Was ist eigentlich Licht?

Autor:
Publikation:	25.7.2008
Herkunft:	Sonnentaler, Berlin

Wenn man sich ein wenig mit Optik und Licht beschäftigt, kann man viele Aus­sagen lesen, die sich zum Teil zu widersprechen scheinen. Mal wird über Licht­strahlen geredet, mal von Licht als elektromagnetischer Welle, und dann wie­der von Lichtteilchen. Das scheint, wenn man es sich etwas genauer überlegt, eigentlich alles überhaupt nicht zusammenzupassen. Die nachfolgenden Aus­führungen sollen versuchen, ein bisschen "Licht ins Dunkle" zu bringen.

Lichtstrahlen

Wenn in der Optik von Lichtstrahlen gesprochen wird, dann wird damit nicht wirklich etwas darüber gesagt, was Licht eigentlich ist. Es handelt sich viel­mehr um ein etwas vereinfachendes, dafür aber sehr anschauliches (und in vielen Situationen völlig ausreichendes) Modell davon, wie sich Licht in vielen alltäglichen Situationen verhält.

Licht als aus einzelnen Strahlen zusammengesetzt anzusehen ist vermutlich für jeden nachvollziehbar, der einmal in einem abgedunkelten, etwas staubigen Raum gesessen hat, in den durch kleine Öffnungen Sonnenlicht einfiel. In einer solchen Situation kann man die "Lichtstrahlen" direkt sehen. Und auch Laserstrahlen scheinen ein perfektes Beispiel für Lichtstrahlen zu sein.

Mit dem Lichtstrahlenmodell kann man eine große Anzahl von Phänomenen sehr gut und darüber hinaus leicht verständlich beschreiben. Es macht anschaulich, warum ein Gegenstand einen Schatten wirft. Die Reflexion an einem Spiegel mit der Regel, dass der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel ist, wird damit unmittelbar einsehbar. Es lässt sich zur Erklärung der Bildent­stehung bei der Verwendung einer Sammellinse oder der Funk­tionsweise einer Lupe heran­ziehen. Selbst die Entstehung eines Regenbogens kann man anhand dieses Modells recht problemlos nachvollziehen.

Die Vorstellung, dass Licht aus einzelnen Lichtstrahlen besteht, ist also durch ihre "Erklärungskraft" völlig gerechtfertigt. Allerdings stellt sich bei genauerer Betrachtung heraus, dass mit diesem Bild nicht alle optischen Phänomene erklärt werden können. Außerdem sagt es, wie bereits erwähnt, wenig darüber aus, was Licht eigentlich ist.

Welle oder Teilchen?

Die Frage nach der Natur des Lichts ist schon recht alt. Im 17. Jahrhundert kam man auf zwei, sich gegenseitig aber anscheinend ausschließende Erklä­rungen. Der Begründer der Gravita­tions­theorie, Isaac Newton, stellte die Hypothese auf, dass Licht aus winzigsten Teilchen besteht, deren Eigen­schaf­ten für die Farbe des Lichts verantwortlich sind. Diese Erklärung war auch gut mit der Vorstellung von "Lichtstrahlen" verträglich: Lichtsstrahlen waren ein­fach eine große Anzahl von solchen "Lichtteilchen", die alle in die gleiche Rich­tung fliegen.

Andere Forscher der Zeit argumentierten dagegen, dass man bestimmte Eigen­schaften des Lichts nur erklären könne, wenn man davon ausgeht, dass Licht eine Art Welle sei. Die verschiedenen Farben wurden durch unterschiedliche Fre­quenzen bzw. Wellenlängen der Wellen erklärt.

In den darauffolgenden Jahrhunderten wurden immer mehr Phänomene ent­deckt, die sich eigentlich nur verstehen ließen, wenn man Licht als etwas betrachtet, dass sich wie Wellen ausbreitet. Für andere Effekte, die zunächst die Teilchentheorie zu stützen schienen, konnte gezeigt werden, dass sie auch mit einer Wellentheorie erklärbar waren. Dadurch verlor die Vorstellung, dass Licht aus kleinsten Teil­chen bestünde, immer mehr an Unterstützung.

