Am Anfang war das Licht

In der heute wohl gängigsten Interpretation der Quantenmechanik, der Kopenhagener Deutung, findet sich das Bild der Superposition (Überlagerung) von Zuständen. Das Photon hat demnach beide Wege genommen. Misst man nun, durch welchen Spalt das Photon gegangen ist, legt man damit den Zustand klar fest. Damit greift man den Teilchencharakter heraus, da sich Teilchen im Unterschied zu einer Welle an einem definierten Ort befinden. In diesem Fall bricht das Interferenzmuster zusammen.

Man kann das Licht also nicht überlisten. Entweder man greift den Teilchencharakter des Lichts heraus und beobachtet keine Interferenz oder man greift den Wellencharakter des Lichts heraus und beobachtet Interferenz. Sprich: Die Messung beeinflusst das System nicht nur, sie legt auch den Zustand des Systems erst fest und entscheidet, ob Interferenz beobachtet wird oder nicht.

Wellencharakter von Materie

Die Entdeckungen rund um das Licht hatten auch in anderen Wissenschaftsbereichen weitreichende Auswirkungen. Denn: Ist dieser Dualismus von Welle und Teilchen auf Licht beschränkt? Der französische Physiker Louis de Broglie machte 1924 den Vorschlag, die duale Beschreibung des Lichts auch auf Elektronen, Neutronen oder Atome (sprich: Materie) auszuweiten.

Mittlerweile wissen wir, dass diese Beschreibung völlig legitim ist und auch Materie als Welle betrachtet werden kann. Das Doppelspaltexperiment wurde später auch mit Elektronen, Atomen und sogar Molekülen durchgeführt: Das Interferenzmuster blieb erhalten. Mithilfe von Wellenlängen, die man Elektronen zuordnen kann, lassen sich auch die diskreten Bahnen des berühmten bohrschen Atommodells erklären, in denen Elektronen in einem Atom stabil sind: Diese entsprechen ganzen Vielfachen der de-Broglie-Wellenlänge der Elektronen (lamda) wie etwa λ, 2 λ, 3 λ etc. Bahnen dazwischen (z.B. 2,5 λ) sind nicht erlaubt.

Diese Erkenntnisse haben unser Verständnis der Natur nachhaltig geprägt. Die mathematische Formulierung solcher Materiewellen wurde schließlich durch den österreichischen Physiker Erwin Schrödinger gefunden. Diese sogenannte Schrödingergleichung ist in der Quantenmechanik ähnlich bedeutend wie die newtonschen Bewegungsgleichungen in der klassischen Mechanik.

Dass wir von solchen „Spinnereien der Natur“ im Alltag nichts mitbekommen, liegt alleine am Maßstab. Die quantenmechanischen Betrachtungen werden erst im Bereich von Molekülen, Atomen und noch kleineren Teilchen relevant und spielen daher in unserer makroskopischen Welt keine Rolle. Die für den Maßstab entscheidende Konstante, das plancksche Wirkungsquantum, hat die „Größe“ h = 0,0000000000000000000000000000000006626 J/s.

Die Reise geht weiter

Mit dem Licht sind viele andere bedeutende physikalische Phänomene verbunden. Einsteins spezielle Relativitätstheorie basiert beispielsweise auf der Annahme, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Bewegung des Beobachters und von der Ausbreitungsrichtung des Lichts ist. Dies wiederum hat, ohne hier weitere Details auszuführen, Auswirkungen auf die Zeit und den Raum, die nun nicht mehr als absolut angenommen werden können, sondern von der relativen Bewegung der Objekte zueinander abhängt.

Die Lichtgeschwindigkeit ist auch eine Begrenzung für die Geschwindigkeit, die Objekte überhaupt annehmen können. Nichts kann sich schneller als Licht bewegen. Die wohl berühmteste Gleichung der Physik, E = mc2, welche die Energie (E) über den Faktor des Quadrates der Lichtgeschwindigkeit (c) der Masse (m) gleichsetzt, steht mit dieser Behauptung in Zusammenhang. Je näher die Geschwindigkeit eines Objektes sich der Lichtgeschwindigkeit annähert, desto größer wird seine Masse und desto mehr Energie wird benötigt, um es weiter zu beschleunigen. Um Lichtgeschwindigkeit zu erreichen, wäre unendlich viel Energie nötig.

Man könnte viele weitere Phänomene aufzählen, die das Licht als Grundlage haben. Fest steht jedoch, dass das Licht nicht nur für Physiker von zentraler Bedeutung ist.

Die Phänomene und Auswirkungen des Lichts sind für uns alle tagtäglich spürbar und beobachtbar. Und auch wenn wir glauben, die Natur des Lichts mittlerweile erforscht zu haben, wage ich zu behaupten, dass die Zukunft noch viele Überraschungen und Wendungen bringen wird. Die Geschichte der Erforschung des Lichts zeigt eine Tendenz des Menschen, das Neue zuerst zu negieren und die Dinge auf die Art zu deuten, die wir schon kennen. Hier knüpfen wir an die Sichtweise der Naturphilosophie an, die uns dazu anhält, über den Tellerrand zu blicken und nicht aufzuhören, Dinge zu hinterfragen und neue Sichtweisen zuzulassen. Nur so kann es Entwicklung geben, wie etwa die revolutionäre Erkenntnis des „sowohl als auch“, die nicht allein auf das Licht beschränkt ist. So schließt sich der Kreis mit Sir Isaac Newton, der schon im 17. Jahrhundert erkannte:

Wenn ich weiter geblickt habe, so deshalb, weil ich auf den Schultern von Riesen stehe.