Seit mehr als einem Jahrzehnt fangen Physiker von der Universität Tokio mit ihrem Akeno Giant Air Shower Array (AGASA) hochenergetische kosmische Strahlung ein, die es gemäß Einsteins Spezieller Relativitätstheorie eigentlich nicht geben dürfte. Im Fachmagazin New Scientist (8. Febr. 2003) berichtet David Harris von der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft von der Suche nach einem Nachfolger für die Spezielle Relativitätstheorie.
Kosmische Strahlung besteht aus hochenergetischen geladenen Teilchen, zum größten Teil aus Protonen. Eine mögliche Quelle dieser Strahlung sind Supernova-Explosionen. Gemäß der Speziellen Relativitätstheorie sollten auf der Erde keine Teilchen mit einer Energie von mehr als 50 Trillionen Elektronenvolt ankommen, weil solche Teilchen aufgrund einer Wechselwirkung mit der kosmischen Hintergrundstrahlung zerstört werden sollten. Doch mit dem AGASA hat man Teilchen mit Energien bis zu 200 Trillionen Elektronenvolt beobachtet.
Eine neue Theorie mit dem Namen “doppelte spezielle Relativitätstheorie” (DSR) versucht, diesen Widerspruch zu lösen. Die erste Variante dieser Theorie wurde im Jahr 2000 von Giovanni Amelino-Camelia von der Universität La Sapienza in Rom entwickelt. Seitdem folgten viele weitere Versionen. Allein im vergangenen Jahr gab es mehr als 70 wissenschaftliche Veröffentlichungen zu diesem Thema. Die beiden Hauptmerkmale dieser Theorien sind: Sie lockern zum einen die absolute Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und führen zum anderen die neue Forderung nach der Invarianz der so genannten Planckmasse ein.
In der DSR hängt die Lichtgeschwindigkeit von der Energie und damit der Farbe des Lichts ab. Photonen mit hoher Energie haben eine etwas höhere Geschwindigkeit. Diese Veränderung gegenüber der Speziellen Relativitätstheorie löst das Problem der hochenergetischen kosmischen Strahlung. Denn als Folge wird auch die Energiegrenze, ab der die kosmische Hintergrundstrahlung alle hochenergetischen Teilchen zerstört, heraufgesetzt.
Doch nicht weniger bedeutsam ist die neu eingeführte Invarianz der Planckmasse. Diese Planckmasse taucht beim Versuch auf, die Quantenmechanik mit der Allgemeinen Relativitätstheorie in Einklang zu bringen. Teilchen, die eine höhere Masse beziehungsweise Energie als 10 Millionen Trilliarden Elektronenvolt haben, können von diesen beiden Theorien nicht mehr adäquat beschrieben werden. Man benötigt oberhalb der Planckmasse eine neue Theorie, die oft Quantengravitation genannt wird.
Die Forscher, die an dieser neuen Theorie arbeiten, hatten schon lange ein Problem mit der Speziellen Relativitätstheorie: Die Planckmasse ist keine Invariante dieser Theorie. Das bedeutet, dass zwei Beobachter, die sich verschieden schnell bewegen, anderer Meinung über die Größe der Planckmasse sind.
Während der eine Beobachter ein Teilchen unterhalb der Planckmasse sieht, kann ein anderer das gleiche Teilchen oberhalb der Planckmasse beobachten. Für den ersten Beobachter gehorcht das Teilchen den Gesetzen der Quantenmechanik und der Allgemeinen Relativitätstheorie, für den zweiten denen der Quantengravitation. Kurzum: Beide Beobachter beschreiben das gleiche Phänomen mit unterschiedlichen physikalischen Gesetzen. Das macht einfach keinen Sinn.
Ob sich eine der DSR-Varianten durchsetzen wird, ist noch offen. Außer der in Japan gemessenen hochenergetischen kosmischen Strahlung gibt es bisher keine experimentellen Bestätigungen der DSR. Zudem glauben einige Physiker, dass die AGASA-Daten missinterpretiert wurden und mit herkömmlichen Theorien erklärt werden können.
Neue Erkenntnisse liefert vielleicht der im Jahr 2006 startende Nasa-Satellit GLAST. Bis dahin wird ebenfalls das argentinische Pierre-Auger-Observatorium seinen Betrieb aufgenommen haben.
Axel Tillemans
