Warum gibt es nicht die Überlichtgeschwindigkeit?

Question

Es heißt ja, dass Lichtgeschwindigkeit das schnellste ist. Warum kann die Geschwindigkeit nicht übertroffen werden?

Man könnte doch etwas aus einer Höhe runter schmeißen. Dieser Gegenstand beschleunigt dann immer weiter, bis die Lichtgeschwindigkeit übertroffen wird. Theoritisch (!) ist
überlichtgeschwindigkeit also möglich, aber praktisch...?

Answer 1

Also ich schmeiss jetzt doch nochmal meine Antwort komplett um, hier wurde vor und nach mir schon wieder so viel Mist erzaehlt, dass ich das als Physikstudent doch gerne mal explizit vorrechnen wuerde.

Denn hier mit der Zeitdilatation zu argumentieren oder mit der Zunahme der Masse bei hoeherer Geschwindigkeit ist schlichtweg UNSINN!!!

Dass es eine Maximale Ausbreitungsgeschwindigkeit fuer Signale gibt ist eine beobachtbare Tatsache, dass warum zu beantworten ist ein schwierige Sache. Man kann nur Theorien und mathematische Strukturen aufbauen, die auf solchen empirischen Befunden aufbauen und daraus weitere Dinge folgern, z.B. das feste Materie die Lichtgeschwindigkeit nicht erreichen kann. Das ist aehnlich problematisch wie nach den Bausteinen der Maetrie zu fragen...


WEN DIE DETAILIERTE BETRACHTUNG NICHT REALISIERT KANN UNTEN DAS RESUMEE LESEN.

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KLASSISCHE BETRACHTUNG DES GEDANKENEXPERIMENTS

Zunaechst betrachte ich dein Gedankenexperiment mit dem unendlichen Fall unter der Annahme der Newton'schen Gesetze, also der KLASSISCHEN MECHANIK. Die Einheiten erspare ich mir als Theoretiker fuer die Rechnung... ich versichere euch, dass es aufgeht.

Demnach gilt fuer die Gravitationskraft F und das draus resultierende Potential U:

F(r) = -G * m * M / r^2
U(r) = -G * m * M / r [ -F(r) ueber 'r' integriert ]

G = 6,6 * 10^-11 [ Gravitationskonstante ]
m [ Masse des fallenden Objektes; Zahlwert egal ]
M [ Masse des anziehenden Objektes ]
r [ Abstand zwischen m und M ]

Einsetzen ergibt, dass U im unendlichen Abstand 0 ist und bei Annaehrung immer staerker negativ wird.

Bei der Annaehrung nimmt die kinetische Energie T mit der Abnahme der Potentiellen Energie zu U. Setzt man T zu Beginn (im Unendlichen) gleich 0 ergibt sich zu jedem Zeitpunkt der Bewegung:

T = 1/2 * m * v^2 = -U = G * m * M / r

Woraus nach Umformung folgt:

v^2 / (2*G) = M / r

Jetzt setze ich noch G ein und fuer die Geschwindigkeit die ich erreichen will setze ich also c=3*10^8 ein.

Dann komm ich auf ein 'anziehende Masse'-Abstand-Verhaeltnis von:

M / r = 6,73* 10^26 [ Achtung ich hab mit bisschen genaueren Werten gerechnet als angegeben. ]

Jetzt nehm ich an, dass meine anziehende Masse so schwer ist wie drei Sonnen (M = 6*10^30 kg), dann erreiche ich die Lichtgeschwindgkeit wenn ich noch ca. 9 km vom Gravitationszentrum entfernt bin.

Das waere ein durchaus realistische Groesse, da ein typischer Neutronenstern zwischen 1,4 und 3 Sonnenmassen bei einem Durchmesser von ca. 20 km hat. So koennte KLASSISCH gerechnet tatsaechlich ein beliebig schweres Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit allein durch Gravitation auf einen Neutronenstern fallen, von Schwarzen Loechern ganz zu schweigen...

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RELATIVISTISCHE BETRACHTUNG DER PROBLEMATIK

Schlagen wir nun den Bogen zur RELATIVISTISCHEN MECHANIK: Das triviale Totschlagargument die Masse wuerde mit zunehmender Geschwindigkeit zunehmen zieht nicht, den diese Masse m hat sich oben ja kuerzen lassen und das klassische Ergebnis ist vollkommen unabhaengig von der Testmasse.

