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Stürzt Einsteins Dogma?

Können Informationen schneller als das Licht übertragen werden? Vor zwei Jahren sorgte ein Kölner Physiker für Furore, weil er angeblich Informationen mit Überlichtgeschwindigkeit übermittelt hatte. Seither tobt ein Streit um die richtige Interpretation des Experiments. Die zentrale Frage lautet: Welche Bedeutung hat „Information“ in der Welt der Quanten? INFOS IM INTERNET: Überlichtgeschwindigkeit: http://i02aix1.desy.de/~mpoessel/nimtz.html Homepage von Raymond Chiao: http://physics1.berkeley.edu/research/chiao/research.html newsletter/

Nur wenigen Wissenschaftlern ist es vergönnt, schon zu Lebzeiten berühmt zu werden. Albert Einstein zu Anfang des Jahrhunderts oder heute Stephen Hawking gehören zu den wenigen, die es geschafft haben. Alle anderen können sich damit trösten, daß sie von Autogrammjägern oder aufdringlichen Fans verschont bleiben.

Das dachte auch Günter Nimtz, Physikprofessor an der Universität Köln, bis er eines Abends im Januar bei seinem Stamm-Italiener gleich neben der Uni einkehrte. Doch diesmal hielt ihm der freundliche Kellner statt der Speisekarte ein Stück Papier und einen Stift unter die Nase: „Ein Autogramm per favore.“ Zuerst dachte der 60jährige Nimtz an eine Verwechslung. Doch das war es nicht: Er habe das Foto von Nimtz in einer Zeitschrift gesehen, sagte der Kellner, da müsse der Professore doch jetzt ein berühmter Mann sein, oder?

Bekannt wurde Günter Nimtz, der sich von Amts wegen vor allem mit der weniger spektakulären Halbleiter-Physik beschäftigt, bei seinen Kollegen durch ein kühnes Experiment: Mit seinem Mitarbeiter Achim Enders gelang es ihm vor fünf Jahren, Licht schneller als Licht zu verschicken.

Die beiden nutzten dabei den Tunneleffekt aus, eines der erstaunlichsten Phänomene in der Quantenmechanik: Wenn ein Fußballprofi einen Ball 100mal gegen eine Mauer schießt, prallt der Ball 100mal zurück – darauf würden sogar Fußball-Laien ein Vermögen verwetten. Wenn allerdings Physiker 100 Teilchen – zum Beispiel Photonen oder Elektronen – gegen einen scheinbar unüberwindlichen Energiewall schießen, ist das Ergebnis nicht so klar. Vielleicht prallen alle 100 zurück – vielleicht aber auch nur 99 oder nur 95.

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Seit 70 Jahren gehört der in vielen Experimenten bestätigte Tunneleffekt zum täglichen Brot der Quantenphysiker. Seit immerhin 50 Jahren gibt es theoretische Hinweise, daß die Teilchen im Tunnel das kosmische Tempolimit – die Lichtgeschwindigkeit – brechen könnten. 1962 hatte der Physiker T. E. Hartman berechnet, daß die Zeit, die ein Teilchen im Tunnel verbringt, nicht von dessen Länge abhängt. Die entscheidende Frage, die sich die Physiker seither stellten: Wie lange verweilt ein Partikel – zum Beispiel ein Photon – im Tunnel, und welche Geschwindigkeit ergibt sich daraus?

An nur einem Wochenende bauten Enders und Nimtz ein Experiment auf, um eine Antwort zu finden. Sie schickten Mikrowellen auf zwei Wegen von einem Generator über einen Hohlleiter – ein metallenes Rohr, das Mikrowellen leitet – in einen Empfänger. Im einen Zweig, quasi der Referenzstrecke, führte der Weg über zwei Antennen eine kurze Distanz durch die Luft, im anderen Zweig durch ein enges Rohr, das für die Mikrowellen als vermeintlich undurchdringliche Barriere fungierte.

Das überraschende Resultat: Die Signale liefen durch den Tunnel schneller als durch die Luft. Enders und Nimtz kamen auf die doppelte Lichtgeschwindigkeit, bei längerem Tunnel sogar auf ein noch höheres Tempo.

Sie fanden außerdem heraus, daß das Signal vor der Barriere kurz innehält – wie ein Springpferd, das vor dem Hindernis scheut – und dann in Nullkommanichts am anderen Ende auftaucht.

