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Astronomie+Physik

Per Ringlaser in die Vergangenheit

Ein Trip durch die Zeiten benötigt wohl kaum mehr als langsames Laserlicht auf kreisförmigen Bahnen. Ronald L. Mallett will mit dieser Erkenntnis die erste funktionierende Zeitmaschine bauen.

Als er seinen Vater verlor, war Ronald L. Mallett gerade zehn. Boyd Mallett, Fernsehtechniker von Beruf, starb im Alter von 33 Jahren an einem Herzinfarkt, weil er exzessiv geraucht und zu viel Alkohol getrunken hatte. Das für seinen Sohn traumatische Ereignis geschah 1955. Bald darauf las Ronald Mallett den Roman „ Die Zeitmaschine“ von Herbert George Wells. „Das war faszinierend für mich“, erinnert er sich. „Ich dachte: Wäre ich in der Lage, in die Vergangenheit zu reisen und mit meinem Vater zu sprechen, könnte ich ihn warnen und so vor dem Tod bewahren. Das wurde eine Art Leitgedanke für mich.“ Aber er behielt diese Idee jahrzehntelang für sich. „Ich wollte als Physiker ernst genommen werden und nicht als Knallkopf erscheinen.“

Nachdem er an der Penn State University Physik studiert und 1973 promoviert hatte, arbeitete Mallett im Forschungslabor der Firma United Technologies an der Herstellung von Lasern und wechselte dann an die University of Connecticut, wo er seit 1975 als Theoretischer Physiker forscht und lehrt. Doch es vergingen noch viele Jahre, bis er auf die Idee kam, wie sich die womöglich erste in Theorie und Praxis funktionierende Zeitmaschine bauen ließe. Sie benötigt weder exotische Materie noch unrealistische Energiebeträge, sondern bestünde im Wesentlichen aus Licht. Genauer: aus einem Zylinder, gebildet von kreisenden Laserstrahlen.

„Statt mit massereichen Objekten zu hantieren, wo man die Trägheitskräfte fürchten muss, kam ich auf die Idee, es mit zirkulierendem Licht zu versuchen“, erläutert Mallett. „In Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie können sowohl Materie als auch Energie ein Gravitationsfeld erzeugen. Dies bedeutet, dass die Energie eines Lichtstrahls Schwerkraft hervorbringen kann.“ Überlegungen dazu hatte der renommierte amerikanische Wissenschaftler Richard C. Tolman schon 1934 veröffentlicht.

Materie beeinflusst Raum und Zeit umso stärker, je größer ihre Masse und Dichte oder je höher ihre Geschwindigkeit ist. Im Extremfall lässt sich die Zeit zu einem Ring krümmen. Folgt man einer solchen Zeitschleife, kann man zu früheren Momenten gelangen – ähnlich wie man bei einem Spaziergang um sein Haus wieder zur Eingangstür zurückkommt.

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Mallett zufolge müsste sich das auch mit Hilfe von Strahlung bewerkstelligen lassen. „Ich entdeckte, dass sich die Zeit – wie der Raum auch – durch zirkulierende Lichtstrahlen verdrehen lässt. Raum und Zeit können sogar ihre Rollen tauschen. Im Inneren des Lichtstrahls läuft die Zeit im Kreis, was von außen betrachtet so aussieht, als würde sie zu einer räumlichen Dimension. Wenn sich eine Person in dieselbe Richtung wie das Laserlicht bewegt, geht sie tatsächlich in der Zeit rückwärts – gemessen von außen. Und wenn sie den Zylinder verlässt, kann sie sich selbst begegnen.“ Eine Bewegung entgegengesetzt zum Laserlicht würde den Reisenden allerdings nicht in die ferne Zukunft eines externen Beobachters befördern. „Hierzu müsste man sich auf der Zeitschleife mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen“, sagt Mallett. „Mit der Zeitschleife kann man also nur in eine Zeitrichtung gelangen – nämlich in die Vergangenheit eines äußeren Beobachters.“ Je langsamer sich das Licht in der Zeitmaschine bewegt, desto stärker wird Mallett zufolge die Raumzeit-Verzerrung. Obwohl es gegen unsere Intuition verstößt: Licht gewinnt Trägheit, während es abgebremst wird. „Eine Erhöhung seiner Trägheit erhöht seine Energie, und das verstärkt den Effekt.“

