Laufen bewegte Uhren langsamer?

Die spezielle Relativitätstheorie Einsteins (1905) brachte eine radikale Neuerung mit sich, die für viele Zeitgenossen zunächst schwer zu schlucken war – die Zeit sollte kein absolut fester, für alle gleichermaßen gültiger Bezugsrahmen mehr sein, sondern war abhängig davon, aus welcher Perspektive (welchem Bezugssystem) sie gemessen wurde. Damit war nicht gemeint, dass die subjektive Empfindung der Zeit sich je nach Situation verändert, oder dass Uhren aufgrund ihrer mechanischen Konstruktion langsamer oder schneller laufen, je nachdem welchen Bedingungen sie ausgesetzt sind. Das ist zwar so, was z.B. Harrison dazu veranlasste, ausgeklügelte Uhrwerke zu konstruieren, die auch an Bord von Schiffen mit guter Genauigkeit gleich liefen – aber darum geht es bei Einstein nicht; Nein, die Zeit selbst soll angeblich anders laufen!

Der raffinierte Mechanismus in Harrisons Präzisionsuhren (hier die H1) für die Seefahrt sollte sicherstellen, dass sie auch bei Seegang und wechselnden Temperaturen genau genug blieben, um den Längengrad zu bestimmen. Um diese Art von Bewegungsabhängigkeit des Uhrengangs geht es hier nicht – in der Relativitätstheorie laufen nicht nur manche Uhren aufgrund ihrer Konstruktion anders, sondern alle physikalischen Abläufe und damit alle denkbaren Uhren, und damit die Zeit selbst (Quelle: Wikimedia Commons)

Die berühmteste Konsequenz dieser Relativität der Zeit wird sehr häufig so zusammengefasst: Bewegte Uhren laufen langsamer. Diese Aussage ist aber, so pauschal gemacht, unsinnig.

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X-Boson reloaded

Im Juni hatte ich von einer möglichen Entdeckung eines neuen leichten Teilchens in einem ungarischen Kernphysik-Experiment geschrieben, und ein paar Tage danach von Zweifeln daran berichtet, da einige Details zur Historie der Arbeitsgruppe ans Tageslicht kamen, die etwas nachdenklich machen. Als diese Meldung von einer möglichen Entdeckung im Juni erstmals durch die Wissenschaftspresse geisterte, war das experimentelle Ergebnis der Ungarn bereits über ein Jahr alt und war weitestgehend unbemerkt geblieben. Das änderte sich erst, als einige amerikanische Theoretiker es aufgriffen und ernsthafte Überlegungen anstellten, wie man es theoretisch erklären könnte, sofern der beobachtete Effekt echt ist. Nachdem diese Veröffentlichung eine Weile von sich reden machte, wurde es wieder still um die Angelegenheit, da die experimentelle Grundlage einfach zu ungewiss schien, um den neue-Physik-Alarm längerfristig schallen zu lassen.

In den letzten Tagen ist das ungarische X-Boson nun erneut in diversen Wissenschaftsnachrichten und Podcasts aufgetaucht.

The Sound of Silence, oder: Wie ein Physiker die Strahlung schwarzer Löcher im Labor simuliert

Vor genau 100 Jahren, bald nach der Fertigstellung der Einstein’schen Allgemeinen Relativitätstheorie, bemerkten verschiedene Physiker (allen voran Karl Schwarzschild), dass laut dieser neuartigen Theorie Raumbereiche existieren konnten, deren Gravitation nichts entrinnen kann – nicht einmal Licht. Man nennt diese Objekte heute schwarze Löcher. Damals war die vorherrschende Meinung, dass es sich dabei um kaum mehr als eine mathematische Kuriosität ohne Bezug zur Realität handelte. Doch nach und nach häuften sich die Hinweise, dass es diese extremen Objekte im Universum wohl tatsächlich gab. Spätestens nach der Detektion der Gravitationswellen zweier kollidierender schwarzer Löcher im September 2015 durch LIGO ist klar, dass die Welt wirklich so funktioniert, wie es uns die Einstein’sche Theorie nahelegt, dass es diese schwarzen Löcher genau so gibt.

