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News: Informatives Tempolimit

Es ist längst keine Science-Fiction mehr: Lichtpulse lassen sich auf trickreiche Art und Weise vollständig abbremsen oder auf Geschwindigkeiten jenseits der sprichwörtlichen Lichtgeschwindigkeit beschleunigen. Doch was bedeutet das für die Übertragung von Informationen?
Wolfgang Amadeus Mozart hätte es vermutlich gefallen. Denn schließlich galt der Musikus zu seiner Zeit gewissermaßen als Rebell, und sich gegen althergebrachte Meinungen aufzulehnen, lag ihm im Blut. Dass ausgerechnet seine Sinfonie Nummer 40 in g-moll (KV 550) Anfang der neunziger Jahre fast eine der anerkanntesten physikalischen Theorien gefährdet hatte, passt da ins Bild.

Vielleicht hat der Kölner Physiker Günter Nimtz just aus diesem Grund das Stück dazu auserkoren, in einem Experiment zu beweisen, dass sich Informationen schneller als das Licht im Vakuum übertragen lassen – ein Ding der Unmöglichkeit, schenkt man Einsteins Spezieller Relativitätstheorie Glauben. Und tatsächlich: Das Experiment war zunächst einmal verblüffend erfolgreich, denn ganz offensichtlich waren die Mikrowellen, die Nimtz durch einen engen Hohlleiter schickte, schneller als das Licht. Das bewies zumindest der Vergleich mit einem Referenzsignal. Auch Informationen schienen sich auf diese Weise übertragen zu lassen, denn aus einem Lautsprecher im Labor ertönte etwas quäkend, doch unverkennbar Mozarts Melodie – übertragen durch tunnelnde Mikrowellen.

Doch Nimtz Entdeckung hatte nicht lange Bestand. Zwar brachte ein Teil der Mikrowellen tatsächlich den dünnen Hohlleiter überlichtschnell hinter sich. Mit diesem Teil, so Theoretiker, ließe sich jedoch keine Information übertragen. Mozarts Sinfonie sei also maximal mit Lichtgeschwindigkeit übertragen worden, so die weitgehend vorherrschende Meinung von Nimtz' Kollegen.

Seit dem Kölner Tunnelexperiment haben Physiker mancherlei Möglichkeit gefunden, in besonders arrangierten Systemen Licht schneller als im Vakuum strahlen zu lassen, und immer wieder wurde dabei auch überlichtschneller Informationsaustausch diskutiert. Nun wollen ausnahmsweise mal Experimentalphysiker, die ansonsten die Theoretiker zum Schwitzen brachten, der Diskussion ein Ende bereiten.

Michael Stenner und Daniel Gauthier von der Duke University sowie ihr Kollege Mark Neilfeld von der University of Arizona in Tucson haben sich ein Experiment ausgedacht, mit dem sich Einsteins Annahme, dass keine Information schneller als Licht übertragen werden kann, überprüfen lässt. Dazu schickten sie Lichtpulse durch ein Medium, in dem zumindest überlichtschnelle Lichtausbreitung möglich ist. Der Effekt kommt dadurch zustande, dass sich das Signal bei dem Durchgang durch das Medium verformt und so der Schwerpunkt oder das Maximum des Pulses etwas in Ausbreitungsrichtung verschoben wird. Betrachtet man nur diesen Schwerpunkt, so bewegt sich dieser tatsächlich schneller als mit Vakuumlichtgeschwindigkeit.

Nun reicht so ein Puls allein – im einfachsten Fall eine klassische Gauß'sche Glockenkurve, wie sie vielleicht noch von den alten 10-Mark-Scheinen bekannt ist – nicht aus, um ein Signal zu übertragen. Neifeld erklärt, dass es sich hierbei um ein analytisches Signal handelt, das heißt, ein Blick auf einen Ausschnitt erlaubt eine Vorhersage über den Rest. Und das sei ziemlich unbrauchbar, um Informationen zu übertragen.

Tatsächlich braucht es einen Sprung im Lichtpuls – oder etwas mathematischer ausgedrückt: eine Unstetigkeit –, um Informationen zu codieren. Das gelang den Wissenschaftlern, indem sie das Gaußsignal etwas modifizierten: So erhöhten beziehungsweise erniedrigten sie einfach die Amplitude in der Nähe des Scheitelpunkts der Kurve. Je nach Veränderung ließ sich auf diese Weise entweder eine "1" oder eine "0" darstellen.

Um nun die Übertragungszeit des Signals zu messen, bestimmten die Forscher am Empfänger fortwährend die Fehlerquote, mit der dieser ein etwaiges Signal erkannte. Eine Bit-Fehler-Rate von 1/2 ist dabei gleichbedeutend mit keiner Information, denn für den Empfänger könnte das eintreffende Signal genauso gut eine "1" wie eine "0" sein. Erst wenn die Fehlerquote deutlich unter 1/2 sinkt, können die Physiker guten Gewissens von einer eingetroffenen Information sprechen.

Das Ergebnis des Experiments: Keine Gefahr für Einsteins Theorie. Denn es zeigte sich, dass trotz einiger vorwitziger Ausläufer der modifizierten Gaußkurve das eigentliche Signal erst später eintraf – sogar etwas langsamer als Licht im Vakuum. Dabei entsprach der Verlauf der Fehlerrate des Signalempfängers sehr gut einer theoretisch modellierten Kurve auf Basis der Maxwellschen Gleichungen. Diese Gleichungen beschreiben, wie sich elektromagnetische Wellen – also auch Licht – ausbreiten.

Damit können die meisten Physiker aufatmen. Denn ließen sich Informationen überlichtschnell übertragen, dann wäre die Kausalität verletzt. Und dabei handelt es sich immerhin um eines der grundlegenden Konzepte der Physik. Es besagt, dass in der Natur nichts ohne Grund passiert. So gibt es zu jedem Ereignis eine Ursache. Oder anders ausgedrückt: Ein Melodie kann nicht aus einem Lautsprecher ertönen, bevor dieser mit dem entsprechend Signal gefüttert wurde – das gilt spätestens jetzt auch für Mozart.

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