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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Quanten-Leuchten: Sensationeller Durchbruch beim Warp-Antrieb

Darstellung des Warp-Antriebs

Wir sind der Erforschung des Warp-Antriebs wieder einen Schritt näher gekommen. Wissenschaftler haben einen Durchbruch hinsichtlich des Quanten-Leuchtens gemacht.

Ihr alle kennt den Warp-Antrieb aus Star Trek. Zumindest dürfte euch das charakteristische Aussehen bekannt sein, sobald ein Raumschiff den Warp-Drive betätigt. Diese Optik des Warp-Antriebs, dieses ringförmige Glühen, entsteht durch den sogenannten Unruh-Effekt – und Wissenschaftler haben nun einen großen Durchbruch erzielt. 

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Wie funktioniert der Warp-Antrieb?

Aber immer der Reihe nach: Wie funktioniert überhaupt der Warp-Antrieb? Stellen wir uns zwei Himmelskörper vor, beispielsweise die Erde und den Mond – beide dellen Raum und Zeit um sich herum ein. Seit Albert Einstein wissen wir, dass Raum und Zeit nicht statisch sind, sondern gestaucht und gedehnt werden können. Je schwerer etwas ist, desto mehr krümmt es den Raum. Und genau auf diese Art und Weise krümmen auch die Erde und der Mond die Raumzeit. In der Delle, die die Erde erzeugt, kugelt der Mond herum. In der Raumzeitdelle des Mondes wiederum könnte man mondgebundene Sateliten oder Raumstationen platzieren, die dann den Mond umkreisen. 

Die Erde krümmt den Raum wie bei einem Trampolin

Dieses Eindellen kann man sich am besten mit einer Art Trampolin vorstellen, auf dem sich diese Himmelskörper befinden. Steht ein Mensch auf einem Trampolin, erzeugt er eine Delle. Dieses Prinzip der Beeinflussung von Raum und Zeit könnte man sich doch zunutze machen, um gigantische Strecken zu verkürzen. Und genau das tut der Warp-Antrieb aus Star Trek, ein bisschen wie ein Wurmloch, aber nicht ganz. Die USS Enterprise macht das Ganze wie folgt: in Reiserichtung wird die Zeit und der Raum komprimiert und am Zielort wieder expandiert. Das Raumschiff befindet sich einer sogenannten Warp-Blase, in der die Raumzeit manipuliert wird. Das Schiff kann in dieser Warp-Blase das Ziel erreichen, ohne sich besonders schnell zu bewegen. Also eine Art transportable Raumzeitkrümmungsvorrichtung. Innerhalb der Warp-Blase würden auf die Crew des Raumschiffs keine G-Kräfte wirken und die Gesetze der klassischen Physik würden auch nicht verletzt werden, da das Raumschiff selbst nicht schneller als Lichtgeschwindigkeit reist, sondern eben nur die Raumzeit drumherum manipuliert wird. Genial. 

Einem Kurztrip nach Proxima Centauri steht aber leider noch im Wege, dass die allermeisten Aspekte des Warp-Antriebs technisch noch nicht umsetzbar sind. Bis jetzt. Forscher der Universität Waterloo in Kanada haben einen großen Durchbruch erzielt. Das hat etwas – und jetzt festhalten – mit dem Fulling-Davies-Unruh-Effekt zu tun. 

Was ist der Unruh-Effekt?

Der Unruh-Effekt besagt Folgendes: Ein im Vakuum gleichmäßig beschleunigter Beobachter sieht anstelle des Vakuums ein Gas von Teilchen (wie Photonen, Elektronen, Positronen) mit einer Temperatur, die proportional zur Beschleunigung ist. Im Prinzip bezeichnet diese Formel das, was wir beim Warp-Drive bei Star Trek sehen oder auch in etwas weniger wissenschaftlich akkurater Form bei Star Wars, wenn der Hyperantrieb gestartet wird. Man könnte das Ganze auch etwas einfacher als Quantenleuchten bezeichnen. Klingt auch irgendwie romantischer. 

Formel des Unruh-Effekts

Was bedeutet Quantenleuchten?

Quantenleuchten bedeutet im Prinzip einfach nur Folgendes: Ein Körper, zum Beispiel die USS Enterprise, der sich schnell durch das Vakuum des Weltraums bewegt, sollte als Folge der Beschleunigung eine warme Strahlung erzeugen. Diese Strahlung kommt durch Quantenwechselwirkungen und Fluktuationen im Raum zustande, also durch Effekte auf der allerkleinsten Ebene, der Quantenebene. Noch einfacher gesagt: Wenn ein Raumschiff auf Warp-Speed beschleunigt, dann fängt es zu leuchten an. 

