Wie man das Licht verlangsamt, bis es zum Stillstand kommt

Im Vakuum bewegt sich das Licht immer mit einer konstanten Geschwindigkeit von 299.792.458 Metern pro Sekunde. Nichts kann sich schneller fortbewegen als dieses konstante c, wie es die Physiker bezeichnen. Diese beiden Postulate sind Grundbausteine der modernen Physik und wurden erstmals vor mehr als hundert Jahren von Albert Einstein verkündet.

Ja, nichts kann sich schneller als das Licht bewegen, aber…

Wenn sich Licht durch ein anderes Medium als das Vakuum ausbreitet, wird es verlangsamt. Wenn sich das Licht zum Beispiel durch Wasser oder Luft ausbreitet, wird es langsamer. Das liegt daran, dass das Licht an den Molekülen gestreut wird, aus denen die verschiedenen Materialien bestehen. Die Photonen selbst werden nicht langsamer. Bei ihrem Durchgang durch ein Medium werden sie jedoch von Elektronen absorbiert und wieder emittiert. Bei einigen Materialien wie Wasser verlangsamt sich das Licht stärker als die Elektronen. Daher kann sich ein Elektron in Wasser schneller bewegen als Licht in Wasser. Aber nichts bewegt sich jemals schneller als c.

In einigen Fällen kann träges Licht einige sehr interessante physikalische Phänomene hervorrufen. Wahrscheinlich haben Sie schon einmal vom Überschallknall gehört. Ein „normales“ Unterschallflugzeug lenkt die Luft gleichmäßig um seine Tragflächen herum. Ein Überschallflugzeug – das sich schneller als der Schall bewegt (mehr als 340 m/s) – bewegt sich tatsächlich viel schneller als die Luft, die es umwirft. Das Ergebnis ist eine plötzliche Druckänderung oder Schockwelle, die sich in einem Kegel mit Schallgeschwindigkeit vom Flugzeug weg ausbreitet.

Dr. Manhattan

Die Phasengeschwindigkeit des Lichts in einem Medium mit Brechungsindex n ist v

Licht = c/n. Wasser hat einen Brechungsindex von etwa 1,3, so dass die Lichtgeschwindigkeit in Wasser deutlich geringer ist als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Nicht nur ein Elektron kann sich schneller als das Licht durch ein anderes Medium bewegen, sondern auch andere Teilchen. Wenn sich ein geladenes Teilchen in einem Medium schneller als das Licht bewegt, dann entsteht eine schwache Strahlung. In Wasser zum Beispiel regt das geladene Teilchen die Wassermoleküle an, die daraufhin in ihren normalen Zustand zurückkehren, indem sie Photonen blauen Lichts aussenden. Das Licht breitet sich in einem Kegel vor der Region aus, in der die Wechselwirkung stattgefunden hat, analog zum Überschallknall.

Dieser als Cherenkov-Strahlung bekannte Effekt wurde 1934 von Pavel Cherenkov als schwaches blaues Leuchten beobachtet, als er die Auswirkungen von Radioaktivität in Flüssigkeiten untersuchen sollte. Menschen, die mit Kernreaktoren arbeiten, bekommen dieses verräterische blaue Leuchten oft zu sehen. In der Populärkultur ist der mächtige Doctor Manhattan aus Ian Moores klassischem „Watchmen“-Grafikroman immer von einem blauen Leuchten umgeben.

Diese Diskussion wirft die Frage auf: Wie sehr können wir das Licht verlangsamen?

Totschlag

Während wir die Lichtgeschwindigkeit, die immer eine Konstante ist, nie wirklich beschleunigen oder verringern können, ist es Wissenschaftlern gelungen, die Zeit zu manipulieren, die das Licht braucht, um sich durch verschiedene Medien zu bewegen. Bei Raumtemperatur sind Atome unglaublich schnell und verhalten sich wie Billardkugeln, die aneinander abprallen, wenn sie miteinander interagieren. Wenn man die Temperatur senkt (die Temperatur spiegelt die atomare Bewegung wider), bewegen sich die Atome und Moleküle langsamer. Schließlich, bei etwa 0,000001 Grad über dem absoluten Nullpunkt, sind die Atome so dicht gepackt, dass sie sich wie ein einziges Superatom verhalten und gemeinsam agieren. Dies ist die Domäne der Quantenmechanik, so dass man sich auf eine Menge Seltsamkeiten gefasst machen sollte.