Dass Licht abgebremst werden kann, mag sich verrückt anhören, ist seine Geschwindigkeit doch gemäß Einsteins Spezieller Relativitätstheorie eine unverrückbare Naturkonstante. Aber das gilt nur fürs Vakuum. Anders ist es, wenn Licht durch Materie läuft. Tatsächlich lässt es sich auf wenige Meter pro Sekunde abbremsen und sogar ganz zum Stillstand bringen, hat Michael Fleischhauer von der Universität Kaiserslautern vorausgesagt. Das ist keine Science-Fiction, sondern experimentell erwiesen. Lene Vestergaard Hau von der Harvard University berichtete 1999, einen Lichtstrahl auf 61 Kilometer pro Stunde abgebremst zu haben – er war also kaum schneller, als es die Polizei innerorts erlaubt. Im Jahr 2001 beschrieb die dänische Physikerin, wie sie Licht sogar völlig zum Stillstand gebracht hatte.

Lene Vestergaard verwendete bei ihren Versuchen Natrium-Atome, die auf ein Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt (minus 273,15 Grad Celsius) gekühlt wurden, und bestrahlte sie mit einem Laser. Normalerweise absorbieren die Atome dieses Licht, weil sie davon angeregt werden. Um das zu verhindern, wurde das Gas mit einem zweiten Laserstrahl geringfügig höherer Frequenz beschossen, wodurch das Gas für den ersten durchsichtig wurde. Schaltet man den zweiten Laserstrahl aus, wird das Gas undurchsichtig und der erste Strahl wird schlagartig gestoppt. Er kann aber erneut sichtbar gemacht werden, wenn der zweite Laser wieder eingeschaltet wird. Mit dieser so genannten elektromagnetisch induzierten Transparenz gelangen Ronald Walsworth und Mikhail Lukin vom Harvard-Smithsonian Center für Astrophysik in Cambridge ebenfalls 2001 das Kunststück des Lichtstillstands in einem Gas aus Rubidium-Atomen.

Die Experimente zeigen, dass Malletts Überlegungen durchaus in die Realität umzusetzen sind. Ein Ringlaser lässt sich mit Hilfe von Spiegeln arrangieren, wobei der erste das Licht von hinten durchlässt. Es wird dann über mehrere Spiegel im Kreis (genauer: um mehrere Ecken) gelenkt, kommt am ersten Spiegel wieder an und wird von diesem (durch Reflexion) in die nächste Runde geschickt. Um die für die Schwerkrafterzeugung erforderliche Energiedichte zu erhalten, bedarf es freilich vieler weiterer Tricks, insbesondere der Lichtabbremsung. Vielleicht lässt sich dabei das Bose-Einstein-Kondensat nutzbar machen, in dem die Atome fast auf den absoluten Nullpunkt abgekühlt sind und quasi im Gleichtakt schwingen.

Auch an photonischen Kristallen wird gegenwärtig intensiv geforscht. Diese „Halbleiter für Licht“ können Licht speichern, biegen und ebenfalls verlangsamen. Photonische Kristalle – 1987 von Eli Yablonovitch an den Bell Labs in Holmdel, New Jersey, und unabhängig von Sajeev John an der University of Toronto erdacht – sind bereits hergestellt worden. Sie ähneln in ihrer inneren Struktur den Opalen.

Mallett verfolgt diese Entwicklungen aufmerksam. „Meine Voraussage lautet: Im schwachen Gravitationsfeld eines Ringlasers wird ein rotierendes neutrales Teilchen vom Schwerefeld herumgezogen, wenn man es in der Mitte des Rings platziert.“ Das lässt sich überprüfen, etwa mit Messungen des Spins eines Neutrons: Der Drehimpuls des Partikels würde sich im Wirbel der Raumzeit verändern. Oder man bringt radioaktive Atome in den Ringlaser und bestimmt die Zerfallszeiten. Sie müssten sich unterscheiden, je nachdem, ob sich die Atome in die Richtung des Laserstrahls bewegen oder entgegengesetzt.