Jetzt aber das Problem: Dieser Unruh-Effekt, das Quantenleuchten, war bislang rein theoretisch beschrieben worden. Um diesen Effekt auf atomarer Ebene zu beobachten, müsste ein Atom in weniger als einer Millionstel Sekunde auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Ziemlich schwierig, versucht mal ein Atom so schnell zu beschleunigen… Dieser Effekt ist verwandt mit der sogenannten Hawking-Strahlung bei Schwarzen Löchern. Barbara Šoda, Doktorandin der Physik an der University of Waterloo, die an der Forschung zum Unruh-Effekt beteiligt war, sagt: “Man geht davon aus, dass Schwarze Löcher nicht völlig schwarz sind. Wie Stephen Hawking entdeckte, sollten Schwarze Löcher stattdessen Strahlung aussenden. Das liegt daran, dass einem Schwarzen Loch zwar nichts anderes entkommen kann, wohl aber Quantenfluktuationen der Strahlung.”

Unruh-Effekt auf atomarer Ebene

Das ist also eine ganz ähnliche Quantenfluktuation wie diejenige, die bei der Beschleunigung mit Warp-Drive entstehen würde. Das Forscherteam der University of Waterloo hat nun herausgefunden, dass es einen Weg gibt, den Unruh-Effekt zu stimulieren, damit er unter weniger extremen Bedingungen direkt untersucht werden kann, also ein Mini-Warp-Leuchten zu erschaffen. Um das zu verstehen, müssen wir uns kurz den Unterschied zwischen klassischer Physik und Quantenmechanik ansehen. 

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Während die klassische einsteinsche Physik wunderbar die großen Abläufe im Kosmos erklärt, die Einflüsse von Zeit und Raum, Ihr erinnert euch an die Raumzeitdelle, ist die Quantenmechanik die passende Theorie für die Abläufe im ganz Kleinen, auf Elementarteilchenebene. Oftmals stehen klassische Physik und Quantenmechanik im Widerspruch, da die Regeln der klassischen Physik für kleinste Teilchen nicht zu gelten scheinen. Es ist eine der großen Aufgaben der modernen Physik eine Verbindungstheorie zwischen einsteinscher Physik und Quantenmechanik zu finden und der Unruh-Effekt liegt genau an der Grenze zwischen den Quantengesetzen und der allgemeinen Relativitätstheorie. 

Atome im Vakuum

Stellt euch mal ein Atom im Vakuum vor. Wie sich ein Atom im Vakuum verhält, hängt davon ab, ob wir die Situation durch die Brille der Quantenmechanik oder durch die Brille der einsteinschen Physik betrachten. Nach den Gesetzen der Quantenphysik müsste das Atom darauf warten, dass ein eintreffendes Photon, ein Lichtteilchen, sein elektromagnetisches Feld durchdringt und seine Elektronen zum Wackeln bringt. Dann wäre das Atom erleuchtet oder angeregt.  Wenn wir die Relativitätstheorie, also die klassische Physik, berücksichtigen, gibt es eine Möglichkeit zu schummeln. Durch einfache Beschleunigung könnte ein Atom die kleinsten Erschütterungen im umgebenden elektromagnetischen Feld als Photonen mit niedriger Energie erleben und dadurch angeregt werden. Bislang gingen die Quantenphysiker aber davon aus, dass dieser Effekt, die Anregung des Atoms durch einfache Bewegung absolut vernachlässigbar sei und sich auf Quantenebene auf Dauer ausgleichen würde. Pustekuchen, genau das hat das Forscherteam der Uni Waterloo nun widerlegt. Sie fanden heraus, dass diese normalerweise vernachlässigbaren Bedingungen bei der Beschleunigung eines Atoms weitaus bedeutender werden und sich sogar als dominante Effekte durchsetzen können. Dafür haben sie ein Atom auf die richtige Art und Weise mit einem starken Laser gekitzelt. Und haben dadurch bewiesen, dass es möglich ist, diese Wechselwirkungen durch Bewegung zu nutzen, um bewegte Atome den Unruh-Effekt erleben zu lassen, ohne dass große Beschleunigungen erforderlich sind. Einfacher gesagt – für die Physik-Noobs: Sie haben es geschafft das Warp-Leuchten der USS Enterprise auf Atomebene zu stimulieren, ohne dabei wirklich Warpspeed erreichen zu müssen. Wahnsinn. 

Und obwohl es super cool ist, dass wir einen Bestandteil des Warp-Speeds im Labor nachahmen konnten, ist das fazinierendste und wichtigste an der Entdeckung vermutlich, dass es ein Schritt hin zur Vereinheitlichung von klassischer Physik und Quantenmechanik ist. Der beteiligte Forscher  Vivishek Sudhir sagt: “Seit über 40 Jahren werden Experimente dadurch behindert, dass die Schnittstelle zwischen Quantenmechanik und Gravitation nicht erforscht werden kann. Wir haben hier eine praktikable Möglichkeit, diese Schnittstelle in einer Laborumgebung zu erforschen. Wenn wir einige dieser großen Fragen klären können, könnte das alles verändern.”

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