- Kapitel 3 -
Das Licht und seine Natur

Die Frage „Was ist Licht“ beschäftigt die Wissenschaft noch heute. Genau ist diese Frage nämlich  bisher nicht zu beantworten.


Die Korpuskeltheorie

Für Isaac Newton bestand Licht aus kleinen Teilchen, die neben den Atomen existieren, sog. Korpuskeln. Diese Erklärung erschien zunächst auch glaubhaft, denn man konnte damit einige Phänomen befriedigend erklären. Soz. B. die Reflexion des Lichtes: Wie Sie sicherlich noch aus der Schule wissen gilt bei Lichtreflexionen, dass Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel ist. Der Winkel, in dem das Licht auf eine reflektierende Fläche trifft entspricht dem Winkel mit dem das Licht zurückgeworfen wird. Ein Gummiball den man auf den Boden wirft verhält sich ebenso, was die Teilchentheorie der Korpuskeln untermauert.
Auch ein weiteres Phänomen ließ sich, wenn auch nur unbefriedigend, mit der Korpuskeltheorie darstellen: Wenn man einen Stock in klares Wasser hält und von oben auf die Wasseroberfläche schaut, so stellt man fest, dass der Stock geknickt erscheint, obwohl er es nicht ist. Die Korpuskelerklärung hierfür: Die kleinen Teilchen bewegen sich in Wasser schneller als in Luft. Dadurch kommt diese optische Täuschung zustande.


Die Wellentheorie

Bestimmte Phänomene ließensich so jedoch nicht erklären. So entwickelte sich parallel zur Korpuskeltheorie die Wellentheorie des Lichts, primärdurch den Niederländer Christiaan Huygens (1629-1695) im Jahre 1678. Dabei haben diese Lichtwellen Ähnlichkeit mit Wasserwellen. Das Ausbreitungsmedium ist jedoch nicht Wasser sondern etwas was Äther genannt wurde. Ich habe diesen „Stoff“ bereits oben kurz erwähnt und als einen der fünf Urstoffe vorgestellt. Man stellte sich vor, dass der Äther das gesamte Universum durchzieht, ohne dass man diesen direkt spürt. Von diesem Medium sollten die Lichtwellen getragen werden, ähnlich wie Wasser Träger der Wasserwellen ist.
Die Wellentheorie führte neben der Korpuskeltheorie jedoch leider nur ein Schattendasein. Es dauerte 100 Jahre bis man sich mit ihr wieder intensiver auseinander setzte. Ursächlich dafür war eine Vorstellung, welche Thomas Young vertrat. Er übertrug eine Beobachtung, welche man auf Wasseroberflächen machen kann auf die Wellen des Lichts: Wenn man auf eine ruhige, gänzlich unbewegte Wasseroberfläche eine Stein wirft, so breitet sich eine Welle in kreisen um diesen Stein aus. Diese Beobachtung haben wir sicherlich alle schon einmal gemacht. Dabei kann man leicht zwischen Wellenbergen und Wellentälern unterscheiden, da das Wasser eine Art Sinuskurve um den Stein beschreibt. Machen wir es nun ein wenig komplizierter: Nimmt man zwei Steine und wirft sie in geringem Abstand in das Wasser, so verursachen beide kreisförmige Wellenbewegungen auf der Oberfläche des Wassers. Zu einem gewissen Zeitpunkt treffen die beiden verursachten Wellenbewegungen aufeinander. Jetzt kann man folgendes Beobachten: Treffen zwei Wellenberge bzw. Wellentäler zusammen, so addieren sich diese auf. Der Wellenberg wird also noch höher bzw.das Wellental noch tiefer. Treffen jedoch Wellenberg und Wellental aufeinander so wird von der Höhe (besser: der Energie) des Wellenberges die Energie des Wellentales abgezogen. Das Ergebnis ist entweder ein Wellenberg geringerer Höhe, bzw. Energie oder sogar ein Wellental, wenn die „negative Energie“ des Wellentales die „positive Energie“ des Wellenberges überstieg. Ist die Energie des Wellentales exakt gleich der Energiedes Wellenberges so heben sich beide Effekte sogar auf und das Ergebnis ist eine glatte Wasseroberfläche. Das Verstärken bzw. Auslöschenvon Bergen und Tälern nennt man Interferenz.


Young übertrug dies nun auf Lichtwellen. Wenn man Licht nicht als Teilchen sondern als Welle auffassen würde, so seine Vorstellung, dann könnten sich auch hier Wellenberge und Täler gegenseitig auslöschen. Eine Vorstellung mit der sich plötzlich physikalische Experimente erklären ließen, an der die Korpuskeltheorie zuvor gescheitert war. Es konnte sogar gezeigt werden, dass alle ungelösten optischen Experimente zu Beginn des 19. Jahrhunderts erklärt werden konnten. Das war der Beginn des Siegeszuges der Wellentheorie des Lichts. Einige wichtige optische Experimente seien hier dargestellt, da sie für die weitere Entwicklung der Quantentheorievon großer Wichtigkeit waren.