Die schwarzen Löcher, wie sie von der Relativitätstheorie Einsteins von 1915 vorhergesagt werden, sind wirklich komplett schwarz, da ihnen kein Licht entrinnen kann. Im Jahr 1974 betrachtete Stephen Hawking aber, was passiert, wenn man nicht die Relativitätstheorie allein zu Rate zieht, sondern zusätzlich berücksichtigt, dass die Teilchen im Universum ja den Gesetzen der Quantenphysik gehorchen. Er machte eine erstaunliche Entdeckung: Am sogenannten Horizont der schwarzen Löcher, der ihr Inneres für immer von der Außenwelt zu isolieren schien, und über den in der klassischen Sicht Einsteins nichts wieder herauskommen konnte, passierten ganz sonderbare Dinge. Berechnungen zeigten, dass in der Nähe dieses Horizonts durch Quantenfluktuationen spontan Paare von Teilchen positiver und negativer Energie entstehen würden, die in Abwesenheit eines Schwarzen Lochs sofort wieder ungesehen verschwänden – Ist aber ein schwarzes Loch da, trennen sie sich auf: Das Teilchen negativer Energie fällt hinein, das Teilchen positiver Energie wird nach außen weg abgestrahlt. So strahlt das „schwarze“ Loch Teilchen ab und wird leichter.

Warum hat nun Hawking noch nicht seinen Nobelpreis für diese revolutionäre Entdeckung abgeräumt?

Das Alptraum-Szenario

Als der Large Hadron Collider am CERN im Jahr 2009 in Betrieb ging, wusste man natürlich nicht, was man mit der Maschine entdecken würde. Wenn das schon vorher klar gewesen wäre, hätte man sich den Aufwand schließlich sparen können! Aber – man hatte diese Investition doch nicht ganz ohne Absicherung gemacht, denn es gab das sogenannte No-Lose-Theorem, ein Argument, weshalb man sich sehr sicher sein konnte, dass der LHC nicht ohne Entdeckung bleiben würde. Es lautete in etwa so:

Schwarzer Rauch über Chicago – kein neues Boson bei 750 GeV

Seit der Winterkonferenz 2015 am CERN war die Teilchenwelt in Aufruhr – in den beiden LHC-Experimenten ATLAS und CMS sah man einen Überschuss an Photonpaaren bei einer Energie von etwa 750 GeV, den man als neues Boson bei dieser Masse interpretieren konnte. Die bohrende Frage war – handelt es sich nur um einen statistischen Ausreißer, der zufällig in beiden Experimenten an derselben Stelle auftrat (wenn auch bei CMS wesentlich schwächer), oder wirklich um ein neues Teilchen – mit historischen Konsequenzen für die Grundlagenforschung.

So schauen die Daten, als statistische Signifikanzen (p-Values) dargestellt, der beiden Experimente ATLAS und CMS aus, wie sie gerade auf der Konferenz ICHEP in Chicago präsentiert wurden:

 

In beiden Plots ist  die blaue Kurve  jene der alten Daten, die rote jene der diesjährigen, zur Stunde auf der ICHEP-Konferenz präsentierten Daten.

Vor allem im ersten Plot von ATLAS sieht man deutlich die nach unten zeigende Spitze bei ~750 GeV (in blau). Dieser niedrige p-Wert bedeutet, dass solche Fluktuationen selten vorkommen, was wiederum ein Hinweis sein könnte, dass es sich nicht um eine Fluktuation handelt, sondern ein neues Teilchen. Wäre es ein neues Teilchen, würde man in den 2016 aufgenommenen Daten auch einen niedrigen p-Wert an derselben Stelle erwarten, aber hier sehen wir nur kleine Fluktuationen (in rot). Damit ist ziemlich klar, dass es sich bei der ganzen 750 GeV-Geschichte um zwei statistische Fluktuationen handelte, im Experiment ATLAS eine starke, durch Zufall an derselben Stelle im Experiment CMS eine schwächere.

Damit ist das Thema wohl durch, zumindest was die Physik angeht. Über die Soziologie (es wurden von Theoretikern hunderte Papiere zu einem Thema verfasst, das wohl eine Blase war…) wird man sich vermutlich noch eine Weile streiten.

Nun richten sich alle Augen auf die vielen anderen Ergebnisse, die auf der ICHEP präsentiert werden. Vielleicht steckt ja noch etwas interessantes drin, in den Daten von 2016…

Dazu siehe auch Quo Vadis, LHC