Laser ist schneller als Lichtgeschwindigkeit – ist das möglich?

Laser sind schneller als Lichtgeschwindigkeit

Forschern ist es gelungen, etwas zu erschaffen, das schneller ist als Lichtgeschwindigkeit – klingt unglaublich ist aber wahr.

Selbst in diesem mysteriösen und unbegreifbaren Kosmos gibt es einige Regeln, an die sich alle halten müssen. Eine dieser Naturkonstanten ist die maximale Geschwindigkeit c, auch bekannt als Lichtgeschwindigkeit. Albert Einstein stellte in seiner Relativitätstheorie fest, dass sich die Geschwindigkeit von Licht, das sich durch ein Vakuum bewegt, nie verändert. Mit gerundet 300.000 Kilometern pro Sekunde bewegt sich Licht im Vakuum mit der höchsten Geschwindigkeit, die in unserem Universum denkbar ist.

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Lichtgeschwindigkeit ist aber keine akkurate Bezeichnung. Erstens erreicht nicht nur das Licht diese maximale Geschwindigkeit, sondern auch alle anderen elektromagnetischen Wellen. Zweitens kann das Licht auch langsamer sein, je nachdem durch welches Medium es sich bewegt. Im Wasser reduziert sich die Geschwindigkeit auf knapp 231.000 Kilometer pro Sekunde. Lichtgeschwindigkeit kann also variieren, nur im Vakuum erreicht es die maximale Geschwindigkeit c. 

Foto von unter Wasser
Unter Wasser: Reduzierung der Lichtgeschwindigkeit

Das Konzept der Raumzeit

Stellt euch mal ein Raumschiff vor, das durch das All düst. Das Raumschiff bewegt sich durch Raum und Zeit. Je schneller es sich durch den Raum bewegt, desto langsamer vergeht die Zeit. Das ergibt sich aus dem Konzept der Raumzeit, wonach Raum und Zeit untrennbar miteinander verbunden sind. 

Jetzt stellen wir uns ein Photon vor, ein Lichtteilchen. Das bewegt sich schneller als ein Raumschiff, nämlich im Vakuum mit der maximalen Geschwindigkeit c. Diese Geschwindigkeit hat einen so massiven Einfluss auf die Raumzeit, dass die Zeitkomponente komplett entfällt. Die Zeit wird so sehr verlangsamt, dass sie stillsteht – für das Licht existiert keine Zeit. Und das stellt die maximale Ausreizung der Beziehung zwischen Raum und Zeit dar. Mehr als das Wegfallen der Zeitkomponente geht nicht und deswegen ist an diesem Geschwindigkeitspunkt die maximale Geschwindigkeit erreicht. 

Lichtgeschwindigkeit hört nicht auf Naturkonstanten

Das sind also Naturkonstanten, die sich nicht brechen lassen. Aber es gibt Eigenschaften des Lichts, die nicht nach denselben Regeln spielen. Es ist Physikern am Lawrence Livermore National Laboratory in den USA gelungen, Wellen, die aus Gruppen von Photonen bestehen, auf Überlichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. Die Forscher erzeugten zunächst ein Wasserstoff-Helium-Plasma, also ein ultra erhitztes Gemisch, in dem die Elektronen aus den Atomen herausgerissen werden und so ein ionisiertes Gas bilden. 

Laser am Lawrence Livermore National Laboratory
Schneller als das Licht: Laser am Lawrence Livermore National Laboratory

Um das Plasma zu erzeugen, beschossen sie das Wasserstoff-Helium-Gemisch mit einem polarisierten Laserstrahl. Dann richteten sie einen zweiten Laserstrahl auf das Plasma. Genau dort, wo sich die Wege der beiden Strahlen kreuzten, verlangsamte sich der zweite Laserpuls als Reaktion auf eine Änderung des Brechungsindex des Plasmas. Also anders gesagt: Die Verlangsamung wurde durch Wechselwirkungen zwischen den beiden Lasern und dem Plasma verursacht. 

