Manipulierte Photonen Wie man das Licht bremst

Wer Licht verlangsamen will, kann es durch Wasser oder Glas schicken - dort breitet es sich weniger schnell aus. Jetzt aber haben Physiker offenbar geschafft, was bisher als unmöglich galt: Sie haben Photonen in der Luft abgebremst.

Lasershow in Doha (Januar 2015): Lichtgeschwindigkeit nicht mehr konstant?
DPA

Lasershow in Doha (Januar 2015): Lichtgeschwindigkeit nicht mehr konstant?

Von


Albert Einstein machte das Licht einst zum entscheidenden Baustein in seiner Relativitätstheorie. Die Lichtgeschwindigkeit ist immer konstant - das war seine zentrale Annahme. Und bis heute zweifelt kaum ein Physiker daran.

Nun aber berichten Forscher der University of Glasgow, sie hätten Photonen in ihrer Bewegung durch Luft abgebremst. Mit einer speziellen Maske habe man den Lichtteilchen eine besondere räumliche Struktur verpasst und so ihre Geschwindigkeit verändert, schreiben Daniel Giovannini und seine Kollegen im Fachblatt "Science".

In Vakuum und in Luft breiten sich Lichtstrahlen mit knapp 300.000 Kilometern pro Sekunde aus. In optisch dichteren Medien wie Wasser oder Glas ist die Lichtgeschwindigkeit geringer. In Wasser liegt sie beispielsweise bei rund 225.000 km/s. Sobald die Strahlen aber aus dem Wasser austreten, bewegen sie sich wieder im knapp 300.000 km/s durch Luft.

Giovanninis Team arbeitete bei seinen Experimenten nicht mit Materialien wie Glas oder Wasser - die Forscher bremsten die Photonen vielmehr direkt in der Luft ab. Sie verglichen einen Lichtstrahl, der aus mehreren Photonen besteht, mit einer Gruppe von Radrennfahrern, die im Pulk unterwegs sind und sich in der Führung abwechseln. Dadurch bewegen sie sich zeitweise unterschiedlich schnell, obwohl die Geschwindigkeit der Gruppe insgesamt konstant ist.

Linsen verändern Photon

Das eigentliche Experiment glich einem Zeitfahren: Zwei Photonen wurden zugleich gestartet und mussten dieselbe Distanz von einem Meter zurücklegen. Ein Photon erreichte das Ziel genau in der erwarteten Zeit. Das zweite Photon jedoch, das durch eine aus mehreren Linsen aufgebaute Maske eine andere Struktur bekommen hatte, kam etwas später an.

Der Unterschied war nach Angaben der Forscher gut messbar, wenn auch klein. Der Vorsprung des ersten Photons lag bei einem hundertstel Millimeter. Dies entspricht einer Abbremsung von 0,001 Prozent.

Fotostrecke

8  Bilder
Physik-Nobelpreis 2014: Die Erfinder der blauen Leuchtdiode

"Der Effekt ist fundamental natürlich sehr interessant", sagt Thomas Halfmann, Physikprofessor an der TU Darmstadt, der an der Studie nicht beteiligt war. "Das ist eine sehr verblüffende Tatsache." Bislang sei man davon ausgegangen, dass Licht sich im freien Raum stets mit der konstanten Lichtgeschwindigkeit c ausbreite, egal wie der Strahl beschaffen sei. Die theoretische Begründung des nun in "Science" beschriebenen Phänomens klinge aber plausibel.

"Wir haben das Abbremsen mit einigen ausgeklügelten, aber allgemein bekannten optischen Prinzipien erreicht", sagt die Forscherin Jacquiline Romero. Die Experimente hätten eindeutig gezeigt, dass man die Lichtausbreitung in der Luft unter den allgemein akzeptierten Wert von rund 299.700 km/s drücken könne. Auch wenn der Effekt nur an einem einzelnen Photon demonstriert worden sei, gelte er auch für Strahlen. Allerdings sei das Manipulieren von Photonen nur über kurze Distanzen möglich, schränkte die Forscherin ein.

