Physik : Im Tunnel durchs Doppelprisma

Damit hat Einstein nicht gerechnet: Deutsche Physiker beobachten Photonen an Orten, an denen sie eigentlich nicht sein dürften, da unüberwindbare Barrieren ihren Weg versperrten. Doch unüberwindbar ist für Photonen nichts.

Deutsche Physiker haben Photonen beobachtet, die in Überlichtgeschwindigkeit eine eigentlich unüberwindbare Barriere durchquerten. Die Teilchen verhalten sich damit im Widerspruch zu Einsteins Spezieller Relativitätstheorie. Die Forscher sehen dieses bizarre Verhalten jedoch gelassen: Nicht die ursprünglichen Photonen selbst, sondern virtuelle Teilchen durchquerten die Barriere und verwandelten sich danach wieder in reale Photonen. So interpretieren Günter Nimtz (Universität Köln) und Alfons Stahlhofen (Universität Koblenz) den Versuch, der in der Online-Bibliothek der Universität Cornell im US-Bundesstaat New York veröffentlicht wurde.

In ihren Experimenten schickten die Forscher Photonen durch ein Doppelprisma. Ein solches Prisma besteht aus einem Würfel aus Acrylglas, der in der Diagonale so aufgeschnitten ist, dass zwei Türmchen mit dreieckiger Grundfläche entstehen. Solange die beiden Hälften des Prismas sich berühren, gehen rechtwinklig zur Oberfläche einfallende Photonen geradewegs durch. Werden hingegen die beiden Hälften einige Zentimeter voneinander getrennt, wird der größte Teil der einfallenden Photonen am entstehenden Übergang vom Glas zur Luft reflektiert und abgelenkt. Ein kleiner Teil überspringt jedoch die Barriere aus Luft und setzt seinen Weg im gegenüberliegenden, zweiten Teil des Prismas fort.

Bei dieser Durchquerung einer eigentlich unüberwindlichen Barriere sprechen Physiker vom Tunneleffekt – ein Verhalten, das auf der Heisenberg’schen Unschärferelation beruht, einer der fundamentalen Formeln der modernen Physik. Diese besagt, dass Impuls und Ort eines Teilchens niemals gleichzeitig genau bestimmbar sind, und spielt in vielen physikalischen Prozessen wie beispielsweise beim radioaktiven Zerfall eine Rolle.

Aus dieser Unschärfe folgt, dass Teilchen manchmal einen Ort erreichen, an den sie aufgrund ihres energetischen Zustandes eigentlich gar nicht gelangen könnten – als seien sie auf geisterhafte Weise durch einen Energieberg dorthin „getunnelt“, wie Physiker sagen.

Die Physiker stellten in ihren Messungen nun fest, dass die getunnelten Photonen gleichzeitig mit den reflektierten den äußeren Rand der Prismen erreichten, obwohl sie noch die mehrere Zentimeter breite Barriere zu durchqueren hatten. Sie müssen demnach die getunnelte Strecke ohne Zeitverlust zurückgelegt haben. Die Photonen waren daher insgesamt schneller als die Lichtgeschwindigkeit.

Die Forscher erklären dies mit dem Austausch imaginärer Teilchen: Zu Beginn der Barriere verwandeln sich Photonen in virtuelle Teilchen, durchtunneln als solche die Barriere und setzen nach dem Ende der Barriere als reale Photonen wieder ihren Weg fort. Solche virtuellen Teilchen haben sich als Erklärungsmodelle bei zahlreichen quantenphysikalischen Effekten längst bewährt. Neu ist, dass sie auch bei Effekten eine Rolle spielen können, die sich in Dimensionen von bis zu einem Meter abspielen, erklären die Forscher. ddp

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