Die Reise zu den Schwarzen Löchern, Station 6, – das Licht

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Seid herzlich gegrüßt,

Unsere Reise führt uns heute zu dem Stoff, in dem wir täglich baden, dem Licht. Es wird, wie versprochen, eine spannende Reise mit vielen Geschichten werden. Licht ist nämlich so etwas seltsames, dass es durchaus wert ist, wenn wir auf unserer Reise an dieser Station etwas verharren, um uns die Eigenschaften des Lichts etwas genauer zu betrachten. Nicht alles, was wir heute behandeln werden, wird später für die schwarzen Löcher gleich wichtig sein, aber das Licht, ihr werdet es erleben, kann sogar blinde Menschen begeistern.

Bis in die Neuzeit hinein war nicht klar, was das Licht ist. Und das ist nicht verwunderlich, denn selbst heute ist es nicht einfach verständlich, dass Licht etwas verschiedenes gleichzeitig sein kann und dazu noch eine konstante Geschwindigkeit besitzt. Es kann, aber alles der Reihe nach.

Licht in der Antike

Schon der alte Platon mit seinem Höhlengleichniss und Pythagoras, den wir von unseren rechtwinkligen Dreiecken her in der Schule kennengelernt haben, machten sich so ihre Vorstellungen, was das Licht denn sei.
Sie dachten, Licht würde quasi in unseren Augen produziert. Dieses Licht würde die Augen sozusagen als Sehstrahlen verlassen. Diese nun würden von den Objekten reflektiert, was wir dann wiederum mit unseren Augen sehen und erkennen könnten.
Der Haupthaken an dieser Vorstellung ist, dass wenn dem so wäre, dann sollten wir auch nachts sehen können, weil wir ja unser Licht selbst produzieren. Heron von Alexandria (um 100) teilte diese Vorstellung. Er dachte außerdem, dass das Licht unendlich schnell sein müsse, weil wir sobald wir die Augen öffnen, sofort und unmittelbar entfernte Objekte, wie die Sterne sehen könnten.

Ein anderer Grieche Namens Empedokles (c. 490-430 v.Chr.) gilt als Erster, der für das Licht eine endliche Geschwindigkeit vermutet hat.
Wie er zu dieser Vorstellung kam, konnte ich leider gerade nicht ausfindig machen.
Es setzte sich die Meinung von Aristoteles, dem vielleicht prägensten griechischen Philosophen durch. Er mutmaßte, dass das Licht von der bloßen Anwesenheit von Objekten herkomme und nicht in Bewegung sei oder sich so schnell bewege, dass dessen Geschwindigkeit außerhalb der menschlichen Vorstellungskraft läge. Dieser Aristoteles sollte uns mit seinen Ansichten bis zum Ende des Mittelalters begleiten.
Die beiden aus dem arabischen Raum stammenden Männer, Avicenna und Alhazen (um 1000) wiederum glaubten an eine endliche Geschwindigkeit des Lichts. Auch von den beiden weiß ich nicht, wie sie zu dieser Überzeugung gelangten.

Eine durch viele Jahrtausende bestehende Vorstellung geht davon aus, dass Licht sofort überall gleichzeitig anwesend ist, sobald es erzeugt wird. In unserem Alltag erleben wir das auch so. Schalten wir Licht ein, dann ist es für uns gleichzeitig sofort und unmittelbar im ganzen Raum hell.

Erste Lichtversuche der Neuzeit

Galileo Galilei versuchte als einer der ersten, die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts ernsthaft zu messen, jedoch ohne Erfolg. Dafür waren die ihm zur Verfügung stehenden Mittel viel zu grob. Dies gelang erst dem Astronomen Ole Rømer

Im Jahr 1676 stellte Ole Rømer, fest, dass die Zeiten zu welchen der Mond IO seinen Planeten, Jupiter, verdeckt, je nach der Position der Erde zum Jupiter bis zu mehreren Minuten variiert.
Daraus schloss er, dass das Licht eine endliche Geschwindigkeit haben muss, wenn die Verzögerungen vom Abstand zwischen Jupiter und der Erde abhängig sind.,
Der von Roemer ermittelte Wert für die Geschwindigkeit des Lichtes wich nur um 30 % vom tatsächlichen Wert ab.
Rømers Messwert wurde im Laufe der folgenden 200 Jahre durch immer raffiniertere Verfahren (vor allem durch Hippolyte Fizeau und Léon Foucault) mehr und mehr präzisiert. Die Natur des Lichts blieb jedoch weiter ungeklärt.

