Hinter das Licht führen
Licht aus – Film ab. Nicht so bei dem Dokumentarfilm ›TRACING LIGHT – die Magie des Lichts‹, den der Filmemacher Thomas Riedelsheimer unter anderem am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts gedreht hat. Hier schlüpft Licht in die Hauptrolle und nimmt den Zuschauer mit in seine komplexe Welt, in der sich Raum und Zeit, Hochtechnologie und Natur, Wissen und Schönheit auf Augenhöhe begegnen. Über zwei Jahre sammelte der Regisseur Beobachtungen und Eindrücke, wie sich Wissenschaft und Kunst mit Licht befassen. Entstanden ist ein Film, der Licht in vielen seiner Facetten präsentiert.
Kickerspielen mit Laserlicht
Die Ausbreitung einer Lichtwelle im Raum kann man nicht direkt sehen. Die Energie solch einer Lichtwelle besteht aus kleinen Einheiten, den Photonen. Erst wenn ein Photon mit dem Auge wechselwirkt, macht es sich für den Menschen bemerkbar. Eine Erfahrung, die das Künstlerduo Brunner/Ritz beim gemeinsamen Laserkicker-Spiel im großzügigen Atrium des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) auch machte. An die Stelle des Fußballs, der sonst von kleinen Fußballern durch mechanische Kräfte in das Tor geschossen wird, tritt hier ein Laserstrahl. Dieser wird über kleine Spiegel weitergeleitet. Sobald er in das Tor eintritt, löst er ein akustisches Signal aus. Laserlicht – eine spezielle Form des Lichts – ist eines der wichtigsten Werkzeuge für die Wissenschaft am MPL, um die Grundlagen von Licht und seinen Wechselwirkungen mit der Materie zu erforschen.
Dr. Michael Frosz, Leiter der Technologieentwicklungs- und Serviceeinheit Faserherstellung und Glasstudio, bemüht einen Chor als bildlichen Vergleich, um den Unterschied zwischen einer harmonischen Welle des Laserlichts und Sonnenlicht zu veranschaulichen: „Die Sonne ist wie eine große Party von Menschen, auf der alle gleichzeitig reden, doch jeder spricht etwas anderes.“ Ein Laser sei mehr wie ein Chor, bei dem die Sänger und Sängerinnen angeregt werden, zum selben Zeitpunkt den gleichen Ton zu singen, der dadurch mächtig anschwelle.
Frosz‘ Team beschäftigt sich mit der Herstellung von Gläsern und neuartigen Spezialfasern, zum Beispiel photonischen Kristallfasern, die sich durch ihre außerordentlichen optischen Eigenschaften auszeichnen. Feine und höchstpräzise konzipierte Mikrostrukturen im Glas lenken das Licht entlang der hochspezifischen Lichtleiter. Damit möchten die Wissenschaftler*innen einerseits das Verständnis von Licht und seinen Wechselwirkungen mit der Materie vorantreiben. Darüber hinaus haben ihre Erkenntnisse das Potenzial, den industriellen Fortschritt bei neuartigen Lasern, der Kommunikationstechnologie, der Sensorik und der Medizintechnik zu revolutionieren.
Wie das Tor fällt, können die Spieler*innen am Laserkicker nicht sehen – und das liegt nicht nur daran, dass Licht mit einer Geschwindigkeit von 300.000 Kilometern pro Sekunde von den Sehzellen im Auge nicht erfasst werden kann. „Das, was wir sehen, ist eigentlich verloren“, erläutert Prof. Birgit Stiller. „Dadurch, dass das Licht in unser Auge eintritt, ist es bereits nicht mehr im Spiel.“ Der Laserstrahl wird durch Lichtbrechung von einem Spiegel zum nächsten reflektiert, wobei der Austrittswinkel gleich dem Eintrittswinkel ist. Da Spiegeloberflächen allerdings nicht perfekt gefertigt sind, wird der Laserstrahl teils zur Seite gestreut und dieser Teil dieses Lichts fällt auf die Rezeptoren der Netzhaut im Auge. „Lichtwellen sind überall im Raum gleichzeitig, man kann sie nicht festhalten“, versucht Del’Haye die Eigenschaften von Licht als elektromagnetischen Welle zu erläutern. Dabei setzt er mit seiner Forschungsgruppe ›Mikrophotonik‹ genau bei dieser Herausforderung an.
Kann man Licht einfangen?
Das Ziel der ›Integrierten Photonik‹ ist es, Schaltkreise für Licht auf Computerchips zu bringen. Licht wird über Wellenleiter in Ringresonatoren gekoppelt, deren Durchmesser geringer ist als der eines Haares. Sie wirken wie Lichtfallen: Licht absolviert mehrere Millionen Umläufe in den Ringresonatoren und wird quasi temporär gespeichert. Dabei zirkulieren Lichtleistungen von bis zu einem Megawatt im Resonator – die gespeicherte Energie würde ausreichen würde, um zehn Fußballstadien zumindest für einige Mikrosekunden zu erleuchten. In den Dimensionen von Licht ist das eine sehr lange Zeitspanne. Sein grundlegender Erkenntnisgewinn soll den Weg für neue Anwendungen für optische Sensoren, Quantentechnologien und optische Informationsverarbeitung eröffnen. Photonische Chips sind eine rasant wachsende Zukunftstechnologie, die auf dem Erfolg der elektronischen Computerchips aufbaut.
Licht, Raum und Zeit stehen miteinander in Zusammenhang. Da Zeit je nach Gravitation unterschiedlich schnell vergeht, kann man mit diesen Uhren auch Höhenunterschiede im Gravitationsfeld der Erde messen. Das kennt man vielleicht auch aus dem Film ›Interstellar‹, in dem die Zeit in der Nähe eines schwarzen Lochs langsamer vergeht. Mit den genauesten optischen Uhren sind bereits Höhenunterschiede von einem Zentimeter detektierbar. „Durch die Ausbreitung von Licht, verstehen wir erst den Raum und die Zeit“, so der Physiker.
