Internationales Jahr des Lichts

Video der Woche

Die Sonne - der Stern, von dem wir leben

Die Sonne ist einer von 200 Milliarden Sternen in unserer Milchstraße – und für uns der wichtigste. Denn ohne ihre Energie gäbe es auf der Erde kein Leben. Wovon aber lebt die Sonne? Der Film führt tief ins Innere des kosmischen Gasballs, wo in jeder Sekunde ungeheure Mengen von Wasserstoff in Helium umgewandelt werden.

Forschen mit Licht

 Forschen mit Licht

Licht hat für den Menschen eine umfassende Bedeutung. Dies beginnt beim Sonnenlicht, das das Leben auf der Erde erst ermöglicht, und hört bei den zahlreichen technischen Anwendungen des Lasers noch lange nicht auf. Licht sorgt nicht nur dafür, dass wir unsere Umwelt wahrnehmen können, es transportiert auch Informationen, liefert Energie und ist nicht zuletzt ein bedeutendes Forschungsinstrument. Licht kann ein Herz zum Schlagen bringen und uns Informationen aus den Tiefen des Alls übermitteln. Es beeinflusst die Innere Uhr und somit das Verhalten von Menschen und Tieren. Moderne Lichtmikroskope bieten Einblicke, von denen von der Hirnforschung bis zur Materialentwicklung zahlreiche Forschungsbereiche profitieren. 

Vor fast genau 100 Jahren postulierte Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie die Existenz von Gravitationswellen. Dochgemessen werden konnten sie bisher noch nicht. Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik betreibt den Gravitationswellendetektor GEO600 und ist federführend an der Entwicklung des weltraumgestützten Laser-Interferometers LISA beteiligt. Mit diesen „Licht-Instrumenten“ wollen die Forscher den „Kräuselungen der Raumzeit" nachspüren.

Lauschangriff mit Licht

Vor fast genau 100 Jahren postulierte Albert Einstein in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie die Existenz von Gravitationswellen. Dochgemessen werden konnten sie bisher noch nicht. Das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik betreibt den Gravitationswellendetektor GEO600 und ist federführend an der Entwicklung des weltraumgestützten Laser-Interferometers LISA beteiligt. Mit diesen „Licht-Instrumenten“ wollen die Forscher den „Kräuselungen der Raumzeit" nachspüren.
Zwei Punkte die weniger als 200 Nanometer auseinander liegen, können mit herkömmlichen Lichtmikroskopen nicht mehr unterschieden werden. Doch Nobelpreis Stefan Hell wendet bei der STED-Mikroskopie einen Trick an: Er regt zunächst alle Fluoreszenzmoleküle mit einem Laserstrahl an, um dann einen bestimmten Teil mit einem zweiten Lichtstrahl abzuregen. Dadurch werden Moleküle am Rand des Anregungs-Lichtflecks dunkel, wohingegen Moleküle im Zentrum ungestört leuchten können.

Lichtmikroskopie im Nanobereich

Zwei Punkte die weniger als 200 Nanometer auseinander liegen, können mit herkömmlichen Lichtmikroskopen nicht mehr unterschieden werden. Doch Nobelpreis Stefan Hell wendet bei der STED-Mikroskopie einen Trick an: Er regt zunächst alle Fluoreszenzmoleküle mit einem Laserstrahl an, um dann einen bestimmten Teil mit einem zweiten Lichtstrahl abzuregen. Dadurch werden Moleküle am Rand des Anregungs-Lichtflecks dunkel, wohingegen Moleküle im Zentrum ungestört leuchten können.
Die Erforschung der Quantenwelt mit Laserlicht ist das zentrale Thema für Quantenoptiker. Mit aufwendigen Aufbauten aus optischen Komponenten wie Spiegeln und Linsen schafft man es, Systeme aus Quantenteilchen bis hin zu einzelnen Atomen oder Molekülen einzufangen und zu manipulieren. Ferenc Krausz gilt als Begründer der Attosekundenphysik. Sein Ziel es ist, neue Lasertechniken zu entwickeln, um die Bewegung von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern in Echtzeit zu verfolgen und so quantenmechanische Prozesse direkt zu beobachten.

