Von Jochen Pade

Daß man Töne sehen kann, ist seit alters bezeugt: "Und alles Volk sah den Donner und Blitz, und den Ton der Posaune..." (2. Mose 20 : 18). Sicher ein außergewöhnliches Erlebnis – vermutlich auch ein seltenes. Erst seit ein paar Jahren gelingt es routinemäßig, Schall direkt in Licht zu verwandeln; der Effekt wurde mit Sinn für barocke Klangfülle "Sonoluminiszenz" getauft. Wie diese Umwandlung funktioniert, weiß man allerdings nicht – heute so wenig wie zu Mose Zeiten.

"Für die Sonoluminiszenz existiert nicht einmal eine heuristische Erklärung – von einer strengen theoretischen Herleitung ganz zu schweigen", bewertet der Darmstädter Physiker Joachim Holzfuss den Stand der Erkenntnis. Und die britische Wissenschaftszeitschrift Nature sieht in der Sonoluminiszenz eines der großen physikalischen Rätsel unserer Zeit – von ähnlicher Wichtigkeit wie zum Beispiel die Frage, welches Phänomen der Urknall metaphorisch beschreibt. Um was geht es?

Um einen auf den ersten Blick recht bescheiden anmutenden Versuch, bei dem ein Luftbläschen so heftig durchgewalkt wird, daß es funkelt. Die Blase, im Durchmesser kleiner als ein Zehntelmillimeter, sitzt im Zentrum eines kugelförmigen Glasgefäßes, das etwa die Größe einer Weihnachtskugel hat und mit Wasser oder anderen Flüssigkeiten gefüllt ist. Auf die Gefäßwand werden mit Hilfe spezieller Keramikstücke (Piezokristalle) Schallschwingungen übertragen; die Frequenz wird so eingestellt, daß im Wasser eine kugelsymmetrische Resonanzschwingung angeregt wird. Mit dem "Ton der Posaune" hat das nur wenig gemein; meist wird Ultraschall mit Frequenzen von rund 25 Kilohertz (25 000 Schwingungen pro Sekunde) verwendet, den allenfalls noch Fledermäuse hören können.

Unter dem Ansturm des Schalls und im Takt mit ihm vergrößert und verkleinert sich der Durchmesser der Luftblase. Ist der Schalldruck genügend hoch, schickt die pulsierende Blase bläuliche Lichtblitzchen aus – pro Schwingung entsteht eines, allem Anschein nach im Zentrum der Blase. In einem abgedunkelten Raum addieren sich die 25 000 Blitze pro Sekunde für das menschliche Auge zu einem gut erkennbaren Glimmen.

Nun kann auch das feurigste Ständchen höchstens Wangen zum Erglühen bringen, nicht aber die Luft. Schall und Licht haben derart unterschiedliche Energiedichten, daß Töne üblicherweise unsichtbar bleiben und Klänge nicht leuchten – ansonsten wäre unser tägliches Leben sicherlich um einige amüsante oder interessante Aspekte reicher. Damit bei der Sonoluminiszenz Licht entstehen kann, muß die Schallenergie um ein Zehn- bis Hundertmilliardenfaches konzentriert werden. Für eine ähnlich spektakuläre Energiefokussierung müßte man zum Beispiel das auf 1500 Fußballfelder fallende Sonnenlicht auf die Fläche einer Briefmarke bündeln. Welcher Mechanismus sorgt für die bemerkenswerte Energiekonzentration bei der Sonoluminiszenz, und wo liegen seine Grenzen?

Im Inneren der vom Ultraschall durchgekneteten Luftblase wird es extrem heiß – und wieder kühl, 25 000mal in der Sekunde. Untersucht man das Spektrum der Lichtblitze (also ihre detaillierte farbliche Zusammensetzung), lassen sich daraus Rückschlüsse auf die Temperatur in der Blase ziehen – ganz ähnlich, wie auch die Farbe von glühendem Metall Aufschluß über seine Temperatur gibt. Die bei der Sonoluminiszenz erreichten Temperaturen scheinen allerdings unvergleichlich höher zu sein: bei manchen Flüssigkeiten 5000 Grad Celsius, bei anderen 50 000 Grad Celsius oder mehr; Modellrechnungen sagen sogar Temperaturen von über einer Million Grad voraus. Heißt das, daß durch die ungeheure Konzentration der akustischen Energie ein Teil der Blase immer wieder blitzartig in ein Plasma verwandelt wird?