«Und Gott sprach: Es werde Licht! Und es wurde Licht. Und Gott sah, dass das Licht gut war. Und Gott schied das Licht von der Finsternis. Und Gott nannte das Licht Tag und die Finsternis nannte er Nacht.» So steht es in der Bibel. Aber, lieber Gott: Es bleiben noch so viele Fragen offen! Was genau ist Licht, wie entsteht es, wie verbreitet es sich? Willkommen zu einer kurzen Geschichte des Lichts.
Aus dem Auge oder ins Auge?
Man stelle eine beliebige philosophische oder naturwissenschaftliche Frage. Wer wird dazu wahrscheinlich erste Antwortversuche geliefert haben? Richtig, die alten Griechen. Schon Aristoteles & Co. haben sich gewundert, was Licht ist – und warum beziehungsweise wie wir die Welt mit unseren Augen wahrnehmen können. Vor Aristoteles herrschte eine Zeit lang die Meinung, Licht werde vom Auge ausgesandt. Man stellte sich das Auge also als eine Art Scanner vor, das mit Hilfe seines eigenen Lichts Objekte sichtbar mache.
Kein Wunder also, dass man auch heute noch vom Augenlicht spricht. Aristoteles, der 384 vor Christus geboren wurde, verwarf diese Vorstellung. Er war überzeugt, dass Licht in den Objekten sei, sich aber nicht bewege. Denn wenn es sich bewegen würde, so müsste es eine unfassbar hohe Geschwindigkeit haben. Was genau Licht ist, konnte er aber auch nicht sagen.
Wir sehen: Die alten Griechen haben ganz nette Versuche unternommen, das Wesen des Lichts zu verstehen. Aber so richtig Fahrt nahm das Ergründen der Geheimnisse rund ums Licht erst viel später auf. Genauer gesagt: mit Isaac Newton, einem englischen Naturforscher, der am 4. Januar 1643 das Licht der Welt erblickt hat. Zu Beginn des 18. Jahrhunderts hat Newton seine «Optik» verfasst. Darin beschreibt er zum Beispiel den Weg von Lichtstrahlen durch ein Prisma. Die antike Vorstellung besagte, Licht sei von Natur aus weiss. Durch seine Versuche konnte Newton zeigen, dass weisses Licht aus unterschiedlichen Farben zusammengesetzt ist: Das Prisma zerlegt das Licht in seine verschiedenen Farben. Newton schloss daraus, dass Licht aus einzelnen Partikeln besteht, die zusammen einen Lichtstrom ergeben. Aber wie konnte er ganz sicher sein? Es gab nämlich auch Anzeichen, die darauf hindeuteten, dass Licht eine Wellenbewegung sein musste: Wenn Licht zum Beispiel ein Gitter durchquert, können verschiedene Farbeffekte entstehen.
Frust mit dem Äther
Anfang des 19. Jahrhunderts wollte der britische Forscher Thomas Young den Spekulationen ein Ende bereiten. Ob Licht Welle oder Teilchen ist, musste doch abschliessend geklärt werden können! Am Ende seiner Versuche stand die Erkenntnis, dass Licht eine Welle war. Und es ergab sich eine neue drängende Frage: Durch welches Medium verbreiten sich die Lichtwellen? So wie Wasserwellen Wasser als Medium benötigen und Schallwellen sich in der Luft ausbreiten, musste es auch ein Medium für Lichtwellen geben. Licht breite sich in einem Äther aus, hiess es unter Forschern rasch. Wie aber konnte man sich diesen Äther vorstellen? Schnell wurde klar: Der Äther hatte vor allem eines – ein enormes Frustrationspotenzial. Die Forschung kam diesem möglichen Medium von Lichtwellen einfach nicht auf die Spur.
