuell an diese Mauer zu klopfen und über sie hinauszudenken. So wurden bereits Anfang des 20. Jahrhunderts Überlegungen zu überlichtschnellen Elektronen von prominenten Physikern kontrovers diskutiert, unter anderem von Arnold Sommerfeld, Wilhelm Wien, Emil Wiechert, Max Abraham und Hendrik A. Lorentz. Die Erörterung bezog sich vor allem auf die von James Clerk Maxwell 1861 bis 1864 formulierten Theorie der Elektrodynamik, die mit der Speziellen Relativitätstheorie vereinbar ist und Einstein sogar zu dieser motiviert und angeleitet hatte. (Dass sich elektrische Ladungen mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen könnten, hatte der Physiker und Mathematiker Oliver Heaviside in England, der Maxwells Gleichungen in die heute gebräuchliche Form brachte, schon 1889 erwogen.)

Auch Einstein beteiligte sich an der Diskussion. Dazu führte er 1907 einen Briefwechsel mit Sommerfeld und Wien, Professoren an den Universitäten München und Würzburg. In sechs erhalten gebliebenen Briefen an Wilhelm Wien im Juli und August überlegte Einstein, ob es in dispersiven und absorbierenden Medien – also in Materie, nicht im Vakuum – überlichtschnelle Signalausbreitungen geben könnte. Das sei eine „höchst interessante Frage“, schrieb er am 23. Juli 1907 aus Bern, und skizzierte eine Berechnung, die er am 25. Juli berichtigte und am 29. noch einmal. „Leider hat sich bei näherer Untersuchung fast alles als falsch herausgestellt, was ich Ihnen in meinen früheren Briefen vorschnell berichtet habe. Es ist eigentlich nur das als richtig beizubehalten, dass die Maxwellsche Theorie die Möglichkeit der Ausbreitung eines Signales mit Überlichtgeschwindigkeit ausschließt“, räumte er zerknirscht ein und bat Wien, seine „Schreibseligkeit […] nicht gar zu übel auslegen zu wollen“. Einstein stellte noch mehr Überlegungen an, die er teilweise erneut revidierte, und bestritt weiterhin die Möglichkeit von überlichtschnellen Ausbreitungen rein elektromagnetischer Vorgänge, auch wenn sich Wien – der das ebenfalls so sah – letztlich nicht von Einsteins Argumentation überzeugen ließ. Dass es andere Effekte geben könnte, die schneller als Licht sind, wollte Einstein allerdings nicht prinzipiell ausschließen.

In seinem Artikel „Über die vom Relativitätsprinzip geforderte Trägheit der Energie“ vom Mai 1907, einen Monat später in den Annalen der Physik veröffentlicht, hatte Einstein zum ersten Mal das Äquivalenzprinzip von träger und schwerer Masse erwähnt, das die Grundlage seiner Allgemeinen Relativitätstheorie von 1915 wurde. Und er konstatierte, „dass nicht nur die Annahme momentaner Ausbreitung einer Wirkung, sondern allgemeiner jede Annahme von der Ausbreitung einer Wirkung mit Überlichtgeschwindigkeit mit der Relativitätstheorie nicht vereinbar ist.“ Kausalität wäre demnach eng mit der maximal lichtschnellen Übertragung von physikalischen Erhaltungsgrößen verbunden – eine in der Physik von der Relativitätstheorie bis zur Quantenfeldtheorie und darüber hinaus äußerst wichtige, wenn auch keineswegs völlig gesicherte Grundauffassung. Allerdings räumte Einstein auch ein, dass es im Prinzip überlichtschnelle Effekte geben könnte, die sich gleichsam rückwärts in unserer Zeit auswirken könnten. Er betonte im letzten Satz seines Artikels, dass dies seiner „Meinung nach, rein logisch genommen keinen Widerspruch enthält“.

