Schneller als mit Lichtgeschwindigkeit

Hallo

Es geht um folgendes Experiment.

Schneller als mit Lichtgeschwindigkeit


Zwar weiß man schon länger, dass die Lichtgeschwindigkeit keine absolute Grenze ist, und zwei Mal wurde sie in Experimenten auch bereits überschritten. Jetzt aber haben Wissenschaftler vom NEC Research Institute in Princeton, New Jersey, angeblich einen Lichtpuls 300 Mal schneller als die Lichtgeschwindigkeit (300000 Kilometer in der Sekunde im Vakuum) fliegen lassen, wie sie in der neuesten Ausgabe von Nature berichten. Das Licht ließ sogar den Eindruck entstehen, als habe es die mit Cäsium-Gas gefüllte Kammer früher verlassen, als es in sie eingetreten ist.

Gleichwohl wird durch diesen Versuch nicht die Relativitätstheorie von Einstein widerlegt, dass keine Information schneller als die Lichtgeschwindigkeit reisen kann, denn der Lichtpuls wurde durch ein Gas aus kalten Cäsium-Atomen geschickt. In diesem Medium können sich Lichtpulse schneller als im Vakuum bewegen, da die Oszillationen der Atome mit dem Lichtpuls in bestimmter Weise wechselwirken, so dass sich die Geschwindigkeit der Lichtwellen erhöht. Der Grund, warum Lichtpulse schneller als Lichtgeschwindigkeit sein können, leitet sich daraus ab, dass sie mit zwei Geschwindigkeiten reisen. Ein Lichtpuls besteht aus mehreren Strahlen oder Wellen, die sich mit einer bestimmten Gruppengeschwindigkeit bewegen. Und diese kann unter bestimmten Umständen die Lichtgeschwindigkeit überschreiten, auch wenn die einzelnen Wellen nur in Lichtgeschwindigkeit reisen.

In dem Versuch der amerikanischen Wissenschaftler war die Geschwindigkeit des Lichtpulses nicht nur sehr viel größer als die Lichtgeschwindigkeit, sondern sie war auch negativ, so dass der Puls offenbar in die entgegengesetzte Richtung zu den Wellen reiste, von denen er getragen wurde. Deswegen schien der Puls auch paradoxerweise die Kammer eine 62 Milliardstel Sekunde früher zu verlassen, bevor er eingetreten ist. Gleichwohl wurde dadurch nicht das Kausalitätsprinzip verletzt oder etwa gezeigt, dass eine Reise zurück in die Vergangenheit möglich wäre. Auch wenn die Spitze des Pulses schneller als mit Lichtgeschwindigkeit flog, so konnte keine Information in dem Lichtpuls schneller reisen.

http://www.heise.de/newsticker/meldung/Schneller-als-mit-Lichtgeschwindigkeit-32271.html

Ich würde gerne wissen, warum bei der Interaktion mit der Oszillation der Cäsium Atome, das Licht schneller ist.

Kann ich mir das so vorstellen, wie bei den Wellen im Wasser, die sich gegenseitig auch verstärken oder abschwächen können oder liegt dort ein anderer Grund vor?

Hier wäre auch noch was interessantes dazu...



Lichtgeschwindigkeit: Schneller als Einstein erlaubt

Die Forscher verwendeten ein Gas aus Metall-Atomen, in diesem Falle Cäsium statt Natrium. Es gibt eine Resonanz zwischen den natürlichen Schwingungen der Cäsium-Atome und Licht einer bestimmten Frequenz: ein Lichtpaket mit einer Frequenz, die sehr nahe bei dieser Resonanzfrequenz liegt, wird beim Durchgang durch das Gas verstärkt. Das bedeutet auch, dass der Brechungsindex des Cäsium-Gases sehr außergewöhnlich ist und Lichtwellen beschleunigen kann.

Wie aber können diese Lichtwellen Einsteins Gesetze verletzen? Der kritische Punkt ist, dass sie sich als Wellenpaket fortbewegen, und zwar mit einem speziellen Mittelwert, den Physiker als "Gruppengeschwindigkeit" bezeichnen. Diese Geschwindigkeit kann "c" überschreiten, auch wenn keine einzelne Lichtwelle dies tut. Und zwar kann, wenn das Wellenpaket stark verzerrt ist.

