Warum werden im CERN gegenläufig kollidierende Protonen auf jeweils 90 % der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, wenn Lichtgeschwindigkeit die höchste Relativgeschwindigkeit ist?
Die technischen und physikalischen Grenzen verhindern höhere Geschwindigkeiten. Die Teilchen, die miteinander kollidieren, haben eine Masse und können somit nur einen Teil der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Es ist technisch sehr schwierig, sie so zu beeinflussen, dass sie unwillkürlich, kontrolliert und messbar kollidieren. Das liegt vor allem daran, dass sich Teilchen nur im Vakuum mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Sind sie in einem Medium wie Wasser oder einem Kabel trifft dies nicht zu. Auch im Medium lassen sich interessante Phänomene beobachten auf die ich später zurückkomme.
Im Supercollider werden Teilchen untersucht, die auch in der Natur miteinander kollidieren und mit Lichtgeschwindigkeit „reisen“. Dabei hilft es einem Gedankenexperiment von Albert Einstein zu folgen. Wenn ein Raumschiff mit Lichtgeschwindigkeit fliegt, befindet es sich in seinem eigenem Relativitätssystem. Das bedeutet das Raumschiff würde mit Lichtgeschwindigkeit reisen, die eigenen Scheinwerfer einschalten und beobachten, wie dessen Licht sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegt. Lichtgeschwindigkeit ist als eine Konstante zu verstehen. Wenn ich Ihre Frage richtig verstanden habe, dann vermuten sie, dass Teilchen mit der „doppelten“ Lichtgeschwindigkeit aufeinandertreffen. Je nachdem aus welchen Bezugssystem man ein solches Ereignis beobachtet ist eine doppelte Lichtgeschwindigkeit denkbar. Es gibt einen Quasar bei dem man in den 70er Jahren die Aktivität einer elffachen Lichtgeschwindigkeit errechnet hatte. Der Gedanke der Überlichtgeschwindigkeit wird auch superluminar genannt. Die Mehrheit der Physiker (so mein Prof) gehen aber im Fall des Supercollider davon aus, dass zwei Raumsysteme von Teilchen sich so nähern, dass spätestens bei der Kollision keine doppelte Lichtgeschwindigkeit mehr besteht und die Konstante c für ein System gilt.
Taucht z.B. ein Teilchen aus einem Vakuum in ein Medium ein, so kann es sich nicht mehr mit Lichtgeschwindigkeit hindurch bewegen. Jedoch entsteht dabei ein Lichtblitz, der sich im Medium selbst mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Elektromagnetische Wellen stauchen sich beim Eintritt in das Medium und verursachen den „Knall“, den wir von einem Flugzeug kennen, wenn es die Schallmauer durchbricht. Es staucht die Schallwellen zusammen bis es knallt, der Pilot selbst bekommt aber davon nichts mit. Das ursprüngliche Teilchen aus dem Vakuum ist also beim Eintritt ins Medium nicht mehr mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs aber die elektromagnetische Welle des Lichtblitzes im Medium und im Verhältnis zum Teilchen schon aber langsamer ist als im Vakuum des Teilchens.
Das Fundament der Quantenmechanik besteht also aus dem Denken in Systemen, Räumen, Teilchen und Wellen. Alle superluminaren Eigenschaften von Teilchen können sich nur mit dem Denken von größeren Bezugssystemen erklären. Wir wissen bereits, dass Informationen zwischen zwei Teilchen superluminare Eigenschaften haben und unabhängig von der Entfernung sofort übermittelt werden. Es ist also eine unendliche Geschwindigkeit theoretisch denkbar, doch solange es dafür keine mathematische Beweise gibt, die sich mit bestehenden Gesetzen der Relativitätstheorie vereinbaren lassen, weiß man im Grunde gar nichts. Und unendlich viele Dimensionen in eine Formel einzubauen führt dazu, dass man jede noch so verrückte Annahme „beweisen“ kann. Höchstwahrscheinlich lassen sich superluminare Eigenschaften mit einer neuen Physik erklären, die wir noch nicht entdeckt haben. Doch die brauchen wir gar nicht um weitere Erkenntnisse über Teilchen zu bekommen.