Mit stehenden Ovationen begrüßten Anhänger der französischen Linken den parteiunabhängigen Präsidentschaftskandidaten Jean-Luc Mélenchon, als er im Februar 2017 auf einer Veranstaltung in Paris erschien. Ein derartiger Empfang ist im Wahlkampf eigentlich nichts Ungewöhnliches. In diesem Fall applaudierte die Masse jedoch keiner realen Person. Denn Mélenchon befand sich zu der Zeit im fast 500 Kilometer entfernten Lyon. Von dort übertrug man seine Rede nach Paris – als Hologramm, wie zahlreiche Medien berichteten.

Mélenchon war nicht der erste Politiker, der sich solch einer Illusion bediente: 2014 ließ Recep Tayyip Erdoğan eine riesige dreidimensionale Projektion von sich auf einem Parteitreffen in Izmir erscheinen. Und bereits zwei Jahre zuvor war der amtierende indische Premierminister Narendra Modi während einer Wahlkampagne virtuell auf Veranstaltungen aufgetaucht. Die wohl bekannteste Inszenierung fand indes 2012 während des Coachalla-Musikfestivals in Kalifornien statt. Dort erschien der bereits 1996 verstorbene Rapper Tupac Shakur auf der Bühne.

Ein alter Schaustellertrick

Melénchon, Erdoğan, Tupac und all die anderen nutzten für ihre Auftritte eine Weiterentwicklung des so genannten Pepper's Ghost, einer Methode, die bereits im 19. Jahrhundert von dem britischen Erfinder John Pepper erdacht wurde, um dreidimensionale Illusionen zu erzeugen. In der modernen Variante wirft ein Projektor an der Decke ein herkömmliches Video auf einen spiegelnden Boden. Dieser wiederum reflektiert das Geschehen auf eine transparente Folie oder Glasplatte, die darüber in einem Winkel von etwa 45 Grad angebracht ist. Stimmen Winkel und Abstände, lässt sich so eine erstaunlich plastische und echt wirkende Darstellung erzielen.

Allerdings nur für die Zuschauer vor der Bühne. Stünden sie direkt neben der Projektion, wäre die Erscheinung nicht mehr in dem Maß wahrnehmbar. Damit sind die Auftritte der Prominenten nicht gerade das, was Sciencefiction-Fans unter dem Begriff Hologramm verstehen. In "Star Wars" zum Beispiel manifestieren sie sich scheinbar aus dem Nichts, als dreidimensionale Projektion mitten im Raum. Anwesende können sie von allen Seiten betrachten – ganz ohne zusätzliche Hilfsmittel wie eine 3-D-Brille. Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) versuchten 2011, das berühmte Hologramm von Prinzessin Leia nachzustellen. Sie zeigten damit aber vor allem, dass sie noch weit von dem Vorbild entfernt waren.

Generell sind futuristische Visionen à la "Star Wars" nicht unmittelbar gleichzusetzen mit dem Begriff Hologramm. Die Holografie ist zunächst einmal ein Verfahren, mit dem sich sämtliche Informationen von Lichtwellen aufzeichnen und anschließend wiederherstellen lassen. Das Hologramm ist dabei das gespeicherte Bild – analog zu einem digitalisierten Foto. Im Gegensatz zur Fotografie lassen sich mit der Holografie jedoch dreidimensionale Bilder erzeugen.

Die Informationen aus Lichtwellen einfrieren

Um das Prinzip hinter der holografischen Abbildungstechnik zu verstehen, stelle man sich Lichtwellen vor, die auf ein Objekt treffen. Dieser Zusammenstoß formt die Lichtwellen. In ihren veränderten Eigenschaften ist gewissermaßen das Aussehen des Gegenstands gespeichert. Gelingt es, diese "Verformungen" und "Verzerrungen" aufzuzeichnen, lässt sich das Objekt im Nachhinein wieder darstellen. Für zwei Komponenten des Lichts – die Intensität (Amplitude) und die Farbe (Frequenz) – gelingt das heutzutage bereits wunderbar: Jedes Foto beruht auf diesem Prinzip.

Hologramme gelten als die ultimative Weiterentwicklung der Fotografie

Die Holografie zeichnet zusätzlich noch eine dritte Komponente auf, die Phase des Lichts. Diese gibt Auskunft über den jeweiligen Schwingungszustand der Wellen in Raum und Zeit, und so letztlich über die Laufzeit des Lichts vom Modell zur Kamera. Damit liefert sie Informationen über die dreidimensionale Erscheinung eines Objekts, was auf normalen Fotos fehlt. Im Idealfall bildet die Holografie die Erscheinung also vollkommen wirklichkeitsgetreu ab.

Tatsächlich lässt sich das Verfahren auch auf Schallwellen übertragen: So gelang es Forschern vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme 2016, die Phase von Schallwellen so zu manipulieren, dass diese in einem Wasserbecken bestimmte Strukturen formten.