Was denkmöglich und konsistent formulierbar ist, muss freilich keine Entsprechung in der materiellen Welt haben. Und die Unterminierung des Gefüges von Ursache und Wirkung erscheint auch als unbezahlbarer Preis: Käme es zu kausalen Paradoxien, drohte ein Umsturz der bewährten physikalischen Weltordnung.

Was ist möglich?

Bei der Diskussion von Überlichtgeschwindigkeiten muss nicht nur zwischen verschiedenen Arten oder Ursachen davon unterschieden werden, sondern auch, was jeweils betroffen ist: Sind es physikalische Teilchen, Felder oder Informationen? Und um welche Effekte handelt es sich dabei?

Auch die Frage, ob und inwiefern solche Überlichtgeschwindigkeiten eine Möglichkeit darstellen, ist verwirrend vieldeutig. Philosophen unterscheiden nämlich mehrere Arten von „möglich“:

Für Physiker sind Überlichtgeschwindigkeiten nicht nur begriffliche und gedankliche Möglichkeiten oder ein bloßer Gegenstand der Science-Fiction, sondern vor allem eine nomologische Herausforderung. Zu der gesamten Thematik gibt es viele tausend Artikel in hochkarätigen physikalischen Fachzeitschriften sowie auch einige Fachbücher. So sind erst kürzlich in der renommierten Buchreihe „Fundamental Theories of Physics“ des wissenschaftlichen Springer-Verlags zwei umfangreiche Werke erschienen: 2017 der Sammelband „Wormholes, Warp Drives and Energy Conditions“, den Francisco S. N. Lobo von der portugiesischen Universität Lissabon herausgegeben hat, und 2018 die Monographie „Back-in-Time and Faster-than-Light Travel in General Relativity” von Sergej Krasnikow, der am Pulkowo-Observatorium der Russischen Akademie der Wissenschaften in Sankt Petersburg arbeitet.

Unüberwindliche Grenze der Natur?

Inzwischen kann man fast ein Dutzend Arten überlichtschneller Effekte unterscheiden – sowohl in der Theorie als auch in der Praxis, und zwar vom Mikrokosmos bis weit über unser Universum hinaus. Einstein wäre begeistert. Manche Effekte sind eindeutig gemessen, andere denkbar im Rahmen der Relativitätstheorie, einige noch spekulativ.

Die entscheidende Frage, ob und inwiefern die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit wirklich eine unabänderliche Tempogrenze im All ist, bleibt gegenwärtig offen. Unter gewissen Voraussetzungen kann es überlichtschnelle Signalgeschwindigkeiten geben, wie Einstein sie nannte. Sie hätten physikalische Auswirkungen und würden zum Beispiel auch Informationen übertragen. Dafür gibt es kurioserweise in der Allgemeinen Relativitätstheorie und deren hypothetischen Erweiterungen eindeutige Lösungen. Dann wären sogar Rückwirkungen in die Vergangenheit oder Zeitreisen möglich.

Freilich folgen selbst daraus noch nicht zwingend kausale Paradoxien. Vielleicht würde die Natur diese stets verhindern (Selbstkonsistenz-Prinzip), etwa aufgrund von Quanteneffekten. Dann ginge es überall im Universum – und in allen anderen, falls solche existieren – gleichsam „mit rechten Dingen“ zu.

Hinzu kommt, dass die Allgemeine Relativitätstheorie und die verschiedenen Quantentheorien logisch miteinander unvereinbar sind und in bestimmten Extremsituationen zu Konflikten führen. Deshalb suchen Physiker schon seit einem Jahrhundert nach einer umfassenderen Theorie der Quantengravitation. Dafür gibt es inzwischen zwar einige vielversprechende Kandidaten, aber weder Konsens noch Klarheit – und erst recht keine experimentelle Bestätigung. Vielleicht wären echte überlichtschnelle Signalgeschwindigkeiten und ominöse Rückwärtskausalitäten in einer solchen Theorie der Quantengravitation nomologisch oder sogar logisch schlicht inkonsistent, also gleichsam verboten.