13.12.2012

Eine Betrachtung aus physikalischer Sicht

Die Natur des Lichts

Thomas Walther

Licht und die damit verbundenen Erscheinungen üben seit jeher eine große Faszination auf den Menschen aus. Alleine die tägliche Beobachtung von Tag und Nacht – hell und dunkel – sowie das Funkeln der Sterne lässt erahnen, welche Faszination dies schon auf den frühen Menschen gehabt haben muss. Auch die optischen Farbspiele in der Natur, wie Halo, Regenbogen und Nordlichter, gewinnen einen Großteil ihrer Bezauberung durch die Leuchtkraft der damit verbundenen Erscheinungen. So überrascht es nicht, dass sich die Menschheit schon früh mit Licht beschäftigte und die Geschichte des Lichts eng mit der Geschichte der Physik verknüpft ist.

Die vermutlich früheste Überlieferung von Anwendungen der Optik existiert von der Antike. Erste wissenschaftliche Abhandlungen entstammen dem arabischen Raum des Mittelalters. Im 13. Jahrhundert gelang es Roger Bacon durch systematische Untersuchungen der Brechung die Linsenmachergleichung zu finden. Darauf basierend wurden im 15. Jahrhundert die ersten Brillen entwickelt. Entsprechend waren im 17. Jahrhundert die Grundlagen der geometrischen Optik bekannt. Reflexion und Brechung waren verstanden und auch die meisten atmosphärischen Lichterscheinungen, wie zum Beispiel die Entstehung des Regenbogens, konnten erklärt werden.

Die Frage nach der Natur des Lichts wurde erst im 18. Jahrhundert gestellt und auch gleich zentrales Element einer erbitterten Debatte. Zum einen gab es die Schulen um den Holländer Christiaan Huygens und den Engländer Robert Hooke. Beide interpretierten Licht als Welle, ähnlich wie man es zum Beispiel von Wasserwellen gewohnt war. Die andere Schule wurde von Isaac Newton angeführt. Ganz im Sinne seiner Newtonschen Gesetze und deren mechanischen Interpretation der Welt verstand er Licht als Teilchenstrom, der sich durch ihren unterschiedlichen Impuls in die verschiedenen Farben aufteilte.

Wie oft in der Physik lieferten experimentelle Beobachtungen näheren Aufschluss: Der Interferenzversuch von Thomas Young war gerade durchgeführt; Fresnel und Fraunhofer machten Fortschritte bei der Untersuchung der Beugung. Diese Phänomene lassen sich durch die Überlagerung von Wellen erklären und so wundert es nicht, dass diese experimentellen Beobachtungen dazu führten, Licht als ein Wellenphänomen zu begreifen.

Diese Ansichten wurden durch die Postulierung der Maxwellschen Gleichungen manifestiert, in denen James C. Maxwell 1864 die elektrischen und magnetischen Phänomene in vier Gleichungen zusammengefasst hatte. Durch deren geschickte Manipulation war er auf zwei Wellengleichungen gestoßen, so dass die Existenz von Wellen möglich schien, die sich durch eine Schwingung elektrischer und magnetischer Felder auszeichneten. Kurze Zeit später gelang Heinrich Hertz tatsächlich der experimentelle Nachweis dieser elektro-magnetischen Wellen. Damit wurde klar, dass Licht eine Spezialform dieser neuen Wellen war. Das elektromagnetische Spektrum umspannt einen enormen Frequenz- bzw. Wellenlängenbereich. Das sichtbare Licht stellt nur einen sehr kleinen Anteil dieses Gesamtbereichs dar. Es gehören außerdem Radiowellen, Mikrowellen, Infrarot-, UV-, Röntgen- und Gammastrahlen dazu.

Geburt der modernen Physik

Die Physik um 1900 erschien damit als ein gut geschlossenes Gebilde. Man kannte die Gesetze der Mechanik, die Bewegungen, Rotationen und Stöße zwischen Körpern beschrieben. Die elektrischen und magnetischen Phänomene konnten durch die Arbeiten von Volta, Ampere, Faraday, Maxwell und vielen anderen erklärt werden. Und auch die Zusammenhänge der thermodynamischen Eigenschaften eines Gases, wie Druck, Temperatur und Volumen waren bekannt. Weiterhin gelang es, durch die kinetische Gastheorie diese Größen durch Zurückführung auf mechanische Grundsätze zu erklären und so die mikroskopische Zusammensetzung der Gase aus kleinen Teilchen mit den makroskopischen Größen Druck, Temperatur etc. in Verbindung zu setzen. So kommt z.B. der Druck eines Gases durch die Stöße der Moleküle mit den Behälterwänden zustande. Wenige Ungereimtheiten schienen zu existieren, die man hoffte durch weitere Experimente erklären zu können. Noch ahnte niemand, dass 30 Jahre später das Weltbild der Physik vollständig erneuert sein sollte.

Ausgangspunkt dieser Entwicklung war der sogenannte Schwarze Körper. Näherungsweise sind die Oberfläche unserer Sonne oder eine heiße Herdplatte ein solcher. Schwarze Körper strahlen Licht entsprechend ihrer Temperatur ab. Die Sonne vorwiegend im sichtbaren Bereich, eine heiße rotglühende Herdplatte im roten und infraroten Bereich und so weiter. Die genaue Verteilung des Lichts in Abhängigkeit der Wellenlänge – man spricht vom Spektrum – bei einer bestimmten Temperatur war aus experimentellen Untersuchungen bekannt.

