Kann der Schall das Licht überholen?

Plastikperlen in Wasser: Das physikalische Kausalitätsgesetz würde nicht verletzt

Von Rainer Scharf

In einem sind sich die Physiker völlig sicher: Informationen breiten sich niemals schneller aus als Lichtwellen im Vakuum, die 299 792 Kilometer in der Sekunde zurücklegen. Andernfalls könnte der Relativitätstheorie zufolge der Ursache eine Wirkung vorausgehen - mit paradoxen Folgen. Jetzt behauptet ein Physiker von der University of Mississippi, daß Ultraschallpulse Überlichtgeschwindigkeit in Wasser erreichen könnten, das zahllose winzige Plastikperlen enthält - ohne dadurch im Widerspruch zur etablierten Physik zu stehen.
 

Die Überlegungen, die der Ultraschallexperte Joel Mobley kürzlich auf einem Kongreß der Acoustical Society of America vorgetragen hat, zeigen, welchen Spielraum die Physik für seltsame Phänomene bereithält. Im Zusammenhang mit der Ausbreitung von Wellen hat es in den vergangenen Jahren schon einige Überraschungen gegeben. So hat man Lichtwellen in kalten atomaren Gasen zunächst auf eine Geschwindigkeit von 60 Kilometern pro Stunde abgebremst und schließlich sogar zum Stillstand gebracht. Andererseits ließ sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtpulsen in absorbierenden Materialien auf Überlichtgeschwindigkeit erhöhen. Was mit Licht gelungen ist, sollte auch für Ultraschall möglich sein, meint Joel Mobley.

Ultraschallwellen breiten sich im Wasser mit etwa 1500 Metern in der Sekunde aus. Dabei hängt die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen in einem Frequenzbereich von 1 bis 15 Megahertz nur wenig von ihrer Frequenz ab. Ein Ultraschallpuls, der aus einer Vielzahl von Wellen unterschiedlicher Frequenz besteht, bewegt sich mit derselben Geschwindigkeit wie die einzelnen Wellen, ohne seine Form zu ändern.

Interessant wird es, wenn man dem Wasser eine große Menge von Plastikperlen hinzufügt, die einen Durchmesser von einem zehntel Millimeter haben, was etwa der Dicke eines menschlichen Haares entspricht. Bei Experimenten, die Mobley und seine Kollegen vor einigen Jahren ausgeführt hatten, zeigte es sich, daß die im Wasser schwimmenden Plastikperlen die Ultraschallwellen reflektierten, dämpften und sie je nach Wellenfrequenz unterschiedlich gut durchließen. Modellrechnungen, die Mobley ausgeführt hatte, stimmten gut mit den experimentellen Ergebnissen überein.

Gibt man etwa 50 000 Plastikperlen auf den Kubikzentimeter Wasser, so erhält man eine Lösung, die auf Ultraschallwellen mit einer Frequenz von etwa 7 Megahertz recht intensiv wirkt, wie Mobley berechnet hat. Zum einen werden die Schallwellen stark gedämpft. Zum anderen nimmt ihre Ausbreitungsgeschwindigkeit schnell mit der Wellenfrequenz zu. Ein Ultraschallpuls, der aus Wellen mit unterschiedlichen Frequenzen um 7 Megahertz besteht, wird von der Plastikperlenlösung so stark gedämpft und deformiert, daß er mit Lichtgeschwindigkeit vorankommt. Fügt man noch zwei, drei Perlen hinzu, so wird der Puls schneller als das Licht.

Wenn man noch mehr Perlen in die Lösung gibt, können Ultraschallpulse auch unendliche oder sogar negative Geschwindigkeiten aufweisen. In diesem Fall würde ein Schalldetektor im Inneren des Lösungsbehälters den von außen kommenden Ultraschallpuls gleichzeitig oder sogar früher registrieren als ein Detektor am Rande des Behälters, den der Puls zuerst passiert. Mit Lichtpulsen hat man diese Umkehr der zeitlichen Reihenfolge schon beobachten können. Die Ursache liegt darin, wie man die Ankunftszeit des Pulses bestimmt. Dazu mißt man die Zeit, zu welcher der am Detektor vorbeilaufende Puls seine maximale Intensität hat. Aufgrund der starken Dämpfung und Verzerrung des Pulses kann am entfernten Detektor früher ein Pulsmaximum auftreten als am nahen Detektor.

Damit sich ein Licht- oder Ultraschallpuls mit Überlichtgeschwindigkeit ausbreiten kann, muß er stark verzerrt werden. Dies geht immer mit einer starken Dämpfung einher. Dahinter steckt letztlich wieder das physikalische Kausalitätsgesetz. Auch bei der Signalausbreitung in einem Medium muß eine Wirkung immer nach ihrer Ursache kommen. Die starke Signaldämpfung macht es unmöglich, einen überlichtschnellen Puls über größere Entfernungen laufen zu lassen. Doch der praktischen Nutzung solch rasanter Pulse steht noch eine andere Tatsache im Wege. Im Gegensatz zum Maximum eines Pulses kann sich seine Front niemals schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Da das Maximum die Front nicht überholen kann, lassen sich auch mit einem überlichtschnellen Puls Informationen nicht schneller übertragen als mit Lichtgeschwindigkeit.

Text: F.A.Z., 09.11.2005, Nr. 261 / Seite N1