Der kürzeste Blitz der Welt

Die Erforschung der Quantenwelt mit Laserlicht ist das zentrale Thema für Quantenoptiker. Mit aufwendigen Aufbauten aus optischen Komponenten wie Spiegeln und Linsen schafft man es, Systeme aus Quantenteilchen bis hin zu einzelnen Atomen oder Molekülen einzufangen und zu manipulieren. Ferenc Krausz gilt als Begründer der Attosekundenphysik. Sein Ziel es ist, neue Lasertechniken zu entwickeln, um die Bewegung von Elektronen in Atomen, Molekülen und Festkörpern in Echtzeit zu verfolgen und so quantenmechanische Prozesse direkt zu beobachten.
Die Astronomie beruht wie kaum eine andere Wissenschaft auf der Unter-suchung des Lichts. Denn alle Information, die Forscher mit ihren Teleskopen auffangen, steckt in der Strahlung. Die Klaviatur des kosmischen Lichts umfasst unvorstellbar viele Oktaven: Über zwölf Größenordnungen reicht das elektromagnetische Spektrum – vom extrem kurzwelligen Gammalicht bis zu meterlangen Radiowellen. In der kosmischen Hintergrundstrahlung sehen Astronomen das erste Licht des Universums, dass nur 380.000 Jahre nach der Geburt des Alls auf die Reise ging.

Lichtblicke ins All

Die Astronomie beruht wie kaum eine andere Wissenschaft auf der Unter-suchung des Lichts. Denn alle Information, die Forscher mit ihren Teleskopen auffangen, steckt in der Strahlung. Die Klaviatur des kosmischen Lichts umfasst unvorstellbar viele Oktaven: Über zwölf Größenordnungen reicht das elektromagnetische Spektrum – vom extrem kurzwelligen Gammalicht bis zu meterlangen Radiowellen. In der kosmischen Hintergrundstrahlung sehen Astronomen das erste Licht des Universums, dass nur 380.000 Jahre nach der Geburt des Alls auf die Reise ging.
Die Entdeckung lichtempfindlicher Proteine in der Membran von Bakterien sorgte für eine große Überraschung – zumindest in Fachkreisen. Dass sich diese Membranproteine zu einem begehrten Werkzeug in der Neurobiologie entwickeln würden, ahnte niemand. Heute können Neurowissenschaftler so einzelne Nervenzellen via Licht an- und abschalten und so die neuronale Kommunikation in den Netzwerken des Gehirns untersuchen. Die Wiederherstellung der Sehfähigkeit bei degenerativen Netzhauterkrankungen könnte eine klinischen Anwendungen der Optogenetik werden.

Lichtschalter im Gehirn

Die Entdeckung lichtempfindlicher Proteine in der Membran von Bakterien sorgte für eine große Überraschung – zumindest in Fachkreisen. Dass sich diese Membranproteine zu einem begehrten Werkzeug in der Neurobiologie entwickeln würden, ahnte niemand. Heute können Neurowissenschaftler so einzelne Nervenzellen via Licht an- und abschalten und so die neuronale Kommunikation in den Netzwerken des Gehirns untersuchen. Die Wiederherstellung der Sehfähigkeit bei degenerativen Netzhauterkrankungen könnte eine klinischen Anwendungen der Optogenetik werden.
Die Biologische Uhr ist einer der wichtigsten Zeitgeber, der bei Vögeln Verhalten und Zeitpunkt des Brütens, der Mauser und des Zuges steuert. Dabei spielt Licht eine wichtige Rolle und „Lichtverschmutzung“ kann erhebliche Auswirkungen auf die Tiere haben. Künstliches Licht bei Nacht kann den Tages- sowie den Jahreszeitenrhythmus stören, mit unbekannten Auswirkungen auf die biologische Fitness. Einige Vogelarten fangen unter Kunstlicht morgens früher an zu singen, beginnen eher mit dem Brüten - oder gehen vermehrt fremd.