Für das sensationelle Ergebnis interessierte sich zunächst niemand. Erst ein halbes Jahr später kam aus den USA eine Meldung, die sich wie ein Lauffeuer unter den Physikern verbreitete: Raymond Chiao, Professor für Quantenoptik an der Universität von Berkeley, hatte es geschafft, einzelne Photonen mit Überlichtgeschwindigkeit zu tunneln.

Daß Chiaos Resultat weit größere Beachtung fand als das von Nimtz, hat vor allem mit Chiaos geschickter Medienpolitik zu tun. Während der Amerikaner seine Resultate im Physical Review und im Scientific American veröffentlichte und dabei Nimtz‘ Ergebnisse geschickt verschwieg, standen Nimtz‘ nicht weniger revolutionäre Erkenntnisse „nur“ im französischen Journal de Physique.

Immerhin hatte die Nachricht aus Berkeley zur Folge, daß plötzlich auch Nimtz in aller Munde war. Dennoch wurden seine Resultate weit kritischer kommentiert als die des großen Raymond Chiao, Schüler des Laserpioniers und Nobelpreisträgers Charles Townes.

Doch dann, vor zwei Jahren, trat Nimtz endgültig aus Chiaos Schatten: In einem abgewandelten Experiment schickte er Mozarts berühmte Symphonie Nummer 40 in g-Moll auf einem Mikrowellensignal huckepack durch den Tunnel, um zu beweisen, was bisher alle Kollegen – auch Raymond Chiao – stets bestritten hatten: daß sich auch Informationen schneller als Licht ausbreiten können. Das Experiment gelang, die Meßgeräte zeigten 4,7fache Lichtgeschwindigkeit an, und der eher scheue Professor war über Nacht bei Physikern und Pizzabäckern bekannt wie ein bunter Hund.

Was jetzt geschah, glich einer Inquisition: Kollegen warfen Nimtz vor, er interpretiere seine Experimente falsch und beschmutze das Erbe Albert Einsteins und dessen Relativitätstheorie, nach der sich weder Teilchen noch Informationen schneller als Licht ausbreiten können – und das, obwohl Nimtz in keiner seiner Arbeiten an Einsteins Theorie gezweifelt hatte. Detlef Dürr, Professor für Quantenmechanik in München, sagt klipp und klar, was viele denken: „Nimtz hat nicht verstanden, was er getan hat.“

Zufrieden waren nur die ewig Gestrigen: Seit dem gelungenen Experiment bekommt Nimtz immer wieder Briefe, deren Absender sich dafür bedanken, daß „der Jude Einstein“ endlich widerlegt sei.

Inzwischen ist der Rauch über dem Schlachtfeld verflogen, doch die Probleme sind geblieben. Hinter den Kulissen wird weiter diskutiert, denn noch sind sich die Physiker nicht einig, was mit einem Photon passiert, wenn es durch den Tunnel rast. Wird das Wellenpaket so verformt, daß der Geschwindigkeitsgewinn nur scheinbar ist? Wann wird die Ankunftszeit des Photons gestoppt? Zählt – analog zum Hundertmeterlauf – die Brust des Sprinters oder vielleicht der Kopf, der Sekundenbruchteile früher die Ziellinie überquert?

Vereinfacht stellen sich die Physiker das Tunneln bei Photonen heute so vor: Ein Photon wird in einer Lichtquelle – zum Beispiel in einem Laser – erzeugt und trifft gegen ein vermeintlich undurchlässiges Hindernis – zum Beispiel eine verspiegelte Glasscheibe, wie im Experiment von Raymond Chiao. Die meisten Photonen werden reflektiert, doch einigen gelingt es, die Barriere ohne Zeitverlust zu überwinden – gerade so, als würden sie durch einen unsichtbaren, extrem kurzen Tunnel rasen.

Ein Handicap für die Physiker ist, daß sie mit ihren Meßgeräten nie genau bestimmen können, wo sich das Photon gerade befindet. In der Welt der Quanten verhindert das Unschärfe-Prinzip, das von dem deutschen Physiker Werner Heisenberg in den zwanziger Jahren formuliert wurde, daß sich Geschwindigkeit und Ort eines Teilchens gleichzeitig beliebig genau messen lassen. In unserer makroskopischen Welt ist das anders: Dort läßt sich selbst der schnellste Rennwagen aufs Foto bannen, wenn der Fotograf die Belichtungszeit an seiner Kamera nur kurz genug einstellt.

