Von Licht zu Quantenphysik

 

Und Gott sprach: Es werde Licht!

Und es ward Licht.

1.Mose 1:3

 

Alles begann mit dem Licht. Es ist die Quelle des Lebens, das Gute, das Reine; es ist Hoffnung und Wahrheit. Das Licht schützt vor Dunkelheit und Kälte. Es gibt Kraft und hält das Übel fern. „Gott ist Licht“, und mystische Lehren und Religionen sind von ihm nur so geprägt. Auch Platons (428 – 347 v. Chr.) Sonnengleichnis stellt das Licht als das Gute dar, das unentbehrlich für Erkenntnis und Wahrheit ist. Es zieht uns unbestreitbar magisch an, und ist nicht nur für mystische und religiöse Lehren von Belang. Die Eckpfeiler der modernen Physik, wie die Quantenphysik und die Relativitätstheorie, haben ihre Existenz gänzlich dem Licht zu verdanken.

 

Bereits vor tausenden Jahren haben sich antike Philosophen intensiv mit seiner magischen Beschaffenheit befasst. Sie glaubten, dass das Licht als sogenannte „Sehstrahlen“ das Auge verlässt und wie Hände die Umgebung ertastet. Nach dem antiken Mathematiker Euklid von Alexandria (330 – 275 v. Chr.) breiteten diese Sehstrahlen sich geradlinig im Raum aus. Die logischen Schlussfolgerungen von Mathematikern (Lebensdaten unbekannt) Heron und Damianos, dass das Licht immer den kürzesten Weg nehme, untermauerten Euklids These. Die Frage nach der Geschwindigkeit des Lichts sorgte nicht nur viel Kopfzerbrechen, zudem löste sie auch eine hitzige Diskussion zwischen den Anhängern der endlichen und unendlichen Lichtgeschwindigkeit aus.

 

Der griechische Philosoph Empedokles (495 – 435 v. Chr.) und persische Philosophen wie Avicenna (980 – 1037) und Alhazen (965 – 1039) meinten, das Licht müsse sich irgendwie durch den Raum fortbewegen und eine gewisse Zeit in Anspruch nehmen; z.B. müsste es eine lange Strecke von der Sonne zurücklegen, und dadurch wäre seine Geschwindigkeit gewiss nicht unendlich. Die Meinungsverschiedenheit dauerte noch lange Jahre an, bis sich das aristotelische Postulat einer endlichen Lichtgeschwindigkeit der Diskussion ein Ende bereitete.

 

Erstmals versuchte Galileo Galilei (1564 – 1642) mit einem groben Versuchsaufbau eine Messung an der Lichtgeschwindigkeit vorzunehmen. Allerdings scheiterte er daran, weil es ihm an technischen Gerätschaften mangelte. Zwischen dem 17. und 19. Jahrhundert zeigten eine Reihe von wissenschaftlichen Beobachtungen von Ole Römer (1644 – 1710), Hippolyte Fizeau (1819 – 1896), Leon Foucault (1819 – 1868) und Albert Michelson (1852 – 1931) zum einen die Ausbreitung des Lichts in endlicher Geschwindigkeit, und zum anderen die Abhängigkeit seiner Geschwindigkeit vom Medium. Schon zu Beginn des 17. Jahrhunderts hatte der Astronom und Mathematiker Johannes Kepler (1571 – 1630) dies vermutet.

 

Wir wissen heute, dass das Licht ausschließlich im Vakuum seine maximale Geschwindigkeit von rund 300.000 km/s erreicht. In der Luft verringert sie sich um etwa 0.3 Prozent, im Wasser etwa um 25 Prozent und bei Gläsern je nach Brechungsindex bis zu 47 Prozent. Unteranderem aufgrund dieser Fakten – einige Quellen nach – brachte Albert Einstein (1879 –1955) Masse und Energie in Verbindung und entwickelte daraus die Relativitätstheorie und seine weltberühmte Formel E = m ∙ c² (Energie = Masse ∙ Lichtgeschwindigkeit zum Quadrat).

 

Neben der Gravitation und dem planckschen Wirkungsquantum zählt die Lichtgeschwindigkeit zu den fundamentalen Naturgrößen. Wir wissen außerdem, dass –anders als bei „Sehstrahlen“ – das Licht auf ein Objekt trifft und von ihm zurück reflektiert. Die Reflexion wird vom menschlichen Sehorgan erfasst und es kommt das zustande, was wir als „Sehen“ bezeichnen. Doch die geradlinige Ausbreitung des Lichts, sowie die Tatsache, dass es sich den kürzesten Weg aussucht, konnte Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman (1918 – 1988) belegen. In seinem berühmten Vorlesungsreihen über die Quantenelektrodynamik (QED) erläutert er seine Experimente mit dem Licht und deren interessante Ergebnisse.

 

Lange Zeit dachte man, das Licht sei eine Welle. Bis Isaac Newton (1643 – 1726) das Licht in ein dreieckiges Prisma aus Glas hineinleitete und dabei ein faszinierendes Spektrum aus Regenbogenfarben entdeckte. Durch ein zweites Prisma bekam das Licht wieder seine ursprüngliche weiße Farbe, und Newton konnte damit den Vorwurf eines möglichen Fremdeinflusses durch das Prisma entkräften. Er beschrieb das Licht als Teilchen und stellte seine sogenannte Korpuskeltheorie auf. Lediglich hielt seine These nicht lange an.