Licht als Teilchenstrom

Auch unser alter Bekannte Isaac Newton erforschte das Licht.
Um 1670 stellte Newton den entscheidenden Versuch mit einem Prisma
an, also mit einem dreikantig geschliffenen Stück Glas,
Er beschreibt in seinem im Jahre 1704 erschienenen Buch über Optik:

»Ich habe in meinem verdunkelten Zimmer Licht durch ein kleines Loch im Fensterladen gelassen. In etwa zehn oder
zwölf Fuß setzte ich eine Linse, die das Bild des Loches scharf auf ein weißes Papierblatt in Abständen von sechs, acht, zehn oder zwölf Fuß Abstand von der Linse warf, je nach der Art der Linse, die ich benutzte. Unmittelbar hinter die Linse setzte ich dann ein Prisma mit der Kante nach unten, welches das Licht nach oben ablenkte.«

Newton beobachtete nun statt eines Lichtpunktes einen Streifen. Er bestand aus unzählig vielen kreisförmigen sich gegenseitig überdeckenden Bildern des Loches, die alle verschiedene Farben hatten. Am oberen Ende leuchtete
der Streifen violett, am unteren rot. Das wurde noch deutlicher, als er eine Öffnung im Fensterladen mit einem Stück Pappe abdeckte, in das er einen zur Prismenkante parallelen Spalt geschnitten hatte. Nun lagen verschiedenfarbige Bilder des Spaltes nebeneinander und überdeckten sich gegenseitig. Das Prisma hatte das weiße Sonnenlicht in die Farben des Regenbogens aufgelöst.
Newtons buntes Band, in dem die vom Prisma erzeugten verschiedenfarbigen Bilder des schmalen Spaltes nebeneinander liegen, nennt man das Spektrum. Die Astronomen haben inzwischen gelernt, aus ihm nicht nur die Temperatur der strahlenden Sonnenoberfläche abzulesen, sondern auch ihre Geschwindigkeit, ihre chemische Beschaffenheit, ja sogar die Stärke und Richtung von Magnetfeldern, die für unser Auge unsichtbar sind. Doch davon ahnte Newton natürlich noch
nichts.
Um die Natur des Sonnenlichtes weiter zu ergründen, nahm er ein zweites Prisma, setzte es umgekehrt, also mit der Kante nach oben in den aufgefächerten Strahl. Das zweite Prisma vereinigte die einzelnen bunten Teilstrahlen wieder zu einem einzigen. Das Licht auf dem Papierblatt war wieder weiß.
Aus diesem Experiment, in dem er weißes Licht in verschiedene Farben zerlegte, die er wieder zu weißem Licht zusammensetzen konnte schloss er, dass das weiße Licht aus verschiedenfarbigen Bestandteilen zusammengesetzt ist. Die so von Newton entwickelten Ideen von der Natur des Lichtes gaben ihm die Mittel in die Hand, die Farben des Regenbogens zu erklären. In winzigen Wassertropfen wird Licht an ihrer Rückwand zurückgespiegelt. Dabei muß das Licht zweimal schräg durch die Oberfläche der Flüssigkeit, die wie ein Prisma wirkt.
Newton glaubte, das Licht bestünde aus zahlreichen kleinen, verschiedenfarbigen Teilchen, die mit großer Geschwindigkeit von einer Lichtquelle ausgehen, etwa von der Sonne. In ihrer Gesamtheit erscheinen sie unserem Auge weiß. Das Prisma aber kann sie ihrer Farbe nach trennen. Es lenkt die violetten Lichtkügelchen stärker aus ihrer ursprünglichen Bahn als die roten. Wenn sie aber durch ein zweites Prisma, diesmal Kante nach oben, wieder zusammengebracht werden, erscheinen sie uns wieder weiß.

