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Unvollständiges kommentiertes Literaturverzeichnis zum Thema "Überlichtgeschwindigkeit durch Tunneln"

Diese Seite wird in absehbarer Zeit nicht mehr aktualisiert. Die letzten etwas aktuelleren Artikel (Stand 2001) sind unten angefügt.

Nachdem die Behauptung, die Lichtgeschwindigkeit (im folgenden LG) als oberste Geschwindigkeitsgrenze für Signale bzw. Energie sei gebrochen, des öfteren in vereinfachter und tlw. entstellter Form, aber selten mit dem Verweis auf Hintergrundinformationen in Usenet-Newsgruppen auftaucht, habe ich hier versucht, zumindest die wichtigsten Quellen kommentiert zusammenzustellen. Eigentlich hatte/habe ich vor, irgendwann mal einen Einführungstext zu dem Thema zu schreiben (falls das schon jemand gemacht hat, wäre ich für die entsprechenden http-Adressen dankbar, schreibt mir eine mail), bis ich dafür die Zeit finde will ich wenigstens die Verweise auf die Literatur irgendwo ablegen, und so kam diese Seite zustande. Das meiste, auf das ich hier verweise, ist Fachliteratur, die physikalische Vorkenntnisse voraussetzt. Allerdings haben fast alle Fachartikel eine Zusammenfassung (einen abstract ) am Anfang, der man entnehmen kann, worum es in dem Artikel im wesentlichen geht. Diese Literaturliste gibt sicher keine vollständige Übersicht über die relevanten Artikel, sondern spiegelt lediglich wieder, was mir bei meiner Beschäftigung mit dem Thema bislang über den Weg gelaufen ist - als Startpunkt für jemanden, der sich mit dem Thema näher befassen will, könnte es also ganz nützlich sein.

Worum geht es überhaupt?

In den letzten Jahren haben einige Physiker Experimente angestellt, in denen Überlichtgeschwindigkeiten gemessen wurden. Andererseits sagt die spezielle Relativitätstheorie (SRT) Albert Einsteins, daß die Lichtgeschwindigkeit (allgemein mit c bezeichnet) das absolute Tempolimit für die Bewegung von Materie und für die Übertragung von Informationen ist. Wird Information schneller als mit Lichtgeschwindigkeit übertragen, dann kommt es zu merkwürdigen Effekten, z.B. sieht es für einige Beobachter so aus, als sei das überlichtschnelle Teilchen an seinem Ziel angekommen, bevor es überhaupt ausgesendet wurde (Verletzung der Kausalität). Wie das zustande kommt, steht in der einführenden Literatur zur SRT. Ist die SRT jetzt also widerlegt, weil Überlichtgeschwindigkeiten gemessen wurden? Das erste Problem mit diesem einfachen Schluß ist, daß, obwohl in der SRT Information bzw. Energie nicht mit Überlichtgeschwindigkeit übertragen werden kann, bestimmte Geschwindigkeiten im Zusammenhang mit der Wellenausbreitung die Lichtgeschwindigkeit durchaus überschreiten dürfen. So dürfen die Phasengeschwindigkeit und sogar die Gruppengeschwindigkeit oder die Schwerpunktsgeschwindigkeit eines Wellenpakets durchaus größer als die Lichtgeschwindigkeit sein (diese Begriffe werden in einführenden Physikliteratur erklärt). Die Geschwindigkeit des Signal`anfangs' - dem ersten Anzeichen dafür, daß da überhaupt eine Welle kommt -, die sogenannte Frontgeschwindigkeit muß dagegen immer kleiner als die LG sein. Detaillierte Untersuchungen zu dieser Fragestellung und den Rollen der einzelnen Geschwindigkeiten finden sich in dem klassischen Buch

Eine Übersicht findet sich z.B. im Kapitel 2.3 von

Informationen zum quantenmechanischen Tunneleffekt an sich finden sich in der Einführungsliteratur zur Quantenmechanik.

Ein Kennzeichen der Diskussion um die Überlichtgeschwindigkeiten ist es, daß die experimentellen Ergebnisse selber kaum umstritten sind, umso mehr dafür ihre Interpretation. Einigkeit besteht darüber, daß in keinem der Experimente Frontgeschwindigkeiten größer als Lichtgeschwindigkeit gemessen wurden, und daß es somit keine Widersprüche zur Einstein-Kausalität bzw. zur Grundlage der SRT, nach der Frontgeschwindigkeiten die Lichtgeschwindigkeit nicht überschreiten dürfen, gibt. Die Diskussion, wieviel Zeit denn nun ein Teilchen zum Tunneln durch eine Barriere benötigt, begann etwa in den dreißiger Jahren und ist wohl auch heute noch nicht ganz abgeschlossen. Diese Problematik betrifft dabei sowohl "echte" quantenmechanische Tunnelexperimente, wie die von der Forschergruppte in Berkeley um Raymond Chiao, als auch eigentlich klassische Experimente mit Mikrowellen in Wellenleitern, wie die von Günter Nimtz und Mitarbeitern. Einen Überblick über die Diskussion (inklusive vielfältiger Verweise auf die entsprechende Literatur) liefert

