Hat ein galoppierendes Pferd eigentlich jemals alle vier Hufe gleichzeitig in der Luft? Was sich heute mit jedem Smartphone in Zeitlupe überprüfen lässt, war Ende des 19. Jahrhunderts ein heiß diskutiertes Rätsel. Erst der Fotograf Eadweard Muybridge lieferte 1878 mit einer raffinierten Reihe schneller Auslöser den Beweis: Ja, das Pferd fliegt für einen kurzen Wimpernschlag.

Mit dieser historischen Anekdote eröffnete Dr. Markus Stein vom I. Physikalischen Institut der Justus-Liebig-Universität Gießen (JLU) seinen Gastvortrag an der Clemens-Brentano-Europaschule. Organisiert hatte den Besuch der Physikreferendar Dr. Nils Mengel, der Dr. Stein für diesen Vormittag an die CBES holen konnte. Zu Gast war der Physiker zunächst in der Klasse 10c, um die Schülerinnen und Schüler auf eine Entdeckungsreise in eine Dimension mitzunehmen, die unserer alltäglichen Wahrnehmung verborgen bleibt: das Reich der ultrakurzen Zeiten.

Wenn „schnell“ plötzlich Femtosekunden bedeutet

Was bedeutet „schnell“ eigentlich? Bereits beim Flügelschlag eines Kolibris geraten unsere Sinne an ihre Grenzen: Während das Ohr die hohe Frequenz noch als Surren wahrnimmt, verschwimmen die einzelnen Flügelschläge für das menschliche Auge untrennbar zu einem Schleier. Doch in der modernen physikalischen Forschung fängt die Faszination hier erst an. Dr. Stein zeigte eindrucksvoll, mit welchen Methoden die Wissenschaft arbeitet, wenn selbst modernste Kameras längst nicht mehr hinterherkommen.

Die Lösung ist ebenso einfach wie genial: Wenn die Elektronik nicht mehr schneller schalten kann, wird die extrem kurze Belichtungszeit direkt über die Dauer des Lichtblitzes realisiert. In Speziallaboren kommen dafür ultrakurze Laserpulse zum Einsatz. Ähnlich wie bei einem extrem präzisen Stroboskop friert dieser winzige Lichtblitz die Bewegung für den Bruchteil eines Augenblicks scharf ein, während der eigentliche Sensor durchgehend aktiv bleibt. Damit gelingt es Forscherinnen und Forschern, Vorgänge im Bereich von Piko- oder sogar Femtosekunden festzuhalten. Um diese Dimension greifbar zu machen, hilft ein verblüffender Vergleich: Eine Femtosekunde verhält sich zu einer einzigen Sekunde in etwa so wie eine Sekunde zu einer Zeitspanne von rund 32 Millionen Jahren. In solchen unvorstellbar winzigen Intervallen bewegt sich selbst das Licht kaum von der Stelle. Für die Zehntklässler wurde schnell klar: Zeitaufgelöstes Messen ist kein trockenes Theoriekapitel, sondern der Schlüssel, um die Bewegung von Ladungsträgern und Molekülen sowie chemische Reaktionen sichtbar zu machen. Genau diese Einblicke sind entscheidend, um beispielsweise Computer noch schneller und energieeffizienter zu machen.

Brückenschlag zur Oberstufe: Einblicke in Forschung und Studium

Im Anschluss nutzten interessierte Oberstufenschülerinnen und -schüler die Zeit mit Dr. Stein von der JLU, um in einer offenen Gesprächsrunde weit über die Physik von Lasern und Kameras hinaus in einen Austausch zu kommen.

So erhielten die Jugendlichen handfeste Einblicke in den Alltag an der Hochschule: „Wie läuft ein Physikstudium an der JLU genau ab? Wie gestaltet sich die praktische Arbeit in einem modernen Forschungslabor? Und welche Interessen und Voraussetzungen sollte man mitbringen?“ Diese und weitere Fragen bewegten die Schülerinnen und Schüler, und Dr. Stein stand ausführlich Rede und Antwort. Er lieferte spannende Einblicke, gab praktische Orientierungshilfen und zeigte konkrete Perspektiven auf, etwa durch Schnuppervorlesungen oder Laborführungen direkt in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Sangam Chatterjee, in der er forscht.

Kurze Wege zur Physik

Am Ende stand vor allem die Einsicht: Naturwissenschaft beginnt nicht erst im Hörsaal, sondern bei der Neugier, genauer hinzusehen, wo unsere Sinne an ihre Grenzen stoßen. Der Besuch hat die Schülerinnen und Schüler zum Mitdenken angeregt und verdeutlicht, wie eng Schule und Spitzenforschung direkt vor der Haustür in Gießen vernetzt sein können.

Wer nun neugierig geworden ist und mehr über das Physikstudium, Laborbesuche oder Schnuppervorlesungen an der JLU erfahren möchte, findet an der CBES eine direkte Anlaufstelle: Bei Interesse können sich Schülerinnen und Schüler jederzeit an Dr. Nils Mengel wenden, der den Kontakt zur Arbeitsgruppe gern vermittelt.

Die Schulgemeinde der CBES bedankt sich ganz herzlich bei Dr. Markus Stein für den inspirierenden Vormittag und die lebendigen Einblicke in die Welt der Ultrakurzzeitphysik!