Der heutige Stand der Technik reicht jedoch nicht aus, um nach dem Vorbild von "Star Wars" ein vollständiges und auch noch bewegtes, dreidimensionales, optisches Abbild von Dingen wiederzugeben. Das liegt zum einen daran, dass in solchen Fällen die zu erfassende Datenmenge extrem groß ist. Zum anderen ist der Prozess der Aufzeichnung und anschließenden Darstellung sehr komplex. Im Alltag begegnet man deshalb in erster Linie sehr einfachen Hologrammen etwa auf Geldscheinen und Kreditkarten. Auch die holografische Kunst ist manchen ein Begriff; im Museum des Massachusetts Institute of Technology (MIT) gibt es etwa eine umfangreiche Sammlung davon. Von den oben beschriebenen Sciencefiction-Visionen sind die Kunstwerke dort aber noch weit entfernt.

Die Entdeckung – ein Zufall

Den Grundstein für die Holografie legte der ungarische Physiker Dennis Gábor in den 1940er Jahren – eher aus Versehen. Gábor wollte das Auflösungsvermögen von Mikroskopen verbessern. Dabei fiel ihm auf, dass man für eine perfekte optische Abbildung alle Informationen der Lichtwellen aufzeichnen müsste, die an dem zu betrachtenden Objekt reflektiert und gebrochen werden. Tatsächlich gelang es Gábor mit Hilfe eines zweistufigen Aufnahmeprozesses, auch die Phase fotografisch festzuhalten. Eine dreidimensionale Abbildung von Objekten war das Resultat. Er nannte die Methode Holografie, was so viel wie "ganzheitliche Darstellung" bedeutet. Doch mangels ausreichender Qualität der Bilder legte er dieses Forschungsfeld alsbald wieder ad acta.

1962 fertigen andere Forscher eine brauchbare dreidimensionale Aufnahme einer Modelleisenbahn an. Die Wissenschaftler hatten nun Laser zur Verfügung, die kohärentes Licht lieferten, bei denen die Phase zwischen zwei Wellenzügen konstant bleibt. Diese Tatsache machte es viel einfacher, die nötige Phaseninformation zu speichern. Sie sollte die Holografie letztlich wieder zum Leben erwecken. Ungeachtet seiner vorangehenden Kapitulation erhielt Gábor deshalb 1971 den Nobelpreis für Physik für die Erfindung der Holografie. Seitdem gelten Hologramme gewissermaßen als die ultimative Weiterentwicklung der Fotografie.

Was die Phase der Lichtwellen verrät

Um tatsächlich die Phaseninformation zu speichern, nutzt man eine so genannte Objekt- und eine Referenzwelle. Letztere ist dabei meist nichts anderes als ein abgetrennter Teilstrahl der Objektwelle; die Eigenschaften der beiden Strahlen sind also zunächst gleich. Der Objektstrahl trifft dann auf das abzubildende Objekt, während der Referenzstrahl daran vorbeigeht. Anschließend überlagert man beide Strahlen wieder – sie interferieren, wie es im Fachjargon heißt – und belichten gemeinsam die holografische Platte. Im Prinzip schafft man durch dieses Vorgehen einen Vergleich zwischen "verformt" und "nicht verformt". Erst durch die Überlagerung lässt sich feststellen, wie genau das Objekt die Erscheinung der einen Welle verändert hat. Diese Information versteckt sich schließlich in einem komplizierten Linienmuster – Experten sprechen vom Interferenzmuster –, das auf der holografischen Fotoplatte entsteht.

Das Aussehen des Musters ähnelt nicht im Entferntesten dem Objekt – genauso wenig wie man an der Form der Tonspur auf einer Schallplatte die auf ihr kodierte Musik erkennen kann. Damit das abgebildete Objekt wieder sichtbar wird, muss Licht der Referenzwelle wieder auf die holografische, zum Teil durchlässige Platte fallen. In der Regel sieht man dann dahinter ein dreidimensionales Abbild des Objekts – das Wellenfeld stellt sich gewissermaßen wieder her. Wie durch ein kleines Fenster sieht der Betrachter dann dahinter den abgebildeten Gegenstand. Man nennt diese Darstellungsart Transmissions- oder Durchlichthologramme. Daneben gibt es viele Weiterentwicklungen; teilweise entstehen die Hologramme vor der Bildebene (Reflexionshologramme) oder in ihr (Bildebenenhologramme). Bei den Echtheitszertifikaten auf Eintrittskarten, Geldscheinen, Pässen oder Kreditkarten handelt es sich hingegen um so genannte Regenbogenhologramme, für deren Betrachtung keine spezielle Lichtquelle nötig ist.

Etliche Firmen und Foschungsinstitute arbeiten an der Entwicklung holografischer Displays

Manches große Versandunternehmen nutzt holografische Scanner, um die Maße von Paketen zu bestimmen. Und Archäologen greifen auf ausgereiftere Versionen solcher Aufnahmegräte zurück, um Hologramme von altertümlichen Fundstücken zu erstellen. Am Computer können sie dann die Bilder weiterverarbeiten, etwa Bruchstücke zusammenfügen und so das ursprüngliche Aussehen rekonstruieren. Ingenieure untersuchen mit Hilfe der holografischen Interferometrie in Laborversuchen auch minimale Bewegungen oder Verformungen von technischen Bauteilen, die unter Belastung stehen.

