Was haben Teilchenbeschleuniger wie der Large Hadron Collider mit Star Wars gemeinsam? Mehr, als man zunächst denken könnte. Einiges aus der mathematisch-physikalischen Trickkiste könnte Lichtschwerter tatsächlich möglich machen.

Bzzzzzzz – da sind sie wieder: die Jedi-Ritter mit ihren summenden Laserschwertern. Rein vom technischen Standpunkt aus besehen, sind das faszinierende, fantastische Waffen. Aber genau da schwimmt das Haar in der Suppe: Der Drehbuchautor hat sich bei der Suche nach edlen Protagonisten im Mittelalter bedient und seinen futuristischen Rittern notdürftig hightech-gebretzelte Schwerter in die Hände gelegt. Zugegeben, sie eignen sich wunderbar als Action-katalysierende Elemente – aber nur, wenn man davon ausgeht, dass sich die Star-Wars-Saga in einem Universum abspielt, das es mit physikalischen Gesetzen nicht wirklich ernst meint. Denn Drehbuch und Regie klammern die lästigen Fragen der Plausibilität solcher Schwerter unbekümmert aus. Dabei ist Plausibilität das Salz in der Suppe eines jeden Science-Fiction-Werks. Solch freies Fabulieren wie in Star Wars hat mit Science-Fiction aber so wenig zu tun wie der große Wagen mit einem Schulbus.

Aber stimmt es wirklich, dass nicht einer der Effekte auch unter den Gesetzen des Universums klappen könnte, in dem wir gerade sind? Zufällig zappte der Autor dieses Beitrags neulich in eine TV-Sendung, in der sich ein Professor der theoretischen Physik genau zu dem Thema ausließ. Nein, beschied er nüchtern, Laserstrahlen seien weit länger als die Klingen von Laserschwertern, die nach etwa einem Meter wie abgeschnitten enden und also seien Laserschwerter unmöglich zu konstruieren. Ein Professor sollte doch zu Schlauerem fähig sein, nicht wahr? Aber offenbar hat ihn jemand mit falschen Fragen gefüttert, denn auf die Suche nach dieser Art Antwort könnte man auch eine einzelne Gehirnzelle schicken -- sie würde wohl fündig zurückkehren.

Befriedigend erscheinen dieser Art Antworten allenfalls, wenn man stur jegliche Plausibilität keiner Plausibilität vorzieht. Was aber würden wohl viele Gehirnzellen finden, wenn man sie mit umgedrehter, also positiver Fragerichtung losschickt? Wir haben das mal ausprobiert und unseren Autor ein wenig in der mathematisch-physikalischen Trickkiste suchen lassen.
Stiletto fourioso

Dass so ein Laserschwert eine bislang ungeahnte Energiequelle im Griff haben muss, kann ich leicht akzeptieren – es wäre nicht die erste Entdeckung in diesem Jahrhundert. Als weit größere Hürde erscheint die theoretische Grundlage für eine passende Laserstrahllänge. Wie kriegt man Laserlicht auf ein bis eineinhalb Meter Länge gestutzt? Mit diesem Problem haben sich auch schon andere beschäftigt, beispielsweise der bekannte amerikanische Physiker Michio Kaku, der sich in seinem Buch "Die Physik des Unmöglichen" mit Beamern, Phasern und Zeitmaschinen auseinandergesetzt hat. Doch er ist fest davon überzeugt, dass sich Laserschwerter nicht konstruieren lassen, weil die Lichtstrahlen nicht passend gekürzt werden können. So verabschiedet er sich umgehend von der Idee eines Laserschwerts und endet letztlich bei einer entfernt an ein Lichtschwert erinnernden Waffe: Einem sehr heißen Heizstab aus Keramik, aus dem über zahlreiche transversale Öffnungen Plasma heraustritt.

Eine andere Denkrichtung könnte sein, Laser paarweise einzusetzen und Strahlen geschickt überlagern zu lassen. Was bereits heute mit Lasertechnik und Holographie machbar ist, vermittelt diese Demonstration einer japanischen Forschungsgruppe auf der diesjährigen SIGGRAPH.