Und dann kam Michael Faraday: Er hatte im 19. Jahrhundert elektrische und magnetische Felder entdeckt und herausgefunden, dass Licht und Magnetismus miteinander verbunden sind. Seine Entdeckungen wurden von dem schottischen Forscher James Clerk Maxwell aufgenommen. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts stiess er auf die elektromagnetische Welle: Maxwell zeigte, dass sich elektrische und magnetische Felder als elektromagnetische Wellen durch den Raum bewegen. Auch Licht, so die Erkenntnis von Maxwell, ist eine elektromagnetische Welle. Diese Wellen brauchen kein Medium wie den Äther. Sie sind sich selbst genug. Wie einfach wäre es, wenn wir das Kapitel «Was ist Licht?» hier abschliessen und es bei Maxwells Erkenntnis belassen könnten!
Aber das Geheimnis war noch lange nicht gelöst. Im Jahr 1900 stellte der Physiker Max Planck eine Entdeckung vor, die wir heute unter dem Namen Planck’sches Wirkungsquantum kennen. Planck hatte bei der Untersuchung der Energie von Lichtstrahlung eine aussergewöhnliche Idee. Er nahm an, dass sich Strahlungsenergie nicht in fliessenden, sondern in unstetigen Übergängen erhöht. Die Energie von Lichtstrahlung, so beschrieb er es, musste immer das ganzzahlige Vielfache eines bestimmten Wirkungsquantums sein. Der Begriff «Quantum» steht übrigens für eine Menge, so wie der Begriff «Quantität». Die Energiemenge der abgegebenen Strahlung kann laut Max Planck also nicht beliebig aufgeteilt werden. Sie erhöht sich nicht fliessend, sondern häppchenweise.
Als Max Planck seine Ergebnisse vorstellte, war ihm noch nicht klar, was sie für die Vorstellung vom Wesen des Lichts bedeuten würden. Er ging nach wie vor davon aus, dass Licht eine Welle sein musste. Aber auf einmal war da dieser ambitionierte Forscher, der immer alles ganz genau wissen musste. Sein Name: Albert Einstein. Und seine Erkenntnis über das Licht war nicht nur für Max Planck verwirrend.
Einsteins Lichtblick
Wikimedia CommonsAlbert Einstein (1879-1955). Das offizielle Nobelpreis-Foto.
Albert Einstein, das ist der Physiker, der unsere Vorstellung von Raum und Zeit ordentlich durcheinander gewirbelt hat. Seit ihm wissen wir, dass der Raum gekrümmt ist und zusammen mit der Zeit eine Einheit bildet, dass E = mc² ist und daraus so fatale Dinge wie die Atombombe entstehen können. Einstein sind in seiner Karriere als Physiker viele Lichter aufgegangen. Und auch er hat sich mit dem Wesen des Lichts beschäftigt. Für seine Entdeckung des fotoelektrischen Effekts aus dem Jahr 1905 hat er im Jahr 1922 einen Nobelpreis bekommen.
Der Effekt, für den Einstein geehrt wurde, lässt sich anhand eines einfachen Experiments erklären: Wir bestrahlen eine metallische Oberfläche, zum Beispiel eine Zinkplatte, mit einer Lichtquelle. Durch die Bestrahlung mit Licht werden aus der Metallplatte Elektronen herausgelöst. Das Verwunderliche dabei: Trifft ultraviolettes Licht aufs Metall, so treten Elektronen aus. Wählt man aber rotes Licht, dann passiert: nichts. Egal wie sehr man die Intensität, also die Strahlkraft des roten Lichts erhöht, es treten keine Elektronen aus. Wieso löst das langwellige rote Licht keine Elektronen aus der Zinkplatte, das kurzwellige ultraviolette aber schon?
Wie schnell ist Licht – und kann man es bremsen?
Einstein nahm Plancks Entdeckung von der häppchenweisen Erhöhung der Strahlungsenergie ernst und kam deshalb zu folgendem Schluss: Licht muss sich in Form von Quanten fortbewegen, deren Energie von der Wellenlänge abhängig ist. Ein rotes Quant hat dabei weniger Energie als ein blaues oder ein ultraviolettes. Wenn eine elektromagnetische Lichtwelle auf eine Metallplatte trifft, können Lichtquanten nur dann Elektronen aus dem Metall lösen, wenn sie genug Energie besitzen.