Das Photon ist demnach, wenn es in den Tunnel eintaucht, kein „Kügelchen“ mit klar definierter Oberfläche, sondern eher ein Sandhaufen mit diffusem Rand, wobei die theoretische Wahrscheinlichkeit, das Photon zu finden, im Zentrum des Haufens am größten ist und am Rand am geringsten.

Doch gerade dieser Rand ist es, der dem Photon das Tunneln erlaubt: Je mehr von den vordersten Sandkörnchen auf die andere Seite der Barriere reichen, um so wahrscheinlicher ist es, daß das Photon die Barriere durchtunnelt.

Was geschieht nun mit dem „Sandhaufen“ im Tunnel? Da die Wahrscheinlichkeit, das Photon hinter dem Tunnel zu finden, mit zunehmender Tunnellänge abnimmt, kommt hinter der Barriere nur wenig Sand an. Das bedeutet: Der Sandhaufen bröckelt im Tunnel schnell ab. Nur ein kleines Häufchen erreicht das Ziel, der große Rest wird wieder zum Eingang transportiert, so als sei er an der Barriere reflektiert worden.

Dieser reflektierte Teil ist es, der den Eindruck erweckt, das Wellenpaket würde kurz vor dem Eintritt in den Tunnel eine Verschnaufpause einlegen. Eigenartigerweise scheint im Tunnel Sand nicht gleich Sand zu sein: Körnchen, die weiter vorne im Pulk sind, haben eine größere Chance, die Barriere zu überwinden als Nachzügler. Durch den Verlust wird der Sandhaufen also nicht einfach nur flacher, sein Gipfel verschiebt sich auch nach vorn.

Die entscheidende Frage, wegen der sich die Physiker in den Haaren liegen, lautet: Ist der Sandhaufen (das Photon) am Ziel, wenn die ersten Sandkrümel gerade den Ausgang des Tunnels erreichen, oder erst, wenn der Gipfel des Haufens – die Physiker sprechen vom Schwerpunkt – auftaucht?

Aephraim Steinberg, Professor an der Universität von Toronto und als früherer Mitarbeiter von Raymond Chiao für das Überlicht-Experiment von Berkeley verantwortlich, bemängelt, daß Nimtz sich bei seinen Experimenten für die zweite Variante entschieden habe, indem er dem Maximum des Haufens auflauerte. Das wäre in der Tat ein kluger Schachzug, denn im Tunnel rückt der Gipfel des Sandhaufens überlichtschnell der Front immer weiter auf die Pelle, allerdings ohne diese zu überholen.

„Es ist nicht korrekt, daraus auf Überlichtgeschwindigkeit zu schließen“, schreibt Steinberg in einem Artikel des französischen Fachblattes Journal de Physique. Die Information über die Ankunft des Photons stecke nicht im Maximum des Sandhaufens, sondern in der vordersten Spitze, und die laufe nun mal nicht schneller als das Licht. Selbst wenn der Gipfel des Sandhaufens noch so schnell vorwärts eile, nehme seine Höhe wegen der Verluste so schnell ab, daß er stets niedriger bleibe als ein Sandhaufen, der nicht durch die Barriere geht.

„Falsch“, kontert Günter Nimtz in derselben Ausgabe der Zeitschrift. Die Front eines Signals zu messen mache nur dann Sinn, wenn das Signal ohne Vorwarnung plötzlich da sei und genauso plötzlich wieder verschwinde. Doch solche Signale gibt es nicht – auch nicht im Reich der Quanten. „In der Natur existieren nur frequenzbegrenzte Signale, die langsam an- und wieder abschwellen“, erklärt Nimtz.

Nach seiner Auffassung verformen sich frequenzbegrenzte Signale im Tunnel nicht. Zwar nehme ihre Intensität schnell ab, doch die Halbwertsbreite – die Breite des Sandhaufens auf halber Höhe – bleibe unverändert. Genau in dieser Halbwertsbreite stecke die Information, sagt Nimtz. Deshalb hält er den Vorwurf für ungerechtfertigt, er habe in seinem Experiment lediglich das überlichtschnelle Maximum des Sandhaufens bestimmt.

Außerdem sei kein Meßgerät in der Lage, zwischen der Spitze oder dem Zentrum eines Photons zu unterscheiden. Ein Photonendetektor könne immer nur ein ganzes Photon messen oder gar keins. Deshalb sei es auch erlaubt, die Empfindlichkeit der Meßelektronik so zu steigern, daß die Abschwächung des Signals ausgeglichen werde. Damit sei auch der Einwand hinfällig, eine höhere Empfindlichkeit des Detektors führe zu einer Verschiebung des Meßpunktes zur Front des Signals und damit zu einer scheinbar höheren Geschwindigkeit.

