Spezielle Relativitätstheorie ist eine der am stärksten validierten Theorien die Menschheit jemals erfunden hat. Es ist von zentraler Bedeutung für alles, von der Raumfahrt über GPS bis hin zu unserem Stromnetz. Von zentraler Bedeutung für die Relativitätstheorie ist die Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum eine absolute Konstante ist. Das Problem ist, dass diese Tatsache nie bewiesen wurde.
Als Einstein die Relativitätstheorie vorschlug, sollte sie erklären, warum Licht immer die gleiche Geschwindigkeit hatte. In den späten 1800er Jahren dachte man, dass Licht, da es sich als Welle ausbreitet, von einer Art unsichtbarem Material getragen werden muss, das als leuchtender Äther bekannt ist. Die Überlegung war, dass Wellen ein Medium benötigen, wie beispielsweise Schall in der Luft oder Wasserwellen in Wasser. Aber wenn der Äther existiert, dann muss sich die beobachtete Lichtgeschwindigkeit ändern, wenn sich die Erde durch den Äther bewegt. Aber Messungen zur Beobachtung der Ätherdrift ergaben null. Die Lichtgeschwindigkeit schien konstant zu sein.
Einstein stellte fest, dass das Problem darin bestand, anzunehmen, dass Raum und Zeit absolut sind und die Lichtgeschwindigkeit variieren kann. Wenn Sie stattdessen davon ausgehen, dass die Lichtgeschwindigkeit absolut ist, müssen Raum und Zeit durch relative Bewegungen beeinflusst werden. Es ist eine radikale Idee, aber sie wird durch jede Messung der konstanten Geschwindigkeit des Lichts unterstützt.
So messen Sie die Umlaufgeschwindigkeit des Lichts. Quelle: Wikipedia-Benutzer Krishnavedala
Aber mehrere Physiker haben darauf hingewiesen, dass die Relativitätstheoriegeht davon ausDie Vakuumlichtgeschwindigkeit ist eine universelle Konstante, sie zeigt auch, dass die Geschwindigkeit niemals gemessen werden kann. Insbesondere Relativität verbietet Ihnen, die Zeit zu messen, die das Licht braucht, um von Punkt A nach Punkt B zu reisen. Um die Lichtgeschwindigkeit in eine Richtung zu messen, benötigen Sie an jedem Ende eine synchronisierte Stoppuhr, aber die relative Bewegung beeinflusst die Geschwindigkeit Ihrer Uhren relativ zur Lichtgeschwindigkeit. Sie können sie nicht synchronisieren, ohne die Lichtgeschwindigkeit zu kennen, die Sie ohne Messung nicht kennen können. Was Sie tun können, ist mit einer einzigen Stoppuhr die Hin- und Rückfahrt von A nach B zurück nach A zu messen, und das ist es, was jede Messung der Lichtgeschwindigkeit tut.
Da alle Lichtgeschwindigkeitsmessungen zu einem konstanten Ergebnis führen, können Sie die Zeit einfach durch zwei teilen und damit Feierabend machen. Genau das hat Einstein getan. Ervermutetdie Zeit hin und zurück war gleich. Unsere Experimente stimmen mit dieser Annahme überein, aber sie stimmen auch mit der Idee überein, dass die Lichtgeschwindigkeit, die auf uns zukommt, zehnmal schneller ist als die Geschwindigkeit, die von uns weggeht. Licht muss nicht in alle Richtungen eine konstante Geschwindigkeit haben, es muss nur eine konstante „durchschnittliche“ Hin- und Rückgeschwindigkeit haben. Relativität gilt immer noch, wenn die Lichtgeschwindigkeit anisotrop ist.
Ein Milne-Universum mit anisotropem Licht würde einheitlich aussehen. Quelle: Wikipedia-Benutzer BenRG
Wenn die Lichtgeschwindigkeit mit seiner Bewegungsrichtung variiert, würden wir das Universum anders sehen. Wenn wir ferne Galaxien betrachten, blicken wir in der Zeit zurück, denn Licht braucht Zeit, um uns zu erreichen. Wenn uns fernes Licht in irgendeiner Richtung schnell erreichen würde, würden wir das Universum in dieser Richtung als älter und ausgedehnter ansehen. Je schneller das Licht uns erreicht, desto weniger „in der Zeit zurück“ würden wir sehen. Da wir in allen Richtungen einen einheitlichen Kosmos beobachten, zeigt das sicherlich, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist.
Nun, nicht ganz, wie eine neue Studie zeigt. Es stellt sich heraus, dass, wenn die Lichtgeschwindigkeit mit der Richtung variiert, auch die Längenkontraktion und die Zeitdilatation auftreten. Das Team untersuchte die Auswirkungen von anisotropem Licht auf ein einfaches relativistisches Modell, das als Milne-Universum bekannt ist. Es ist im Grunde ein Spielzeuguniversum, das in seiner Struktur der Beobachtung ähnelt, aber ohne all die Materie und Energie. Sie fanden heraus, dass die Anisotropie des Lichts anisotrope Relativitätseffekte bei der Zeitdilatation und kosmischen Expansion verursachen würde. Diese Effekte würden die beobachtbaren Aspekte einer variierenden Lichtgeschwindigkeit aufheben. Mit anderen Worten, selbst wenn das Universum aufgrund einer unterschiedlichen Lichtgeschwindigkeit anisotrop wäre, würde es immer noch homogen erscheinen.
Es scheint also, dass die einfache Kosmologie auch Einsteins Annahme über die Lichtgeschwindigkeit nicht beweisen kann. Manchmal sind die grundlegendsten Ideen in der Wissenschaft am schwierigsten zu beweisen.
Referenz:Lewis, Geraint F. und Luke A. Barnes. “ Die Einweg-Lichtgeschwindigkeit und das Milne-Universum. 'arXiv-VordruckarXiv: 2012.12037 (2020).