Licht macht sexy

Die Biologische Uhr ist einer der wichtigsten Zeitgeber, der bei Vögeln Verhalten und Zeitpunkt des Brütens, der Mauser und des Zuges steuert. Dabei spielt Licht eine wichtige Rolle und „Lichtverschmutzung“ kann erhebliche Auswirkungen auf die Tiere haben. Künstliches Licht bei Nacht kann den Tages- sowie den Jahreszeitenrhythmus stören, mit unbekannten Auswirkungen auf die biologische Fitness. Einige Vogelarten fangen unter Kunstlicht morgens früher an zu singen, beginnen eher mit dem Brüten - oder gehen vermehrt fremd.
Unsere kosmischen Nachbarn der Erde haben die Wissenschaftler der Sonnensystemforschung im Fokus – vorallem die Sonne. So blicken sie ins Herz des Sterns, untersuchen die Gashülle, das solare Magnetfeld oder die energiereichen Teilchen, die unsere Sonne in den Weltraum ausstößt. Die Oberflächen von Planeten und ihre Sphären sind weitere Themen für physikalische Modelle und numerische Simulationen. Dabei "reisen" sie auch mal mit Ballons Richtung Sonne.

Expedition zur Sonne

Unsere kosmischen Nachbarn der Erde haben die Wissenschaftler der Sonnensystemforschung im Fokus – vorallem die Sonne. So blicken sie ins Herz des Sterns, untersuchen die Gashülle, das solare Magnetfeld oder die energiereichen Teilchen, die unsere Sonne in den Weltraum ausstößt. Die Oberflächen von Planeten und ihre Sphären sind weitere Themen für physikalische Modelle und numerische Simulationen. Dabei "reisen" sie auch mal mit Ballons Richtung Sonne.
Licht ist für Wissenschaftler Forschungsthema und Messinstrument zugleich. Aber auch in unserer Umwelt spielt Licht eine wichtige Rolle: Tief im Meer nutzen es etwa Tintenfische, um sich ihrer Umgebung anzupassen, hoch in den Lüften ermöglicht es Vögeln die Orientierung. Und auch Menschen geben Licht unbewusst einen hohen Stellenwert: Denn am meisten wird darüber geredet, was man visuell, also mit Hilfe von Licht, wahrnimmt.

Kaleidoskop: Weitere Themen rund ums Forschen mit Licht

Licht ist für Wissenschaftler Forschungsthema und Messinstrument zugleich. Aber auch in unserer Umwelt spielt Licht eine wichtige Rolle: Tief im Meer nutzen es etwa Tintenfische, um sich ihrer Umgebung anzupassen, hoch in den Lüften ermöglicht es Vögeln die Orientierung. Und auch Menschen geben Licht unbewusst einen hohen Stellenwert: Denn am meisten wird darüber geredet, was man visuell, also mit Hilfe von Licht, wahrnimmt.
Licht ist der Informationsträger der Zukunft. Schon heute werden große Datenmengen mit Licht schnell über weite Strecken übertragen. Und dank der Quantenkryptografie lässt sich lichtvermittelte Information so verschlüsseln, dass niemand sie unbemerkt abgreifen kann. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts optimieren die Quantenkryptografie für praktische Anwendungen. Sie prüfen Konzepte der Verschlüsselungstechnik und entwickeln neue Verfahren, die effizient und technisch umsetzbar sind.

Quantenkryptografie

Licht ist der Informationsträger der Zukunft. Schon heute werden große Datenmengen mit Licht schnell über weite Strecken übertragen. Und dank der Quantenkryptografie lässt sich lichtvermittelte Information so verschlüsseln, dass niemand sie unbemerkt abgreifen kann. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts optimieren die Quantenkryptografie für praktische Anwendungen. Sie prüfen Konzepte der Verschlüsselungstechnik und entwickeln neue Verfahren, die effizient und technisch umsetzbar sind.
 
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