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Schneller als Licht

Elektrische Pulse in Kabel mit ungewöhnlichen Eigenschaften

Von Rainer Scharf

Nichts kann sich schneller bewegen als das Licht. Das ist eine Konsequenz der speziellen Relativitätstheorie, deren Gültigkeit durch zahllose Experimente immer wieder bestätigt worden ist. Doch jetzt haben kanadische Wissenschaftler beobachtet, wie elektrische Pulse scheinbar mit Überlichtgeschwindigkeit durch ein spezielles Koaxialkabel laufen.

Für ihre Experimente haben Alain Haché und Louis Poirier von der Université de Moncton in Kanada ein 120 Meter langes Kabel aus jeweils fünf Meter langen Abschnitten zusammengefügt ("Applied Physics Letters", Bd. 80, S. 518). Dabei wechselten sich Bereiche mit hohem und mit niedrigem Widerstand ab. Durch das Kabel wurden elektrische Pulse geschickt, die nur fünf Mikrosekunden lang waren und die Form einer Sinuswelle hatten. Außer der Trägerfrequenz, die im Bereich von fünf bis 15 Millionen Hertz variiert werden konnte, enthielten die Pulse noch weitere Frequenzkomponenten. Diese unterschieden sich nur geringfügig von der Trägerfrequenz.

Die Forscher ermittelten die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Pulse, indem sie die Zeit bestimmten, die das Pulsmaximum benötigte, das Kabel vom Anfang bis zum Ende zu durchlaufen. In homogenen Leitern, die nur aus einer Kabelsorte bestanden, breiteten sich die Pulse mit etwa zwei Dritteln der Lichtgeschwindigkeit aus. In dem zusammengefügten Kabel jedoch erreichten sie - je nach Trägerfrequenz - das Doppelte oder sogar das Dreifache der Lichtgeschwindigkeit.

Wie ist dieses ungewöhnliche Ergebnis zu erklären? Wenn die Pulse auf den Übergang von einer Kabelsorte zur nächsten treffen, wird von jedem ein Teil reflektiert. Fällt ihre Trägerfrequenz in einen Bereich von neun bis elf Megahertz, schwingen die reflektierten Teilwellen der Pulse im Gleichtakt und verstärken einander. Die Pulse können sich dadurch nicht mehr ausbreiten. Das Kabel wird für diese "verbotenen" Frequenzen undurchlässig.

Ein Puls, dessen Trägerfrequenz genau an den "verbotenen" Bereich grenzt, gerät in die Zwickmühle. Denn er enthält Frequenzkomponenten, die in den verbotenen Bereich fallen und sich dadurch nicht mit dem restlichen Puls im Kabel ausbreiten können. Weil damit Frequenzen fehlen, wird der Puls verzerrt. Die Lage seines Maximums verschiebt sich in Ausbreitungsrichtung. Dadurch erreicht es das Ende des Kabels etwa eine millionstel Sekunde früher als das Maximum eines Pulses, der sich ungestört ausbreiten kann. Der verzerrte Puls kommt scheinbar mit Überlichtgeschwindigkeit voran.

Dieser ungewöhnliche Effekt verletzt jedoch nicht die Gesetze der Relativitätstheorie. Denn obwohl sich das Pulsmaximum schneller als Licht bewegt, breitet sich weder der Anfang des Pulses noch die im Puls gespeicherte elektrische Energie mit Überlichtgeschwindigkeit aus. Die Lichtgeschwindigkeit stellt also weiterhin eine unüberwindliche Grenze dar.

Allerdings könnte man in den zusammengefügten Kabeln elektrische Signale nahezu mit Lichtgeschwindigkeit übertragen. Das wäre deutlich schneller als mit homogenen Kabeln. Dadurch ließe sich zum Beispiel die Datenübertragung in Kommunikationssystemen deutlich beschleunigen. 
 
Frankfurter Allgemeine Zeitung, 05.02.2002, Nr. 30 / Seite 44

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