Kann sich ein Elektron schneller als das Licht bewegen?

Essayistische Zugabe zur Enzyklopädie

Schemazeichnung eines Synchrotrons

Bei dem Thema Lichtgeschwindigkeit oder gar Überlichtgeschwindigkeit wird man häufig - sicherlich mit Recht - hören, dass die bewegten Nukleonen oder Teilchen in einem Synchrotron oder Teilchenbeschleuniger nur bis zur Lichtgeschwindigkeit also c=299.792,458 km/s beschleunigt werden können - somit Überlichtgeschwindigkeit in solcher Großforschungsanlage nicht möglich wäre.^[1]

Was hier zu fehlen scheint, ist eine plausible Begründung für diesen Sachverhalt. Zumindest soll hier einmal eine Begründung gewagt werden.

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1 Grundsätzliches

Bei Auslenkungs- und Beschleunigungs-Vorgängen, wie man sie von der Membran eines Lautsprechers kennt, durch welchen eine Luftsäule in Schwingungen versetzt wird, gilt, dass ein Mechanismus vorhanden sein muss, der dafür sorgt, dass der Platz vor einer auslenkenden Membran geräumt wird - da - was aus der Alltagserfahrung bekannt ist - ein Platz erst neu eingenommen werden kann, wenn das zuvor raumfüllende sich weiter bewegt hat. Die Natur macht dies nach Beobachtung durch einen vorauseilenden und dann schwingenden Impuls, welcher sich beim Schall in einem fluiden oder festen Übertragungsmedium mit Schallgeschwindigkeit und im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit bewegt.

Betrachtet man den Schwingungsvorgang eines Lautsprechers, dann wird man feststellen, dass oftmals nur eine Maximalgeschwindigkeit von 1 m/s erreicht wird - allerdings wird die so angeschobene Luftsäule dann mit Schallgeschwindigkeit von 334 m/s bewegt. Solche Beispiele könnten in größerer Zahl gebracht werden, d.h. man schiebt Wasser noch mit der Hand und sieht doch bereits neue Wellen am gegenüberliegenden Ufer des Sees. Selbstverständlich bewegt sich etwas Angeschobenes schneller als das Anschiebende, denn es kann erst weggeschoben werden, wenn das Weggeschobene irgendwo einen Platz, d.h. Freiraum, hat, wo es hin kann - somit startet bei einem Anschiebevorgang immer ein schwingender Impuls, der einen solchen Bewegungsvorgang vermittelt - und dieser Impuls ist wesentlich schneller als die anschiebende Membran.

Wenn der Impuls mit 334 m/s durch die Luftsäule durch ist, dann bewegt sich das Ende - nach dieser Modellvorstellung - ein Stückchen weiter - danach rücken vom Ende her Volumenanteile nach, bis auch die auslenkende Membran des Lautsprechers entsprechend vorrückt. So hat jeder Auslenkungs- oder Schiebungs-Vorgang zwei Geschwindigkeiten, einmal die der auslenkenden Apparatur und zum anderen die Schallgeschwindigkeit des Mediums, mit welcher die Bestandteile des Mediums einzeln fortbewegt werden. Das gilt natürlich auch für einen Bleistift, den man verschiebt.^[2]

Beachtet man allerdings den Vorgang bei unterschiedlichen Gelegenheiten, dann erkennt man bei einer Auslenkung in Wasser eine Bugwelle und eine sich sehr schnell entfernende Wellenfront.^[3]

Prinzip einer Beschleunigerstrecke

Der Impuls entfernt sich sehr viel schneller als es dem Auslenkungsvorgang entspricht, dies ist eigentlich ein erstaunliches Bild, wenn man bei unterschiedlichen Gelegenheiten drauf achtet. Nur rein formal und prinzipiell sollte begründet werden, wieso elektrische und magnetische Felder die Höchstgeschwindigkeit c haben. Vorweg: Für ein elektrisches Feld sei dies zugestanden und für ein magnetisches Feld einfach nicht bekannt. Wobei ein Feld eigentlich statisch ist und sich nur in seiner Aufbauphase sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit ausbreitet.

2 Versuche im Teilchenbeschleuniger

Ein elektrisches Feld breitet sich mit annähernd c in einem Stromkreis vom negativen als auch vom positiven Pol aus. Nachdem es sich ausgebreitet hat, ist es ein ruhendes Feld, d.h. es handelt sich um statische Elektrizität. Erst jetzt kann man sich ein solches Feld als Beschleunigungsstrecke in einem Teilchenbeschleuniger denken und stellt sich das negativ geladene Elektron als Probekörper vor, der dann entsprechend bewegt wird. Allerdings kann so noch nicht gesagt werden, bis zu welcher Geschwindigkeit des umlaufenden Teilchens die Coulomb-Kraft des elektrischen Feldes der Beschleunigungsstrecke aufgebaut werden kann. Somit wäre eine weitere Modellannahme bezüglich der Ursache und Wirkungsweise eines elektrischen Feldes notwendig. Ich gehe davon aus, dass ein solches Feld aus ständig neu erzeugten Impulsen besteht, die sich mit Lichtgeschwindigkeit durch das Vakuum ausbreiten. Dafür ist ein Linearbeschleuniger weniger geeignet, weil die Strecke begrenzt ist und es umständlich wäre, jeweils am Ende die Teilchen abzubremsen und dann wieder zurückzuschicken. Wenn ein solches Feld, welches aus lichtschnellen Impulsen besteht, das die umlaufenden Elektronen, beschleunigen soll, geht es natürlich nicht schneller als bis zur Lichtgeschwindigkeit. Daher werden Versuche mit ringförmigen Beschleunigern angestellt, in denen die Umlaufgeschwindigkeit theoretisch beliebig erhöht werden kann. Gegenüber anderen Teilchenbeschleunigern hat dies den Vorteil, dass die Beschleunigungen über längere Zeit durchgeführt und beobachtet werden können. Zudem ist hier der Radius vom Mittelpunkt, von wo die Steuerung erfolgt, bis zur Laufstrecke wesentlich kürzer als die Laufstrecke selbst. Nach der Kreisformel beträgt die Laufstrecke das 6,28fache des Radius. Die Hypothese geht nun davon aus, dass die Impulse somit nicht unbedingt Lichtgeschwindigkeit benötigen.

Bild eines Linearbeschleunigers im CERN

Bei einem Teilchenbeschleuniger kommt es darauf an - wie der Name schon sagt - z.B. durch ein elektrisches Feld kleine Teilchen zu beschleunigen. Es hat sich in allen Versuchen bestätigen lassen, das gemäß der Relativitärstheorie die Masse eines Teilchens bei Annäherung an die Lichtgeschwindigkeit zunimmt. Daher muss auch entsprechend mehr Energie aufgewendet werden. Je geringer die Masse des Teilchens ist, um so geringer auch die Beschleunigungsenergie. Dementsprechend sind solche Versuche eher mit leichten Teilchen wie dem Elektron sinnvoll. Seine Masse beträgt nur etwa 1/500 der Masse eines Nukleons wie etwa das positiv geladene Proton. Dennoch nimmt auch seine Masse mit der Beschleunigung zu. Synchrotrone wurden entwickelt, um über die mit Zyklotronen erreichbaren Energien hinauszukommen.