Nach mehr als 70 Jahren: Gerade wurde eine der letzten Vorhersagen der Relativitätstheorie bewiesen und ihr könnt es selbst ausprobieren

Die spezielle Relativitätstheorie verrät uns Überraschendes: Ein schnell bewegter Quader erscheint gedreht. (Bildquelle: Adobe Firefly, generative KI)

Albert Einsteins Theorien zur Natur der Lichtgeschwindigkeit haben einen langen Atem. Raum und Zeit verhalten sich anders, wenn sie an ihre Grenzen getrieben werden, Licht schafft das.
Bis heute kramt die Forschung in den Untiefen einer Mathematik, die Verblüffendes mittels der Speziellen Relativitätstheorie beschreibt.

Vor Kurzem gelang nun österreichischen Wissenschaftlern, eine der extremsten Vorhersagen Einsteins Mathematik im Labor zu beweisen: der Terrell-Penrose-Effekt. Dafür bremsten sie die Lichtgeschwindigkeit ab und holten ihre surrealen Folgen in unser Wohnzimmer.

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Der extremste Trip des Universums: Lichtgeschwindigkeit

1959 kamen die Physiker James Terrell und Roger Penrose unabhängig voneinander zu einer Erkenntnis: Objekte erscheinen bei naher Lichtgeschwindigkeit (c) verdreht – obwohl sie an sich still dastehen. Daraus entstand der Terrell-Penrose-Effekt.

Stellt euch vor, ihr steht in einem ansonsten leeren Raum. An der Tür schwebt ein Würfel, auf seinen sechs Seiten Tiergesichter, 5 Katzen und ein Hund. Euch zugewandt hechelt letzterer. Jetzt rast der Würfel mit 90 Prozent der Lichtgeschwindigkeit (ca. 270.000 Kilometer pro Sekunde) abrupt los und an euch vorbei. Bitte nicht die Hand ausstrecken und füttern – er beißt nicht, würde sie aber verdampfen. Ihr knipst stattdessen unentwegt Schnappschüsse.

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Wer schaut euch an, wenn der Würfel euch passiert? Eine Katze. Denn der Terrell-Penrose-Effekt beschreibt eine optische Drehung des nahezu lichtschnellen Objektes. Der Grund liegt im unterschiedlichen Abstand der Ecken des Würfels. Die Hinteren sind minimal weiter entfernt als die Vorderen. Das Licht von hinten ist länger unterwegs als das von vorn.

Ihr seht eine Kombination von älterem und jüngerem Licht, hierdurch rotiert der Würfel – und der Hund schaut euch nicht mehr an.

Bei alltäglichen Geschwindigkeiten (selbst bei augenscheinlich extremen, wie der von Raketen) spielt diese Differenz keine Rolle, nahe der Lichtgeschwindigkeit aber schon.

Gleichzeitig tritt ein schon von Einstein vorhergesagter Effekt ein: Das Objekt wird verkürzt (Lorentzkontraktion). Allerdings heben die unterschiedlichen Laufzeiten des Lichts, das Terrell und Penrose erstmals beschrieben, dieses Schrumpfen optisch auf, das Ergebnis: Das Objekt rotiert nur und verändert seine Größe für den Beobachter nicht.

Vermutet sowie berechnet hatten wir all das schon lange, da die Mathematik Einsteins eindeutige Vorhersagen macht. Aber im Labor gelang nun der experimentelle Nachweis.

Lichtgeschwindigkeitsbremse im Labor

Jetzt stellt sich die Frage: Wie können wir so etwas beobachten? An sich wären die Unterschiede selbst mit der schnellsten Kamera nicht auffangbar, da die Lichtgeschwindigkeit mit knapp 300.000 Kilometern pro Sekunde viel zu schnell ist. Die Forscher aus Wien bremsten das Licht für das Experiment quasi ab, auf nur 2 Meter pro Sekunde. Ihre Ergebnisse und Vorgehensweise legen sie in einem Paper im angesehenen Fachmagazin Nature dar.

Die Inspiration hierfür lieferte eine Künstlerin: Enar de Dios Rodriguez, sie hatte bereits zuvor in Zusammenarbeit mit der Uni und TU Wien ultraschnelle Fotografie eingesetzt. Hinzu kamen im Labor jetzt Laser, die in kurzen Pulsen Signale aussandten.

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Dank der Laser als perfekt kontrollierbaren Stroboskop-Lichtquellen und reichlich Mathematik tricksten die Forscher die Physik aus – ohne ihre Gesetze zu brechen: Denn die nur eine Pikosekunde (0.000000000001 Sekunde) langen Lichtimpulse kombiniert mit Fotos im Abstand von 400 Pikosekunden traten im Rahmen des Experimentes auf die Lichtbremse.

Das Team konnte dank perfektem Timing Standbilder der Objekte so zusammensetzen, wie sie aussähen, wenn die Lichtgeschwindigkeit dramatisch kleiner ausfiele. So simulierten sie eine ultraschnelle Reise der Objekte durch das Labor und konnten den Terrell-Penrose-Effekt auf Video bannen.

Stellt es euch in etwa so vor: Ihr fotografiert Ausschnitte einer Landschaft und bastelt hinterher aus den Dutzenden Einzelfotos ein zusammenhängendes Panorama-Gemälde. Währenddessen fuhr aber ein Auto durch die Landschaft – es wird auf mehreren Bildern auftauchen. Wenn sich das Auto aber so schnell bewegt, wie der Würfel, würdet ihr ähnliche Effekte sehen. Das Auto erschiene verdreht.

Spannend, aber begrenzter Nutzen

Gleichweg, wie kreativ die Lösung im Labor auch ist und wie clever sie Gesetze der Physik verbiegt, der reale Nutzen bleibt begrenzt:

Stand heute kennt die Forschung keine Anwendungsfälle im Alltag, da weder wir uns noch irgendwelche Objekte, die wir kennen, derart schnell fortbewegen. Wir gehen zwar inzwischen wie selbstverständlich mit den Effekten lichtschneller Signale um, aber Objekte so weit zu beschleunigen, wäre eine Mammutaufgabe.

Das einzig nennbare Beispiel wäre derzeit das Projekt Breakthrough Starshot. Aber auch hier sprechen wir trotz reicher Unterstützer von einem Konzept, das wahrscheinlich Stand Mitte 2025 niemals zur Realität werden wird. Und selbst wenn: Es ginge nur um einen Bruchteil der Lichtgeschwindigkeit, inwiefern hier der Terrell-Penrose-Effekt für irgendeine Untersuchung nutzbar wäre, bleibt Spekulation.