Geheimnisse der Optik

Was die geometrische Optik nicht erklären konnte, wurde erst verständlich, als Christiaan Huygens aus Den Haag auf die Idee kam, dass Licht sich ähnlich wie Wellen auf dem Wasser ausbreiten könnte. In dieser Theorie der Wellenoptik wird Licht also weiterhin als Strahlung verstanden, die sich jedoch nicht mehr geradlinig fortbewegt, sondern senkrecht zu seiner Ausbreitungsrichtung auf- und abschwingt. Wie die Strahlung mit Materie wechselwirkt, hängt dabei hauptsächlich von ihrer Wellenlänge ab, also dem Abstand zwischen zwei Wellenbergen beziehungsweise Wellentälern. Das Konzept der Wellenoptik setzte sich jedoch erst im 19. Jahrhundert durch. Maßgeblich waren die Doppelspalt-Experimente zur Interferenz von Thomas Young 1803 in London sowie weitere Arbeiten wenige Jahre später von Joseph von Fraunhofer im oberbayerischen Benediktbeuern und von Augustin Jean Fresnel in Paris. Die Forschungen dieser und anderer Physiker machten die Wellentheorie zum vorherrschenden Paradigma, das schließlich in James Clerk Maxwells klassischer Feldtheorie des Elektromagnetismus vollendet wurde.

Das elektromagnetische Spektrum

Das für uns sichtbare Licht mit Wellenlängen zwischen 380 und 750 Nanometern ist nur ein winziger Teil eines viel größeren Spektrums elektromagnetischer Strahlung. Es reicht von niederfrequenten Radiowellen mit Wellenlängen von mehreren Kilometern bis zu den energiereichsten Gammastrahlen, deren Wellenlänge kürzer ist als der Durchmesser eines Atomkerns.

Nach Farben sortierte Wellen

Mit der Wellentheorie des Lichts lässt sich verstehen, warum ein Prisma in der Lage ist, einen weißen Lichtstrahl in ein Farbspektrum aufzufächern: Die Wellenlänge beziehungsweise die Schwingungsfrequenz einer Welle entspricht ihrer Farbe. Weißes Licht ist eine Überlagerung aus Wellen mit vielen verschiedenen Wellenlängen.

Wie schnell sich Licht in einem Medium wie Glas ausbreitet, ist von dieser Wellenlänge abhängig. Langwelliges rotes Licht ist schneller unterwegs und wird daher weniger stark gebrochen als kurzwelliges blaues Licht, das langsamer vorankommt. Dieser Zusammenhang wird in der Physik als Dispersion bezeichnet.

Licht in Portionen

Durch seine Relativitätstheorie wurde Albert Einstein weltberühmt. Doch den Physik-Nobelpreis erhielt er nicht für diese, sondern für eine andere wissenschaftliche Arbeit. Sie hatte den sperrigen Titel „Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt“ und war die Einzige, die er selbst als „sehr revolutionär“ empfand. „Ohne diese Arbeit ist die Entwicklung der Physik im 20. Jahrhundert undenkbar“, sagte der Physiker Res Jost. Und Jürgen Ehlers, Gründungsdirektor des MaxPlanck-Instituts für Gravitationsphysik in Potsdam (auch Albert-Einstein-Institut genannt) meinte, Einsteins Argumentation zeige seine „wunderbare, fast unheimliche Fähigkeit, aus noch unverstandenen experimentellen Tatsachen eine Folgerung herauszudestillieren, die der weiteren theoretischen Grundlagenforschung den Weg weist“.

Eine dieser Tatsachen war der damals bereits gut vermessene, aber unverstandene Photo-Effekt. Er betrifft Wechselwirkungen von Strahlung und Materie und hat inzwischen viele technische Anwendungen – etwa in Solarzellen. Schon ab 1839 erkannte man, dass Licht unter bestimmten Umständen Ladungsträger aus metallischen Oberflächen freisetzen kann. Doch nur, wenn Strahlung mit genügend hoher Frequenz auf Metall trifft. Einstein erklärte dies folgendermaßen: Die Energie der Strahlung, die auf eine Metallplatte trifft, muss Elektronen aus dem Atomverband herausschlagen, was eine vom Material abhängige Mindestenergie erfordert. Die überschüssige Energie der Strahlung tragen dann die Elektronen als Bewegungsenergie davon.

