Im Spiegelland ist alles anders

News: Im Spiegelland ist alles anders

Wenn zwei Leute in einem Fahrstuhl stehen, drei weitere steigen ein, dafür gehen aber sechs raus - wie viele Personen befinden sich dann noch in dem Fahrstuhl? Ein blöder Witz, meinen Sie? Gut, aber was passiert, wenn bei einem Material die elektrische Permittivität und die magnetische Permeabilität negative statt positive Werte annehmen? Gibt's nicht? Oh doch! Aus ganz gewöhnlichen Kupferdrähten und -ringen haben Wissenschaftler einen Verbundstoff geschaffen, der die physikalische Welt auf den Kopf stellt: Der Doppler-Effekt wirkt anders herum, so dass Frequenzen höher werden, wenn die Schwingungsquelle sich entfernt, Scheiben aus dem Material streuen Licht nicht, sondern bündeln es und Linsen machen genau das Gegenteil von dem, was sie 'eigentlich' tun sollten.

Theorien sind dazu da, die Welt um uns herum zu beschreiben. Gute Theorien zeichnen sich dadurch aus, dass sie zum einen überprüfbare Vorhersagen machen über Experimente, die noch nie jemand durchgeführt hat, und außerdem benötigen sie nur wenige Parameter. Diese Größen sollten möglichst grundlegend und allgemein sein – ideal sind die so genannten Naturkonstanten. Eine der erfolgreichsten und anerkanntesten Theorien beschreibt mit den Maxwell-Gleichungen die Welt der Elektrodynamik. Alles, was sich mit elektrischen Ladungen, magnetischen Feldern oder elektromagnetischen Wellen wie zum Beispiel Licht anstellen lässt, kann man mit Hilfe der Formeln erklären und schon vor dem eigentlichen Versuch dessen Ergebnis berechnen.

In den Maxwell-Gleichungen treten zwei Parameter auf, die beschreiben, wie elektrische und magnetische Felder von einem Material beeinflusst werden: zum einen die Dielektrizitätskonstante oder elektrische Permittivität, zum anderen die magnetische Permeabilität. Beide nehmen für gewöhnlich positive Werte an, die Gleichungen lassen sich jedoch auch mit negativen Größen rechnen. Allerdings hatte bislang noch niemand ein Material herstellen können, in dem diese Parameter wirklich negative Werte angenommen hatte.

Am 21. März 2000 traten dann Sheldon Schultz und David R. Smith von der University of California in San Diego auf einem Treffen der American Physical Society an die Öffentlichkeit. Sie berichteten, aus dünnen Kupferringen und gewöhnlichem Kupferdraht, den sie parallel zu den Ringen gewickelt hatten, eine Art "Metamaterial" hergestellt zu haben, das "eine effektive magnetische Reaktion auf Mikrowellen zeigt, die niemals zuvor demonstriert wurde", so Schultz.

Grund dafür ist nach seiner Ansicht eine negative elektrische Permittivität und magnetische Permeabilität des Materials. Dadurch dreht sich die "rechte Hand"-Regel um, mit deren Hilfe sich die Wechselwirkung von elektrischen und magnetischen Feldern veranschaulichen lässt. Dementsprechend bezeichnen die Forscher ihr Material als "linkshändig".

So ein Stoff verhält sich ganz anders, als die physikalische Intuition es erwarten lässt. Treffen zum Beispiel elektromagnetische Wellen auf eine Scheibe aus diesem Material, werden sie nicht etwa gestreut, sondern stattdessen fokussiert. Nähert sich eine Lichtquelle in diesem Stoff einem Detektor, so erscheint die Frequenz dabei erniedrigt und erhöht sich, sobald die Quelle sich entfernt – ein umgekehrter Dopplereffekt.

Der neue Verbundstoff von Schultz und Smith zeigt dieses seltsame Verhalten jedoch nur bei Mikrowellen im Bereich von vier bis sieben Gigahertz. Dennoch könnte damit die Tür zu einer neuen Teildisziplin der Physik geöffnet sein. In einer der kommenden Ausgaben der Physical Review Letters wollen die Wissenschaftler ihre Ergebnisse vorstellen. Aber wer weiß, ob nicht auch dabei alles anders abläuft, als wir es gewohnt sind.

Siehe auch

Spektrum Brennpunkt-Thema vom 6.5.1999
"Eine variable Konstante?"

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