Licht

Licht ist eines der grundlegendsten Phänomene, mit dem die Menschheit seit jeher beschäftigt. Die Sonne ist die primäre und wichtigste Lichtquelle auf der Erde. Andere übliche Lichtquellen, die in der Geschichte unseres Planeten in Erscheinung treten, werden zum Beispiel durch verschiedene exotherme chemische Reaktionen etwa einer Verbrennung oder physikalisch durch Energiefreisetzung und damit verbunden der Emission von Licht (Entladung, geothermische Phänomene und andere) hervorgerufen.

Theorien des Verstehens des Lichtbegriffs

Obwohl das Licht für das Leben auf der Erde enorm wichtig und absolut essentiell ist, fiel es lange Zeit schwer, eine begreifbare Erklärung für dieses Phänomen zu finden. Ein physikalisch genaues Verständnis des Begriffs Licht ist bis heute sehr schwierig. Philosophinnen/Philosophen und Wissenschaftlerinnen/Wissenschaftler haben schon immer versucht, das Phänomen Licht zu beschreiben und zu charakterisieren. Der antike griechische Philosoph Platon glaubte, dass das menschliche Auge die aktive Lichtquelle ist. Dieselbe Ansicht, dass sich das Licht von den Augen her ausbreitet, vertrat der Mathematiker und Geometer Euklid. Dieses ziemlich weit rezipierte Konzept stößt jedoch auf den Widerspruch: „warum wir in diesem Fall nicht in Dunkelheit sehen können“. Der Atomist Demokrit geht gemäß seiner Vorstellung, dass alle Dinge der Welt aus sehr kleinen Teilchen und weiteren unteilbaren Atomen bestehen, davon aus, dass auch Licht ein Fluss von Teilchen ist, der von jedem sichtbaren Objekt durchgelassen wird. Eine andere Ansicht vertritt der Philosoph Aristoteles, dessen umfangreiches enzyklopädisches Werk die Grundlagen vieler Wissenschaften darstellt und der nicht nur in der Antike, sondern auch im gesamten Mittelalter eine grundlegende Autorität war. Er stimmte mit der atomistischen Ansicht nicht überein und ist davon ausgegangen, dass das Licht selbst kein Körper ist oder von keinem Körper emittiert wird, sondern dass es sich ähnlich den Wellen auf dem Wasser verbreitet. Es ist sehr interessant, dass schon im antiken Griechenland die zwei grundlegenden Konzepte der Lichtinterpretation erscheinen, d. h. die Korpuskular- (Teilchen-) Theorie von Demokrit und die Wellentheorie von Aristoteles. Wir werden auf diese beiden Theorien noch einmal zurückkommen.

Newton und Licht

Die Denkweise der Neuzeit, die bei den modernen Naturwissenschaften und der Physik ihren Anfang nimmt, schreibt das Konzept des Lichts um. Die detaillierten Eigenschaften des Lichts wurden insbesondere von dem englischen Philosophen, Naturforscher, Physiker und Mathematiker Isaac Newton in seiner Werk Opticks, or a treatise of the reflexions, refractions, inflexions and colours of light (abgekürzt – Optik), 1704 veröffentlicht. Newton geht in seinem Werk davon aus, dass Licht ein Strom sehr kleiner Teilchen ist, die sich von den leuchtenden Körpern her ausbreiten. Er erklärt auf dieser Basis die Phänomene geometrischer Optiken wie Reflexion, Bruch und Zersetzung von Licht. Die Newtonsche Partikeltheorie des Lichts konnte jedoch nicht alle beobachteten optischen Phänomene wie Lichtinterferenz, Lichtbeugung oder Polarisation richtig erklären.