Goethes Zweifel

Kein Geringerer als Johann Wolfgang von Goethe zweifelte um 100 Jahre danach Newtons Teilchenmodell des Lichtes an.
Es gibt dazu folgende kleine Geschichte:

Goethe hat sich von einem Professor in Jena einige Prismen ausgeliehen, mit denen er gelegentlich experimentieren will. Er vergisst sie in seiner Schublade. Der Professor mahnt und schickt schließlich einen
Boten. Goethe händigt die geschliffenen Gläslein ohne zögern aus. Im letzten Moment jedoch, buchstäblich zwischen Tür und Angel, nimmt er ein Prisma in die Hand … Rasch richtet er das Prisma gegen die Wand … Und siehe da: kein buntes Farbenspiel ergibt sich! Er sieht nur weiß vor der weißen Wand. Wie ein Blitz kommt ihm die Erleuchtung: Newtons Theorie ist falsch.

Doch das Bild von den Lichtteilchen kann nicht alle Eigenschaften des Lichtes erklären. Ehe wir aber dazu kommen, wollen wir uns mit dem Licht befassen, das Newton nicht sah.

Unsichtbares Licht

Das Spektrum, das Newton durch seinen Schlitz im Fensterladen und mit Hilfe von Linse und Prisma erhalten hatte, enthielt mehr, als er ahnen konnte. Das bewies ein ursprünglich aus Hannover stammender englischer Astronom. William Herschel, der damals bereits durch seine Entdeckung des Planeten Uranus weltberühmt war, betrachtete oft die Sonne mit seinem Fernrohr, an das er am Okularende Farbfilter angebracht hatte, die seine Augen vor der starken Sonnenstrahlung schützen sollten. Dabei fiel ihm auf, dass er bei Filtern, die kaum Licht durchließen, oft im Augapfel ein deutliches Wärmegefühl hatte, und er vermutete daher, daß die Wärmestrahlung der Sonne nicht mit dem sichtbaren Licht zuuns kommt, sondern in irgendeiner dem Auge unsichtbaren Form. Den Beweis führte er mit einem Experiment, das sich eng an das Newtonsche anschloss. Er ließ Sonnenlicht in einem verdunkelten Raum durch ein Prisma auf einen Papierstreifen fallen

An das rote Ende des Spektrums, aber außerhalb des Bereiches, in dem man das in Farben zerlegte Sonnenlicht sehen kann, legte er drei Thermometer auf den Tisch. Dort, wo unser Auge kein Licht mehr wahrnimmt, zeigten die Messgeräte erhöhte Temperaturen an. Herschel hatte die Strahlen der Sonne entdeckt, die jenseits des roten Lichtes im Spektrum liegen, das infrarote Licht.Angeregt durch diese Entdeckung setzte der deutsche Physiker johann Wilhelm Ritter (1776-1810) Silberchlorid verschiedenen Bereichen des Sonnenspektrums aus. Diese Verbindung des Silbers wird durch Licht verändert, deshalb verwendete man sie vor den Digitalkameras ebenso wie Silberbromid in der Fotografie. In Brillengläsern, die sich automatisch der Helligkeit anpassen, werden diese Chemikalien ebenfalls eingesetzt.
Ritter fand, dass die stärksten chemischen Reaktionen jenseits des violetten Endes des Spektrums auftraten. So entdeckte er die Ultraviolettstrahlung der Sonne.
Herschel und Ritter hatten für das Auge unsichtbare Sonnenstrahlen gefunden, die das Newtonsche Spektrum sowohl über das rote als auch über das violette Ende hinaus fortsetzten. Heute wissen wir, dass man das Spektrum nach beiden Seiten hin noch viel weiter ausdehnen kann.
Nach dem infraroten Licht kommen die Radiowellen. Nach der anderen Seite des Spektrums, jenseits des violetten Endes liegen hinter dem Ultraviolett noch die Röntgenstrahlen und schließlich die sogenannten Gammastrahlen. Die Sonne sendet alle diese Strahlenarten in den Raum,

Die Frage, was aber das Licht nun eigentlich ist, Teilchen, Welle oder was anderes, war danach noch immer nicht geklärt.

Teilchen, Welle oder beides?

