Leuchtend heller Schall – Seite 1

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?

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Wie auch immer die Antworten auf diese Fragen ausfallen werden – das Phänomen der Sonoluminiszenz muß sich mit dem Begriffsapparat lang bekannter, etablierter Gebiete wie Quantenmechanik, Hydro- und Thermodynamik erklären lassen; es gibt hier kein neues Teilchen, das – hätte man es denn gefunden – alles erklären könnte. Möglicherweise ist einer der beteiligten Prozesse schon dingfest gemacht: Anscheinend läßt eine durch den Ultraschall provozierte Schockwelle die Blasenwand in Richtung Zentrum implodieren – und zwar laut Experiment mit einer Geschwindigkeit von mindestens ein bis zwei Kilometern pro Sekunde; glaubt man Modellrechnungen, sind es sogar bis zu acht Kilometer pro Sekunde. Mag dieses spezielle Son-et-lumière-Spektakel auch winzig sein – bei genauer Betrachtung macht es einen unvergleichlich gewalttätigeren Eindruck als seine großen touristischen Geschwister.

Mit der Bildung einer Schockwelle allein läßt sich die Sonoluminiszenz nicht vollständig beschreiben. Es müssen noch andere Mechanismen beteiligt sein; diskutiert wird zum Beispiel Ionisation der Luft oder Anregung von Wasserdampf in der Blase. Keiner der zur Zeit gehandelten Erklärungsversuche bietet aber eine voll befriedigende Beschreibung sämtlicher Aspekte des Phänomens; dies gilt besonders im Hinblick darauf, daß bei der Sonoluminiszenz extrem schnelle Prozesse ablaufen – in der unvorstellbaren Winzigkeit von einigen billionstel Sekunden (Picosekunden), einer Zeitspanne, in der selbst Licht nur Millimeter zurücklegen kann.

Die zeitliche Auflösung solcher Vorgänge liegt an der Grenze der heutigen Meßtechnik, gilt als State of the art Für die Sonoluminiszenz ist sogar die sogenannte Picosekundenelektronik möglicherweise noch zu behäbig. So mußten sich Seth Putterman und Bradley Barber von der University of California (Los Angeles) mit der Feststellung begnügen, daß bei ihren Experimenten die Blitzdauer höchstens fünfzig Picosekunden betrug; kürzere Zeiten konnte auch ihre ultraschnelle Nachweiselektronik nicht messen. Jedenfalls ist die Dauer der Lichtblitze wesentlich kürzer als die der üblichen lichterzeugenden Prozesse in Atomen und Molekülen – ein weiterer rätselhafter Zug der Sonoluminiszenz.

Noch verwickelter wird das Bild dadurch, daß in der winzigen Zeitspanne von fünfzig Picosekunden oder weniger offensichtlich einige hunderttausend bis einige Millionen Moleküle auf einen Schlag zusammenarbeiten, um eines dieser Lichtblitzchen zu produzieren – wie ein gigantisches Orchester mit Billionstel-Sekunden-Präzision. Die Annahme drängt sich auf, daß es sich bei der Sonoluminiszenz um ein kooperatives Phänomen handelt. Aber um welches? Eine kollektive Lichtemission wie beim Laser scheidet sehr wahrscheinlich aus; der hypothetische Mechanismus müßte nach einem anderen, bisher anscheinend noch unbekannten Prinzip arbeiten.

Last, not least ist auch die uhrwerkartige Regelmäßigkeit bemerkenswert, mit der die Lichtblitze erscheinen. Die Zeitabstände zwischen zwei Blitzen sind bis auf billionstel Sekunden identisch. Außerdem pflanzen sich kleine Schwankungen der anregenden Ultraschallfrequenz nicht linear fort, resultieren also nicht in entsprechenden Abweichungen der Blitzintervalle, so daß der Mechanismus offensichtlich selbststabilisierend ist: Das Orchester bewahrt seine Billionstel-Sekunden-Präzision auch bei einem weniger taktfesten Dirigenten.