Wangs Team vermied solche Effekte. Die Forscher brachten zwei Laserstrahlen auf den Weg, deren Frequenz sich ein klein wenig unterschied. Der Trick erlaubte es ihnen, den Brechungsindex des Cäsium-Gases ganz nach Wunsch abzustimmen und Verzerrungen zu unterdrücken. Die Forscher gingen so jeglichen Vorwürfen aus dem Wege, ihr Geschwindigkeitsrekord beruhe lediglich auf einer altbekannten Veränderung der Form des Wellenpakets. In der Tat ist die Gruppengeschwindigkeit bei ihnen nicht nur größer als "c", sondern negativ: Der Lichtpuls läuft in die entgegengesetze Richtung der Wellen, die ihn tragen. Daher erscheint es so, als verlasse er die Kammer 62 Milliardstel einer Sekunde eher, als er in sie eintritt.

http://www.tagesspiegel.de/weltspiegel/gesundheit/lichtgeschwindigkeit-schneller-als-einstein-erlaubt/154332.html

Ich würde mir das ganze nämlich gerne bildlich vorstellen. Also die Interaktion mit den Cäsium Atomen. Der Text darüber schreibt ja schon, das es mit der Resonanzfrequenz zu tun hat.

Und noch eine Frage warum sollte man damit keine Information übertragen können?

Es gibt doch den Morsecode? Also man morst einfach was mit dem Lichtpuls!?!


Zauberhafte Geschwindigkeiten aus der Retorte


Dramatisch muss eine Nachricht sein. Neue Weltrekorde sind gut. Gebrochene Tabus noch besser. Und ein gestürztes Genie einfach perfekt: Einstein hat sich geirrt - Überlichtgeschwindigkeit ist möglich! Das Jahr 2000 bescherte uns gleich zwei Mal diese Meldung, gestimmt hat es allerdings nie. Schuld an der Verwirrung ist die noch ungeklärte Frage, was physikalisch unter einer 'Information' zu verstehen ist. Diese Lücke nutzen manche Wissenschaftler, um aus ihrem Hut angeblich Kaninchen zu zaubern, die sie noch gar nicht reingesteckt hatten.


http://www.fernstudium-physik.de/fips/teilnehmer/newsticker/history/00-11-29.html (Archiv-Version vom 28.04.2005)

@LeFantome85

LeFantome85 schrieb:Diese Lücke nutzen manche Wissenschaftler, um aus ihrem Hut angeblich Kaninchen zu zaubern, die sie noch gar nicht reingesteckt hatten.

Das ist der Effekt der Überlichtgeschwindigkeit ...
Nur die konventionellen Schreiberlinge müssen das noch begreifen. :D
Und Einstein wird damit ganz sicher NICHT "gestürzt". Das ist grober Unfug und ärmliche Polemik.

Spasss beiseite, das ist ne interessante Sache. Ich frag mich nur, wie die das so genau messen ...

Am interessantesten ist für mich jedoch, dass es anscheinend auch ohne allzu großen Energieaufwand möglich ist, schneller als das Licht zu sein. Man muss halt nur wissen, wie es geht.

Außerdem ist interessant, dass von einer "durchschnittlichen Gruppengeschwindigkeit" gesprochen wird. Das setzt ja leicht unterschiedliche Geschwindigkeiten der Gruppen-Einzelteile voraus. Damit ist es genau meine Welle ...

LeFantome85 schrieb:Kann ich mir das so vorstellen, wie bei den Wellen im Wasser, die sich gegenseitig auch verstärken oder abschwächen können ...

Würde ich erst mal auch so sehen wollen. Muss aber nicht richtig sein.

LeFantome85 schrieb:Es gibt doch den Morsecode?

Seh ich auch so. Allerdings würde eine komplexe Information (insgesamt) dann höchstwahrscheinlich immer noch langsamer sein als c. Oder die Entfernungen zwischen Sender und Empfänger müssten riesig sein ... aber ein eifaches 0 oder 1 - Ja oder Nein - müsste auch funktionieren ...

LeFantome85 schrieb:Und noch eine Frage warum sollte man damit keine Information übertragen können?