Ebenso vorstellbar erscheint, Paare von Laser-Impulsen so zu modulieren, dass sie sich in den ersten drei Nanosekunden gegenseitig verstärken und anschließend für eine längere Zeit auslöschen. Eine Nanosekunde ist quasi ein Lichtfuß – in dieser Zeit legt das Licht ungefähr die Entfernung von einem Fuß zurück. Eine Auslöschung nach drei Nanosekunden entspräche also einem Strahlprofil, das für etwa 90 Zentimeter maximale Intensität aufweist und danach verschwindet. Okay, in einiger Entfernung würden die Strahlen wieder sichtbar sein, aber mit einer weit geringeren Intensität, sodass sie durchaus die Kriterien einer beherrschbaren Waffe erfüllen könnten. Und wenn die Laserblitze schnell genug hintereinander folgten, nähme man sie auch nicht mehr als Pulse wahr, sondern sozusagen als stehende Klinge.

Aber wie machen? Anscheinend braucht man Laserstrahlen, die zu irgendeinem Zeitpunkt einen Phasensprung aufweisen – wenn man die Wellenzüge über einer Zeitachse betrachtet. Diese Betrachtungsweise nennt man die Zeitdomäne. Nun kann man aber jedes periodische und die meisten aperiodischen Signale als Überlagerungen zahlreicher Sinus- und Cosinus-Schwingungen interpretieren. Berechnet man die Intensitäten, mit denen man solche Sinus- und Cosinus-Schwingungen einsetzen müsste, in Abhängigkeit von der Frequenz, erhält man das Strahlprofil in der Frequenzdomäne. Die Berechnung heißt nach dem Entdecker ihrer mathematischen Grundlagen Fourier-Transformation. Elektroniker kennen die Frequenzdomänen beispielsweise von Rechteckschwingungen und auch von Pulsfolgen, bei denen etwa nur jeder tausendste Durchgang einer Rechteckschwingung übrigbleibt. Da sollte es doch möglich sein, auch die geforderten Zeitprofile für ein Laserschwert zu errechnen?

Freilich bräuchte man für deren Umsetzung Laser, die gleichzeitig kohärente Strahlen sehr unterschiedlicher Wellenlängen erzeugen könnten. Okay, vielleicht sollte man das dann eher "Breitbandsender in einem sehr hohen Frequenzbereich" nennen. Über dazu passende Resonatoren müssten sich die Physiker bitte noch ein paar Gedanken machen. Aber im Prinzip ...
Bzzzzz!
Angenommen, das Resonanzproblem wäre gelöst – bleibt noch das Problem, dass die Klingen zweier Laserschwerter aneinander abprallen. Zunächst dachte ich, das sei definitiv Fantasy, es sei denn, irgendwer ersteigert günstig noch ein, zwei neue Naturgesetze. Aber Photonen können durchaus miteinander interagieren! Ausreichend hohe Energiedichte vorausgesetzt, können sich zwei Photonen unter vermutlich ziemlichem Scheppern zu Materie umwandeln oder genauer: zum Elektronen-Positronenpaar. Allerdings möchte ich dann lieber einen Kilometer davon entfernt stehen. Mehr zu diesem Themenkomplex gibt es zum Beispiel im Beitrag A small tutorial in gamma-gamma Physics – mit offensichtlichem, wenngleich schmunzelndem Bezug zu Star Wars.

Bleibt noch das Summen und Britzeln, wenn die Strahlenfelder zweier Klingen aneinandergeraten. Man kann die Geschichte, wie der Klang der Laserschwerter überhaupt entstanden ist, natürlich als amüsantes Lehrstück über angewandte Technik sehen. Aber näher besehen erscheint die Geräuschkulisse der Laserschwerter gegen die Paarbildung der Teilchenphysik fast selbstverständlich: Bei Lichtfrequenzen im Bereich von 214 Herz wäre es fast unausweichlich, dass die vorherrschenden Frequenzen aus zwei einzelnen Schwertern um ein paar (Zig) Hertz variieren. Wenn sie sich dann an der "Kontaktzone" überlagern, müsste es zwangsläufig zu Schwebungen in diesem unteren hörbaren Bereich kommen.

Und der ganze Laserzauber bliebe ja unsichtbar, träfe die gebündelte Energie nicht auf irgendein Medium, zum Beispiel Luft, das einen Teil der Strahlen streut oder unter Verwandlung in leuchtendes Plasma absorbiert. Zumindest letzteres ist mit Erwärmung verbunden und folglich mit einer Druckerhöhung. Variiert die Energiezufuhr nun mit einigen Zig Hertz, gilt das auch für die Druckerhöhung. Man nennt das Schall, und der Effekt wird bereits heute in der fotoakustischen Spektroskopie als Messtechnik angewendet.