Die Wellentheorie als Erklärung für Interferenzmuster

Lässt man Licht durch einen kleinen Spalt in eine abgedunkelte Kistefallen, so stellt man etwas fest, was mit der herkömmlichen Teilchentheorie nicht mehr zu erklären war. Geht man von der Teilchengestalt des Lichtsaus, so müsste bei diesem Experiment folgendes passieren: Das Licht fällt durch den Spalt in die Kiste, durchquert den Raum geradlinig und trifft am anderen Ende auf die Wand der Kiste auf, wo wir ein klar begrenztes Abbild des Eingangslichtes haben. In Wirklichkeit jedoch ist das Abbild an den Rändern ausgefranst und vor allem ist das beleuchtete Gebiet der Rückwand größer als der Spalt. Wie kann das aber sein, wenn Licht die Kiste geradlinig durchläuft? Die Erklärung hierfür ist die Wellentheorie: Man stelle sich vor, eine Wasserwelle steuert auf eine Wand zu, in der es nur einen kleinen Schlitz gibt. Was wird passieren? Trifft die Welle auf die Wand auf, so durchdringt sie diese an der Stelle des Schlitzes. Von hier aus baut sich eine neue Welle auf, welche in Halbkreisen weiterläuft. Bei unserem Experiment trifft die Lichtwelle also auf den Durchlass, bildet neue Halbkreise und läuft von dort weiter. Somit ist erklärbar warum das Licht ausgefranst an der Rückwand ankommt. Es sind keine geradlinigen Lichtstrahlen die den Raum durchlaufen, sondern gebeugte Lichtwellen.

Dieses Experiment kann man nun noch etwas komplizierter gestalten. Nachdem das Licht den ersten Schlitz durchdrungen hat, steuert die neu erzeugte Lichtwelle auf die Rückwand zu, in der sich jetzt jedoch noch einmal zwei vertikale Lichtschlitze nebeneinander befinden. Die vorher erzeugte Lichtwelle wird an den beiden Schlitzen noch einmal aufgeteilt. Das Ergebnis sind zwei Lichtwellen, die sich hinter  den beiden Durchlässen ausbreiten. Ich glaube Sie ahnen schon worauf dieses Experiment hinaus will. Sie wissen, dass sich bei zwei Wasserwellen Wellenberge und Täler, je nach Situation, addieren bzw. subtrahieren oder sogar gegenseitig auslöschen. Genau dies passiert bei diesem Experiment: Auf der Rückwand lässt sich kein einheitliches Licht erkennen, sondern abwechselnd dunkle und helle Bereiche, das sog. Interferenzmuster. Die hellen Bereiche markieren Stellen, an denen sich Licht  verstärkt hat, die dunklen hingegen Bereiche, in denen sich Licht abgeschwächt bzw. ausgelöscht hat.