Schall und Licht im Wechselspiel
Birgit Stiller wiederum ist eine Grenzgängerin verschiedener Disziplinen – sie erweitert die Welt des Lichts um die des Schalls. Die Experimentalphysikerin jongliert mit den beiden sehr unterschiedlichen Wellenarten. Lichtwellen sind beispielsweise um den Faktor 100.000 schneller als Schallwellen und benötigen, im Gegensatz zum Schall, keine Materie, um sich im Raum auszubreiten. Stillers Team erzeugt Schallwellen, konkret Hyperschallwellen, durch Licht und verändert Lichtwellen durch die Interaktion mit Schall. Die Unterschiede der beiden Wellenarten in Bezug auf Frequenz, Geschwindigkeit oder beispielsweise Verlustleistung macht sich das Team der Physikerin zunutze, um optische Signale ohne Elektronik zu kontrollieren und Informationen temporär zwischenzuspeichern. Ihre Grundlagenforschung in der Quantensignalmanipulation und optischen neuronalen Netzen liefert völlig neue Ansätze für energieeffiziente Architekturen für künstliche Intelligenz oder für Anwendungen im Bereich der sicheren Quantenkommunikation.
Die Wissenschaftler*innen am MPL decken ein breites Forschungsspektrum zur Physik des Lichts ab. Die Grundvoraussetzung für ihre Forschungsarbeit basiert auf dem urtümlichen Verhalten von Licht, lineare und nichtlineare Eigenschaften gleichzeitig zu vereinen. Einerseits scheint sich Licht an einem makroskopischen Doppelspalt wie eine Menge von Teilchen zu verhalten, die die Spalten passieren und ein entsprechendes Schattenmuster auf einen Detektor werfen. Wechselt man jedoch zu genügend kleinen Abmessungen, offenbart sich der Wellencharakter des Lichts in Form eines spezifischem Interferenzmusters, das sich von einem Schattenmuster deutlich unterscheidet. Wenn man nun noch den Lichtstrahl soweit abschwächt, dass sich nur wenige der sehr kleinen Energiepakete, der sogenannten Photonen, auf dem Weg zur Detektor-Kamera befinden, dann werden nur hier und da vereinzelt Kamerapixel ansprechen. Dies vermittelt den Eindruck, dass Licht aus Teilchen, also aus einzelnen Quanten, bestünde. Registriert man allerdings viele dieser Ereignisse, erhält man wiederum das Wellenmuster.
„Jeder glaubt zu wissen, was Licht ist“, sagt der Quantenphysiker Prof. Daniele Faccio, der an der Universität Glasgow forscht. „Aber dann gräbt man ein bisschen tiefer und merkt, dass man keine Ahnung hat.“ Möchte man beispielsweise wissen, welchen der beiden Spalte das Licht passiert hat, und Informationen wie Form, Amplitude oder Phase der Lichtwelle messen, wird der Experimentator unweigerlich Teil der Versuchsanordnung und verändert dadurch den Zustand der Welle. Es ist also nur möglich, eine einzige Information aus einer Versuchsdurchführung zu gewinnen; in einer zweiten Messung findet er einen völlig veränderten Zustand der Welle wieder. Die Informationen über alle weiteren Eigenschaften der Welle sind unwiederbringlich verloren. „Die genauere Beobachtung selbst modifiziert also die Natur des Lichts“, resümiert Faccio, „und die Art und Weise, wie es sich verhält. Das Licht bemerkt, dass es beobachtet wird, und verwandelt sich. Und das ist wirklich mysteriös.“ In der Quantenmechanik ist nicht vorhersehbar, was genau in einem Experiment als nächstes gemessen wird. Nur durch das Präparieren des immer wieder selben Versuchsaufbaus und in tausendfacher Wiederholung der Messungen entsteht letztendlich ein Bild des Naturphänomens Licht – und dieses gemittelte Bild ist wissenschaftlich vorhersagbar.
Den Photonen auf den Fersen
Gemeinsam bemühen sich die Protagonist*innen mit unterschiedlicher Herangehensweise die Verantwortlichkeiten umzudrehen: Nicht mit Licht sichtbar machen, sondern die Eigenschaften des Lichts selbst werden beleuchtet. Getrieben von der Suche nach Antworten, was Licht überhaupt ist. „Um ehrlich zu sein, ist doch das Spannendste, wenn man an die Grenze kommt. Da, wo die Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut sagen ‘An der Stelle, wissen wir selber nicht ganz genau, wie es sich verhält, aber wir haben eine Theorie, wie es sein könnte’“, sagt der Künstler Johannes Brunner. Und trifft damit den Kern der Grundlagenforschung am Erlanger Institut. Die Physik versucht die Verhältnismäßigkeiten der Natur des Lichts auf möglichst wenige grundlegende Gesetze herunterzubrechen – die der Physiker Naturgesetze nennt – es mit diesen Gesetzen zu erläutern und auf Basis dieser Gesetze Vorhersagen zu treffen. Eine grundlegende Gesetzmäßigkeit ist durch die Beobachtung in mikroskopisch kleinen räumlichen Dimensionen hinzugekommen, die auch für Licht gilt. Dabei geht es um den quantenphysikalischen Messprozess: Bei einer Messung passiert eine Projektion auf nur einen von mehreren möglichen Werten, was nach Heisenberg dann auch zur Unschärfe von Messwerten in der Quantenphysik führt. Auch in diesem Zusammenhang bleibt die Frage nach der Essenz des Lichts weiterhin Gegenstand der Forschung.
