Kamera filmt Lichtblitz 100 Milliarden Bilder pro Sekunde

Ohne unsere Erkenntnisse über Licht gäbe es die moderne Medizin nicht - wenn es nur nicht so furchtbar schnell wäre. Nun haben Forscher erstmals einen einzelnen Lichtblitz bei seiner Ausbreitung filmen können.

Ein Lichtpuls mit Mach-Kegel (Illustration)
Jinyang Liang/ Lihong V. Wang

Ein Lichtpuls mit Mach-Kegel (Illustration)

Von


Wie filmt man etwas, das sich mit mehreren Hunderttausend Kilometern pro Sekunde bewegt? Eine Filmkamera fürs Fernsehen macht 25 Bilder pro Sekunde. Viel, viel zu langsam. Spezialkameras für Zeitlupen erreichen mehrere Millionen Bilder pro Sekunde. Immer noch zu langsam.

Wissenschaftler der Washington University haben nun eine Kamera gebaut, die 100 Milliarden Aufnahmen pro Sekunde macht. Damit haben sie erstmals einen einzelnen Lichtblitz bei seiner Ausbreitung gefilmt, wie sie in der Fachzeitschrift "Science Advances" berichten.

Ihren Lichtblitz schossen die Forscher auf einen mit Luft gefüllten Tunnel, umgeben von zwei Gummiplatten. Dabei sendete ein Laser nicht kontinuierlich einen Lichtstrahl aus, sondern nur ein einzelnes "Lichtpaket". Das Video zeigt im Querschnitt, wie sich der grüne Lichtpuls bewegt:

SPIEGEL ONLINE

In der Mitte des Bildes breitet sich der Puls von links nach rechts aus. Oben und unten zieht er dabei grüne Streifen hinter sich her, ähnlich wie die Tragflügel eines Flugzeugs.

Dieser "Machsche Kegel" entsteht, wenn ein Teil des Lichts im Tunnel an kleinen Kristallen abgelenkt wird und sich dann im Gummi weiter ausbreitet. Weil sich das Licht im Tunnel schneller bewegt als im Gummi, bildet sich der Kegel.

Denselben Effekt gibt es auch bei Düsenjägern, die mit Überschallgeschwindigkeit fliegen - in dem Fall, weil sich das Flugzeug schneller bewegt als der Schall in der umgebenden Luft.

Moderne Medizin - Licht sei Dank

Zu verstehen, wie sich Licht durch Materialien bewegt, ist zentraler Bestandteil zahlreicher medizinischer Methoden. Zwei Beispiele:

  • Röntgenstrahlen - Licht mit hoher Energie - durchdringen weiches Gewebe, bleiben aber in Knochen stecken. Die Anwendung davon war so offensichtlich, dass Wilhelm Conrad Röntgen nur Wochen nach der Entdeckung der Strahlen seine eigene Frau röntgte - und das wohl berühmteste Röntgenbild erschuf (siehe Foto unten).
  • Sauerstoffarmes Blut reflektiert Licht anders als sauerstoffreiches. Das macht man sich in der Pulsoxymetrie zum Beispiel bei Operationen zunutze. Der Patient hat nur eine Art Sonde am Finger. Mithilfe des Lichtsignals können Ärzte dann die Sauerstoffsättigung des Blutes überwachen.
Röntgenbild der Hand von Röntgens Frau
Getty Images

Röntgenbild der Hand von Röntgens Frau

Trotz der zahlreichen Anwendungen war es bisher nicht möglich, die Streuung eines einzelnen Lichtblitzes zu beobachten - eben weil das Licht so rasch unterwegs ist. Die gängige Elektronik ist dafür zu langsam.

Die Forscher der Washington University nutzen deshalb einen Trick: Sie "fotografieren" die Szene gleichzeitig auf drei Arten. Aus der Kombination aller drei können sie dann den ursprünglichen Zeitablauf berechnen. "Das ist ein intelligentes Zusammenspiel bekannter Technologien", sagt Andreas Buchleitner vom Physikalischen Institut der Universität Freiburg.

Licht in Colaflaschen

Die einzelnen Komponenten sind nicht neu. 2011 hatten Forscher vom amerikanischen MIT bereits Videos von Lichtpulsen veröffentlicht, die sich unter anderem durch Colaflaschen ausbreiten.

SPIEGEL ONLINE

Doch die MIT-Forscher hatten ein wenig geschummelt: Weil sie nur sehr schmale Streifen filmen konnten, haben sie das Experiment ganz oft wiederholt und die Streifen dann zu einem Gesamtbild zusammengebaut.

"Das erfordert, dass die Lichtstreuung präzise wiederholbar ist", schreiben die Forscher der Washington University nun in ihrem Artikel. Doch gerade bei biologischen Proben sei das häufig nicht der Fall. Mit dem neuen Aufbau können sie nun wirklich die Streuung eines einzelnen Pulses filmen.

Methode erst am Anfang

Diese zusätzliche zeitliche Information sei potenziell sehr nützlich, sagt auch Physiker Buchleitner. Zum Beispiel bei der Erkennung von Hautkrebs sei es wichtig, möglichst genau zu wissen, wie Licht an der Haut gestreut wird.

Doch der Professor schränkt ein: "Die Kollegen müssen erstmal zeigen, dass ihre Methode auch mit biologischen Proben funktioniert."

Bei Wilhelm Conrad Röntgen dauerte es nur wenige Monate, bis die Anwendungen seiner Entdeckung klar waren. In diesem Fall wird es wohl etwas länger dauern.

Mehr zum Thema


insgesamt 63 Beiträge
Alle Kommentare öffnen
Seite 1
sozialismusfürreiche 24.01.2017
1. danke für den Artikel
Vielen Dank für den Artikel. Das ist Grundlagenforschung, die von vielen so verteufelt wird.
Ringmodulation 24.01.2017
2. Über das Wie ist der Artikel extrem knapp
Auf drei Arten fotografieren und aus der Kombination den ursprünglichen Zeitablauf berechnen, das sagt fast nichts. Sollten tatsächlich Zwischenbilder berechnet worden sein, dann kann man nicht von fotografieren sprechen. Die Zwischenbilder werden mithilfe unseres Modells der Wirklichkeit berechnet, während echte Fotografien durch Wechselwirkung mit der Realität entstehen. Aus quantentheoretischen Gründen ist dieser Unterschied kennzeichnend für den Grenzverlauf zwischen Fiktion und Wirklichkeit.
claus_debold 24.01.2017
3. Teilchen oder Welle?
Ich persönlich bevorzuge Licht in Wellenform, weil bei der Teilchenform nach dem Ausschalten des Lichts oft die Teilchen als Staub liegen bleiben.
felisconcolor 24.01.2017
4. Es
ist immer wieder faszinierend wie Technologie weiter voranschreitet. Noch schöner ist es, wenn dieses dann visuell aufbereitet werden kann und so eine breite Masse von Menschen diesem folgen können.
elkhan 24.01.2017
5. Wissenschaft
Die Menschheit sollte die Wissenschaft nutzen um die Menschen von sich gegenseitig zu bekriegen abzubringen. Durch Kriege geht Wissen und Weisheit verloren.
Alle Kommentare öffnen
Seite 1

© SPIEGEL ONLINE 2017
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung der SPIEGELnet GmbH


TOP
Die Homepage wurde aktualisiert. Jetzt aufrufen.
Hinweis nicht mehr anzeigen.