Wellentheorie des Lichts

Parallel zur Newtonschen Korpuskular- (Teilchen-) Theorie taucht auch die Wellentheorie des Lichts auf. Ihr Autor ist der niederländische Physiker, Mathematiker und Astronom Christiaan Huygens. Er beschrieb das Licht 1678 als Wellenbewegung und erklärte durch seine Wellentheorie des Lichts die meisten seiner spezifischen Eigenschaften. Er führte das ätherische Konzept (Aithér) wieder ein. Der Begriff Äther bezeichnet hypothetisch allgegenwärtige Wellen, die sich durch gewöhnliche Materie hindurch ausbreiten. Später, im 19. Jahrhundert, wurde angenommen, dass sich andere Arten neu entdeckter elektromagnetischer Wellen im Äther ausbreiten.

Elektromagnetische Wellen

Die elektromagnetische Wellenbewegung steht in engem Zusammenhang mit der Arbeit des schottischen Physikers James Clark Maxwell, der im 19. Jahrhundert den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus beschrieb. In den vier Maxwell-Grundgleichungen ist Licht nur eine Art elektromagnetischer Strahlung. Diese hat einen sehr engen Wellenlängenbereich. Das Licht hat eine Wellenlänge von ungefähr 400 nm bis 760 nm; elektromagnetische Strahlung kann im Allgemeinen eine Wellenlänge von 10 – 12 m (Gammastrahlung) bis zu 103 m (lange Funkwellen) haben. Die Maxwell-Gleichungen zeigen auch, dass kein Äther erforderlich ist, um Licht zu verbreiten, da sich Licht sowohl im Vakuum als auch in der Stoffumgebung ausbreiten kann.

Photoelektrisches Phänomen

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurde ein photoelektrisches Phänomen entdeckt, dessen experimentelle Manifestationen keineswegs das von Maxwells Theorie der elektromagnetischen Strahlung vorhergesagte Lichtverhalten erkennen ließ. Überraschenderweise erklärte Albert Einstein 1905 das Phänomen auf der Grundlage der Korpuskular- (Teilchen-) Theorie des Lichts, welche damals als völlig überwunden galt. In einer neuen Variante dieser Theorie können die Teilchen – sogenannte Lichtphotonen – nur mit einer genau definierten Energie als Energiequanten existieren. Photonen sind spezielle Teilchen, die im Ruhezustand nicht existieren können und sich ständig mit Lichtgeschwindigkeit bewegen (c = 3 · 108 m/s im Vakuum).

Lichtbruch

Zu den Lichteigenschaften, die durch die Wellentheorie des Lichts sehr gut erklärt werden können, gehört die Brechung des Lichts, die zu beobachten ist, wenn es zwischen zwei optisch unterschiedlich dichten Umgebungen hindurchgeht. Die Brechung des Lichts ist ein spezieller Fall der Brechung der Wellen, welche die allgemeine Eigenschaft haben, dass, wenn sie die Grenzfläche zweier Umgebungen passieren, die Wellengeschwindigkeiten variieren. Der Bruch der Wellen basiert auf dem Huygens-Prinzip der Ausbreitung von Wellen durch Wellenfronten. In Folge der Brechung des Lichts, ergibt sich die Zersetzung (Dispersion) von Licht. Das weiße Licht, welches aus Licht unterschiedlicher Wellenlänge und damit auch aus unterschiedlichen Farben zusammengesetzt ist, wird durch die Brechung des Lichts in die einzelnen Farben zerlegt, und es entsteht ein Spektrum. Dies liegt daran, dass das Licht unterschiedlicher Wellenlängen (Farben) im Gewebemedium mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten diffundiert und bricht. Im Farbspektrum können die Farben entsprechend den fortschreitend abnehmenden Wellenlängen des gegebenen Lichts beobachtet werden, von Rot mit der längsten Wellenlänge über Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo (Blau-Violett) bis Violett mit der kürzesten Wellenlänge. Die sieben Grundfarben, die durch die Brechung des Lichts entstanden sind, wurden bereits von Newton benannt. Auch wenn daran erinnert werden muss, dass es unendlich viele Farbschattierungen gibt.