Um Einsteins Relativitätstheorie muss man sich wohl erst einmal keine Sorgen machen, nicht zuletzt wegen der nur minimalen Abbremsung des Lichts. Der Effekt gelang zudem nur auf einer Strecke von einem Meter und in einem speziellen Laboraufbau.

Konkrete Anwendungen der Lichtbremse aus Glasgow sind derzeit nicht absehbar. Das ist bei anderen, ähnlich verblüffenden Experimenten mit Photonen anders, wie sie beispielsweise die Arbeitsgruppe von Thomas Halfmann an der TU Darmstadt durchgeführt hat. In Silikatkristallen konnten die Forscher 2013 Photonen für eine Minute anhalten, ohne dass Informationen verloren gingen. Die Technologie könnte eines Tages in Quantencomputern als Datenspeicher zum Einsatz kommen.

Als Pionier beim Bändigen von Lichtstrahlen gilt Lene Vestergaard Hau von der Harvard University in Cambridge. Ein von ihr geleitetes Team konnte 1999 Licht auf eine Geschwindigkeit von nur 17 Meter pro Sekunde abbremsen. Mit Laserlicht hatten die Forscher ein Natriumgas fast bis zum absoluten Nullpunkt abgekühlt, sodass sich dessen optische Eigenschaften dramatisch veränderten.

Ehrung für LED-Erfinder



insgesamt 53 Beiträge
Alle Kommentare öffnen
Seite 1
aruba701 23.01.2015
1. Abbremsung von 0,001 Prozent? Absoluter Nullpunkt?
Lächerlich! Deutschen Physikern ist es gelungen, einen Lichtstrahl bei Normaltemperatur auf eine Geschwindigkeit von 25 km/h abzubremsen. Dafür haben sie den Lichtstrahl einfach durch eine Postfiliale gesendet.
fade0ff 23.01.2015
2. Herrje, was für ein Unsinn...
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist konstant. Und dann unterscheiden wir nochmal Phasengeschwindigkeit und Gruppengeschwindigkeit. Und schwupps ist aus der Zaubermeldung ein herzhaftes Gähnen geworden. Falls da doch irgendwie was Interessantes dran sein sollte, dann ist es im Halbwissensgeschwurbel des Artikels untergegangen.
wdiwdi 23.01.2015
3. Lichtgeschwindigkeit in Luft != im Vakuum
Der Artikel erweckt den falschen Eindruck, als ob sich Licht in Luft mit der gleichen Geschwindigkeit wie im Vakuum ausbreiten würde. Das ist nicht der Fall - bei normalen Bedingungen beträgt der Unterschied etwa 0.3%, also sehr viel mehr als der beobachtete Effekt in diesem Experiment. Die Experimentatoren wissen das natürlich. Schon Einsteins Aussage der konstanten Lichtgeschwindigkeit war ausdrücklich auf das Vakuum bezogen, es gibt z.B. auch Medien, in denen die Lichtgeschwindigkeit von der Polarisation oder der Wellenlänge abhängt, sie muss also noch nicht einmal innerhalb eines Mediums für alle Lichtformen konstant sein. Der Spiegel-Artikel ist in dieser Hinsicht irreführend formuliert.
edorre 23.01.2015
4. hm, interessant
wenn in der Richtung noch weitergeforscht wird, und man nochmehr verlangsamen kann, dann kann es evtl. in absehbarer Zeit Laserschwerter geben, lol
analyse 23.01.2015
5. 2015:Abbremsung um 0,001 % !
1999:Abbremsung auf 17m pro sek. ! Trotzdem,beides tolle unerwartete Leistungen !
Alle Kommentare öffnen
Seite 1

© SPIEGEL ONLINE 2015
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung


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