Tachyonen: Die Physik erlaubt sie, die Natur nicht

Von DerSchneider

Es gibt Ideen in der Physik, die haben eine eigentümliche Karriere hinter sich. Sie werden geboren als mathematische Randnotiz, verschwinden für Jahrzehnte in der Schublade, tauchen wieder auf als Science-Fiction-Topos, werden von Experimentalphysikern gejagt und schließlich – zumindest vorläufig – als das entlarvt, was sie von Anfang an waren: ein Gedankenspiel. Die Tachyonen sind genau so ein Fall. Und doch lohnt sich die Beschäftigung mit ihnen, weil an ihnen deutlich wird, wie präzise die Relativitätstheorie tatsächlich ist – und wo die Grenzen zwischen mathematischer Möglichkeit und physikalischer Realität verlaufen.

Der Begriff bezeichnet hypothetische Teilchen, die sich von Natur aus schneller als das Licht bewegen. Das klingt nach einem klaren Verstoß gegen Einsteins Spezielle Relativitätstheorie. Doch die Sache ist subtiler. Die Relativitätstheorie verbietet nicht, dass etwas schneller als Licht ist – jedenfalls nicht als kinematische Möglichkeit. Sie verbietet nur, dass etwas, das langsamer als Licht ist, auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt wird; dafür wäre unendlich viel Energie nötig. Über die andere Seite der Lichtmauer sagt die Formel zunächst nichts.

Hier ist allerdings eine Präzisierung angebracht, die in populären Darstellungen oft untergeht: Was die klassische Relativitätstheorie als Bewegungsmöglichkeit zulässt, ist damit noch lange nicht als quantenfeldtheoretisches Teilchen etabliert. Die Quantenfeldtheorie, also das Framework, in dem alle bekannten Elementarteilchen beschrieben werden, macht echte Tachyonen als asymptotische, also freie Teilchen höchst problematisch. Tachyonische Felder führen zu Vakuuminstabilität und zu sogenannten Geistern – Zuständen mit negativer Norm, die die Wahrscheinlichkeitsinterpretation der Quantenmechanik untergraben. Die saubere Trennung lautet also: klassisch erlaubt, quantenfeldtheoretisch höchst problematisch. Der entscheidende Punkt ist, dass die Physik nicht bei der klassischen Kinematik stehen bleibt.

Die Geschichte dieser Idee ist überraschend alt. Bereits 1904, ein Jahr bevor Einstein seine Spezielle Relativitätstheorie veröffentlichte, spielte der Münchner Physiker Arnold Sommerfeld mit der Frage durch, wie sich ein Teilchen verhalten würde, das immer schneller als Licht ist. Sein Ergebnis verblüffte ihn selbst: Ein solches Teilchen würde Energie verlieren, wenn man es beschleunigt – das Gegenteil von allem, was man von normaler Materie kennt. Sommerfeld legte das Problem beiseite.

Es dauerte fast sechzig Jahre, bis der US-Physiker Gerald Feinberg 1967 den Begriff „Tachyon“ prägte und eine erste systematische quantenfeldtheoretische Beschreibung versuchte . Die Prägung des Namens geht auf ihn zurück, ebenso der erste ernsthafte Versuch, Tachyonen in die Quantenfeldtheorie einzubetten. Die oft zitierte Anekdote, Feinberg sei von einer Science-Fiction-Geschichte inspiriert worden, ist eine hübsche Randnotiz, sollte aber nicht überbewertet werden – sie sagt mehr über die kulturelle Atmosphäre der 1960er Jahre als über die Physik.

Drei Welten, getrennt durch eine unüberwindbare Mauer

Um zu verstehen, warum Tachyonen so seltsam sind, hilft eine einfache Vorstellung. Die Spezielle Relativitätstheorie teilt alle möglichen Geschwindigkeiten in drei scharf getrennte Bereiche ein. Da ist zunächst die Welt der gewöhnlichen Materie: Alle Teilchen mit Masse bewegen sich langsamer als Licht. Dann die Welt des Lichts: Photonen und andere masselose Teilchen bewegen sich exakt mit Lichtgeschwindigkeit. Und schließlich die hypothetische dritte Welt: Teilchen, die immer schneller als Licht sind.

Zwischen diesen Welten gibt es keine Übergänge. Ein normales Teilchen kann die Lichtmauer nicht durchbrechen, weil seine Energie gegen unendlich strebt, je näher es der Lichtgeschwindigkeit kommt. Ein Tachyon kann die Mauer nicht von der anderen Seite durchbrechen, weil auch für es unendlich viel Energie nötig wäre, um auf Lichtgeschwindigkeit abzubremsen. Die Mauer ist von beiden Seiten unüberwindbar .