"Was um alles in der Welt geht hier vor sich?" Angesichts der vielen offenen Fragen ist der Stoßseufzer von Nature verständlich, wenn er auch eine gewisse Ungeduld verrät. Immerhin liegt es erst vier Jahre zurück, daß Felipe Gaitan im Rahmen seiner Doktorarbeit an der University of Mississippi entdeckte, welche Werte von Frequenz und Amplitude des Schalls am besten geeignet sind, um die blitzende Blase über längere Zeit am Leben zu erhalten. Erst seitdem ist diese extravagante Art der Lichterzeugung reproduzierbar, ist die Sonoluminiszenz domestiziert.

Auf der Grundlage dieser Erkenntnisse versuchen die meisten Arbeitsgruppen, dem unbekannten Mechanismus auf die Spur zu kommen, indem sie statt Luft und Wasser andere Gase und Flüssigkeiten verwenden und das Spektrum des Sonoluminiszenzlichtes untersuchen. Einen anderen Weg geht eine Untersuchung, die Joachim Holzfuss zusammen mit Physikern aus den USA durchführt, unter ihnen Felipe Gaitan. "Ein Spektrum beinhaltet sehr komplexe Informationen; wir wollen einen einfacheren Effekt untersuchen, um so eine möglichst fundamentale Einsicht in mindestens einen der verwickelten Prozesse der Sonoluminiszenz zu erhalten", schildert Joachim Holzfuss das Motiv.

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Zu dem Ziel stellen die Physiker die Schallfrequenz etwas falsch ein, und zwar so, daß die Blase weiterhin stabil oszilliert und blitzt, aber die Zeitabstände zwischen zwei Blitzen die uhrwerkartige und unerschütterliche Regelmäßigkeit verlieren, dies, obwohl die Anregung durch den Schall weiterhin periodisch ist. Tatsächlich wird die Verteilung der Zeitintervalle immer komplizierter, je mehr die Schallfrequenz vom optimalen Wert abweicht. Bei leichter Verstimmung ist die Wiederkehrzeit der Blitze nicht mehr eindeutig; statt dessen gibt es zwei verschiedene, in erratischem Wechsel aufeinanderfolgende Wiederkehrzeiten. Bei größeren Verstimmungen treten vier Wiederkehrzeiten auf, dann acht, sechzehn und immer mehr; schließlich bildet sich eine chaotische, nicht mehr prognostizierbare Verteilung heraus.

Dieses Verhalten, dieser Weg von der Ordnung ins Chaos, entspricht exakt einem Standardszenario der Theorie dynamischer Systeme ("Chaosphysik") und kann mit deren Methoden analysiert werden. Die Untersuchungen stehen noch am Anfang; unter anderem lassen sich aber jetzt schon mit den so gewonnenen Einsichten die momentan gehandelten Erklärungen der Sonoluminiszenz kritisch überprüfen. Beispielsweise kann vermutlich ein Mechanismus ausgeschlossen werden, der auf ein bisher eher in der Quantenelektrodynamik beheimatetes Phänomen (Casimir-Effekt) zurückgreift.

Die Sonoluminiszenz verliert allmählich ihren Charakter eines weißen Flecks auf der Landkarte der Physik – wenn es wohl auch noch eine Zeit dauern wird, bis der zugrundeliegende Mechanismus vollkommen aufgeklärt und Verstanden ist. Über praktische Anwendungen wäre noch nachzudenken; eine präzis blitzende Lichtquelle ist ein interessantes Instrument. Sicherlich dürfen sich aber die Erwartungen nicht an dem Einsatz des Phänomens in der fernen Vergangenheit orientieren, in der die "Ur-Sonoluminiszenz" eine Metapher für den Urknall darstellt (oder vice versa? 1. Moses 1:3): "Und Gott sprach (!): Es werde Licht, und es ward Licht."