Ist Licht ein Teilchen oder eine Welle?

Die genaue Natur des sichtbaren Lichts ist ein Rätsel, das die Menschheit seit Jahrhunderten beschäftigt. Viele Wissenschaftler und Philosophen versuchten daher, die folgende Frage zu beantworten: Ist Licht ein Teilchen oder eine Welle?

Einige griechische Wissenschaftler der pythagoreischen Schule nahmen an, dass jedes sichtbare Objekt einen stetigen Strom von Teilchen aussendet, wohingegen Aristoteles zu dem Schluss kam, das Licht bewege sich ähnlich wie Wellen im Ozean. Auch wenn diese Ideen im Laufe der Zeit viele Veränderungen und eine erhebliche Weiterentwicklung erfahren haben, ist der Kern des von den griechischen Philosophen geführten Streits bis heute bestehen geblieben.

Lichttheorie: Teilchen oder Welle?

Die eine Theorie geht davon aus, dass Licht wellenförmig ist und Energie erzeugt, die sich durch den Raum bewegt. So ähnlich wie Wasserwellen, die sich über die Oberfläche eines ruhigen Teichs ausbreiten, nachdem sie durch einen fallenden Stein erzeugt wurden. Die andere Theorie geht davon aus, dass das Licht aus einem steten Strom von Teilchen besteht, ähnlich wie winzige Wassertropfen, die aus einer Gartenschlauchdüse sprühen.

In den letzten Jahrhunderten herrschte immer wieder einmal die eine Theorie und dann wieder die andere Theorie vor. Erst Anfang des 20. Jahrhunderts wurden genügend stichhaltige Beweise gesammelt, um eine umfassende Antwort zu geben. Zur allgemeinen Überraschung erwiesen sich beide Theorien als richtig, zumindest teilweise.

Im frühen 18. Jahrhundert hatte der Streit über die Natur des Lichts die wissenschaftliche Gemeinschaft in gespaltene Lager geteilt, die vehemente Debatten um die Anerkennung ihrer jeweiligen Theorien führten. Eine Gruppe von Wissenschaftlern, die die Wellentheorie vertrat, stützte ihre Argumente auf die Entdeckungen des Niederländers Christiaan Huygens. Im gegnerischen Lager wurden die Prismenexperimente von Sir Isaac Newton als Beweis dafür angeführt, dass sich das Licht als ein Strom von Teilchen ausbreitet, die in einer geraden Linie verlaufen, bis sie gebrochen, absorbiert, reflektiert, gebeugt oder auf andere Weise gestört werden.

Obwohl Newton selbst Zweifel an seiner Korpuskulartheorie über die Natur des Lichts zu haben schien, hatte sein Ansehen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft so viel Gewicht, dass seine Verfechter während ihrer erbitterten Debatten alle anderen Beweise ignorierten.

Die Theorie der Lichtbrechung von Christiaan Huygens, die auf dem Konzept der wellenförmigen Natur des Lichts beruht, besagt, dass die Lichtgeschwindigkeit in jedem Stoff umgekehrt proportional zu ihrem Brechungsindex ist. Anders ausgedrückt nahm Huygens an, dass sich Licht umso langsamer bewegt, je stärker es durch einen Stoff gebogen oder gebrochen wird. Seine Anhänger schlussfolgerten, dass, wenn das Licht aus einem Teilchenstrom bestehen würde, der gegenteilige Effekt eintreten würde, weil das Licht, das in ein dichteres Medium eintritt, von den Molekülen des Mediums angezogen würde und eher eine Zunahme als eine Abnahme der Geschwindigkeit erfahren würde.

Diese Annahme wäre am besten zu prüfen, indem die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Substanzen wie Luft und Glas gemessen wird, doch die damaligen Geräte waren dieser Aufgabe nicht gewachsen. Das Licht schien sich unabhängig vom Material, das es passierte, mit der gleichen Geschwindigkeit zu bewegen. Es mussten mehr als 150 Jahre vergehen, bevor die Lichtgeschwindigkeit mit ausreichender Genauigkeit gemessen werden konnte, um die Richtigkeit der Huygensschen Theorie zu beweisen.

