Seit Demokrit – ein griechischer Philosoph, der zwischen dem 5. und 4. Jahrhundert v. Chr. lebte – argumentierte, dass die gesamte Existenz aus winzigen unteilbaren Atomen besteht, spekulieren Wissenschaftler über die wahre Natur des Lichts. Während sich Wissenschaftler bis in die Neuzeit zwischen der Vorstellung hin und her wagten, dass Licht ein Teilchen oder eine Welle sei, führte das 20. Jahrhundert zu Durchbrüchen, die uns zeigten, dass es sich als beides verhält.
Dazu gehörten die Entdeckung des Elektrons, die Entwicklung der Quantentheorie und Einsteins Relativitätstheorie . Es bleiben jedoch viele Fragen zum Licht unbeantwortet, von denen viele aus seiner dualen Natur resultieren. Wie kommt es zum Beispiel, dass Licht scheinbar masselos ist, sich aber dennoch wie ein Teilchen verhält? Und wie kann es sich wie eine Welle verhalten und ein Vakuum passieren, wenn alle anderen Wellen ein Medium zur Ausbreitung benötigen?
Lichttheorie bis ins 19. Jahrhundert:
Während der wissenschaftlichen Revolution begannen die Wissenschaftler, sich von den aristotelischen wissenschaftlichen Theorien zu entfernen, die seit Jahrhunderten als akzeptierter Kanon galten. Dies beinhaltete die Ablehnung der Lichttheorie von Aristoteles, die es als eine Störung in der Luft (eines seiner vier „Elemente“, die Materie komponieren) betrachtete, und die mechanistische Ansicht, dass Licht aus unteilbaren Atomen besteht.
In vielerlei Hinsicht war diese Theorie von Atomisten der klassischen Antike – wie Demokrit und Lucretius – vorhergesehen worden, die beide das Licht als eine von der Sonne abgegebene Materieeinheit betrachteten. Im 17. Jahrhundert traten mehrere Wissenschaftler auf, die diese Ansicht akzeptierten und sagten, dass Licht aus diskreten Teilchen (oder „Korpuskeln“) besteht. Dazu gehörten Pierre Gassendi, ein Zeitgenosse von René Descartes, Thomas Hobbes, Robert Boyle und vor allem, Herr Isaac Newton .
Die erste Ausgabe von Newtons Opticks: or, a Abhandlung über die Reflexionen, Brechungen, Beugungen und Farben des Lichts (1704). Kredit: Gemeinfrei.
Newtons Korpuskulartheorie war eine Ausarbeitung seiner Sicht der Realität als Wechselwirkung materieller Punkte durch Kräfte. Diese Theorie sollte für mehr als 100 Jahre die anerkannte wissenschaftliche Ansicht bleiben, deren Prinzipien in seiner Abhandlung von 1704 erläutert wurden „ Optik oder eine Abhandlung über die Reflexionen, Brechungen, Beugungen und Farben des Lichts “. Die Prinzipien des Lichts lassen sich nach Newton wie folgt zusammenfassen:
- Jede Lichtquelle emittiert eine große Anzahl winziger Teilchen, die als Korpuskeln bekannt sind, in einem die Quelle umgebenden Medium.
- Diese Korpuskeln sind vollkommen elastisch, steif und schwerelos.
Dies stellte eine Herausforderung für die „Wellentheorie“ dar, die von niederländischen Astronomen des 17. Christian Huygens . . Diese Theorien wurden erstmals 1678 der Pariser Akademie der Wissenschaften mitgeteilt und 1690 in seinem . veröffentlicht' Abhandlung über Licht '('Abhandlung über Licht“). Darin argumentierte er für eine überarbeitete Version der Descartes-Ansichten, in der die Lichtgeschwindigkeit unendlich ist und sich mittels Kugelwellen ausbreitet, die entlang der Wellenfront emittiert werden.
