Theoretische Physik Wissenschaftler verknoten Licht

Wenn etwas gerade sein muss, dann ein Lichtstrahl. Spätestens seit Einstein ist dieser Gedanke veraltet. Und auch im "Inneren" von Licht kann es verschlungen hergehen. Physiker arbeiten an verknoteten Feldern und entdecken dabei ganze Familien von ungewöhnlichen Strukturen.

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Irvine Lab/ UC Chicago

Der Weg, den Licht zurücklegt, gilt im Alltag als Inbegriff einer Geraden. Nicht umsonst sind Präzisionswasserwagen oft mit Lasern ausgestattet, die besonders genaue Messungen ermöglichen sollen. Doch die klassische Vorstellung vom geraden Licht ist nicht nur im astronomischen Maßstab ungenau. Auch in seinen "Bestandteilen", den elektrischen und magnetischen Feldern, kann Licht unter bestimmten Voraussetzungen ungewohnt gebogene Strukturen annehmen: Es kann verknoten - vergleichbar mit einem Wollknäuel.

Seit Jahren arbeiten unter anderem Physiker und Mathematiker des Irvine Lab der University of Chicago daran, solche verschlungenen elektromagnetischen Felder zu beschreiben. In einer jüngst im Fachmagzin "Physical Review Letters" erschienenen Arbeit berichten die Forscher um Hridesh Kedia, dass es theoretisch möglich ist, "Knoten in Lichtfelder zu binden". Sie präsentieren dabei gleich eine ganze Reihe Formen, die Lösungen der sogenannten Maxwell-Gleichungen sind, und erweitern damit ältere und bisherige Beschreibungen von außergewöhnlichen Lichtstrahlen.

"Die Maxwell-Gleichungen gehören zum Grundwissen für jeden Physiker", sagt Ralf Röhlsberger, Physiker am Deutsches Elektronen-Synchrotron (Desy) in Hamburg. Ende des 19. Jahrhunderts stellte der schottische Physiker James Clerk Maxwell sie auf und machte sie zum Fundament der heutigen Elektrodynamik. Sie beschreiben unter anderem, wie elektromagnetische Felder sich verändern - und damit auch wie Licht sich verhält.

"Gordischer Knoten aus Licht"

Die Idealvorstellung von Licht, die Physiker mit Hilfe der Gleichungen entworfen haben, ist ein Strahl, der sich geradlinig ausbreitet. Klar und geordnet, mit elektrischen und magnetischen Feldern, die senkrecht zum Strahl existieren. Doch "es gibt auch spezielle Lösungen, die dem Licht andere Eigenschaften verleihen", erklärt Röhlsberger. Sie erfüllen auch die Anforderungen der Maxwell-Gleichungen. Auch wenn sie deutlich komplizierter sind als ein gerader Strahl, sollten sie daher existieren können. Die Arbeit der Forscher aus den USA, Polen und Spanien befasst sich mit solchen Ansätzen und demonstriert, dass es besonders "elegante Lösungen" gibt, die nicht unbedingt auf der Hand liegen.

"Das Modell der Wissenschaftler beschreibt eine Art Gordischen Knoten aus Licht", sagt Röhlsberger. "Ein Struktur, die nicht einfach aufhört und auch nicht einfach entknotet werden kann." Die Knoten sind dabei vor allem formstabil, so der Physiker. "Sie verbreitern sich nicht." Daher wären die neuen Formen des Lichts beispielsweise in der Plasmaphysik und zum Einsatz in Lasern interessant. "Sie könnten durch ihre Eigenschaften helfen, auf einem eng begrenztem Raum Gase aufzuheizen."

Wassertank als Modell für Neutronensterne

Und auch wie sich diese Lichtknoten herstellen ließen, schlagen die Forscher in ihrem theoretischen Paper vor: mit Hilfe von polarisiertem Licht, bei dem die Felder spiralförmig verdreht sind. Die technischen Grundlagen für solche Strahlen existieren, schreiben die Wissenschaftler. Denn polarisiertes Licht ist sogar eine bereits im Alltag eingesetzte Form des Lichts. Es wird unter anderem in Kinos bei 3-D-Filmen genutzt. Besucher tragen dabei sogenannte Polarisationsfilter in ihren Brillen, die nur für bestimmte Arten des Lichts durchlässig sind.