Die Relativitaetstheorie im Detail zu erklaeren fuehrt viel zu weit. Der Entscheidende Effekt ist jedenfalls, dass die KLASSISCHE Formel

T = 1/2 * m * v^2

fuer die Kinetische Energie nur fuer kleine Geschwindigkeiten v << c hinreichend genaue Ergebnisse liefert. RELATIVISTISCH rechnet man:

T = (gamma - 1) * m * c^2
gamma^2 = 1 / (1-(v/c)^2)

m [ Ruhemasse (unabhaenig von der Geschwindigkeit) ]
gamma [ Lorentzfaktor; siehe unten ]

Setzt man nun v = c so wie zuvor oben wird der Nenner des Lorentzfaktors 0. Dadurch wird gamma und damit auch T unendlich gross, du brauchtest also auch unendlich viel Potentielle Energie um diese Geschwindigkeit durch Gravitation zu erreichen, wozu du unrealistisch viel Masse auf einen unrealistisch kleinen Punkt konzentrieren muesstest (noch viel extremer als man es fuer das Schwarze Loch vermutet). Wenn du versuchst was groesseres als c einzusetzen wird gamma^2 negativ, was im Realraum nicht funktioniert.
Zeitdilatation und Eigenzeit sind schoene Schlagworte, mit denen einige hier um sich werfen... die sind aber fuer das Problem total unerheblich. Wichtig ist hier nur die Zeit im auesseren System und die ist natuerlich invariant!!!


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ALLGEMEINES ZUR RELATIVISTIK

Woher kommt die Formel fuer die relativistische Energie und woher der Gamma-Faktor? Nun, irgendwann hat man mal in der Elektrodynamik festgestellt, dass es eine 'Signalgeschwindigkeit' gibt mit der sich die Kraftwirkung ausbreitet und dies auch fuer die Mechanik verifiziert (es gibt keine instantane Wirkung). Diese konstante maximale Ausbreitungsgeschwindigkeit ist die Lichtgeschwindigkeit. Diese Tatsache, Zusammen mit dem KLASSISCHEN Relativitaetsprinzip, dass die Naturgesetze (also auch die Lichtgeschwindigkeit) in jedem beliebig geradlinig bewegten System gleich sein muessen fuehrte schliesslich zur Relativitaetstheorie:
Also auch wenn ich mich mit einer beliebigen Geschwindigkeit v relativ zu einer Lichtquelle bewege ist die Lichtgeschwindigkeit fuer mich noch die gleiche und nicht v+c !!! Man kann also Geschwindigkeiten nicht einfach klassisch addieren, sondern c+v muss immer noch c sein. Konstruiert man um diese Ueberlegungen eine mathematische Struktur landet man bei der sogenannten Lortentztransformation (und dem Lortentzfaktor), die die RELATIVISTISCH Geschwindigkeitsaddition beschreibt. Da jetzt in's Detail zu gehen fuehrt viel zu weit, die ART (allgemeine Relativitaetstheorie) ist eigentlich eine Vorlesungs fuer's sechste Semester. Aber du kannst ja danach jetzt nochmal gezielter Google und Wiki befragen... du kannst mich auch gerne direkt kontaktieren wenn noch fragen offen sind, nur hier fuehrt das sonst zu weit. Ich hoffe du konntest trotzdem was damit anfangen.


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RESUMEE:
* KLASSISCH wuerde das Gedankenexperiment sehr wohl funktionieren (Beispiel: beliebige Testmasse und Neutronenstern im hinreichend leeren Raum).
* Entscheidend ist fuer das Beispiel NICHT, dass die Masse nach E=mc^2 mit zunehmender Energie (Geschwindgkeit) zunimmt, sondern dass die Berechnung der kinetischen Energie RELATIVISTISCH einfach anders funktioniert
* Dass die Lichtgeschwindigkeit die maximal erreichbare Geschwindigkeit ist, ist eine EMPIRISCHE Tatsache, ebenso wie das RELATIVITATSPRINZIP.
* Die LORENTZTRANSFORMATION ist eine mathematische Umsetzung dieser beiden grundlegenden Feststellungen. Aus ihr ergeben sich alle weiteren Ergebnisse.
* Zeitdilataion geht auch aus LORENTZ hervor, hat aber mit dem Problem wenig bis gar nichts zu tun!

Answer 2

Die Antwort steckt in der kleinen Formel E=mc².
Jeder Autofahrer weiß das er um so mehr Sprit braucht je mehr er beschleunigt. Möchtest Du nun irgend Etwas auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen bräuchtest Du ganz einfach unendlich viel Energie da die Masse auch unendlich groß wird. Nun gibts aber im gesamten Universum nur endlich viel Energie.....leider!

Answer 3

Lichtgeschwindigkeit ist nur die Grenze für Objekte mit einer Masse! Ob es eine schnellere Geschwindigkeit für andere Objekte gibt, steht nicht fest... es gibt inzwischen Theorien von Elementarteilchen, die ÜLG erreichen können sollen... wer weiss...

Answer 4

Praktisch ist nur die Lichtgeschwindigkeit möglich, oder besser gesagt die Geschwindigkeit der Elektronen und elektromagnetischer Wellen. Mobilfunk, Internet, Elektrizität - das alles besitzt die Lichtgeschwindigkeit. Theoretisch könnte man die Überlichtgeschwindigkeit hinbekommen, wenn man die Lichtgeschwindigkeiten miteinander verknüpft. Wenn man zwei Batterien mit je 1,5 Volt aneinander anschliesst, bekommt man 3 Volt raus. Das könnte auch bei Lichtgeschwindigkeit gehen. Jedoch habe ich das nicht ausprobiert, weil mir einfach die teueren Messgeräte fehlen.
Übrigens: sehr interessante Frage!!!