Mit dem fortschreitenden Verständnis der elektrischen und magnetischen Phä­nomene im 19. Jahrhundert kam schließlich der Todesstoß für die Teilchen­theorie des Lichts. Licht schien sich entsprechend dieser neuesten Theorien ohne Weiteres als elektromagnetische Welle erklären zu lassen: Licht war ein­fach einer der vielen Effekte des Elektro­magne­tismus. Diese Wellen mussten sich mit großer Geschwindigkeit, nämlich mit der Lichtgeschwindigkeit von knapp 300 000 km/s, ausbreiten – und genau das war bereits durch Messun­gen nachgewiesen worden! Damit schien ein jahrhundertealter Streit endgültig beendet zu sein.

Zumindest bis zum Jahr 1905. In diesem Jahr nämlich wies Albert Einstein nach, dass sich manche neuere Beobachtungen nicht erklären lassen, wenn man Licht als Welle betrachtet, sondern nur, wenn man Licht als aus kleinen Energiepaketen bestehend ansieht, die sich wie Teilchen ausbreiten (Einstein erhielt übrigens für diese Interpretation des sogenannten Photo­effekts den Nobelpreis, und nicht etwa für seine viel bekanntere Relativitäts­theorie!).

Damit war die Frage, was Licht nun wirklich sei – Welle oder Teilchen – plötz­lich wieder völlig offen. Einige experimentelle Ergebnisse schienen eindeutig zu belegen, dass es sich bei Licht um Wellen handelt, andere wiederum, dass Licht aus Teilchen besteht. Eine sehr unerfreuliche Situation für die Physiker der damaligen Zeit.

Der entscheidende Schritt zur Auflösung dieses scheinbar unlösbaren Wider­spruchs kam mit der Quantenmechanik, die die Vorstellung aufgab, dass die Vorgänge auf sub­mikros­kopischer Ebene nur ein verkleinertes Abbild der ma­kroskopischen Welt seien. Licht (und andere elektromagnetische Strah­lung sowie Elementarteilchen) ist etwas ganz eigenes. Es ist mit Begrif­fen des alltäglichen Lebens weder beschreibbar noch vorstellbar, sondern lediglich in einem mathematischen Sinne "verständ­lich". Unter bestimmten Beobachtungs­bedingungen verhält sich Licht so, als handele es sich um eine Welle, unter anderen scheint es aus Teilchen zu bestehen. In Wirklichkeit ist Licht aber weder Welle noch Teilchen, sondern etwas ganz anderes, dass sich nur unter bestimmten Bedingungen wie eine Welle oder wie aus Teilchen bestehend ver­hält (so ähnlich wie eine Fledermaus, die weder ein Vogel noch eine Nagetier ist).

Zusammenfassung

Wir haben also gesehen, dass sich die scheinbar so widersprüchlichen Aus­sagen über das Licht sich nicht notwendigerweise gegenseitig ausschließen. Das Modell der Lichtstrahlen, wie es in der sogenannten geometrischen Optik verwendet wird, kann für die Erklärung einer großen Anzahl von Phänomenen heran­gezogen werden. Man muss nur im Kopf behalten, dass es bestimmte Effekte gibt, die sich mit der geometrischer Optik nicht erklären lassen.

Der Widerspruch zwischen den Vorstellungen von Licht als Welle oder Teilchen, der zunächst unüberbrückbar zu sein scheint, wird in der Quantenmechanik aufgehoben. Diese sagt aus, dass Licht weder das eine noch das andere ist, sondern etwas ganz Neues, mit den ge­wohn­ten Bildern des täglichen Lebens Unvereinbares. Eine Eigenschaft des Lichts ist es, dass es sich unter bestimmten Bedingungen wie eine Welle und unter anderen wie ein Strom von kleinsten Energiepaketen (Photonen) verhält. Licht ist also weder das eine noch das andere, sondern beides gleichzeitig!

Letzte Aktualisierung: 28.6.2013