Weil es bei diesem Experiment nicht um die Signalgeschwindigkeit des Lichtes geht. Die Signalgeschwindigkeit beträgt max. 299792,458 km/s, mit dieser Geschwindigkeit reist das Licht im Vakuum. Wellengruppen können sich zwar schneller bewegen, aber was nützt einem das, wenn der Lichtstrahl noch gar nicht beim Empfänger angekommen ist?

Von anderen Physikern, zum Beispiel im Überblicksartikel von Privitera et al.[8], wird darauf hingewiesen, dass die Superluminalität des Geschehens ein Artefakt der verwendeten Definition von Geschwindigkeit ist.[9] Dass zum Beispiel die Gruppengeschwindigkeit von Pulsen in Medien mit starker Absorption und Dispersion größer als die Lichtgeschwindigkeit sein kann, jedoch keine Signalgeschwindigkeit ist, war schon Leon Brillouin und Arnold Sommerfeld bekannt.[10]

Wikipedia: Überlichtgeschwindigkeit#.C3.9Cberlichtschnelle Effekte in der Quantenmechanik

PHK schrieb:aber ein eifaches 0 oder 1 - Ja oder Nein - müsste auch funktionieren ...

Nope.

@Celladoor

Celladoor schrieb:Wellengruppen können sich zwar schneller bewegen, aber was nützt einem das, wenn der Lichtstrahl noch gar nicht beim Empfänger angekommen ist?

Wie meinst Du das?
Etwa, dass zuerst die "Wellengruppe" im Ziel ankommt - und erst danach dder Lichtstrahl?

PHK schrieb:Wie meinst Du das?
Etwa, dass zuerst die "Wellengruppe" im Ziel ankommt - und erst danach dder Lichtstrahl?

Nein. Wie sollte eine Wellengruppe eines Lichtstrahls vor dem Lichtstrahl ans Ziel kommen?

@Celladoor

Celladoor schrieb:Nein. Wie sollte eine Wellengruppe eines Lichtstrahls vor dem Lichtstrahl ans Ziel kommen?

Ja eben. Wie meinst Du es dann?

Angenommen du sendest einzelne Photonen zu einem Sender, dann hast du irgendwann einen Strahl aus einzelnen Photonen die von der Quelle bis zum Sender reichen. Nun werden die Photonen am Sender so moduliert, dass sie Wellengruppen bilden die sich schneller als die Lichtgeschwindigkeit bewegen. Das ist aber nur eine scheinbare Bewegung die auch nur bis zum ersten Photon reicht, dass moduliert wurde. Die modulierten Photonen erreichen die Quelle immer mit c, auch wenn ihre Gruppengeschwindigkeit grösser ist.

@Celladoor
Ich sitze in letzter Zeit wirklich auf der Leitung. Ich habs immer noch nicht kapiert ...

Aber ich hab mir nochmal den letzten Link von @LeFantome85 durchgelesen und denke, dass er einige herbe Fehler aufweist (von der üblichen Arroganz im unteren Teil ganz zu schweigen):
Zum Beispiel das mit der Überlichtgeschwindigkeit bei der Schallplattenhülle hab ich gar nicht kapiert. Wo soll da wie ÜLG entstehen?
Und soviel wie ich weiß (zu wissen glaube), wird Rotes Licht am wenigsten gebrochen, dafür aber am stärksten gebeugt. Usw. usf.
Außerdem frage ich mich, ob das ein- und derselbe Versuch ist, um den es hier eigentlich geht - nur eben mit leichten Einstellungsänderungen ?
http://www.fernstudium-physik.de/fips/teilnehmer/newsticker/history/00-11-29.html (Archiv-Version vom 28.04.2005)


Zu Deinem Statement: Was meinst Du für einen Sender? Für meine Begriffe ist das der Sender, wo die Photonen rauskommen ... = Lichtquelle.
Und welche Rolle spielt der zweite Laser, mit dem das Cäsium angeleuchtet wird? Wie werden da welche Eigenschaften beeinflusst?

Celladoor schrieb:Die modulierten Photonen erreichen die Quelle immer mit c, auch wenn ihre Gruppengeschwindigkeit grösser ist.

Das widerspricht sich für meinen Geschmack. Da die Wellengruppen ja wohl auch aus Photonen bestehen (müssen) kann m. E. die Gruppe nicht schneller sein als die (durchschnittlichen) Photonen aus denen sie Besteht. Und wenn da 310-fache LG gemessen wurde, dann müssen die Photonen der vorgeschobenen ÜLG-Gruppe auch so schnell sein. Oder nicht?