„Wenn die Empfindlichkeit eine Rolle spielen würde, könnte ein Fernsehzuschauer mit einer großen Satellitenantenne das Programm früher empfangen als sein Nachbar mit einer kleinen Antenne“, argumentiert Nimtz. Das stimme zwar im Prinzip, doch dauere es dann auch länger, bis das Signal wieder unter die Wahrnehmungsschwelle des Verstärkers gefallen sei – und damit bleibe die Halbwertsbreite und mit ihr die Ankunftszeit der Fernsehbilder unbeeinflußt.

Um gegen solche Angriffe von vornherein gewappnet zu sein, haben Raymond Chiao und Aephraim Steinberg ihr Experiment an einzelnen Photonen ausgeführt.

Empfängt eine große Antenne das TV-Programm früher als eine kleine Antenne? Dazu benutzten sie ein Interferometer, in dem sie zunächst ein Photon in zwei gleiche Teilphotonen halber Energie zerlegten, die über ein System von Umlenkspiegeln einmal frei durch die Luft und das andere Mal durch eine Glasscheibe mit einer hauchdünnen Spiegelschicht liefen.

Weil sie die extrem kurzen Laufzeitunterschiede im Bereich von wenigen Femtosekunden (billiardstel Sekunden) zwischen den beiden Zweigen des Interferometers nicht direkt messen konnten, ersannen Chiao und Steinberg einen Trick: Sie bauten die beiden Strecken zunächst exakt gleich auf. Das kontrollierten sie, indem sie die Strecken in ihrem Spiegellabyrinth so lange veränderten, bis sich die beiden Photonen bei ihrer Wiedervereinigung am Ende der Apparatur exakt überlagerten.

Dann bauten sie in einen Zweig die Barriere und eine zusätzliche Umleitung aus Spiegeln ein, so daß sich der Geschwindigkeitsgewinn im Tunnel und der Zeitverlust auf dem Umweg gerade ausglichen. Das Ergebnis: Durch die Barriere tunnelten die einzelnen Photonen mit 1,7facher Lichtgeschwindigkeit.

Auch wenn das Experiment ohne Zweifel korrekt ist – einen Haken gibt es doch: Chiao und Steinberg behaupten, einzelne Photonen gemessen zu haben. Doch das stimmt nicht ganz: Um die Laufzeit der beiden Teilphotonen zu bestimmen, mußten die beiden Physiker viele Millionen Photonen sammeln und statistisch auswerten. Im Prinzip ist das analog zum Doppelspaltversuch, den manche noch aus dem Optikunterricht in der Schule kennen: Das bunte Beugungsmuster auf dem Schirm entsteht nur, wenn viele Lichtteilchen durch den Spalt fliegen. Wenn man einzelne Photonen mit Detektoren mißt, ändert das nichts am Ergebnis – man muß nur länger warten, bis das Muster erscheint.

„Das Chiao-Experiment ist rein klassisch“, bemängelt deshalb Nimtz. Letztlich hätten seine US-Kollegen mit ihren vielen einzelnen Photonen nichts anderes gemacht als er mit seinen Mikrowellen, die im Prinzip nur dichte Pulks von Photonen einer größeren Wellenlänge seien.

Wer hat nun recht? Möglicherweise keiner von beiden. Denn nach Ansicht vieler Physiker geben die beiden Streithähne mit ihren Experimenten Antworten auf eine beinahe philosophische Frage, die sich gar nicht stellt. Wegen der Heisenbergschen Unschärferelation könne man nicht entscheiden, wo sich das Photon im Tunnel genau befinde. Und damit habe es keinen Sinn, überhaupt eine Geschwindigkeit zu messen. „Über die Sache wird bald Gras wachsen“, war der allgemeine Tenor auf der letztjährigen Physikertagung.

Einer ist auf jeden Fall aus dem Schneider: Albert Einstein. Seine Aussagen zur maximalen Geschwindigkeit von Informationen sind nur in Inertialsystemen gültig. Über die Signalausbreitung im Tunnel hat sich Einstein nicht geäußert – die „spukhaften Fernwirkungen“ der Quantenmechaniker waren ihm zeitlebens suspekt.

Infos im Internet

Links zum Thema Überlichtgeschwindigkeit: http://i02aix1.desy.de/~mpoessel/nimtz.html Homepage von Raymond Chiao: http://physics1.berkeley.edu/research/chiao/research.html

Bernd Müller

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