Noch immer kein Schaum

Kosmische Katastrophe hilft den Jüngern Einsteins

Von Rainer Scharf

Im Mai hat der amerikanische Satellit "Fermi" einen zwei Sekunden dauernden Gammastrahlenblitz aufgefangen, der von einer kosmischen Katastrophe zeugt - vermutlich dem heftigen Zusammenstoß zweier Neutronensterne. Bei dem Ereignis, das vor 7,3 Milliarden Jahren stattgefunden hat, waren innerhalb von Sekundenbruchteilen zahllose Lichtteilchen oder Photonen von ganz unterschiedlicher Energie entstanden, die sich seither im Universum ausbreiten. Trotz ihres weiten Weges trafen diese Photonen des als GRB 090510 bezeichneten Blitzes nahezu gleichzeitig auf den Detektor von Fermi, wie eine Forschergruppe um Sylvain Guiriec von der University of Alabama in Huntsville in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Nature" berichtet. Obwohl ihre Energien um ein Millionenfaches differieren konnten, bewegten sie sich alle gleich schnell - und bestätigten damit abermals die von Einsteins Relativitätstheorie postulierte Universalität der Lichtgeschwindigkeit. Hinweise auf eine schaumige Feinstruktur des Raumes, die diese Universalität einschränken sollte, haben die Messungen jedoch nicht erbracht.

Die Gültigkeit der Relativitätstheorie hat Grenzen, weil sie bei der Erklärung der Schwerkraft die Auswirkungen der Quantentheorie unberücksichtigt lässt. Selbst ohne zufriedenstellende Quantengravitationstheorie weiß man, dass das Zusammenspiel von Gravitation und Quantenphysik bei extrem hohen Energien zu neuartigen physikalischen Effekten führt. Demnach können winzige Schwarze Löcher aus dem Nichts entstehen und sogleich wieder vergehen, ohne Schaden anzurichten. Dadurch erhält der scheinbar kontinuierliche leere Raum eine "schaumige" Feinstruktur. Dieser Schaum macht sich allerdings nur für Abstände von der Größe der Planck-Länge bemerkbar, die einem Trilliardstel des Durchmessers eines Protons entspricht.

Wahrscheinlich wird man weder in Laborexperimenten noch mit Teilchenbeschleunigern jemals die nötigen Energien erreichen, mit denen diese Feinstruktur sichtbar gemacht werden könnte. Doch gewaltsame Vorgänge in den Tiefen des Universums und die von ihnen ausgehende energiereiche Strahlung sollten wertvolle Hinweise auf die Schaumigkeit des Raumes enthalten. Rechnungen lassen den Schluss zu, dass Photonen mit besonders hoher Energie bisweilen winzige Schwarze Löcher erzeugen, die kurz darauf wieder verschwinden. Diese Löcher tragen zur Feinstruktur des Raumes bei und behindern den Flug der Lichtteilchen, sodass Photonen mit einer sehr hohen Energie ein wenig langsamer vorankommen als solche mit geringerer Energie.

Mit Hilfe des Gammastrahlenblitzes GRB 090510 hat man jetzt einen ersten Blick auf die Feinstruktur des Raumes werfen können. Über die große Distanz der Quelle zur Erde - 7,3 Milliarden Lichtjahre - hätten sich Geschwindigkeitsunterschiede nämlich stark ausgewirkt. Außerdem strahlte die Quelle nur kurz, und die Photonen flogen nahezu gleichzeitig los, so dass sich die Differenzen ihrer Geschwindigkeiten aus den Ankunftszeiten bestimmen ließen. Hinzu kommt, dass der Lichtblitz ein besonders energiereiches Photon mit 31 Gigaelektronenvolt enthielt, der eine eventuelle Energieabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit sofort verraten hätte.

Aus den praktisch gleichen Ankunftszeiten von 321 Gammaphotonen schließen die Forscher, dass Photonen erst dann von der schaumigen Feinstruktur des Raumes gebremst werden, wenn sie Strukturdetails spüren, die kleiner als 80 Prozent der Planck-Länge sind. Für alles, was sich oberhalb der Planck-Länge abspielt, benötigt man vermutlich noch keine Quantengravitationstheorie, sondern kann weiterhin auf Einsteins Relativitätstheorie bauen.

Text: F.A.Z., 04.11.2009, Nr. 256 / Seite N1