Richtig spannend wird jedoch erst der Fall eines hinreichend starken Gravitationsfelds des zirkulierenden Lichtzylinders: Einsteins Feldgleichungen sagen hier geschlossene zeitartige Kurven voraus, so ergaben Malletts Berechnungen. Ein solcher rotierender Lichtzylinder wäre eine Zeitmaschine, in der man Dinge in die Vergangenheit schicken könnte – vielleicht sogar eines Tages Menschen. Doch schon einfachere Experimente könnten zu einer Sensation führen. „Nett wäre es, wenn man im Lichtzylinder ein zweites Neutron fände, das man nicht hineingebracht hat. Es könnte dasselbe Neutron sein, das sich aus der Zukunft besucht.“

Einstweilen bleiben viele Forscher freilich reserviert. „Ich weiß nicht, ob Licht die Schwerkraft auf diese Weise beeinflussen kann. Ich bin sehr skeptisch“, sagt Robert Ehrlich von der George Mason University. „Das ist nicht Ron Malletts Theorie der Materie, sondern Albert Einsteins Relativitätstheorie“, entgegnet Mallett. „Ich erfinde nichts außerhalb der bekannten Gesetze der Physik.“

Shafiqur Rahman vom Allegheny College in Meadville, Pennsylvania, ist ebenfalls skeptisch. Solange es keine überprüfte Theorie der Quantengravitation gäbe, ließen sich zerstörerische Quanteneffekte nicht ausschließen, die den Gültigkeitsbereich der Relativitätstheorie einschränken.

Eine ernüchternde Studie haben Ken D. Olum und Allen Everett von der Tufts University veröffentlicht: Entgegen Malletts Annahme steckt entlang der Achse in dem Lichtzylinder eine Singularität, die auch beim Abschalten der Zeitmaschine bestehen bleibt. „Das Licht zirkuliert um diese Singularität, die photonischen Kristalle sind dafür gar nicht nötig.“

Außerdem sei für realistische Laserstrahlen – in der Größenordnung von einem Kilowatt – die Zeitreiseregion „so fantastisch weit“ von der Maschine entfernt, „dass sie nicht einmal sinnvoll mit dem Radius des beobachtbaren Universums verglichen werden kann“, die Forscher schätzen das 1010 fache des Lichtzylinder-Halbmessers. Wenn sich das nicht vermeiden lässt, würde die Lebenszeit des Zeitreisenden nicht ausreichen für seinen temporalen Trip. Mallett zufolge beruht diese Kritik jedoch auf irrtümlichen Annahmen. Er tüftelt jedenfalls bereits an Methoden des experimentellen Nachweises.

Ein anderer Physiker, Stanley Deser von der Brandeis University in Waltham, Massachusetts, sieht die Probleme dagegen nicht in der Theorie, sondern in der praktischen Umsetzung. So müssten sich potenzielle Zeitreisende warm anziehen, wenn die Ringlaser-Zeitmaschine sich wirklich nur bei Temperaturen nahe des absoluten Nullpunkts betreiben ließe.

„Es ist eine technische Herausforderung. Ich sage nicht, dass sie leicht ist. Aber wir sprechen hier nicht über exotische Technologien – wie Wurmlöcher durch den Raum zu bohren“, betont Mallett. „Wenn es einmal gelingt, selbst auf die primitivste mögliche Weise, werden die technischen Schwierigkeiten irgendwann überwunden sein. Es ist dann bloß noch ein Problem für Ingenieure. Als die Gebrüder Wright das Flugzeug erfanden, flogen sie zunächst auch nur ein paar Dutzend Meter weit. Aber Mitte des 20. Jahrhunderts hatten wir schon Jet-Passagierflugzeuge. Ich glaube ehrlich daran, dass dieses Jahrhundert das der Zeitreisen sein wird.“ Obwohl Malletts Entdeckung das Universum verändern könnte, wird sie seinen Kindheitstraum nicht verwirklichen. „Eine Person kann nur bis zu dem Zeitpunkt zurückreisen, an dem die Maschine angeschaltet wurde“, räumt der Physiker ein. Das mag auch erklären, warum wir nicht längst von Besuchern aus der Zukunft überrannt werden.

Seinen Vater könnte Ronald Mallett also nicht retten. Trotzdem würde Boyd Mallett in gewissem Sinn weiterleben – in der Erinnerung. Denn sein Name würde mit der Geschichte und Motivation der Konstruktion der ersten Ringlaser-Zeitmaschine verknüpft bleiben. „So schließt sich der Kreis“, meint Mallett und grinst über die Doppeldeutigkeit. „Das ist doch eine hübsche Story.“ ■

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