Der jüngst erschienene Fachartikel reiht sich in eine Vielzahl von Arbeiten ein, die Wissenschaftler um William Irvine in den vergangenen Jahren zu Wirbeln und Knoten veröffentlichten haben. Immer präziser und komplizierter entschlüsseln die Forscher dabei, wie sich Knotenstrukturen in der Natur beschreiben lassen. Nicht alle Untersuchungen haben aber direkt mit elektromagnetischen Wellen zu tun. Auch Wasser bietet Möglichkeiten, Knoten genauer zu erforschen und zu verstehen. Bereits Ende 2012 entwickelten die Wissenschaftler am Irvine Lab daher eine Vorrichtung, um kompliziert geformte Strukturen unter Wasser zu erzeugen. Darunter kleeblattförmige Ringe ohne Anfang und ohne Ende.

Sie bedienten sich dabei spezieller gebogener Tragflächen aus dem 3-D-Drucker. Durch einen Wassertank gezogen sorgten die für Turbulenzen und damit letzten Endes für verknotete Wirbel. Die Untersuchungen finden zwar nur in normalem Wasser statt, sie könnten jedoch helfen, Zustände zu beschreiben, die an extremen Orten im Universum herrschen: im Inneren von Neutronensternen. In den Überresten von in einer Supernova explodierten Sternen ist nach heutigen Theorien die Materie so extrem dicht gepackt, dass nur noch Neutronen übrig sind. Die verhalten sich wie eine Supraflüssigkeit ohne innere Reibung. Ein Zustand, der der sich letztendlich mathematisch mit verknotetem Wasser untersuchen lässt.

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Seite 1
Layer_8 30.10.2013
1. Hopf-Bündel als Lösungen der Maxwellgleichungen
Zitat von sysopIrvine Lab/ UC ChicagoWenn etwas gerade sein muss, dann ein Lichtstrahl. Spätestens seit Einstein ist dieser Gedanke veraltet. Und auch im "Inneren" von Licht kann es verschlungen hergehen. Physiker arbeiten an verknoteten Feldern und entdecken dabei ganze Familien von ungewöhnlichen Strukturen. http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/maxwell-gleichungen-physiker-berechnen-felder-aus-verknotetem-licht-a-929825.html
Diese sind auch eng verbunden mit dem Raum-Zeit Begriff "an sich". Weyl hat sowas damals wohl schon irgendwie erkannt, mit seiner Eichtheorie der Vereinigung des (klassischen) Elektromagnetismus und der Allgemeinen Relativitätstheorie. Leider funktionierte das dann nicht wegen der unmöglichen Synchronisation von Uhren.
Newspeak 30.10.2013
2. ...
Nette Grundlagenforschung, nur hört doch bitte damit auf, sofort die tollsten Anwendungen an die Wand zu malen. Auch der Verweis auf eine "Vielzahl" an Arbeiten unterstützt nur den wissenschaftlichen Wahnsinn nach Masse statt Klasse. EINE einzige Arbeit kann ausreichen, die Welt zu verändern und Tausend andere Arbeiten sind schon übermorgen vergessen. Es ist schlimm genug, daß Wissenschaftler diesen Unsinn erzählen müssen, um Forschungsförderung zu bekommen. Aber wenigstens die Allgemeinheit könnte man verschonen. Für den eingesparten Platz könnte man stattdessen mal die Maxwell Gleichungen hinschreiben.
stabilobacter 30.10.2013
3. maxwellgleichungen
Mir haben die standasdloesungen schon gereicht. Ein glueckwunsch an die die jenigen die auch diesonderloesungen beherrschen un auch verstehen! Vielleichgt gelingt es ja uns menschen informsationsgeladenes licht in lange und versclugene knoten zu schiecken und so informationen zu speichern. Vermutlich abhoersicher. Vielleicht ! Wir koennenes ! Ich kanns leidernicht. Aber das troestet mich. Danke Stabilobacter
cicero_muc 30.10.2013
4. na prima, dann kriegen wir ja bald die Kernfusion hin
Das Problem ist ja die Fusion im Gang zu halten. Vielleicht ergeben sich aus den neuen Ansätzen neue Erkenntnisse die uns dabei helfen werden die Kernfusion als zuverlässige, leicht beherrschbare und billige Energiequelle zu erschließen.
seppiverseckelt 30.10.2013
5. ENDE des 19. Jahrhunderts ?
Nun ja- wenn man 1860 bereits al "ende" definieren möchte... Es war jedenfalls 1860 als James clerc Maxwell seine Jahrelange Rechnerei präsentierte und das Ergebnis die "Schönsten Formeln des 19. Jahrhunderts" ( A.Einstein !) waren die er einer Staunenden Welt vorstellte... Schliesslich brauchten Edison, Tesla, Siemens usw... einen Gewissen Zeitlichen vorlauf- deren Leistungen bezogen sich alle auf die maxwellschen Formeln und fielen NICHT vom Himmel !
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