Es existierte aber keine Theorie, die dieses zufriedenstellend erklären konnte. Zunächst gelang nur die Herleitung des Rayleigh-Jeans-Gesetzes, das für lange Wellenlängen (Infrarot) gut mit dem Experiment übereinstimmte, aber im ultra-violetten Bereich des Spektrums, also für kurze Wellenlängen, zur sogenannten Ultra-Violett-Katastrophe führte. Dort wurde die Energiedichte nach Vorhersage des Rayleigh-Jeans-Gesetzes unendlich. Dies hätte bedeutet, dass die Gesamtenergie eines Wärmestrahlers unendlich groß ist – eine Verletzung der Energieerhaltung und ein klarer Widerspruch zu den experimentellen Beobachtungen (Abbildung 1). Im Jahre 1900 löste Max Planck das Problem. Er postulierte unter anderem, dass die Energie im Spektrum nur in Form kleiner Pakete der Größe h f vorhanden ist, wobei f die Frequenz und h das plancksche Wirkungsquantum, eine Naturkonstante, ist. Wegen dieser Pakete spricht man von Quantisierung. Zusammen mit einer weiteren Annahme gelang es Planck so, das experimentelle Spektrum eines Schwarzen Körpers exakt vorher zu sagen.

Dies war nur der Anfang einer rasanten Entwicklung. Basierend auf der Idee der Quantisierung gelang Einstein 1905 die Erklärung des Photoeffektes. Der nächste Schritt war getan. Weitere folgten durch das Bohrsche Atommodell, dessen Erweiterung durch Sommerfeld sowie durch die Experimente von Stern und Gerlach. Schließlich gelangten Schrödinger, Heisenberg und Dirac 1923 zu drei mathematisch äquivalenten Beschreibungen dieser neuen Theorie, der Quantenmechanik.

Welle-Teilchen-Dualismus

Innerhalb von weniger als 30 Jahren hatte sich das Weltbild der Physik total gewandelt. Bei der Erklärung des Photoeffektes durch Einstein hatte dieser Lichtpakete eingeführt, die die kleinstmögliche Energie der elektro-magnetischen Wellen darstellten. Diese Pakete hatten genau wie bei Planck die Größe h f und wurden später als Photonen bezeichnet. Licht bestand also auch aus Teilchen.

Mit dieser Erkenntnis wurden „alte“ Versuche wiederentdeckt. Dazu gehörte das Doppelspaltexperiment von Thomas Young. Was würde passieren, wenn das Experiment mit einer stark abgeschwächten Lichtquelle durchgeführt würde, so dass nur maximal ein Photon in der Apparatur gleichzeitig wäre? Würde dann immer noch ein Interferenzmuster sichtbar werden oder würde es verschwinden, da ein Teilchen schlecht durch beide Schlitze gleichzeitig gehen kann? Dieses Experiment wurde 1909 zum ersten Mal durchgeführt und seitdem mit modernster Technik oft wiederholt: Ein einzelnes Photon wird nur an einer bestimmten Stelle des Schirmes nachgewiesen. Wird dieses Experiment jedoch immer wieder durchgeführt, ergibt sich nach vielen Durchführungen das bekannte Interferenzmuster auf dem Schirm (Abbildung 2).

Wie lässt sich dieses Ergebnis interpretieren? Obwohl während eines Zeitpunktes nur ein Photon durch die Apparatur läuft, scheinen die Photonen zu wissen, an welchen Stellen sie auf den Schirm treffen dürfen, um nachher gemittelt über viele Experimente ein Interferenzmuster zu erzeugen. Die Interpretation nach Wheeler besagt, dass das Interferenzmuster entsteht, weil wir nicht wissen, durch welchen der beiden Spalte das Photon zum Schirm gelangt. Sobald man sich das Wissen darüber verschafft, durch welchen Spalt das Photon gegangen ist, verschwindet das Interferenzmuster. Diese Experimente lassen sich mit moderner Technologie tatsächlich durchführen und bestätigen Wheelers Interpretation.

Licht verhält sich somit nach dem modernen Verständnis sowohl als Welle als auch als Teilchen. Dieser sogenannte Welle-Teilchen-Dualismus ist fester Bestandteil der Quantenmechanik. Das jeweilige Experiment entscheidet, welche Eigenschaft des Lichtes – Welle oder Teilchen – sich offenbart. Dies ist ein sehr sonderbarer Gedanke, der in der klassischen Physik kein Äquivalent besitzt. Er hält jedoch bis jetzt allen experimentellen Überprüfungen stand.

1923 geht de Broglie sogar noch einen Schritt weiter: Jedem Teilchen mit der Masse m und der Geschwindigkeit v lässt sich eine Wellenlänge zuordnen, so dass sich folgern lässt, dass alle quantenmechanischen Teilchen diesem Welle-Teilchen-Dualismus unterliegen. Und so können tatsächlich mit Elektronen, Neutronen und dank moderner Lasertechnologie auch mit Atomen und Molekülen Interferenzexperimente durchgeführt werden.

Eine spannende Frage ist, wie groß Teilchen sein dürfen, bevor dieser quantenmechanische Welle-Teilchen-Dualismus zusammenbricht. Dies ist zurzeit Gegenstand aktueller Forschung.

Erschienen in Rotary Magazin 12/2012

Thomas Walther

Prof. Dr. Thomas Walther ist Professor am Institut für Angewandte Physik der Technischen Universität Darmstadt. 2010 erschien das zusammen mit seinem Vater verfasste Taschenbuch „Was ist Licht? Von der klassischen Optik zur Quantenoptik“ (C.H.Beck)  in der 3. Auflage.

www.tu-darmstadt.de

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