 

Einer Legende nach beobachtete Arzt und Hobbyphysiker Thomas Young (1773 – 1829) an einem Teich zufällig die Kräuselwellen von zwei nebeneinander schwimmenden Enten. Ihm fiel auf, wie die Wellen ineinander kollabierten und ein neues Muster ergaben. Dabei bemerkte er verblüfft, wie zwei aufeinander treffende Wellenberge zu einem größeren Wellenberg führten und zwei Wellentäler zu einem noch tieferen Wellental. Wenn hingegen ein Wellental auf ein Wellenberg und umgekehrt traf, hoben sich beide Wellen auf. Dank dieser zufälligen Beobachtung besaß er endlich eine logische Erklärung für ein mysteriöses Phänomen, welches er in seinen alten Experimenten beobachten konnte, das ihm jahrelang Kopfzerbrechen bereitete. Young stellte damals eine Trennwand mit zwei dünnen Spalten zwischen einer Lichtquelle und einem Schirm. Gemäß Newtons Korpuskeltheorie hatte er auf dem Schirm zwei helle Striche erwartet, da die Lichtteilchen nur durch die zwei Spalten passieren hätten sollen. Überraschenderweise entdeckte er stattdessen ein unerklärliches Interferenzmuster. Nun erkannte er die Wellennatur des Lichts.

 

Im 19. Jahrhundert schweißte James Clerk Maxwell (1831 – 1873) den Magnetismus und die Elektrizität zusammen; der Elektromagnetismus war geboren. Dessen Eigenschaft war ebenfalls, wie das Licht, wellenförmig und breitete sich mit der exakt selben Geschwindigkeit aus. Daher nahm Maxwell stark an, dass das Licht nichts anderes ist als elektromagnetische Wellen.

 

Als sich der deutsche Physiker Max Planck (1858 – 1947) mit einem rätselhaften Phänomen aus der Physik befasste, konnte er noch nicht ahnen, welche gewaltigen Auswirkungen seine Entdeckung auf die Naturwissenschaft haben würde. Planck beschäftigte sich mit sogenannten „Schwarzen Körpern“, die Gustav Kirchhoff (1824 – 1887) zur Forschung von Strahlungen entwickelt hatte. Physiker konnten zuvor durch Wärmezufuhr an Gegenständen beobachten, dass unterschiedliche Elemente unterschiedliche Farbspektren besitzen. Sie hatten sozusagen einen eigenen Fingerabdruck, vergleichbar mit dem natürlichen Licht. Das Problem bei der ganzen Sache – die als „Ultraviolett-Katastrophe“ in die Geschichte einging – war, dass laut Berechnungen erhitzte Objekte unsichtbar werden müssen, sobald ihre Temperaturen den Ultraviolettbereich erreichen. Wenn man aber ein Metallstück allmählich erhitzt, verschwindet es natürlich nicht, sondern seine Farbe wandert von glühend Rot, Orange über Gelb und hält schließlich bei Weiß an. Mit der klassischen Physik konnte dies nicht erklärt werden. Planck bemerkte, dass gewisse Energiestückchen von der Strahlung übrig blieben. Er führte dies unsicher auf eine etwaige Quantelung des Energieaustausches zurück, was der klassischen Physik eigentlich widersprach. Mit der Arbeit vom deutschen Physiker Heinrich Hertz (1857 – 1894) über Oszillatoren gelang es ihm letztendlich eine mathematische Beschreibung aufzustellen, die wie folgt E = h ∙ v (Energie = plancksches Wirkungsquantum ∙ Frequenz) in die Geschichte der Physik einging.

 

Während Max Planck auf der Suche nach einer plausiblen, physikalischen Erklärung war und Naturwissenschaftler seine Entdeckung als einen mathematischen Trick abwerteten, arbeitete Albert Einstein an dem Photoeffekt. Man hatte zuvor beobachtet, dass Lichtstrahlen Elektronen aus einer Metallplatte herauslösen. Dieses ungelöste Phänomen konnte Einstein nun mit Hilfe von Plancks Wirkungsquantum lückenlos berechnen und darauf aufbauend eine Lichtquantenhypothese aufstellen. Sie besagt, dass das Licht gequantelt ist; sprich aus sogenannten Quanten bzw. Photonen besteht – ähnlich wie bei Newtons Korpuskeltheorie. Planck lehnte jedoch Albert Einsteins These strikt ab, weil sie der klassischen Physik vollkommen widersprach.

 

In den darauffolgenden Jahren deckten verschiedene Experimente einen Dualismus im Bezug auf das Licht auf. Das Licht schien sowohl Teilchen als auch Welle zu sein. Man bezeichnet dieses Phänomen als „Welle-Teilchen-Dualismus“. Wie beim Elektromagnetismus schienen beide Eigenschaften zu einer Medaille zu gehören. Allerdings trat immer nur eine Eigenschaft zum Vorschein, welche Niels Bohr (1885 – 1962) mit seinem „Komplementärprinzip“ beschrieb. Auf der fünften Solvay Konferenz im Jahre 1927 gewann die Quantentheorie nach Kopenhagener Deutung und nach Niels Bohrs Vorstellungen offiziell die Anerkennung. Diese wurde ausgerechnet von den Vätern der Quantentheorie Max Planck und Albert Einstein vehement abgelehnt. Das Licht hinterließ bei Einstein einen dermaßen tiefen Eindruck – möglich, dass dies etwas mit seiner Enttäuschung zu tun hatte –, sodass er verkündete, den Rest seines Lebens über die Existenz des Lichts nachzudenken.

 

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Artikelbild aus www.rgbstock.com

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Kommentare: 9
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