Sonnenlicht, sowie das Licht, das von anderen Lichtquellen (Halogenlampen und Glühbirnen, Kerzen) abgegeben wird, hat ein kontinuierliches Spektrum und umfasst alle Wellenlängen. Abhängig von der Temperatur des Lichtkörpers, kann die Wellenlänge, bei der der Körper mit der höchsten Energie emittiert wird, zum roten oder violetten Ende des Spektrums verschoben werden. Das Sonnenlicht ist also weiß, das Licht der Glühbirne hellgelb und das der Kerze orange. Alle diese Quellen haben dennoch ein kontinuierliches Spektrum. Interessanterweise haben andere Quellen ein diskontinuierliches (Linien- oder Band-) Spektrum, und dennoch nimmt unser Auge ihre Farbe als weiß wahr. (Dies wird auf die Physiologie des Farbsehens des menschlichen Auges zurückgeführt.) Solche Quellen sind zum Beispiel Leuchtstofflampen (Sparlampen) oder LCDDisplays und -Monitore. Andere Eigenschaften des Lichts, insbesondere seine direkte Ausbreitung und Reflexion, können mit der Theorie des Korpuskularlichtes (Teilchenlichts) verdeutlicht werden. Das Prinzip der direkten Lichtausbreitung ist beim Fluss der Lichtteilchen eindeutig ersichtlich. Die Reflexion des Lichts von der Grenzfläche (typischerweise vom Spiegel) kann verstanden werden, wenn man sich die Reflexion mechanisch als perfekt federnder Stoß vorstellt, bei dem die Energie und der Impuls der Teilchen erhalten bleiben. Das Licht wird von den Spiegelflächen nach den gleichen Regeln reflektiert wie der Billardball von den Kanten des Billardtischs abprallt.

Lichteigenschaften

Licht verbreitet Energie, wenn es übertragen wird. Diese Tatsache ergibt sich aus der Korpuskular- (Teilchen-) Theorie des Lichts. In mechanistischer Manier könnte jedes Lichtteilchen mit einer Geschwindigkeit, Gewicht und damit auch mit kinetischer Energie und Impuls angenommen werden. Photonen können jedoch nicht im Ruhezustand existieren, daher macht es keinen Sinn, über das Gewicht zu sprechen. Sie bewegen sich ständig mit Lichtgeschwindigkeit, sie haben eine genau definierte Quantenenergie (gemäß ihrer Wellenlänge) und haben daher auch einen bestimmten Impuls, welcher sich aus der speziellen Relativitätstheorie ergibt. Es ist jedoch auch möglich, die durch das Licht übertragene Energie anhand der Wellentheorie des Lichts zu erklären. Laut Maxwell ist Licht nur eine Art elektromagnetischer Wellen, und jede elektromagnetische Wellenbewegung überträgt Energie durch ihre Bewegung. Die Ausbreitung von Energie kann wiederum vereinfacht je nach Wellenlänge mechanistisch betrachtet werden. Mechanische Wellen übertragen sich auch in einen Raum, in dem sich die Energie ausbreitet, beispielsweise die Schwingung, die von einem oszillierenden Punkt zum nächsten übertragen wird.

Absoluter schwarzer Körper

Zur genauen Berechnung der, von der erhitzten Quelle emittierten elektromagnetischer Strahlung oder der absorbierten Energie, wird das Konzept eines absoluten schwarzen Körpers eingeführt. Es ist ein idealer Körper, der die Strahlung aller Wellenlängen, die auf seine Oberfläche treffen, vollständig absorbiert. Bei allen realen Körpern dagegen wird ein Teil der auf ihre Oberfläche einfallenden Strahlungsenergie zurück reflektiert. Sie absorbieren daher immer weniger Energie als ein absoluter schwarzer Körper. Körper mit einer weißen oder spiegelnden Oberfläche absorbieren am wenigsten Energie. Der absolute schwarze Körper ist auch ein idealer Heizkörper, weil er bei der gegebenen Temperatur die meiste Energie von allen möglichen Körpern abgibt. Weiße Körper oder Körper mit einer Spiegeloberfläche emittieren wenig Energie (Prinzip, das für die metallglänzende Rettungsdecke für Rettungskräfte genutzt wird).