Am Anfang war das Licht

Was ist Licht?

Ein scheinbar unscheinbares Phänomen, das wir alle tagtäglich erleben, hat selbst die größten Wissenschaftler der Neuzeit an die Grenzen des Verstandes geführt. Die Forschungen rund um dieses Phänomen haben zudem ein neues Licht auf viele andere Wissenschaftsbereiche geworfen. Letztlich hat die Frage über die Natur des Lichts die Physik zu einer Revolution über das Verständnis der Materie selbst geführt.

Die Bühne wird vorbereitet. Die Frage nach der Natur des Lichts bereitete den Wissenschaftlern der Neuzeit schon im 17. Jahrhundert Kopfzerbrechen.

• Niemand Geringerer als der Engländer Sir Isaac Newton vertrat die sogenannte Korpuskeltheorie, die besagt, dass das Licht aus kleinsten leuchtenden Teilchen besteht,
• während der niederländische Mathematiker und Physiker Christiaan Huygens jenes Modell für richtig hielt, das das Licht als Welle beschreibt. Die Teilchentheorie konnte optische Effekte wie Reflexion erklären, andere wie Beugung oder Brechung jedoch nicht. Durch das physikalische „Schwergewicht“, das Newton ohne Zweifel besaß, gab es nach seinem Tod 1727 trotz überzeugender Argumente Huygens unter den Wissenschaftlern dennoch wenig Zweifel, dass er sich irren hätte können.
• Doch im Jahr 1802 führte Thomas Young erstmals das sogenannte Doppelspaltexperiment durch, das stichhaltige Beweise für die Wellennatur des Lichts lieferte. Dabei wird Licht auf eine Blende gestrahlt, in der sich zwei schmale, parallele Spalten befinden. Hinter der Blende wird das Licht auf einem Schirm detektiert. Das dabei beobachtete Interferenzmuster mit mehreren sich abwechselnden hellen und dunklen Bereichen konnte nur dadurch dargelegt werden, dass sich das Licht als Welle ausbreitet. Wenn Wellentäler auf Wellenberge treffen, heben sie sich gegenseitig auf, was die dunklen Stellen auf dem Schirm aufzeigen. Treffen beispielsweise zwei Wellenberge aufeinander, entsteht durch positive Interferenz eine Verstärkung, womit die hellen Stellen am Schirm erläutert werden können.Die Publizierung seiner Ergebnisse, die heute als einer der wichtigsten Beweise für die Wellennatur des Lichts gelten, brachte zunächst jedoch nicht den erwarteten Durchbruch, sondern in erster Linie Kritik. Newton infrage zu stellen, war nicht gerne gesehen. Young zollte Newton Respekt, war aber der Ansicht, dass er deswegen nicht glauben musste, dieser wäre unfehlbar gewesen. Die Autoritätswirkung, die Newton auf die Nachwelt hatte, habe, so Young, den wissenschaftlichen Fortschritt womöglich sogar verlangsamt.

Nichts hemmt den Fortschritt so, als aufzuhören zu hinterfragen und einfach dogmatisch zu glauben.

• Erst durch weitere Experimente in den nachfolgenden Jahrzehnten schien der geeignete Augenblick für die Anhänger der Wellentheorie zu kommen. Ein weiteres Puzzlestück kam aus einer unerwarteten Richtung. James Clerk Maxwell stellte bis ins Jahr 1864 die grundlegenden Gleichungen zur Beschreibung des Elektromagnetismus zusammen (sog. „Maxwell-Gleichungen“). Messungen ergaben, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum genau jener des Lichtes entsprach. Das führte zu der bahnbrechenden Erkenntnis, dass es sich beim Licht um eben solche elektromagnetischen Wellen handle. Der für den Menschen sichtbare Anteil des Lichts ist ein sehr kleiner spektraler Bereich zwischen 380 und 780 nm, der Rest ist unsichtbar. Die Natur des Lichts schien damit endgültig geklärt.