Neben der Aufnahme von Bildern kann man mit der Holografie auch Daten speichern. Der Vorteil gegenüber herkömmlichen Speichermethoden ist dabei, dass man die Informationen im gesamten Volumen des Objekts aufnehmen kann und nicht nur auf dessen Oberfläche. Ein kommerzielles Produkt gibt es hier aber noch nicht.

Hologramme am Computer errechnen

Einen großen Schub bekam die Holografietechnik durch die Entwicklung hochleistungsfähiger Computer. Damit lassen sich Hologramme heutzutage nicht nur fotografisch mit Lasern aufnehmen, sondern mit Hilfe von Algorithmen generieren. Sie berechnen gewissermaßen die jeweiligen Interferenzmuster, die in einzelnen Hologrammen gespeichert sind – also im Prinzip die Art und Weise der Lichtbrechung, damit daraus schließlich dreidimensionale Bilder entstehen. Der zeit- und kostenintensive Aufnahmeprozess entfällt und insbesondere bewegte Bilder sind mit dieser Herangehensweise greifbar geworden. Etliche Firmen wie SeeReal oder Zebra Imaging sowie verschiedene Forschungsinstitute, darunter das MIT und die University of Arizona, versuchen, holografische Displays zu entwickeln.

Im Detail unterscheiden sich die Ansätze der Entwickler zwar, doch sie alle haben mit denselben Hürden zu kämpfen. Beispielsweise erfordern reine holografische Anzeigen eine Pixelgröße von unter einem Mikrometer. Daraus folgt, dass viele Billionen Pixel nötig wären, um eine vernünftige Bildschirmgröße zu produzieren. Zudem stellt die riesige Datenmenge eine immer noch unüberwindbare technische Herausforderung für die gesamte Kette der 3-D-Bildgebung dar, einschließlich Aufzeichnung, Verarbeitung, Übertragung, Visualisierung und Anzeige. Somit sind Szenarien wie aus "Star Wars" noch nicht wirklich realisierbar.

Oder etwa doch? Zumindest im Kleinen: Ende 2015 präsentierten Wissenschaftler vom Electronics and Telecommunications Research Institute in Korea ein tabletop holographic display", wie sie ihr Gerät tauften. Bei der Demonstration erzeugte es ein Abbild des so genannten Rubik's Cube, im deutschen Sprachraum unter Zauberwürfel bekannt. Und tatsächlich war es möglich, den bunten und sich bewegenden Würfel mit einer Kantenlänge von knapp acht Zentimetern aus jedem beliebigen Winkel zu betrachten. Das erste frei stehende, dynamische Hologramm war Wirklichkeit geworden! Für die Darstellung nutzt das Team ein komplexes System vieler schneller Laser, die das dreidimensionale Objekt mittels Beugung erzeugen. Angeblich streben die Entwickler an, bis 2021 einen zehn Zoll großen Holo-Fernseher auf den Markt zu bringen.

Mit Hologrammen Daten speichern

Einen Erfolg bezüglich der Speicherkapazität vermeldeten Wissenschaftler von der Australian National University im Januar 2017: Ein von ihnen entwickeltes Material könne auf sehr kleinem Raum alle notwendigen Informationen von Licht aufzeichnen, die für Hologramme nötig sind, sagen die Forscher. Es besteht aus Millionen winziger Siliziumzylinder, die jeweils gut 500-mal dünner sind als ein menschliches Haar. Den riesigen Datenmengen, die man zur Erzeugung von bewegten Hologrammen braucht, wäre mit ihrer Entwicklung womöglich beizukommen. Laut den Forschern könnte man künftig die eher sperrigen Aufbauten durch winzige, leichte Komponenten ersetzen.

Im April 2017 berichtete ein internationales Forschungsteam in einer Publikation von einer neuartigen Oberfläche, die Licht in bestimmter Weise manipuliert. Eine Spannungsveränderung beeinflusst die Ausrichtung der Moleküle in ihrem Material, was sich wiederum auf das daran gebrochene Licht auswirkt. Kurzum: Die Wissenschaftler glauben, dass solche elektrisch steuerbaren Oberfläche den Weg für dynamische Hologramme ebnen.

Auf Grund der vielfältigen Forschungsanstrengungen und wiederkehrenden Erfolgsmeldungen kann man davon ausgehen, dass die Geräte der Zukunft wohl bald noch beeindruckendere Schaueffekte ermöglichen als die projizierten Politiker und Prominenten. Doch auch sie werden nur glaubhafte Illusionen erzeugen und keine Toten wieder auferstehen lassen. Genau davon musste man nämlich manch begeisterten Fan nach dem beschriebenen Hip-Hop-Konzert überzeugen. Sie spekulierten nämlich nach der Show, dass der Rapper Tupac Shakur offenbar doch noch am Leben sei.