Mal links herum, mal rechts herum

News: Mal links herum, mal rechts herum

Wirbel lassen sich an mannigfaltigen Orten beobachten: ob als Strudel im Wasser, als Windhose über dem heißen Sand des Sportplatzes oder gar in so bizarrer Materie wie einem Bose-Einstein-Kondensat. Eines ist jedoch allen Wirbeln gemein, sie drehen sich in eine Richtung, und niemand hat wohl je beobachten können, dass sie plötzlich ihren Drehsinn ändern. Tatsächlich gelang es im Labor bislang nur, optische Wirbel umzudrehen. Was dabei passiert, ist nun dank neuer Aufnahmen kein Geheimnis mehr.

Thorsten Krome

Wirbel haben Wissenschaftler schon immer fasziniert, und unzählige Physikstudenten durften sich sicherlich schon den Kopf darüber zerbrechen, ob denn nun der Strudel in der Badewanne auf der Nordhalbkugel anders dreht als auf der Südhalbkugel. Wie auch immer die richtige Antwort auf diese Frage lauten mag, jedenfalls dürfte niemand beobachtet haben, dass ein Strudel einfach so seine Rotationsrichtung ändert, wenn er sich einmal für einen Drehsinn entschieden hat. Zumindest wird er das nicht freiwillig tun, und wenn es einem doch gelingt, ihn in die andere Richtung zu zwingen, so bricht das dynamische Gebilde in aller Regel erst zusammen, um sich danach neu zu formieren.

Gabriel Molina-Terriza und seine Kollegen von der Universidad Politécnica de Catalunya sowie Ewan Wright von der University of Arizona panschten nun nicht mit Wasser, um dem Wechsel der Wirbelrotation auf die Schliche zu kommen, sie wählten vielmehr ein etwas ungewöhnlicheres, optisches Pendant: einen Lichtwirbel, der sich um einen dunklen Kern dreht. Der Energiefluss solcher Gebilde ähnelt einer Wendeltreppe, die sich im oder gegen den Uhrzeigersinn entlang eines Lichtstrahls schraubt.

Um einen derartigen optischen Wirbeln zu schaffen, teilten die Forscher den gebündelten Laserstrahl eines Helium-Neon-Lasers zunächst in zwei Strahlen. Während sie den einen durch eine mit dem Computer generierte Hologramm-Maske schickten, und ihn so verwirbelten, beließen sie den anderen als Referenzstrahl unangetastet.

Anschließend leiteten sie den ersten Strahl durch eine zylindrische Sammellinse, sodass sich der Laserstrahl samt Wirbel hinter der Linse verengte, und nach dem Brennpunkt wieder auseinander lief. Wer schon einmal durch eine Sammellinse ein weit entferntes Objekt angeschaut hat, wird festgestellt haben, dass das Bild auf dem Kopf steht und die Seiten vertauscht sind. Genau das passiert nun auch mit dem Laserstrahl, und im Prinzip dreht sich damit auch gleich der Wirbel mit um.

Um das Ergebnis der Lichtbrechung an der Linse begutachten zu können, überlagerten die Wissenschaftler nun den Strahl einschließlich des Wirbels mit dem Referenzstrahl und nahmen das resultierende Interferenzbild mit einer CCD-Kamera auf. Wie sich herausstellte, streckte sich der einst kreisrunde, dunkle Kern des Wirbels mit größerem Abstand von der Linse, bis er nur noch als schwacher Strich auszumachen war. Noch weiter von der Linse entfernt, hinter ihrem Brennpunkt, schrumpfte er wieder zu einer Ellipse, jedoch wand sich nun die Energie in einer Spirale entgegengesetzten Schraubsinns.

So ließ sich zum ersten Mal im Bild festhalten, wie ein Wirbel seinen Drehsinn ändert. Die Forscher spekulieren nun darüber, inwieweit diese Erkenntnis dabei helfen könnten, andere Wirbelphänomene zu klären. Denn es ist bislang wenig darüber bekannt, woher plötzlich die Wirbelchen in einem Bose-Einstein-Kondensat (BEC) kommen. Da Lichtwirbel und Wirbel in einem BEC durch ähnliche Gleichungen beschrieben werden, liegt die Lösung des Problems vielleicht schon ganz nahe.