Die unbeliebte Revolution

Doch im Jahr 1900 ereignete sich etwas, das die Physik und unser Naturverständnis bis in die heutige Zeit dramatisch verändern würde. Auch das Licht sollte dieser neuen Entwicklung nicht entkommen. Ein scheinbar unbedeutendes Problem, die abgestrahlte Energie eines schwarzen Körpers in Abhängigkeit der Frequenz zu beschreiben, sollte eine Revolution in der Physik auslösen. Max Planck löste das Problem, indem er die Energieabgabe nicht als kontinuierlich annahm, sondern diskret in der Vielfachen einer Konstante, dem planckschen Wirkungsquantum. Zunächst, sogar von Planck selbst, nur als lästiger, aber notwendiger Formalismus abgetan, den man so schnell wie möglich loshaben wollte, stellte sich bald heraus, dass es die bedeutendste Weiterentwicklung der Physik seit Newton werden würde: Es war die Geburtsstunde der Quantenmechanik.

Wie so oft in der Geschichte wurde mit allen Mitteln versucht, am Bekannten festzuhalten und diese unbeliebten Quanten zu vermeiden. Jedoch ohne Erfolg.

Im Jahr 1905 interpretierte ein zu dem Zeitpunkt unbekannter Mitarbeiter des Berner Patentamtes, Albert Einstein, die Ursache des sogenannten fotoelektrischen Effekts. Dieser Effekt beschreibt das Loslösen von Elektronen aus einem Metall durch die Einstrahlung von Licht. Doch die beobachteten Ergebnisse passten nicht mit der Annahme, das Licht sei eine Welle, zusammen. So werden Elektronen z. B. erst ab einer gewissen Grenzfrequenz des Lichts herausgelöst. Außerdem hängt ihre Geschwindigkeit nicht von der Strahlungsintensität ab, sondern nur von der Farbe (Frequenz) des Lichtes. Einsteins Postulat: Licht besteht nicht aus Wellen, sondern aus teilchenähnlichen Quanten, genannt Photonen, deren Energie (E) von der Frequenz (v) abhängt (E = hv). Erst ab einer bestimmten Frequenz ist die Energie groß genug, um die Bindungsenergie der Elektronen überwinden zu können. Je größer die Frequenz der Photonen, desto mehr Energie wird auf die Elektronen übertragen und desto größer ist ihre Geschwindigkeit. Damit konnte sowohl die Grenzfrequenz als auch die Farbabhängigkeit erklärt werden. Im Jahr 1905 glich diese Annahme einer physikalischen „Blasphemie“.

Die Trägheit wissenschaftlicher Theorien schien auch vor Einstein nicht halt zumachen. Erst im Jahr 1922 würde er für diese Entdeckung den Nobelpreis bekommen.

Welle und Teilchen?

Nun schien die Physik, was das Licht betrifft, wieder zurück am Start. War das Licht nun eine Welle oder ein Teilchen? Heute wissen wir, dass beides stimmt. Licht hat sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften, die je nach Betrachtungsweise stärker ausgeprägt sind, jedoch nie zugleich auftreten. Mit der Quantenmechanik musste sich die Physik von den „einfachen“ Vorstellungen der klassischen Mechanik und so manchen sicher geglaubten Dogmen loslösen.

• Wie aber können wir nun das Interferenzmuster des Doppelspaltexperiments anhand von Photonen erklären?
• Wie kann ein Photon, das durch einen Spalt tritt, wissen, wo es auf der Beobachtungsebene auftreffen darf und wo nicht?

Man könnte meinen, dass es eine Art Informationsaustausch mit jenen Photonen geben kann, die durch den anderen Spalt gegangen sind. Doch das Experiment wurde auch mit so schwacher Lichtintensität durchgeführt, dass Photonen einzeln und hintereinander ausgesandt wurden. Auch in diesem Fall fand man ein Interferenzmuster, obwohl es nichts gab, womit das Photon interferieren konnte.