Fundamental

KAPITEL EINS

VOR STOLZ GLÜHEN

Ein wenig Geschichte des Lichtes

Die Quantenphysik begann mit dem Versuch, das Licht zu verstehen, etwas, worüber wir mit unserem kollektiven Geist schon Jahrtausende rätselten. Der griechische Philosoph Empedokles war um das fünfte Jahrhundert v. Chr. der erste Mensch, der eine Theorie über das Wesen des Lichtes entwarf.

Er glaubte, dass das menschliche Auge einen magischen Feuerstein enthielte, der Strahlen von unserem Gesicht aussandte und all das erhellte, was wir anschauen wollten.3 Eine poetische Idee, die jedoch einen offensichtlichen Makel hatte: Wenn unsere Augen das Licht erzeugen, sollten wir immer in der Dunkelheit sehen können, weil unsere Augen selbst Fackeln sind.

Empedokles war auch derjenige, der uns die inzwischen widerlegte Vorstellung von vier elementaren Substanzen gab (Feuer, Wasser, Wind und Erde) und versuchte, die biologische Vielfalt als das Ergebnis davon zu erklären, dass Gliedmaßen ohne Körper in der Welt herumkrochen, bis sie sich zufällig miteinander vereinigten, um Lebewesen zu bilden.

Empedokles' Aufgabe in der Wissenschaftsgeschichte bestand eigentlich darin, mit verrückten Ideen aufzuwarten, deren Falschheit alle anderen bewiesen. Obwohl wir im Fall der Lichtstrahlen dreizehnhundert Jahre brauchten, um seinen Fehler zu bemerken.

Erst als der arabische Gelehrte Alhazen die Bühne betrat, ließen wir schließlich Empedokles' Vorstellung fahren. Alhazen führte ein Experiment durch, bei dem er den Augapfel eines Schweines sezierte und zeigte, dass das Licht im Innern des Hohlraums genauso umhersprang, wie in einem dunklen Zimmer, das heißt, die Lichtstrahlen kommen von Gegenständen um uns herum, und unsere Augen fangen einfach nur ihre Pfade ab.4

Es mag zwar als eigenartig erscheinen, dass wir über tausend Jahre brauchten, um sicher zu sein, dass unsere Augen nicht magische Laserkanonen abfeuerten, aber das waren andere Zeiten. Damals glaubte jeder, dass die Menschen den Dingen ihren Daseinszweck verliehen, weshalb die Dinge nicht zu erscheinen brauchten, wenn man sie nicht anblickte.

Zum Glück setzte sich Alhazens Vorschlag, dass Experimente das menschliche Ego ausstechen sollten, allmählich durch, und wir entschieden uns dafür, dass das Licht, was immer es auch sei, von den Dingen selbst ausging und geradlinig in unsere Augen einfiel. Stichwort Renaissance.

Der einflussreichste Naturwissenschaftler und Philosoph der Renaissance war wohl René Descartes, der uns unsere nächste zündende Idee zur Physik des Lichtes bescherte.

Descartes bemerkte, dass, wenn man eine Kerze anzündet, die Beleuchtung gleichzeitig jeden Winkel eines Zimmers erreichen kann, genauso wie eine Welle, die im Zentrum eines Teiches anfängt, jede Ecke gleichzeitig erreicht. Licht, so schloss er, war eine ähnliche Erscheinung; es gab ein unsichtbares Material, das uns in jeder Richtung umgab und das er als »Plenum« bezeichnete, und das Licht war das Ergebnis von Wellen und Wogen, die sich durch dieses Plenum hindurchbewegten.5

Der einzige Mensch, der sich mit seiner Plenum-Wellen-Idee nicht einverstanden zeigte, war Isaac Newton, der es zu seiner Hauptaufgabe machte, anderer Meinung als alle die zu sein, die er für weniger intelligent hielt als sich selbst (was im Grunde alle waren).

Newton wies darauf hin, dass, wenn das Licht eine Welle wäre, die sich durch ein Medium bewegt, es sich um einen Gegenstand herumkrümmen sollte, wenn es an ihm vorbeiging, genauso wie eine Wasserwelle sich leicht krümmt, wenn sie um einen Felsen herumgeht. Dadurch würden Schatten verschwommene Ränder erhalten, da sie aber scharf begrenzt sind, hatte es mehr Sinn, sich das Licht so vorzustellen, dass es aus Teilchen besteht, die er »Korpuskel« nannte.6

Die korpuskulare Theorie des Lichtes wurde unweigerlich gegenüber Descartes' Plenumswellen akzeptiert, und zwar weitgehend aufgrund Newtons Berühmtheitsstatus und der Tatsache, dass er ein Fiesling gegenüber jedem war, der ihn herausforderte.

Daher wäre Newton entsetzt gewesen, wenn er von den Ergebnissen eines Experimentes erfahren hätte, das von einem Mann namens Thomas Young durchgeführt wurde und 70 Jahre nach seinem Tod zum entgegengesetzten Schluss kam. Damit meine ich, dass das Experiment 70 Jahre nach Newtons Tod durchgeführt wurde. Nach seinem eigenen machte Thomas Young nur noch sehr wenige Experimente.

