Physik

Am Anfang war das Licht

Die dünne Membran einer Seifenblase macht das Phänomen des verzweigten Lichts sichtbar. Foto: Technion

Ein wenig erinnern die Aufnahmen an psychedelische Bilder, gemalt von Hippies auf einem LSD-Trip: Bunte Kreise in verschiedensten Farben und Formen, die alle in Bewegung zu sein scheinen. Hinzu kommen filigrane grüngelbe oder blaue Linien, die sich langsam ausfransen und mäandern.

Existenz Doch diesmal waren keine Drogen im Spiel. Denn die spektakulären Bilder stammen von seriösen Wissenschaftlern des Technion in Haifa. Dort ist es einem Forscherteam um den Physiker Moti Segev zum ersten Mal gelungen, einen physikalischen Vorgang für das menschliche Auge sichtbar zu machen, dessen Existenz unter der Bezeichnung »branched light« – zu Deutsch so viel wie »sich verzweigendes Licht« – seit 2001 bekannt ist.

Mit ihrer eher zufälligen Entdeckung, wie sie immer wieder hervorheben, schafften es die Israelis sogar auf die aktuelle Titelseite des renommierten Fachblatts »Nature«.

BLASEN »Es gibt wohl kaum Spannenderes, als etwas Neues zu entdecken«, erklärte Technion-Präsident Uri Sivan. »Wir reden von der ersten bildlichen Darstellung dieses von Lichtwellen erzeugten Phänomens.« Und Anatoly Patsyk, ein an dem Projekt beteiligter Doktorand, bezeichnete es als »eine weitere Überraschung der Natur«.

Projektleiter Moti Segev selbst sagte gegenüber der »Times of Israel«, dass er zuerst überhaupt keine Ahnung hatte, was er da vor sich sah. »Wir leuchteten mit einem Laserstrahl in kleine Blasen aus einer seifenartigen Substanz und beobachteten dabei einen sehr hübsch anzuschauenden und merkwürdigen Prozess der Streuung, bei dem sich das Licht gleich mehrfach spaltete und verzweigte. Wie die Äste eines Baumes.«

Das Licht verzweigte sich wie bei den Ästen eines Baumes.

Eigentlich hatten die Wissenschaftler damit gerechnet, dass sich der Strahl des Lasers aufgrund der schwankenden und damit eher zufälligen Dicke der Seifenmembranen in viele ungeordnete Flecken aufspalten würde. Doch genau das geschah nicht. Stattdessen gab es reichlich schöne Bilder von sich windenden Lichtlinien, die an das Delta eines Flusses oder an Blitze am Himmel erinnern.

Warum das alles so geschah, darauf konnten sich die Spezialisten am Tech-nion zunächst keinen Reim machen. »Ich dachte, es handelt sich um einen Zufall«, so Segev. »Aber nach und nach konnten wir das Ganze enträtseln und feststellen, dass das alles im Zusammenhang mit dem sogenannten ›branched light‹ steht.«

WELLEN Denn wenn Wellenbewegungen durch Areale verlaufen, in denen sie auf Hindernisse oder sonstige störende Quellen stoßen, beginnen sie oft, sich in alle möglichen Richtungen zu zerstreuen. Das gilt für Licht- ebenso wie für Schall- und sogar Meereswellen.

Dabei handelt es sich um ein Phänomen, das vielerorts in der Natur zu finden ist. So sorgt beispielsweise die Streuung des Lichts dafür, dass uns der Himmel blau erscheint. Und wie man seit geraumer Zeit weiß, gibt es einen Zusammenhang zwischen der Dauer, in der diese Störungen auftreten, und der Wellenlänge selbst.

Stehen diese in einem gewissen Missverhältnis, so werden Verzweigungen von erhöhter Intensität erzeugt, die sich bei der Ausbreitung einer Welle immer weiter teilen und zerfasern.

Auf diese Weise lässt sich das Phänomen des »branched light« wohl am besten beschreiben. Aber wirklich beobachten konnte man es bis dato nur bei Elektronen. Jetzt aber konnten die Forscher in Haifa diese Verästelungen buchstäblich ans Licht bringen.

STRÖME Zum einen haben die Forscher inzwischen die ursprüngliche Frage geklärt, wie sich das Licht bei der Bewegung um Kurven herum verhält. Zum anderen sei aber die Streuung das weitaus spannendere Thema, wie Segev betont. »Nicht nur, weil wir in der Physik damit ein völlig neues Feld beschreiten.«

Seiner Einschätzung zufolge gibt es ein großes Potenzial auf dem Gebiet der medizinischen Diagnose. »Mit dem ›branched light‹ lassen sich unter anderem Blutgefäße und Venen viel genauer untersuchen als mit konventionellen Methoden.«

Blutgefäße könnten sich mit der Methode genauer untersuchen lassen.

Auch glaubt er, dass sich daraus Techniken ableiten lassen, mit deren Hilfe vielleicht eines Tages der Flüssigkeitsstrom im menschlichen Körper kontrolliert werden kann, wodurch Gesundheitsprobleme behoben werden könnten: Da die Moleküle in den Seifenmembranen Kraft auf das Licht ausübten, übt das Licht umgekehrt auch Kraft auf die Moleküle aus und bewegt sie leicht.

Verändert man nun die Intensität der Einstrahlung, glaubt Segev, dann sollte es auch möglich sein, diese Kraft mit der Zeit zu steuern. »Stellen Sie sich vor, sie können die Fließgeschwindigkeit einer Flüssigkeit bestimmen, indem Sie das Licht kontrollieren, das durch sie strömt.«

Membran Im Nachhinein scheint Segev fast schon amüsiert darüber zu sein, wie einfach es war, die verzweigten Strömungen zu beobachten. »Und zwar dadurch, dass wir das Licht über eine optische Faser in die Membran der Blase eingeleitet haben, also direkt in die seifige Substanz, aus der sie gebildet ist, und nicht bloß in die Luft im Inneren.«

Die einzige Schwierigkeit besteht darin, eine Blase so zu fixieren, dass sie nicht platzt. Auch Geräte, die faseroptisches Licht erzeugen, finden sich nicht unbedingt in jedem Haushalt. »Aber das Verfahren selbst ist so simpel, dass es sogar ein Schüler problemlos nachvollziehen könnte.«

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