Es handelt sich dabei um einen besonderen Zustand der Materie, der als Bose-Einstein-Kondensat bekannt ist und nicht den alltäglich beobachtbaren Zuständen wie Flüssigkeit, Gas, Festkörper oder Plasma ähnelt. BEC wurde erstmals in den 1920er Jahren von Albert Einstein und dem indischen Physiker Satyendra Bose vorhergesagt, und erst 1995 gelang es Wissenschaftlern, die notwendigen Bedingungen für das Auftreten dieses extremen Materiezustands zu schaffen.

Im Jahr 1999 richtete Lene Vestergaard Hau, Professorin an der Harvard University, einen Laserstrahl durch eine solche Wolke aus nahezu bewegungslosen Natriumatomen von nur 1/125 Zoll Länge. Zunächst wird ein Anfangsstrahl, der so genannte Kopplungsstrahl, auf die Wolke gerichtet, der sie durchsichtig macht. Dies geschieht mit einer extrem schnellen Änderung des Brechungsindexes.

Ein zweiter Laserstrahl, der Sondenpuls, schießt durch diese nun durchsichtige Gaswolke, deren Brechungsindex hundert Billionen Mal höher ist als der von Glas in einer Glasfaser. Unter diesen Bedingungen kroch das Licht mit einer Geschwindigkeit von 38 Meilen pro Stunde. Pferde sind schneller.

Schwebendes Licht

Professor Hau ruhte sich nicht auf ihren Lorbeeren aus, sondern trieb die Sache auf die Spitze: Er brachte das Licht zum Stehen. Um das Licht gänzlich zum Stillstand zu bringen, nutzten die Wissenschaftler einen ähnlichen, aber weitaus stärkeren Effekt. Die Forscher kühlten ein Gas aus magnetisch eingeschlossenen Natriumatomen auf wenige Millionstel Grad unter dem absoluten Nullpunkt (-273 °C) ab. Der Versuchsaufbau sah dem ersten Versuch sehr ähnlich, nur dass dieses Mal, wenn das Team den Kopplungslaser ausschaltete, während der Sondenlaser noch auf die Wolke leuchtete, der Sondenpuls abbrach. Schaltet man den Kopplungslaser wieder ein, taucht der Sondenpuls unversehrt wieder auf, so als hätte er nur darauf gewartet, seine Reise fortzusetzen. Erstaunlich! Diese Ergebnisse wurden im selben Jahr (2001) von Dr. Ronald Walsworth vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge wiederholt.

Seitdem wurden verschiedene Meilensteine gesetzt. Im Jahr 2013 brachte ein Team der Universität Darmstadt das Licht in einer kristallinen Struktur zum Stillstand und hielt es eine ganze Minute lang fest. Außerdem nutzten sie die Falle, um ein aus drei Streifen bestehendes Bild zu speichern und dann wieder abzurufen. „Wir haben gezeigt, dass man dem Lichtstrahl komplexe Informationen aufprägen kann“, sagt der leitende Forscher George Heinze. 2015 fanden Forscher der Universität Glasgow einen Weg, die Geschwindigkeit des Lichts zu verlangsamen, ohne es durch ein Medium zu leiten. Sie änderten seine Geschwindigkeit im Wesentlichen indirekt, indem sie das Licht durch eine spezielle Maske leiteten – einen Filter, der den Strahl entweder zu einem Gauß- oder einem Bessel-Strahl formte.

Nach dem Durchgang durch ein Medium, z. B. Glas, Wasser oder ein beliebiges Material, aus dem man einen Filter herstellen kann, sollte das Licht wieder auf seine normale Konstante beschleunigt werden. Das Experiment hat gezeigt, dass sich Licht langsamer als c bewegen kann, indem es seine Form verändert. Es war 0,001 Prozent langsamer, als es hätte sein sollen. Das ist zwar nicht so beeindruckend wie eine Lichtbremse, aber dennoch faszinierend. Vielleicht ist das Licht formbarer, als Physiker bisher dachten.

Es gibt natürlich auch praktische Anwendungen für diese „Spielereien“. Dazu gehören Quantencomputer und Anwendungen der Quantenkommunikation. Aber diese Art von bahnbrechender Wissenschaft nur um ihrer selbst willen zu betreiben, klingt für mich genauso fantastisch.