Doppelspalt-Experiment:
Im frühen 19. Jahrhundert begannen Wissenschaftler mit der Korpuskulartheorie zu brechen. Dies lag zum Teil daran, dass die Korpuskulartheorie die Beugung, Interferenz und Polarisation von Licht nicht ausreichend erklären konnte, aber auch an verschiedenen Experimenten, die die immer noch konkurrierende Ansicht zu bestätigen schienen, dass sich Licht als Welle verhielt.
Der berühmteste davon war wohl der Doppelspaltexperiment , das ursprünglich 1801 vom englischen Universalgelehrten Thomas Young dirigiert wurde (obwohl Sir Isaac Newton vermutlich zu seiner Zeit etwas Ähnliches dirigiert hat). In Youngs Version des Experiments verwendete er einen Zettel mit eingeschnittenen Schlitzen und richtete dann eine Lichtquelle auf sie, um zu messen, wie das Licht durch sie hindurchdrang.
Nach der klassischen (d. h. Newtonschen) Teilchentheorie sollten die Ergebnisse des Experiments den Schlitzen entsprechen, die Einschläge auf dem Bildschirm erscheinen in zwei vertikalen Linien. Stattdessen zeigten die Ergebnisse, dass die kohärenten Lichtstrahlen interferierten und ein Muster aus hellen und dunklen Streifen auf dem Bildschirm erzeugten. Dies widersprach der klassischen Teilchentheorie, in der Teilchen nicht miteinander interferieren, sondern lediglich kollidieren.
Die einzige mögliche Erklärung für dieses Interferenzmuster war, dass sich die Lichtstrahlen tatsächlich wie Wellen verhielten. Somit widerlegte dieses Experiment die Vorstellung, dass Licht aus Korpuskeln bestehe, und spielte eine entscheidende Rolle bei der Akzeptanz der Wellentheorie des Lichts. Spätere Forschungen, die die Entdeckung des Elektrons und der elektromagnetischen Strahlung beinhalten, würden jedoch dazu führen, dass Wissenschaftler erneut bedenken, dass sich auch Licht wie ein Teilchen verhält, was zur Theorie des Welle-Teilchen-Dualismus führte.
Elektromagnetismus und spezielle Relativitätstheorie:
Bereits vor dem 19. und 20. Jahrhundert wurde die Lichtgeschwindigkeit bestimmt. Die ersten aufgezeichneten Messungen wurden vom dänischen Astronomen Ole Rømer durchgeführt, der 1676 anhand von Lichtmessungen von Jupiters Mond Io demonstrierte, dass sich Licht mit endlicher Geschwindigkeit (und nicht augenblicklich) ausbreitet.
Prof. Albert Einstein hält den 11. Vortrag von Josiah Willard Gibbs auf der Tagung der American Association for the Advancement of Science am 28. Dezember 1934. Credit: AP Photo
Ende des 19. Jahrhunderts schlug James Clerk Maxwell vor, dass Licht eine elektromagnetische Welle sei, und entwickelte mehrere Gleichungen (bekannt als Maxwell-Gleichungen ) um zu beschreiben, wie elektrische und magnetische Felder durcheinander sowie durch Ladungen und Ströme erzeugt und verändert werden. Durch Messungen verschiedener Strahlungsarten (Magnetfelder, ultraviolette und infrarote Strahlung) konnte er die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum berechnen (dargestellt alsC).
1905, Albert Einstein veröffentlicht 'Zur Elektrodynamik bewegter Körper“, in dem er eine seiner berühmtesten Theorien vorstellte und Jahrhunderte akzeptierte Vorstellungen und Orthodoxien umstürzte. In seiner Arbeit postulierte er, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Trägheitsbezugssystemen gleich ist, unabhängig von der Bewegung der Lichtquelle oder der Position des Beobachters.