Wäre Licht einfach nur eine Welle, dann würde man einen fliessenden Übergang hin zur Fähigkeit, Elektronen zu lösen, erwarten. Doch Licht weist an dieser Stelle einen ungewöhnlichen Charakter auf: Wie man es nur bei Teilchen erwarten würde, hat Lichtstrahlung erst ab einer bestimmten Wellenlänge ganz plötzlich und ohne fliessenden Übergang genug Energie, Elektronen aus der Zinkplatte zu lösen. Einstein vermutete nun, was niemand zuvor für möglich gehalten hatte: Licht musste gleichzeitig Eigenschaften einer Welle und eines Teilchens aufweisen. Licht war also nicht mehr nur eine Welle.
Licht bleibt geheimnisvoll
Max Planck ging das zu weit. 1913, als er Albert Einstein für die Aufnahme in die Preussische Akademie der Wissenschaft empfahl, schrieb er: Dass Einstein «in seinen Spekulationen gelegentlich auch einmal über das Ziel hinausgeschossen haben mag, wie zum Beispiel in seiner Hypothese der Lichtquanten, wird man ihm nicht allzu schwer anrechnen dürfen; denn ohne einmal ein Risiko zu wagen, lässt sich auch in der exaktesten Naturwissenschaft keine wirkliche Neuerung einführen.» Doch wie bereits erwähnt: Albert Einstein bekam für seine Entdeckung des fotoelektrischen Effekts den Nobelpreis.
Wie entsteht Licht?
iStock/higgsDie Entstehung eines Photons im Bohr’schen Atommodell. Der dänische Physiker Niels Bohr stellte sich Anfang des 20. Jahrhunderts vor, dass Elektronen wie auf Planetenbahnen um einen Atomkern kreisen. Ganz korrekt ist diese vereinfachte Darstellung nicht, aber sie hilft, sich die Entstehung von Licht vorzustellen.
Und das ist unser heutiger Stand: Wir sprechen beim Licht vom Welle-Teilchen-Dualismus, der mehr Fragen aufwirft als alle bisherigen Erkenntnisse über das Licht. Licht ist – und bleibt wohl noch länger – ein Wunder, über das es sich weiterhin zu wundern lohnt.
Licht kann auf verschiedene Art entstehen. Eine davon ist diese: In Atomen befinden sich Elektronen innerhalb der Atomhülle in Zuständen mit unterschiedlicher Energie. Wenn ein Elektron von einem Zustand mit höherer Energie in einen Zustand mit niedrigerer Energie wechselt, wird die überschüssige Energie in Form eines Photons, also eines Lichtteilchens, abgegeben. Bei einer Licht emittierenden Diode (LED) wirkt sich das so aus: Eine Diode besteht aus zwei verschiedenen leitenden Materialien, die den Strom in nur eine Richtung leiten. Die Elektronen in einem der Materialien gewinnen bei diesem Vorgang einen höheren Energiezustand. Diese zusätzliche Energie wird in Form von Licht freigesetzt, wenn die Elektronen an das andere Material abgeben werden.
Der Mann mit den 2000 Patenten
Erfinder Thomas Edison
Wikimedia Commons/MarkthorpeDer umtriebige Thomas Alva Edison (1847-1931). Die Glühbirne war nicht seine einzige Erfindung, weltweit hatte er über 2000 Patente.
Im Jahr 1879 leitete der US-amerikanische Erfinder Thomas Edison eine wahre Revolution im Beleuchtungssektor ein. Er entwickelte einen haltbaren Glühfaden – mit einer Brenndauer von damals nicht einmal zwei Tagen. Aber immerhin, die ersten Schritte zum elektrischen Licht waren getan. Der Erfinder der Glühbirne schaffte es zudem, ein ganzes System aus Stromerzeugung, Verteilung, Schaltern und Sicherungen aufzubauen, sodass das elektrische Licht einfach genutzt werden konnte. Heute ist die gute alte Glühbirne nicht mehr gefragt, sondern neue und energiesparendere Lichtquellen wie LEDs.