Die Forschergruppe um Raymond Chiao in Berkeley hat ihre Forschungsarbeit auf

beschrieben. Ein Experiment, indem ein einzelnes Photon eine Barriere durchtunnelte und seine Tunnelgeschwindigkeit (die allerdings keine Signalgeschwindigkeit ist) 1.7 c betrug, ist beschrieben in

Artikel über die Ausbreitung von Wellenpaketen, die zwar schneller als Lichtgeschwindigkeit stattfindet und bei der sich die Wellen von dem speziellen Ausbreitungsmedium sogar noch zusätzliche Energie borgen (was die Situation onch verkompliziert), bei der aber die Kausalität trotzdem nicht verletzt, sind

Speziell zur Tunnelzeit-Problematik hat Aephraim Steinberg, der mit Chiao zusammenarbeitet, zwei papers geschrieben, die auch online zur Verfügung stehen:

Auch andere papers der Berkeley-Gruppe um Raymond Chiao gibt es online, so z.B.

Frühere Experimente von Günter Nimtz von der Universität Kön, mit dessen Experimenten sich die jüngeren Zeitungsartikel zum Thema Überlichtgeschwindigkeit vor allem beschäftigen, sind in

beschrieben. Die Äquivalenz zwischen diesen Mikrowellenexperimenten und dem quantenmechanischen Tunneln ist beschrieben in

Als Reaktion auf diese Veröffentlichungen erschienen eine Anzahl von Artikeln, die sich damit beschäftigten a) warum in diesen Experimenten die Kausalität nicht verletzt wird und b) wie die Ergebnisse der Experimente zu erklären sind:

Eine leichter zugängliche Beschreibung einiger der Tunnelexperimente ist ein Artikel, den Nimtz über seine Experimente in den Physikalischen Blättern (der Zeitschrift der Deutschen Physikalischen Gesellschaft) geschrieben hat,

Widerspruch gegen Nimtzs Interpretation seiner Messungen findet sich vier Hefte später: Dort rechnen P. Thoma und Th. Weiland von der TH Darmstadt vor, wie sich Nimtzs Ergebnisse mit der klassischen Maxwellschen Theorie des Elektromagnetismus erklären lassen (und dass insbesondere kein Energie/Informationstransport mit v > c erfolgt),

Als ergänzende Literatur zum Thema Wellenausbreitung in Hohlleitern verweisen Thoma und Weiland auf

Im gleichen Band der Phys. Bl. findet sich auch ein Leserbrief von G. Eilenberger, der zeigt, inwiefern Nimtzs Interpretation mit dem derzeitigen physikalischen Verständnis in Konflikt steht,

Eine Stellungnahme von Nimtz, in der dieser zugibt, seine Experimente verletzten die Einstein-Kausalität nicht, zusammen mit zusammenfassenden Bemerkungen zu den Kausalitätsüberlegungen bezüglich seiner Experimente findet sich in

Zu den jüngeren Experimenten von Nimtz, insbesondere zum Tunneln von Teilen der 40. Sinfonie von Mozart mit 4,7facher Lichtgeschwindigkeit, über die in den Pressenachrichten vor allem berichtet wurde: s.u. im Abschnitt Ergänzungen.

Zum Problem der Tunnelzeiten gibt es ein paar neuere online-Artikeln im Quantum Physics-archiv, und zwar

Ergänzungen: (5.5.99)

Weitere Ergänzungen: (29.1.2001)

Die folgenden Zitate schließen eine wichtige Literaturlücke; es handelt sich um die Beiträge zu den Proceedings des Workshops "Superluminal(?) Velocities: Tunneling time, barrier penetration, non-trivial vacua, philosophy of physics", organisiert von F. W. Hehl, P. Mittelstaedt und G. Nimtz, der vom 6. bis 10. Juni 1998 in Köln stattfand.

I. Evanescent mode propagation and simulations

II. Superluminal quantum phenomena

III. Causality, superluminality and relativity

Noch eine Ergänzung: (29.8.2001)

...die eigentlich schon viel früher hierher gehört hätte: Einführende Informationen auf einfachem Niveau (aber mit einigen Formeln) gibt