Die Untersuchung der Konsequenzen dieser Theorie führte ihn dazu, seine Theorie der Spezielle Relativität , die Maxwells Gleichungen für Elektrizität und Magnetismus mit den Gesetzen der Mechanik in Einklang brachte, die mathematischen Berechnungen vereinfachte und mit der direkt beobachteten Lichtgeschwindigkeit übereinstimmte und die beobachteten Aberrationen berücksichtigte. Es zeigte auch, dass die Lichtgeschwindigkeit außerhalb des Kontextes von Licht und Elektromagnetismus von Bedeutung ist.
Zum einen führte es die Idee ein, dass große Veränderungen auftreten, wenn sich Dinge nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen, einschließlich des Zeit-Raum-Rahmens eines sich bewegenden Körpers, der sich in Bewegungsrichtung zu verlangsamen und zusammenzieht, wenn er im Rahmen des Beobachters gemessen wird. Nach Jahrhunderten immer genauerer Messungen wurde 1975 die Lichtgeschwindigkeit mit 299.792.458 m/s bestimmt.
Einstein und das Photon:
Im Jahr 1905 trug Einstein auch dazu bei, die große Verwirrung um das Verhalten elektromagnetischer Strahlung aufzulösen, als er vorschlug, dass Elektronen von Atomen emittiert werden, wenn sie Energie aus Licht absorbieren. Bekannt als photoelektrischer Effekt , basierte Einstein seine Idee auf Plancks früherer Arbeit mit „schwarzen Körpern“ – Materialien, die elektromagnetische Energie absorbieren anstatt sie zu reflektieren (also weißen Körpern).
Einsteins photoelektrischer Effekt war damals der Versuch, das „Schwarzkörperproblem“ zu erklären, bei dem ein schwarzer Körper aufgrund der Wärme des Objekts elektromagnetische Strahlung aussendet. Dies war ein hartnäckiges Problem in der Welt der Physik, das sich aus der Entdeckung des Elektrons ergab, die erst acht Jahre zuvor stattgefunden hatte (dank britischer Physiker unter der Leitung von J. J. Thompson und Experimente mit Kathodenstrahlröhren ).
Wissenschaftler glaubten damals noch, dass sich elektromagnetische Energie wie eine Welle verhalte und hofften daher, sie mit der klassischen Physik erklären zu können. Einsteins Erklärung stellte damit einen Bruch dar, indem er behauptete, dass sich elektromagnetische Strahlung auf eine Weise verhalte, die einem Teilchen entsprach – einer quantisierten Form von Licht, die er „Photonen“ nannte. Für diese Entdeckung wurde Einstein 1921 der Nobelpreis verliehen.
Welle-Teilchen-Dualität:
Spätere Theorien über das Verhalten von Licht würden diese Idee weiter verfeinern, darunter der französische Physiker Louis-Victor de Broglie, der die Wellenlänge berechnete, bei der Licht funktioniert. Es folgten Heisenbergs „Unsicherheitsprinzip“ (das besagte, dass eine genaue Messung der Position eines Photons die Messung seines Impulses stören würde und umgekehrt) und Schrödingers Paradox, das behauptete, dass alle Teilchen eine „Wellenfunktion“ haben.
In Übereinstimmung mit der quantenmechanischen Erklärung schlug Schrödinger vor, dass alle Informationen über ein Teilchen (in diesem Fall ein Photon) in seinem kodiert sindWellenfunktion, eine komplexwertige Funktion, die ungefähr der Amplitude einer Welle an jedem Punkt im Raum entspricht. An manchen Stellen wird die Messung der Wellenfunktion zufällig zu einer Funktion mit scharfem Spitzenwert „zusammenbrechen“ oder besser „dekoherieren“. Dies wurde im berühmten Schrödinger-Paradoxon illustriert, bei dem eine geschlossene Kiste, eine Katze und ein Giftfläschchen (bekannt als „ Schrödinger Katze“ Paradox).