Was Tachyonen so merkwürdig macht, ist ihr Energieverhalten. Bei normalen Teilchen gilt: mehr Energie, mehr Geschwindigkeit. Bei Tachyonen ist es umgekehrt. Je schneller ein Tachyon fliegt, desto weniger Energie trägt es. Bei unendlicher Geschwindigkeit wäre seine Energie schließlich null. Um ein Tachyon abzubremsen, müsste man ihm Energie zuführen – und zwar unendlich viel, um es bis an die Lichtmauer heranzubringen.

Diese Umkehrung folgt aus der Mathematik der Relativitätstheorie. Präzise formuliert: Die Größe, die man üblicherweise als Ruhemasse bezeichnet, also der Ausdruck m² = E²/c⁴ − p²/c², wird bei überlichtschnellen Geschwindigkeiten negativ. Die Rede von der „imaginären Masse“ ist eine Sprechweise für diese negative Quadratsignatur – physikalisch sauberer ist es, von einem negativen Massenquadrat zu sprechen. Das klingt absurd, ist aber harmlos, weil ein Tachyon ohnehin niemals ruht und daher keine Ruhemasse im eigentlichen Sinne besitzt .

Die folgende Tabelle fasst die grundlegenden Unterschiede zusammen:

Das Antitelefon und warum die meisten Physiker abwinken

Die eigentliche Schwierigkeit mit den Tachyonen ist nicht ihre Geschwindigkeit. Es ist die Zeit. In der Relativitätstheorie hängt die Reihenfolge zweier Ereignisse vom Beobachter ab – aber nur dann, wenn die Ereignisse durch ein überlichtschnelles Signal verbunden sind. Für einen ruhenden Beobachter mag ein Tachyon von A nach B fliegen. Für einen anderen, der sich schnell genug in die entgegengesetzte Richtung bewegt, kommt dasselbe Tachyon in B an, bevor es in A gestartet ist.

Der Physiker Richard Tolman beschrieb bereits 1917, was daraus folgt: Mit zwei Sendern, die sich gegeneinander bewegen, ließe sich eine Nachricht in die eigene Vergangenheit schicken. Man könnte sich selbst warnen, den Sender gar nicht erst einzuschalten – ein klassisches Paradoxon. Wichtig ist die genaue Bedingung: Das Paradoxon entsteht nur, wenn man drei Dinge kombiniert – ein überlichtschnelles Signal, die Relativität der Gleichzeitigkeit und die freie Wahl der Relativbewegung der Sender. Das ist das Standard-Tolman-Argument, und es ist der Grund, warum die überwiegende Mehrheit der Physiker Tachyonen nicht als reale Teilchen ernst nimmt .

Nun gab es in der Fachgeschichte durchaus Versuche, das Paradoxon zu entschärfen. Das sogenannte „Reinterpretationsprinzip“ argumentiert, dass ein Tachyon mit negativer Energie, das rückwärts in der Zeit fliegt, mathematisch äquivalent beschrieben werden kann als ein Tachyon mit positiver Energie, das vorwärts in der Zeit fliegt. Die Emission werde dann eben als Absorption interpretiert. Doch diese Umdeutung funktioniert nur für einzelne, nicht wechselwirkende Teilchen. Sobald man makroskopische Apparaturen ins Spiel bringt – einen Sender, einen Detektor, einen Modulator –, bricht das Prinzip zusammen. Ein makroskopischer Detektor lässt sich nicht einfach in eine Quelle uminterpretieren. In der störungstheoretischen Quantenfeldtheorie ist die Reinterpretation ohnehin fragwürdig, weil Tachyonen als externe Zustände nicht sauber definierbar sind – sie lassen sich nicht als asymptotische Ein- und Auszustände eines Streuexperiments formulieren .

Gesucht, gefunden, verworfen

Trotz dieser theoretischen Vorbehalte haben Experimentalphysiker nach Tachyonen gesucht. Die Geschichte dieser Suche ist eine Abfolge von Fehlschlägen und einer spektakulären Selbstkorrektur.

In den 1990er Jahren lieferten Experimente zum Betazerfall von Tritium scheinbar ein negatives Massenquadrat für das Neutrino – genau die Signatur eines Tachyons. Die Ursache erwies sich als Oberflächeneffekt im Detektorkristall. Der größte Aufruhr kam im September 2011, als die OPERA-Kollaboration am Gran-Sasso-Labor meldete, Neutrinos aus dem CERN seien auf der 730 Kilometer langen Strecke rund 60 Nanosekunden früher angekommen als Licht dafür bräuchte. Für einige Monate diskutierte die Fachwelt ernsthaft, ob Neutrinos Tachyonen sein könnten. Dann fand man die Ursache: ein nicht richtig eingerastetes Glasfaserkabel zwischen GPS-Empfänger und Elektronik sowie eine Uhr, die minimal zu schnell lief. Nach der Korrektur flogen die Neutrinos exakt so schnell, wie es die Relativitätstheorie erlaubt.