Answer 5

Zum Teufel mit den Torpedos, volle Fahrt voraus! Einstein war ein Genie, aber ich bin davon überzeugt, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht die höchste erreichbare Geschwindigkeit ist, weder für Energie, noch für Teilchen.

Sogenannte Tachyonen, mathematisch postulierte Teilchen, sollen gerüchterweise nur mit ÜBERlichtgeschwindigkeit "fliegen" können. Und es gab in jüngster Zeit sogenannte "Tunnelungen" in denen man die Grenze der Lichtgeschwindigkeit ad absurdum geführt hat, man hat sie nämlich übertroffen.

Ich denke deswegen, dass es auch millionenfache Lichtgeschwindigkeit geben könnte, und zwar für MASSEN. Sonst würden wir uns ja im All praktisch niemals von der Stelle bewegen können. Der Gedanke wäre frustrierend. Das ist zwar keine wissenschaftliche Argumentation, aber trotzdem hier meine These und Prognose: In FERNER Zukunft, wird es möglich sein, einen langsamen Anflug auf eine andere Galaxie durchzuführen! Und beim beschleunigen, werden die Galaxien wie Striche an dem Raumschiff vorbeiziehen! Dessen bin ich mir sicher. Du darfst mich zitieren.

Beweise? Fehlanzeige. Ist nur Intuition. Immerhin etwas.

Answer 6

Hi...

Die Krümmung des Raumes läßt sich anhand eines auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigten und an eine Kinderzimmer-
wand geworfenen Legosteines unweigerlich beweisen.....gg*

Gruß Hennes

Answer 7

dazu bräuchtest du unendlich viel raum .
auserdem welcher gegenstand soll da aushalten
licht hat ja keine masse

Answer 8

Wer sagt denn sowas? Denkbar ist alles, wenn auch mit unserem begrenzten Geist nicht erfassbar.
Dein Beispiel ist allerdings albern, entschuldige bitte, denn von wo willst du denn einen Gegenstand auf was runterschmeissen, dass er Überlichtgeschwindigkeit erreicht? Selbst um ein Atom auf annähernd Lichtgeschwindigkeit zu Beschleunigen sind Energien notwendig, mit denem man ganze Städte mit Strom versorgen könnte. Bei einem, für uns, sichtbaren Gegenstand, fehlt uns wahrscheinlich ebenfalls die Vorstellungskraft wieviel Energie dies bedürfte.

Answer 9

Theoretisch ist das ebenos wenig möglich wie praktisch. Zunächst einmal ist die Masse abhängig von der Geschwindigkeit. (E=m*c^2) Dieses Problem allein ist nicht lösbar. Und wenn ich aus unendlicher Höhe abwerfe, wie groß ist dann die Anzeihungskraft? - Null!! Man kann nicht "herunterwerfen"! Wo ist dann eigentlich unten?
Auf die Zeitproblematik will ich gar nicht erst zu sprechen kommen.
Literaturtipp: Fritjof Capra: Das Tao der Physik. Und: John Gribbin: Auf der Suche nach Schrödingers Katze.

Answer 10

Erstmal zur Idee des runter schmeißens: Die Graviationskraft nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab. Auf diese Weise sollte es (so über den Daumen gepeilt) niemals möglich sein, einen Gegenstand in die Nähe der Lichtgeschwindigkeit zu bringen.

Beschleunigt man einen Gegenstand, so tritt neben der Zeitdilatation auch eine Massendilatation ein.

Betrachtet man die Gleichungen zur Zeit- und Massendiletation (die einfache Formel findet sich z.B. bei

http://de.wikipedia.org/wiki/Zeitdilatation

), so sieht man, dass der Ausdruck unter der Wurzel negativ würde, wenn die Geschwidigkeit des betrachteten Objekts größer als die Lichtgeschwindigkeit wäre. Damit würde ein Objekt anstatt Masse auf einmal eine (im mathematischen Sinne) "imaginäre" Masse haben, und für diese "imaginäre" Masse würde auch eine "imaginäre" Zeit gelten. Ob es so etwas gibt und was man sich physikalisch unter "imaginärer" Zeit und Masse vorstellen kann, ist zumindest mir vollkommen unklar.

Bei erreichen der Lichtgeschwindigkeit wäre nach dieser Formel die Masse des Objekts unendlich groß; was nicht möglich ist. Damit ein Objekt tatsächlich Lichtgeschwindigkeit erreichen könnte, müsste es seine gesamte Masse komplett in Energie zerstrahlen. Damit bliebe vom Objekt nichts mehr übrig, und vor allem ist nichts mehr da, was man noch weiter zur Beschleunigung verwenden könnte.

Rein mathematisch könnte man über die Lichtgeschwindigkeit hinweg "hüpfen", indem man nicht kontinuierlich beschleunigt. Nach gängigen Vorstellungen der Physik ist solch ein "Sprung" aber nicht möglich. Und selbst wenn, dann wären wir wieder in einem imaginären Zeit- und Massengebilde (die Zeit würde nicht etwa rückwärts laufen!), das ich mir beim besten Willen nicht vorstellen kann.