Doch diese Erklärung ist nur dann plausibel, wenn sich die Energie und somit die Strahlung nicht kontinuierlich im Raum verteilt, sondern gequantelt ist, also von nicht weiter teilbaren Portionen gebildet wird. Wäre die Strahlung eine elektromagnetische Welle, wäre ihre Energie proportional zur Intensität der Strahlung. Dann müsste die Energie der herausgeschlagenen Elektronen abnehmen, wenn man den Abstand der Strahlenquelle vergrößert, da dies mit einer Verringerung der Intensität einhergeht. Gemessen wurde jedoch eindeutig, dass zwar mit abnehmender Strahlungsintensität weniger Elektronen frei werden, dass aber deren individuelle Energien unabhängig von der Intensität sind.

Begründung der Quantenphysik

Max Planck hatte schon 1900 nachgewiesen, dass die Wärmestrahlung diskret, also quantisiert ist (obwohl er das selbst noch viele Jahre lang nicht akzeptieren wollte). Er führte das nach ihm benannte Plancksche Wirkungsquantum h mit dem Wert 6,62607015  ·  10–34 Joulesekunden ein  –  eine grundlegende Naturkonstante. Indem h mit der Frequenz n des Lichts multipliziert wird, kann dessen Energie berechnet werden. Mit der Entdeckung dieser Beziehung E = h  ·  ν legte Planck daher den Grundstein für die Quantenphysik.

Einstein errechnete damit die Bewegungsenergie der freigesetzten Ladungsträger beim Photo-Effekt – und die Ergebnisse stimmten exakt mit den Messungen überein. Auf ein einzelnes Elektron wird dabei stets dieselbe Mindestenergie übertragen. Demnach wird jedes Elektron durch ein ganzes, unteilbares Lichtquant aus dem Atomverband herausgeschlagen. Licht besteht somit, wie Einstein es 1909 ausdrückte, „aus einer endlichen Zahl von in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden können“.

Einstein sprach von Lichtquanten; auch von Lichtteilchen, -korpuskeln und -atomen war bald die Rede  –  alles etwas missverständlich, zumal sie nicht nur die Träger des sichtbaren Lichts sein sollten, sondern der gesamten elektromagnetischen Strahlung. 1926 prägte der Chemiker Gilbert Newton Lewis in der Zeitschrift Nature den Begriff der Photonen (von griechisch phos: Licht), meinte damit freilich etwas anderes: eine Art unzerstörbares Austauschteilchen bei der Emission und Absorption von Licht. Trotzdem setzte sich der Begriff durch, allerdings erst nach dem Zweiten Weltkrieg.

Rätselhafter Dualismus

Mit seiner Erklärung des Photo-Effekts kehrte Einstein zu einer bereits 1704 von Isaac Newton favorisierten  –  und ähnlich schon im alten Indien und in der griechischen Antike verbreiteten – Auffassung zurück, dass Licht aus Partikeln besteht. Eine Teilchentheorie kann zwar Streuung und Reflexion ebenso gut erklären, nicht jedoch die anderen Phänomene. Die Entdeckung der Quantennatur der Strahlung, ein überraschender Rückfall zur Teilchentheorie, bedeutete einen vernichtender Schlag gegen die Wellentheorie und war wahrlich „sehr revolutionär“.

Was Strahlung wirklich ist, bleibt bis heute umstritten. In der Quantenphysik wird oft von einem Dualismus oder einer Komplementarität von Welle und Teilchen gesprochen beziehungsweise von verschiedenen experimentellen Perspektiven auf ein begrifflich unscharfes Phänomen. Für den Praktiker genügt das völlig  –  für viele Naturphilosophen ist es unbefriedigend. Sie verlangen, noch mehr Licht ins Licht zu bringen.