Der talentierte Herr Welle

Thomas Young war einer der bemerkenswertesten Geister des 18. Jahrhunderts. Wahrscheinlich ist er am bekanntesten für die Übersetzung des Steines von Rosette und entzifferte somit als erster moderner Mensch ägyptische Hieroglyphen. Er war auch der Erste, der Farbrezeptoren in unseren Augen erkannte, mehrere Bücher über Medizin schrieb, vierzehn Sprachen sprach, ein Dutzend Musikinstrumente spielte und unsere moderne Theorie der Elastizität entwickelte.7

Sein Experiment, das wirklich Wellen für die Theorie des Lichtes schlug (Wortspiel völlig beabsichtigt), führte er 1803 durch; es wird als Doppelspalt-Experiment bezeichnet.

Kehren wir für einen Augenblick zu der Vorstellung von Wellen zurück, die sich über einen Teich bewegen. Stellen wir uns einen regelmäßigen Impuls von Wellen vor, die sich über eine ruhige flüssige Oberfläche bewegen und durch ein Hindernis hindurchgehen, in dem sich eine Lücke befindet. Während diese Wellen auf die andere Seite dieser Lücke wabern, fächern sie sich leicht auf - ein Vorgang, den wir als Beugung bezeichnen.

Der Grund ihrer Ausbreitung besteht darin, dass der Rand einer Welle seine Energie an das umgebende Wasser abführt. Von oben gesehen, erhalten wir ein Muster, das so aussieht, wie das unten abgebildete, bei dem die Wellengipfel als durchgängige Linien und die Wellentäler gestrichelt gezeichnet sind.

Probieren wir es jetzt stattdessen einmal mit zwei Lücken in unserem Hindernis. Es wird dasselbe geschehen, nur sehen wir dieses Mal zwei Wellen, die sich gleichzeitig beugen, und zwar schließlich so, dass sie sich überschneiden und miteinander vermischen. Von oben gesehen, sieht das so aus:

An manchen Stellen kann man sehen, dass die Wellen sich vollkommen überkreuzen, wobei ein Gipfel der einen Welle auf einen Gipfel der anderen Welle trifft, was zu einem Megagipfel auf der Wasseroberfläche führt. Zwischen diesen Megagipfeln erhalten wir den gegenteiligen Effekt, wo sich die Wellen nicht im Einklang miteinander befinden und ein Gipfel auf ein Tal stößt. An diesen Stellen neutralisieren sich die Wellen und hinterlassen so gut wie überhaupt keine Welle.

Wenn wir jetzt einen Bildschirm an das Ende des Teiches stellen würden, träfen die vermischten Wellen in abwechselnden Regionen von Megagipfeln und neutralisiertem Nichts auf ihn. Wenn wir geradewegs (anstatt von oben) auf diesen Bildschirm blicken, erscheint das Muster, das unsere Wellen hinterlassen, folgendermaßen:

Wir schauen hier auf die Wirkung dessen, dass Wellen miteinander interferieren, während sie durch einen Doppelspalt gebeugt werden, wodurch auf der anderen Seite ein Muster von abwechselnder hoher und niedriger Stärke entsteht. Ein Phänomen, das wir als »Superposition« bezeichnen.

Thomas Young reproduzierte nun dieses Wellen-Superpositionsmuster anhand von Lichtstrahlen anstatt von Wasser. Indem er eine Kerze durch zwei Schlitze in einer Wand leuchten ließ, erzeugte Young am Ende sich abwechselnde Zebrastreifen aus Licht und Schatten auf seinem Detektorbildschirm, die ähnlich aussahen wie das Muster, das sich miteinander vermischende Wasserwellen hinterlassen:

Wenn Licht aus Teilchen besteht, wie Newton meinte, dann sollten sie durch die beiden Schlitze schießen und in einem großen Haufen auf die Wand auf der anderen Seite treffen. Das Zebramuster, das wir tatsächlich erhalten, lässt sich nur erklären, wenn das Licht irgendwie wellenartig ist.

Newtons Einwand mit den scharf geränderten Schatten hatte zwar immer noch einen gewissen Einfluss, aber jetzt, da er tot war, wagten ein paar Leute, seine Lehren infrage zu stellen. Wenn man sich die Grenze eines Schattens wirklich genau ansieht, dann gibt es wirklich verschwommene Ränder: Nur sind sie eben klein und leicht zu übersehen. Das lässt sich nicht mit einer Teilchentheorie erklären, kann aber als Welle erklärt werden, die sich um den Gegenstand herumkrümmt.

Dem Material, das der Träger dieser Wellen ist und das Descartes »Plenum« genannt hatte, wurde ein ausgefallenerer Name gegeben - (lichtspendender) Äther -, und das Wesen des Lichtes war schließlich entschieden.

Descartes' Idee war zwar gewiss ihrer Zeit voraus, aber sie wurde so lange nicht...