Licht überholt sich selbst

Stellen eilige und rückwärtslaufende Pulse die Physik auf den Kopf?

Von Rainer Scharf

Die Informationsübertragung mit Licht hat das schnelle "Surfen" im Internet erst möglich gemacht. Der Datenstrom wird dazu in Lichtpulse umgewandelt, die dank langer Glasfasern selbst kontinentale Entfernungen in Sekundenbruchteilen zurücklegen. Auch wenn die Übertragung mit Lichtgeschwindigkeit erfolgt, so sollte ein Lichtpuls normalerweise nicht das Ende einer Glasfaser erreichen können, bevor er ihren Anfang passiert hat. Doch das haben Forscher von der University of Rochester in New York beobachtet. Der Lichtpuls überholte gewissermaßen sich selbst, wobei er in der Glasfaser rückwärts zu laufen schien.

Während das Licht im Vakuum stets mit ein und derselben Geschwindigkeit von knapp 300000 Kilometern pro Sekunde vorankommt, so breitet es sich in transparenten Materialien mit einer davon bisweilen erheblich abweichenden Geschwindigkeit aus. Insbesondere wenn die optischen Eigenschaften des Materials stark von der Frequenz des Lichtes abhängen, kann es zu verblüffenden Effekten kommen. So haben verschiedene Forschergruppen Lichtwellen in Gasen auf Schrittgeschwindigkeit abgebremst und sogar zum Stillstand gebracht. Aufgrund der intensiven Wechselwirkung des Lichtes mit den Gasatomen kann die sogenannte Gruppengeschwindigkeit - das ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtwellenpaketen - beliebig klein werden.

Frühere Untersuchungen hatten indes gezeigt, daß die Gruppengeschwindigkeit in bestimmten Materialien die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit deutlich übertrifft, während sie in anderen Fällen sogar negativ sein kann. Doch wie lassen sich diese beiden Möglichkeiten mit den Gesetzen der Physik in Einklang bringen? Scheint eine Ausbreitung mit Überlichtgeschwindigkeit doch im Widerspruch zur Speziellen Relativitätstheorie Albert Einsteins zu stehen. Und eine negative Gruppengeschwindigkeit hätte unweigerlich zur Folge, daß ein Lichtpuls ein Medium durchquert, indem er sich entgegen seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung bewegt. Robert Boyd und seine Mitarbeiter haben nun herausgefunden, was es mit der negativen und der überlichtschnellen Geschwindigkeit auf sich hat.

Die Forscher haben Lichtpulse von einer tausendstel Sekunde Dauer durch eine mehrere Meter lange Glasfaser laufen lassen, die Atome des chemischen Elements Erbium enthielt. Die Teilchen verliehen der Faser besondere optische Eigenschaften, die Boyd und seine Kollegen für ihre Zwecke gezielt nutzen. Mit einem zweiten, kurzwelligeren Laserstrahl wurde die Faser gleichzeitig angeregt. Die Lichtpulse, die durch die Faser liefen, setzten die von dem zweiten Lichtstrahl deponierte Energie frei, was zur Verstärkung der Pulse führte. Ein Detektor am Ende der Glaserfaser registrierte die ankommenden Lichtpulse und zeichnete deren Laufzeit sowie deren Intensitätsprofil auf.

Je nach Wahl der experimentellen Parameter konnten die Forscher den Lichtpulsen eine Gruppengeschwindigkeit geben, die kleiner oder größer als die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit war oder sogar einen negativen Wert aufwies ("Science" Bd. 312, S. 895). War die Gruppengeschwindigkeit kleiner als die Vakuumlichtgeschwindigkeit, dann wurde der Puls in der Glasfaser zusammengedrückt. Dabei verschob sich das Intensitätsmaximum so, daß es verzögert am Faserende erschien.

War die Gruppengeschwindigkeit der Lichtpulse hingegen größer als die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit, dann wurde der Puls in der Faser gestreckt. Als Folge verschob sich das Intensitätsmaximum und der Lichtpuls und erfuhr eine Beschleunigung. Das Maximum des Laserpulses kam dann tatsächlich mit Überlichtgeschwindigkeit am Ende der Faser an. Allerdings steht dieser Befund nicht im Widerspruch zur Relativitätstheorie, wonach sich ein Signal nicht schneller als mit der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit ausbreiten kann. Das Maximum des Pulses am Ende der Glasfaser war nämlich dadurch entstanden, daß der in die Faser eintretende Puls beim Durchlaufen der Faser an seiner Front eine größere Verstärkung erfuhr als an seinem ursprünglichen Maximum. Die Pulsform war deshalb stark deformiert worden. Seine ursprüngliche Front war zum neuen Maximum geworden, sie hatte sich aber nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegt.

Im Falle der rätselhaften negativen Gruppengeschwindigkeit beobachteten die Forscher folgendes. Kaum war ein Lichtpuls in die Glasfaser eingetreten, hatte die Pulsfront die Faser auch schon wieder verlassen. Auf ihrem Weg durch die Faser war die Pulsfront so verstärkt worden, daß sie ein Maximum aufwies, das die Faser verließ noch bevor das ursprüngliche Pulsmaximum in die Faser eingetreten war. In der Faser bildete sich ein drittes, kleineres Maximum, das tatsächlich vom Ende der Faser zu ihrem Anfang lief, wie es einer negativen Gruppengeschwindigkeit entspricht. Der Energietransport durch die Glasfaser, der mit der Bewegung des Lichtpulses verbunden war, verlief aber auch in diesem Fall in die richtige Richtung, also vom Anfang der Faser zu ihrem Ende und nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit. Das scheinbar widersinnige Verhalten der Laserpulse in der das Licht verstärkenden Glasfaser steht also durchaus im Einklang mit den Grundprinzipien der Physik. Möglicherweise läßt sich die überlichtschnelle Ausbreitung der Pulsmaxima sogar dazu nutzen, Signale schneller zu übermitteln, als dies bisher möglich schien.

Text: F.A.Z., 18.05.2006, Nr. 115 / Seite 34