Tachyonen sind Teilchen, die es nach allem, was wir wissen, nicht gibt, und die trotzdem zu den bestuntersuchten Objekten der theoretischen Physik gehören. Sie wären von Geburt an schneller als das Licht, würden langsamer, je mehr Energie man ihnen zuführt, und könnten aus Sicht mancher Beobachter in der Zeit rückwärts fliegen. Einsteins Relativitätstheorie verbietet sie nicht, sie macht sie nur unerträglich seltsam.
Nichts kann schneller sein als Licht, so lautet der Satz, den jeder aus der Schule kennt. Genau genommen sagt die Spezielle Relativitätstheorie etwas anderes: Nichts, was langsamer als Licht ist, kann auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden, weil dafür unendlich viel Energie nötig wäre. Die Lichtgeschwindigkeit von rund 300.000 Kilometern pro Sekunde ist eine Mauer, gegen die jedes Teilchen mit Masse anrennt, ohne sie je zu erreichen. Über die andere Seite der Mauer sagt Einsteins Formel zunächst nichts. Der Münchner Physiker Arnold Sommerfeld spielte schon 1904, ein Jahr vor Einsteins Arbeit, mit der Frage, wie sich ein Teilchen verhielte, das immer schneller als Licht ist. Seine Antwort verblüffte ihn: Es würde Energie verlieren, wenn es schneller wird.
Das Thema verschwand für ein halbes Jahrhundert in der Schublade, bis 1962 die Physiker Olexa-Myron Bilaniuk, Vijay Deshpande und George Sudarshan in einer Arbeit mit dem Titel Meta-Relativität zeigten, dass die Relativitätstheorie überlichtschnelle Teilchen tatsächlich zulässt, solange diese niemals unter die Lichtgeschwindigkeit gebremst werden. Die Mauer trennt demnach drei Welten: die der gewöhnlichen Materie, die immer langsamer als Licht ist, die der Photonen, die immer exakt lichtschnell sind, und eine dritte, hypothetische, deren Bewohner immer schneller sind. Den Namen für sie prägte 1967 Gerald Feinberg von der Columbia University in New York in seinem Aufsatz Possibility of Faster-Than-Light Particles, abgeleitet vom griechischen tachys für schnell. Angeregt hatte ihn nach eigener Aussage eine Science-Fiction-Geschichte von James Blish über ein Gerät, das Nachrichten schneller als Licht überträgt.
Die Mathematik der Tachyonen ist die gewöhnliche Relativitätstheorie mit einem Vorzeichenwechsel. Für ein normales Teilchen wächst die Energie mit der Geschwindigkeit und geht gegen unendlich, wenn sich das Teilchen der Lichtgeschwindigkeit nähert. Setzt man in dieselben Gleichungen eine Geschwindigkeit über der des Lichts ein, wird die Ruhemasse zu einer imaginären Zahl, also zu einer Wurzel aus einer negativen Zahl. Das klingt absurd, ist aber unschädlich, denn eine Ruhemasse hat ein Tachyon ohnehin nie, weil es niemals ruht. Seine Energie bleibt eine ganz normale, messbare Größe, nur ihr Verhalten ist verkehrt: Je schneller das Tachyon fliegt, desto weniger Energie hat es, und bei unendlicher Geschwindigkeit ist seine Energie null.
Umgekehrt braucht ein Tachyon unendlich viel Energie, um auf Lichtgeschwindigkeit abgebremst zu werden. Die Lichtmauer ist von seiner Seite aus genauso unüberwindbar wie von unserer. Ein Tachyon, das Energie abgibt, wird dadurch schneller, und wer es beschleunigen will, muss ihm Energie entziehen. Feinberg leitete daraus ab, dass ein geladenes Tachyon im Vakuum ständig Strahlung abgeben müsste, eine Art Tscherenkow-Strahlung, wie sie Teilchen erzeugen, die in Wasser schneller als das Licht im Wasser fliegen. Es würde dadurch immer schneller und immer energieärmer, bis es mit praktisch unendlicher Geschwindigkeit und ohne Energie durch das Universum rast, für jeden Detektor unsichtbar.
Das eigentliche Problem der Tachyonen ist nicht die Geschwindigkeit, sondern die Zeit. In der Relativitätstheorie hängt die Reihenfolge zweier Ereignisse, die durch ein überlichtschnelles Signal verbunden sind, vom Beobachter ab. Für einen ruhenden Beobachter fliegt das Tachyon von A nach B, für einen anderen, der sich schnell genug bewegt, kommt es in B an, bevor es in A gestartet ist. Der Physiker Richard Tolman beschrieb schon 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. Dieses Paradoxon des tachyonischen Antitelefons ist der Grund, warum die meisten Physiker Tachyonen nicht als Teilchen ernst nehmen, sondern als Rechenübung.
Wie ein Tachyon aussähe, das an einem Beobachter vorbeifliegt, beschrieb Feinberg ebenfalls. Weil es schneller ist als sein eigenes Licht, erreicht sein Bild den Beobachter erst, wenn es längst vorbei ist. Dann aber sieht man es doppelt: einmal in die Richtung, in die es fliegt, und einmal in die, aus der es kam, wie ein Überschallflugzeug, dessen Lärm aus zwei Richtungen zugleich zu kommen scheint. In der Serie Star Trek dienen Tachyonen als Universalwerkzeug für Sensoren und Zeitreisen, und dass Wissenschaftler im Auftrag des Pentagon Konzepte zur Überlichtreise prüften, zeigen die Pentagon-Akten mit 37 Studien zu Warp-Antrieben. Mit der physikalischen Definition hat das wenig zu tun.
Gesucht wurde trotzdem. In den 1990er Jahren lieferten Experimente zum Zerfall von Tritium für das Neutrino scheinbar ein negatives Massenquadrat, also 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 in Italien 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 erlaubt. Der Physiker Martin Bäker hat die Theorie hinter den Tachyonen anlässlich der OPERA-Messung auf ScienceBlogs allgemeinverständlich erklärt.
Ganz verschwunden sind die Tachyonen aus der Physik allerdings nicht. In der Quantenfeldtheorie bezeichnet der Begriff heute vor allem Felder mit imaginärer Masse, und die sind keine Fantasie, sondern ein Zeichen für Instabilität. Das Higgs-Feld, das allen Teilchen ihre Masse gibt, war in der Frühzeit des Universums genau so ein tachyonisches Feld, das in einen stabilen Zustand kippte, und 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.
Das Experiment KATRIN in Karlsruhe misst die Masse des Neutrinos so genau wie kein Instrument zuvor und könnte im Prinzip zeigen, ob ihr Massenquadrat positiv oder negativ ist. Bisher deutet nichts auf ein Tachyon. Die Neutrinooszillationen, für die es 2015 den Nobelpreis gab, beweisen, dass Neutrinos eine winzige, aber echte Masse besitzen, und das spricht klar für Teilchen auf unserer Seite der Lichtmauer.
Tachyonen bleiben damit das, was Sommerfeld vor über 120 Jahren in ihnen sah: ein Gedankenspiel, das die Grenzen der Physik abtastet, ohne sie zu überschreiten. Ein Teilchen, das langsamer wird, wenn man es anschiebt, das man erst sieht, wenn es vorbei ist, und mit dem man sich selbst eine Nachricht in die Vergangenheit schicken könnte, hat die Natur bisher nicht hervorgebracht. Dass es die Gleichungen zulassen, ist vielleicht das eigentlich Erstaunliche an ihnen.
Physical Review, Possibility of Faster-Than-Light Particles; doi:10.1103/PhysRev.159.1089