Künstlerische Darstellung von zwei Photonen, die sich mit unterschiedlichen Wellenlängen bewegen, was zu unterschiedlich farbigem Licht führt. Bildnachweis: NASA/Sonoma State University/Aurore Simonnet
Nach seiner Theorie entwickelt sich die Wellenfunktion auch nach einer Differentialgleichung (auch bekannt als die Schrödinger-Gleichung ). Für Teilchen mit Masse hat diese Gleichung Lösungen; aber für Teilchen ohne Masse existierte keine Lösung. Weitere Experimente mit dem Doppelspaltexperiment bestätigten die duale Natur von Photonen. wo Messgeräte eingebaut wurden, um die Photonen zu beobachten, während sie durch die Schlitze gingen.
Dabei erschienen die Photonen in Form von Partikeln und ihr Aufprall auf dem Bildschirm entsprach den Schlitzen – winzigen partikelgroßen Flecken, die in geraden vertikalen Linien verteilt waren. Durch das Aufsetzen eines Beobachtungsgeräts kollabierte die Wellenfunktion der Photonen und das Licht verhielt sich wieder wie klassische Teilchen. Wie von Schrödinger vorhergesagt, konnte dies nur gelöst werden, indem behauptet wurde, dass Licht eine Wellenfunktion hat und dass seine Beobachtung dazu führt, dass die Bandbreite der Verhaltensmöglichkeiten so weit zusammenbricht, dass sein Verhalten vorhersagbar wird.
Die Entwicklung der Quantenfeldtheorie (QFT) wurde in den folgenden Jahrzehnten entwickelt, um einen Großteil der Mehrdeutigkeit um die Welle-Teilchen-Dualität aufzulösen. Und mit der Zeit wurde gezeigt, dass diese Theorie auf andere Teilchen und fundamentale Wechselwirkungskräfte (wie schwache und starke Kernkräfte) anwendbar ist. Photonen gehören heute zum Standardmodell der Teilchenphysik und werden dort als Bosonen klassifiziert – eine Klasse subatomarer Teilchen, die Kraftträger sind und keine Masse haben.
Wie reist Licht? Im Grunde reisen sie mit unglaublichen Geschwindigkeiten (299 792 458 m/s) und bei unterschiedlichen Wellenlängen, je nach Energie. Es verhält sich auch sowohl als Welle als auch als Teilchen und kann sich sowohl durch Medien (wie Luft und Wasser) als auch durch den Weltraum ausbreiten. Es hat keine Masse, kann aber dennoch absorbiert, reflektiert oder gebrochen werden, wenn es mit einem Medium in Kontakt kommt. Und am Ende ist das einzige, was es wirklich umleiten oder aufhalten kann, die Schwerkraft (d. h. ein Schwarzes Loch).
Was wir über Licht und Elektromagnetismus gelernt haben, war ein wesentlicher Bestandteil der Revolution, die zu Beginn des 20. Jahrhunderts in der Physik stattfand und mit der wir uns seither auseinandersetzen. Dank der Bemühungen von Wissenschaftlern wie Maxwell, Planck, Einstein, Heisenberg und Schrödinger haben wir viel gelernt, müssen aber noch viel lernen.
Zum Beispiel bleibt seine Wechselwirkung mit der Schwerkraft (zusammen mit schwachen und starken Kernkräften) ein Rätsel. Dies zu erschließen und damit eine Theorie von allem (ToE) zu entdecken, darauf freuen sich Astronomen und Physiker. Eines Tages haben wir vielleicht alles herausgefunden!
Wir haben hier bei Universe Today viele Artikel über Licht geschrieben. Hier zum Beispiel Wie hoch ist die Lichtgeschwindigkeit? , Wie weit ist ein Lichtjahr? , Was ist Einsteins Relativitätstheorie?
Weitere Informationen zum Thema Licht finden Sie in diesen Artikeln von Das Physik-Hyperlehrbuch und NASAs Missionswissenschaft Seite.
Wir haben auch eine ganze Episode von Astronomy Cast rund um das interstellare Reisen aufgenommen. Hör zu, Folge 145: Interstellare Reisen .