PHK schrieb:Da die Wellengruppen ja wohl auch aus Photonen bestehen (müssen) kann m. E. die Gruppe nicht schneller sein als die (durchschnittlichen) Photonen aus denen sie Besteht.

Doch, können sie. Die Gruppengeschwindigkeit hat nicht direkt etwas mit der Signalgeschwindigkeit zu tun. Stell dir einen Bus vor der mit c unterwegs ist. Darin machen die Leute eine Laola Welle die sich ja dann schneller als c bewegt. Diese Welle machen sie immer und immer wieder und trotzdem kommen die Leute nicht schneller als c ans Ziel.

@Celladoor

Celladoor schrieb:Darin machen die Leute eine Laola Welle die sich ja dann schneller als c bewegt.

Nee. Wieso sollte die Laola-Welle schneller als der Bus sein, solange sie innendrin ausgeführt wird?
Da kommt auch der Effekt nicht zum tragen, dass die Welle (ohne Bus und Insassen) schneller am Ziel wäre als der Bus.
Versteh ich schon wieder nicht ....

Celladoor schrieb:Diese Welle machen sie immer und immer wieder und trotzdem kommen die Leute nicht schneller als c ans Ziel.

Das stimmt. Da kippt höchstens der Bus um, wenn er sich durch das Gewackel aufschaukelt.
Hilft aber auch nicht weiter ...

PHK schrieb:Versteh ich schon wieder nicht ....

Tja. Da hilft nur nachdenken.

Wenn das Licht am Ausgang früher erscheint, als am Eingang, habe ich etwas beobachtet, was ich kausal nicht ganz verstehen kann. Das ist so, als hätte die Cäsiumkammer das Licht schon gebildet, als der Strahl am Eingang noch unterwegs war oder gar in Planung. Das ist so, als gäbe es Hellsichtigkeit.

@lernender
Ich denke, dass es sich dabei bloss um eine Definitionssache handelt und dabei keine Kausalitäten verletzt wurden.

@Celladoor
Wenn es kein Beobachtungs- oder Messfehler ist, kommt mir das so seltsam vor, wie die rätselhafte Fernwirkung verschränkter Teilchen, vielleicht ist es sogar der gleiche Effekt. Einfach nur definieren ohne wirklich zu verstehen, nein, das erscheint mir zu einfach. Ich bin gespannt auf weitere Forschungen dazu.

lernender schrieb:Einfach nur definieren ohne wirklich zu verstehen, nein, das erscheint mir zu einfach. Ich bin gespannt auf weitere Forschungen dazu.

Wer sagt, dass die Sache nicht verstanden ist? Die Definitionen Signalgeschwindigkeit/Gruppengeschwindigkeit sind klar gegeben. Bei rückwärts laufenden Wellengruppen ist auch niemand erstaunt, dass ein Lichtstrahl deshalb nicht rückwärts zu seiner Quelle fliegt. Genauso wenig ist ein Lichtstrahl schneller als c unterwegs, wenn das seine Wellengruppen tun.

@LeFantome85
@Celladoor
@PHK
Das mit den verschränkten Teilchen war wahrscheinlich eine dumme Idee, aber eine vorweggenommene Reaktion findet man hier irgendwie schon vor. Der ankommende Strahl ist zwar kausal (das hat das Experiment ja bewiesen), aber bevor der Strahl ankommt, also offensichtlich zur Ursache wird, tritt bereits die Wirkung ein. Damit lässt sich aber die Lichtgeschwindigkeit in der Apparatur nicht bestimmen. Stattdessen wird der Strahl, der Ursache ist, bereits Ursache, bevor er nach unseren Messmethoden und unserem Verständnis Ursache sein kann.
Die Ursache hat also eine Art Fernwirkung. Nicht mehr und nicht weniger lese ich aus der Beschreibung dieses Versuches.

lernender schrieb:Stattdessen wird der Strahl, der Ursache ist, bereits Ursache, bevor er nach unseren Messmethoden und unserem Verständnis Ursache sein kann.

Na, wenn du meinst... :D

@Celladoor
Oder glaubst Du daran, dass der Strahl in die Vergangenheit gereist ist? Das könnte man aus dem Versuch auch herleiten.