Ungefähr zur gleichen Zeit begründeten Christiaan Huygens und andere die Wellentheorie des Lichts, die sich aber erst Anfang des 19. Jahrhunderts nach den Doppelspalt­experimenten von Thomas Young zunehmend durchsetzte.
Lässt man Licht durch sehr enge Öffnungen fallen, wird es dahinter abgelenkt. Die verschiedenen Lichtzüge hinter den Spalten überlagern sich. Man sieht auf einem sich hinter so einer Spaltenanordnung angebrachten Schirm Stellen, wo das Licht heller ist und andere, die ganz dunkel sind. Diese sog. Interferenzen lassen sich mit Newtons Teilchenmodell nicht erklären. Legt man aber zugrunde, dass das Licht aus Wellen unterschiedlicher Wellenlängen besteht, dann kann man sehr leicht die Analogie zu sich überlagernden Wasserwellen herstellen. Treffen zwei Wellenberge verschiedener Wellenzüge aufeinander, so addieren sie sich zu einer höheren Welle. Trifft Wellenberg auf Wellental, so löschen die beiden Wellen sich an dieser Stelle aus.
Newtons Regenbogen lässt sich mit einem Wellenmodell, bei welchem die verschiedenen Farben des Lichts unterschiedlichen Wellenlängen zugeordnet werden gut erklären. Wer eine CD mit der bespielten Seite ins Licht hält, wird schöne bunte Muster erblicken, denn die Lichtwellen brechen sich unterschiedlich an den Bergen und Tälern der in die CD eingebrannten Daten. Ein Fraunhofer-Gitter ist eine Glasscheibe mit ganz vielen sehr eng nebeneinanderliegenden eingravierten Linien. Von so einem Gitter wird Licht ebenso in seine Farben aufgefächert, wie Newtons Prismen dies taten.
So weit, so gut. Eine Wasserwelle besteht aus Wasser. Wie ist aber das Medium beschaffen, aus welchem Lichtwellen bestehen oder welche Eigenschaften haben Newtons Lichtteilchen?

Weitere Seltsamkeiten

Aber noch weitere Seltsamkeiten des Lichts wurden gefunden, die unter einen „Hut“ eines einheitlichen Lichtmodells vereinigt werden mussten, das dann alle Phänomene Welle, Teilchen, Lichtgeschwindigkeit etc. vereinigt.

Michael Faraday erbrachte 1846 als erster den Nachweis, dass Licht und Magnetismus zwei miteinander verbundene physikalische Phänomene sind. Er veröffentlichte den von ihm gefundenen magnetooptischen Effekt, der heute als Faraday-Effekt bezeichnet wird, unter dem Titel Über die Magnetisierung des Lichts und die Belichtung der Magnetkraftlinien.

James Clerk Maxwell formulierte 1864 die noch heute gültigen Grundgleichungen der Elektrodynamik und erkannte, dass dadurch die Existenz freier elektromagnetischer Wellen vorhergesagt wurde. Da deren vorhergesagte Ausbreitungsgeschwindigkeit mit der bekannten Lichtgeschwindigkeit übereinstimmte, schloss er, dass das Licht wohl eine elektromagnetische Welle sei. Er vermutete (wie damals nahezu alle Physiker), dass diese Welle nicht im leeren Raum existieren könne, sondern ein Ausbreitungsmedium brauche. Dieses Medium, das das gesamte Weltall ausfüllen müsste, wurde als Äther bezeichnet.

Gibt es den raum erfüllenden Äther?

1887 führten die beiden Amerikanischen Physiker Michelson und Morley einen Versuch durch, der das Grab des Äthers werden sollte.
Ausgangspunkt ihres Versuches war die Idee, dass wenn es einen Äther gäbe, sollte man in Bewegungsrichtung der Erde um sich selbst, vor allem aber um die Sonne, durch ihn hindurch eine Art Äther-Wind nachweisen können. Das ist dann vergleichbar mit einem Schiff, das durch das Wasser fährt.
Fährt ein Schiff gegen die Strömung, so subtrahieren sich die Geschwindigkeiten von Schiff und Wasser. Mit der Strömung ist es umgekehrt. Die Geschwindigkeiten addieren sich.
Das sollte mit in den Äther einfallendem Licht nicht anders sein.
Solch einen Effekt jedoch konnten die beiden Wissenschaftler nicht nachweisen. Das bedeutet, dass sich Licht mit konstanter Geschwindigkeit von 300.000 km/s durch den Raum, durch das Vakuum bewegt und dass das Vakuum letztlich nicht von einem Äther erfüllt ist.
Licht genügt das Vakuum als Medium. es benötigt keinen weiteren Stoff hierzu, wie der Schall die Luft.