Licht als elektro-magnetische Welle  
     
Bei der Beschreibung atomarer Eigenschaften habe ich bereits von elektrisch positiver bzw. negativer Ladung gesprochen. Tatsächlich ist Elektrizität nichts weiter als eine Bewegung von Ladungsträgern. Ladungsträger können z.B. Elektronen (negative Ladung) oder Protonen (positive Ladung) sein. Sie haben aber auch gelernt, dass ganze Atome eine Ladung haben können, wie das schon so oft zitierte Alphateilchen, welches ein Heliumkern ohne Elektronen darstellt, und somit zweifach positiv geladen ist. Ein geladenes Teilchen kann Kraft auf andere geladene Teilchen ausüben. So können sich zwei gleich geladene Teilchen abstoßen bzw. entgegengesetzt geladene anziehen. Den Wirkungsbereich der elektrischen Kraft um ein geladenen Teilchen nennt man elektrisches Feld. Es nimmt mit zunehmender Entfernung zum Teilchen ab.
Ein Magnet ist uns allen von Schulexperimenten mit Stabmagneten bekannt.Wir haben alle in der Schule gelernt, dass ein Magnet über zwei entgegengesetzte Pole verfügt: einem Nord- und einem Südpol. Auch hier gilt das schon bekannte Gesetz: gleichnamige Pole stoßen sich ab, entgegengesetzte Pole ziehen sich an. Ein Magnet hat die Fähigkeit andere magnetische Objekt (z. B. Eisen) anzuziehen. Das Gebiet in dem die Kraft um einen magnetischen Körper wirkt nennen wir Magnetfeld. Auch dieses nimmt mit zunehmender Entfernung zum Verursacher ab.
Schon durch diese Beschreibung wird ersichtlich, dass elektrische und magnetische Felder viele Gemeinsamkeiten haben. Dies fiel auch dem schottischen Physiker James Clerk Maxwell auf (1831-1879). Den Resultaten seiner Forschung nach verursacht eine bewegte elektrische Ladung immer auch ein Magnetfeld. Während ein Elektron den Kern eines Atoms umkreist, verursacht es also auch automatisch ein magnetisches Feld. Maxwell ging jedoch noch viel weiter: Durch hervorragende mathematische Leistungen schaffte er es die elektrische und magnetische Kraft als zwei Auswirkungen eines elektromagnetischen Feldes zu beschreiben und die Anzahl der Formeln, die beide Feldtypen mathematisieren auf vier Formeln zu reduzieren, die beide Felder gleichzeitig erfassen. Man kann also jedes elektrische oder magnetische Feld auch als elektromagnetisches Feld behandeln – man muss nicht zwischen ihnen unterscheiden.
Eine weitere wichtige Erkenntnis war, dass ein sich veränderndes elektrisches Feld ein magnetisches Feld verursacht und umgekehrt. Baut sich also ein elektrisches Feld auf (es wird stärker), so verändert es sich und verursacht ein magnetisches Feld, welches sich seinerseits aufbaut und dadurch wiederum ein elektrisches Feld verursacht, usw. Es hat zwar noch eine Weile gedauert bis diese Forschungsergebnisse wirklich anerkannt worden sind, aber heute wissen wir, dass Licht als elektromagnetische Welle aufgefasst werden kann. 
Da ein elektrisches Feld ein magnetisches hervorruft und umgekehrt braucht es kein Medium, um durch den Weltraum zu reisen – es ist sozusagen selbst erhaltend. Somit wurde der Begriff des Äthers überflüssig – dieses Medium zum Transport des Lichtes war nicht mehr nötig. Zum Glück – denn, wie sich bald herausstellen sollte gibt es den Äther nicht.
Mit Frequenz bezeichnet man die Anzahl der Schwingungen im elektromagnetischen Feld pro Sekunde. Um so höher die Frequenz, um so höher die Energie dieser sog. elektromagnetischen Welle.
Nun lässt sich auch leicht erklären was Gammastrahlung ist: Sie ist nichts weiter als eine elektromagnetische Welle mit sehr hoher Frequenz (also hohem Energiegehalt). Der Frequenzbereich liegt bei 1020 Hertz und höher (Hertz steht für „Schwingungen pro Sekunde“). Röntgenstrahlung hingegen hat eine etwas geringere Hertzzahl. Auch diev erschiedenen Farben, welche wir wahrnehmen können haben unterschiedliche  Schwingungsfrequenz vom energiereichen blau bis hin zum energieärmeren rot. Weißes Licht ist eine Überlagerung aller anderen Farben – sozusagen ein Wellenrauschen. Eine Brille, durch die man nur rot sieht, filtert das von den Objekten der Umgebung ausgesandte Licht und lässt nur das Licht mit „roter Wellenlänge“ durch – alle anderen Frequenzen werden absorbiert bzw. reflektiert. 

Zu Beginn dieses Kapitels sagte ich, dass die Wissenschaft nicht genau weiß was Licht ist. Es scheint doch jetzt aber so, als hätten wir eine befriedigende Antwort gefunden. Das scheint aber auch nur so! In Wirklichkeit ist das hier gesagte nur die halbe Wahrheit. Das wissenschaftliche Durcheinander wird seinen Lauf nehmen – verlassen Sie sich darauf. Zunächst möchte ich jedoch Ihre Vorstellungskraft mit etwas ganz anderem auf die Probe stellen: Der Einsteinschen Relativitätstheorie. Viel Spaß dabei!!


Zusammenfassung

Zunächst hatte sich die Korpuskeltheorie in der wissenschaftlichen Landschaft durchgesetzt, erst Christiaan Huygens und Thomas Young brachten Argumente für die Wellentheorie des Lichts ein, welche viele Physiker umstimmten. Ein Argument war die Erklärung für das Phänomen der Interferenz. James Clerk Maxwell führte diesen Gedanken fort und schaffte eine mathematische Vereinheitlichung von elektrischer und magnetischer Kraft. Seiner Vorstellung zu folge ist Licht eine elektromagnetische Welle, wobei ein sich veränderndes elektrisches Feld ein magnetisches hervorruft und andersherum. Die Wellenlänge der Schwingung repräsentiert die Art des Lichts.