Laserpuls schneller als Lichtgeschwindigkeit

Die Laserpulse besitzen eine horizontale und vertikale Komponente und die Physiker haben die Zeitdifferenz zwischen diesen beiden Komponenten des Laserstrahls gemessen. Indem man die genauen Justierungen der beiden Laserstrahlen leicht verändert, kann man die Zeitdifferenz zwischen der horizontalten und der vertikalen Komponente des einen Laserstrahls anpassen. Die Forscher spielten ein wenig mit der Justierung der Laserimpulse herum und sie fanden heraus, dass sie so die Geschwindigkeit des einen Lasers von 0,995 c, also fast Lichtgeschwindigkeit, um minus 0,34 c verringern oder um bis zu 0,12 c erhöhen konnten. Damit erhalten wir einen Wert höher als 1 c. Höher als die maximale Geschwindigkeit c, höher als die Lichtgeschwindigkeit. Die Spitze des Puls bewegt sich schneller als c. 

Darstellung verschiedener Lichtimpulse
Darstellung verschiedener Lichtimpulse, Quelle: Miles Padgett University of Glasgow

Aber: Wir reden hier über die Geschwindigkeit von Lichtpulsen, also ganzen Gruppen von Photonen. Und obwohl es die meisten Leute nicht wissen, kann sich die Geschwindigkeit, mit der sich Lichtpulse durch ein Material bewegen, stark von der Geschwindigkeit c unterscheiden, mit der sich Licht im Vakuum bewegt. Diese Geschwindigkeit der Lichtpulse, die so genannte Gruppengeschwindigkeit, kann sowohl höher als auch niedriger als c sein und hat starken Einfluss darauf, wie sich die Form eines Lichtpulses ausbreitet und verzerrt, während er sich durch ein bestimmtes Material bewegt. 

Gruppengeschwindigkeit für Raumschiffe anwendbar?

Einfacher gesagt: Die einzelnen Photonen bewegen sich immer noch in ihrem gewohnten Tempo, aber ihr kollektiver Tanz beschleunigt sich. Ihr kennt das bestimmt aus dem Club, wenn man alleine auf der Tanzfläche steht, bewegt man sich eher verhalten. Aber wenn dann alle anderen auch zu tanzen beginnen, der DJ die Backstreet Boys anwirft und der zehnte Gin Tonic intus ist, dann geht die Post ab.

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Klingt ja alles super, also wann fangen wir an Raumschiffe zu bauen, die sich diese Gruppengeschwindigkeit zunutze machen und uns zu den Sternen bringen? Das wird vermutlich etwas knifflig, denn für komplexere Vorgänge wie Antriebe oder Informationsübertragung ist die faktische Geschwindigkeit der Photonen relevant und nicht die Gruppengeschwindigkeit. Und wie wir jetzt schon ausgiebig gelernt haben, können die einzelnen Photonen die maximale Geschwindigkeit c nicht knacken. 

Fortschritt für die Lasertechnologie

So spektakulär das Experiment am Lawrence Livermore National Laboratory auch ist, es wird uns wohl erst mal nicht den Überlichtgeschwindigkeitsantrieb bringen. Aber das bedeutet nicht, dass wir damit nicht andere spektakuläre technologische Durchbrüche erzielen könnten. Vor allem für die Lasertechnologie sind diese Durchbrüche interessant. Die Verwendung von Plasmaströmen zur Verstärkung oder Veränderung der Lichteigenschaften erlauben es uns, fortschrittliche High-Tech-Laser zu bauen und die wiederum sind für eine ganze Reihe an Zukunftstechnologien maßgeblich. 

Clément Goyon, Leiter des Experiments, sagt: “Langsames und schnelles Licht ist nur die Spitze des Eisbergs. Die Fähigkeit, Plasmaeigenschaften vorherzusagen und zu unserem Vorteil zu nutzen, ist entscheidend für Hochenergie-Laserexperimente in der Physik der hohen Energiedichte und der Trägheitsfusion.” 

Solche Laser bräuchten wir beispielsweise für das Hochfahren von Teilchenbeschleunigern oder zur Verbesserung von Kernfusionsanlagen. Das ist eine Technologie, die uns potentiell irgendwann mit fast unendlich Energie versorgen könnte, was wiederum auch entscheidend für Antriebe in der Raumfahrt ist. Über Umwege bescheren uns diese Plasma-Überlichtgeschwindigkeits-Experimente also vielleicht doch noch eine Art Hyperantrieb wie bei Star Wars.

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