Das Experiment KATRIN in Karlsruhe misst die Masse des Neutrinos so genau wie kein Instrument zuvor. Hier ist eine wichtige Unterscheidung angebracht: Die Neutrinooszillationen, für die es 2015 den Nobelpreis gab, belegen eindeutig, dass Neutrinos eine winzige, aber echte Masse besitzen – genauer gesagt, sie belegen Massendifferenzen zwischen den Neutrinoarten. Über die absolute Masse sagen sie nichts aus. KATRIN misst genau diese absolute Masse und liefert bisher eine obere Grenze. Bisher deutet nichts auf ein Tachyon hin, und die Oszillationen sprechen klar für Teilchen auf unserer Seite der Lichtmauer.

Was von den Tachyonen bleibt

Ganz verschwunden sind die Tachyonen aus der Physik allerdings nicht. In der Quantenfeldtheorie hat der Begriff heute eine andere Bedeutung: Er bezeichnet Felder mit negativem Massenquadrat, und die sind keine Fantasie, sondern ein Zeichen für Instabilität. Das Higgs-Feld, das allen Teilchen ihre Masse verleiht, war in der Frühzeit des Universums genau so ein „tachyonisches Feld“, das in einen stabilen Zustand kippte. In der Stringtheorie zeigen Tachyonen an, dass ein angenommener Zustand des Vakuums zerfallen muss. Wo Tachyonen in den Gleichungen auftauchen, ist das ein Hinweis darauf, dass die Welt, wie man sie gerade beschrieben hat, so nicht bleiben kann .

Im Jahr 2024 sorgte eine Arbeit des Physikers Jerzy Paczos und seiner Kollegen für eine gewisse Unruhe, indem sie argumentierten, die bekannten Probleme der Tachyonen in der Quantenfeldtheorie – negative Energien, Instabilität, beobachterabhängige Teilchenzahl – ließen sich möglicherweise durch eine Erweiterung des quantenmechanischen Zustandsraums beheben. Die Idee dahinter: Wenn Tachyonen rückwärts in der Zeit laufen können, müsse man neben dem Anfangszustand auch den Endzustand eines Systems in die Beschreibung einbeziehen . Das ist ein interessanter theoretischer Vorstoß, aber er ändert nichts an der experimentellen Lage: Kein Tachyon wurde je nachgewiesen.

Fazit: Ein Gedankenspiel, das die Grenzen abtastet

Tachyonen sind das, was Arnold Sommerfeld vor über 120 Jahren in ihnen sah: ein Gedankenspiel, das die Grenzen der Physik abtastet, ohne sie zu überschreiten. Die Gleichungen der Relativitätstheorie lassen sie als kinematische Möglichkeit zu – das ist vielleicht das eigentlich Erstaunliche. Aber die Quantenfeldtheorie macht sie als reale Teilchen höchst problematisch, und die Natur hat sie bisher nicht hervorgebracht. Es gibt keine experimentelle Evidenz für sie, und die theoretischen Gründe – Kausalität, Vakuumstabilität, die Unmöglichkeit sauberer asymptotischer Zustände – sprechen dagegen.

Was bleibt, ist eine Lektion über den Charakter physikalischer Theoriebildung. Nicht alles, was die Mathematik erlaubt, existiert auch. Die Tachyonen sind ein Grenzfall, an dem sich zeigt, wie präzise die Relativitätstheorie tatsächlich ist: Sie verbietet nicht nur das Überschreiten der Lichtgeschwindigkeit, sie macht auch die andere Seite der Mauer so unattraktiv, dass die Natur offenbar keinen Gebrauch davon macht. Und sie erinnert daran, dass physikalische Theorien nicht nur mathematisch konsistent, sondern auch mit der beobachteten Welt vereinbar sein müssen.

Quellen

• Feinberg, G.: Possibility of Faster-Than-Light Particles. Physical Review 159, 1089 (1967). doi:10.1103/PhysRev.159.1089
• Tolman, R. C.: The Theory of the Relativity of Motion. University of California Press, Berkeley (1917).
• Bilaniuk, O.-M., Deshpande, V. K., Sudarshan, E. C. G.: „Meta“-Relativity. American Journal of Physics 30, 718 (1962).
• Kirch, D.: Tachyonen. Physikalische Blätter 25, 152 (1969). doi:10.1002/phbl.19690250404
• Scinexx: Gibt es überlichtschnelle Tachyonen doch? (13. Juli 2024), basierend auf Paczos et al., arXiv-Preprint
• Spektrum Lexikon der Physik: Tachyon (2007)
• Wikipedia: Antitelefon (deutsche Ausgabe), mit Verweisen auf Einstein (1907/1910) und Tolman (1917)
• KATRIN-Kollaboration: Direct neutrino-mass measurement with sub-electronvolt sensitivity. Nature Physics 18, 160–166 (2022). doi:10.1038/s41567-021-01463-1