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Wie definieren Physiker Licht? - Der Dualismus einfach erklärt

Schon einige der griechischen Philosophen, aber auch Galilei, haben über die Natur des Lichtes spekuliert. Doch erst in den letzten Jahrhunderten zeigte sich diese den Physikern, sodass man heute Licht definieren kann.

Was Licht physikalisch gesehen ist
Was Licht physikalisch gesehen ist

Licht - ein historischer Streifzug

  • Griechische Philosophen machten sich bereits Gedanken über Licht. So nahmen die Pythagoreer beispielsweise an, dass jeder sichtbare Gegenstand ständig einen Strom von Lichtpartikeln freisetze. Aber auch Galilei versucht die Natur des Lichtes in den letzten Jahren seines Lebens zu ergründen - leider ohne Erfolg.
  • Ende des 17. Jahrhunderts nahm der Physiker Newton an, dass Licht entweder aus Teilchen, sogenannten Korpuskeln, oder aus Wellen bestehe. Allerdings schloss er zunächst die Wellentheorie aus, da sich die Teilchenhypothese besser mit seinem damaligen mechanistisch geprägten Weltbild vereinbaren ließ. So konnte die Korpuskulartheorie die Tatsache erklären, dass sich Licht geradlinig ausbreitet, reflektiert und gebrochen wird.
  • Etwa zur gleichen Zeit wie Newton beschäftigte sich auch der holländische Naturforscher Huygens mit der Natur des Lichts. Seinen Vorstellungen entsprechend sollte sich Licht in Form von Wellen ausbreiten. Dabei sollten diese Wellen durch einen unsichtbaren, gewichtslosen Stoff, dem Äther, übertragen werden, der überall im Raum existiert.
  • Beide Modellvorstellungen machten jedoch unterschiedliche Aussagen zur Geschwindigkeit des Lichtes in Stoffen, beispielsweise in Wasser. Diese Geschwindigkeit konnte mit den damals zur Verfügung stehenden Geräten jedoch nicht so genau gemessen werden, um zwischen den beiden Modellen "Teilchen" oder "Welle" zu unterscheiden. 

Licht ist eine Welle - Young beweist es

  • Mit seinem Doppelspaltversuch konnte im Jahr 1802 der Physiker Young beweisen, dass sich Licht wie eine Welle ausbreitet.
  • Bei diesem Versuch trifft Licht auf einen (kleinen) Doppelspalt. Dahinter bilden sich Überlagerungen (und keine Schattenwürfe), die nur erklärt werden können, wenn man Licht als Wellenvorgang versteht.
  • Damit schien die erbitterte Kontroverse um die Ausbreitung als Teilchen oder Welle endlich ausgefochten.
  • Allerdings sind sowohl Wellenerscheinung als auch die Wellenlängen so klein, dass man sie mit bloßem Auge, anders als bei Wasserwellen, nicht beobachten kann. Diese Winzigkeit war letztendlich der Grund, warum die Wellennatur erst sehr spät erkannt wurde.

Licht muss auch ein Teilchen sein

  • Allerdings hatte wohl auch Newton mit seiner Teilchenvorstellung nicht unrecht.
  • Anfang des letzten Jahrhunderts mussten nämlich Physiker dem Licht zur Erklärung beispielsweise des Photoeffekts auch einen Teilchencharakter zugestehen.
  • Schon Max Planck konnte viele der widersprüchlichen Ergebnisse, beispielsweise aus der Atomphysik, nur erklären, indem er postulierte (also annahm!), dass Licht aus winzigen Energiepaketen besteht. Diese nannte er Quanten. Sie wurden bei der Wechselwirkung mit Atomen aufgenommen oder abgegeben.
  • Und im Jahr 1905 erklärte Albert Einstein mit den gleichen Voraussetzungen den Photoeffekt. Nur mit der Quantentheorie konnte er zeigen, wie energiereiche Strahlung Elektronen aus einem Metall freisetzt (Nobelpreis 1921).

Wie "definieren" Physiker heute Licht?

  • "Definieren" kann man ein Phänomen wie Licht natürlich nicht, aber man kann Modelle entwickeln, die zeigen, wie sich in bestimmten Situationen und Experimenten Licht verhält.
  • Auch wenn dies widersprüchlich klingt, muss man heute annehmen, dass Licht nicht nur ein Wellenphänomen ist, sondern auch Teilchencharakter hat, also in einzelnen Portionen vorkommt. Diese werden Lichtquanten oder Photonen genannt.
  • Dass diese konträre Sichtweise, die auch Welle-Teilchen-Dualismus genannt wird, zutrifft, zeigt ein Experiment, bei dem einzelne Lichtquanten erzeugt werden können, die nacheinander durch eine Doppelspalt-Apparatur geschickt werden. Dabei treten dann die Wellenphänomene auf.
  • Zwischen den beiden physikalisch gegensätzlichen Erscheinungen Teilchen und Welle gibt es eine formale "Brücke", nämlich das Plancksche Wirkungsquantum h, das zwischen Frequenz (oder Wellenlänge) des Lichtes und der Energie der Photonen vermittelt. Es gilt: E = h x f. 
  • Mehr noch: Auch für typische Teilchen wie Elektronen oder Protonen konnte die moderne Physik zeigen, dass diese bei ihrer Ausbreitung auch Wellencharakter haben. So entstehen Materiewellen, wenn man Teilchen atomarer Größe durch einen Doppelspalt schickt.

Also, wie ist Licht nun zu "definieren"? Welle oder Teilchen, keines von beiden oder beides zusammen? Auch wenn die theoretische Physik das Verhalten von Licht und dessen Phänomene mathematisch beschreiben kann, ist Licht nach wie vor ein Rätsel. Beide Modelle haben ihre Berechtigung. Der Physiker Richard Feynman hat auf diese Frage einmal geantwortet: "Vielleicht ein Drittes!". Licht gehorcht den Gesetzen der Quantenmechanik, die eine Zweiheit von Teilchen und Welle zulassen.

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