Somit war zum einen bestätigt, dass Licht sich mit konstanter Lichtgeschwindigkeit im Vakuum bewegt und dass es keinen Stoff benötigt, um sich fortzupflanzen.
Durch diese Tatsache, dass es den Äther nicht gibt, war quasi die Türe zu Einsteins Relativitätstheorie, die auf unserer Reise noch wichtig werden wird, aufgestoßen.

Die Vereinigung der Phänomene

Dass unsere Solarzellen auf unseren Dächern funktionieren, dass unsere Sonnenbrillen sich bei Lichteinfall automatisch verdunkeln und dass Licht Fotos schwärzt, konnte aber noch immer nicht erklärt werden.
So entstand eine radikal neue Sichtweise des Lichts, die durch die Quantenhypothese von Max Planck und Albert Einstein begründet wurde. Kernpunkt dieser Hypothese ist der Welle-Teilchen-Dualismus, der das Licht nun nicht mehr ausschließlich als Welle oder ausschließlich als Teilchen beschreibt, sondern als Quantenobjekt. Als solches vereint es Eigenschaften von Welle und von Teilchen, ohne das eine oder das andere zu sein und entzieht sich somit unserer Vorstellung. Je nach dem, welche Frage man an das Licht in einem Experiment stellt, wird es eher als Welle oder eher als Teilchen antworten.

Abspann – Eine Höhlengeschichte

Im flackernden Licht der Fackel scheint es, als würden sich die Tiere an der Felswand bewegen. Stiere, nur mit wenigen Strichen aus schwarzer und roter Farbe hingeworfen, ohne naturalistische Details. Der namenlose Künstler hat die Unebenheiten der Felswand ausgenutzt. Eine Ausbuchtung hat er zum Bauch eines Tieres gemacht. Plötzlich wird mir
bewusst, dass jener Mensch über mehr als zwanzigtausend Jahre hinweg mich mit seiner Kunst bewegt, daß ich nachempfinden kann, was er meinte. Meine innerliche Bewegung wurde durch das ausgelöst, was ich sah.

Wir betrachten Bilder im Museum, freuen uns über das Schauspiel eines Sonnenaufganges über dem Meer, lieben den Anblick einer schönen Landschaft, denn wir Menschen können in der Regel sehen.
Licht fällt in unser Auge, wird in der Netzhaut von Nervenzellen registriert und vom Sehnerv an den Computer unseres Gehirns weitergegeben. Dort entsteht ein Bild, das wir in unserem Inneren empfinden.
Was ist blos dieses Licht, das uns diese Eindrücke vermittelt?
Wir wissen es jetzt ungefähr durch diesen Artikel.

Wir haben wesentliche Meilensteine zur Entschlüsselung dieses Rätsels erlebt.
Wir erinnern uns an die Sehstrahlen von Platon und anderen.
Noch heute benutzen wir Ausdrücke wie »ein Auge darauf werfen«. Der junge Mann, der auf ein Mädchen »nur ein Auge
wirft«, ist also im doppelten Sinn platonisch, einmal, was seine Vorstellung vom Sehen betrifft, zum anderen auch sonst. Es fällt uns schwer, Platon bei diesem Gedanken zu folgen – so großartig dieser Gelehrte
auch in anderen Bereichen gewesen sein mag.

Noch heute senden wir in den Äther, von dem wir wissen, dass es ihn nicht gibt.

Licht ist Welle und Teilchen zu gleich, je nach dem, welche Frage wir ihm stellen.

Naja, gibt es nicht oft auch in unserem Leben z. B. Menschen, die mal so oder so sind?

Dualismus ist ein Naturprinzip.

So, und damit geht unsere Reise durch die Geschichte des Lichtes zu Ende.
In Station sieben werden wir uns den Sternen zuwenden. Wir werden über ihr Leben und vor allem über ihr Lebensende sprechen. Dann sind wir auch schon ganz nah an unserer Endstation, den schwarzen Löchern dran.