Es gab viele bekannte Wissenschaftler in den frühen 1700er Jahren, die trotz des hohen Ansehens von Isaac Newton seiner Korpuskulartheorie nicht zustimmten. Es wurde argumentiert, dass, wenn das Licht aus Teilchen bestehen würde, beim Kreuzen zweier Strahlen einige der Teilchen miteinander kollidieren würden, was eine Ablenkung der Lichtstrahlen zur Folge hätte. Da dies offensichtlich nicht der Fall war, folgerten sie, dass das Licht nicht aus einzelnen Teilchen bestehen konnte.

Die Wellentheorie des Lichts

Christiaan Huygens hatte trotz seiner Intuition in seiner Abhandlung Traité de la Lumière von 1690 vorgeschlagen, dass Lichtwellen mithilfe des Äthers durch den Raum wandern, eines geheimnisvollen gewichtslosen Stoffes, der als unsichtbare Einheit in Luft und Raum existiert.. Die Suche nach dem Äther wurde im 19. Jahrhundert intensiv vorangetrieben, schließlich aber eingestellt. Die Äthertheorie hielt sich mindestens bis zum Ende des 19. Jahrhunderts. Beispiele sind das von Charles Wheatstone vorgeschlagene Modell, das zeigen sollte, dass der Äther Lichtwellen überträgt, indem er in einem Winkel senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Lichts schwingt, oder die detaillierten Modelle von James Clerk Maxwell zur Beschreibung des Aufbaus des unsichtbaren Stoffes.

Christiaan Huygens nahm an, dass der Äther gleichgerichtet mit Licht schwingt und selbst eine Welle bildet, mit der er die Lichtwellen transportiert. In einer späteren Arbeit, Huygens' Principle, beschrieb er, wie jeder Punkt auf einer Welle seine eigenen Wavelets erzeugen kann, die sich dann zu einer Wellenfront addieren. Christiaan Huygens nutzte diese Idee, um eine detaillierte Theorie für das Brechungsphänomen zu erstellen, und um zu erklären, warum Lichtstrahlen nicht kollidieren, wenn sie sich kreuzen.

Wenn ein Lichtstrahl durch zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes wandert, wird er gebrochen und ändert seine Richtung, wenn er vom ersten Medium in das zweite gelangt. Um zu bestimmen, ob der Lichtstrahl aus Wellen oder Teilchen besteht, kann jeweils ein Modell entwickelt werden, um das Phänomen zu erklären (Abbildung 3).

Gemäß der Wellentheorie von Christiaan Huygens sollte ein kleiner Teil jeder gewinkelten Wellenfront auf das zweite Medium treffen, bevor der Rest der Wellenfront die Grenzfläche erreicht. Dieser Teil beginnt, sich durch das zweite Medium zu bewegen, während sich der Rest der Welle noch im ersten Medium bewegt, jedoch langsamer aufgrund des höheren Brechungsindex des zweiten Mediums. Da sich die Wellenfront nun mit zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt, beugt sie sich in das zweite Medium hinein, wodurch sich der Ausbreitungswinkel ändert.

Im Gegensatz dazu lässt sich mit der Teilchentheorie nur schwer erklären, warum Lichtteilchen ihre Richtung ändern sollten, wenn sie von einem Medium in ein anderes übergehen. Befürworter dieser Theorie gehen davon aus, dass eine spezielle Kraft, die senkrecht zur Grenzfläche wirkt, die Geschwindigkeit der Teilchen beim Eintritt in das zweite Medium verändert. Über die genaue Art dieser Kraft wurde lediglich spekuliert, und es gab nie Beweise für diese Theorie.

Ein weiterer guter Vergleich der beiden Theorien betrifft die Unterschiede, wenn Licht von einer glatten Oberfläche, z. B. einem Spiegel, reflektiert wird. Die Wellentheorie geht davon aus, dass eine Lichtquelle Lichtwellen abgibt, die sich in alle Richtungen ausbreiten. Beim Auftreffen auf einen Spiegel werden die Wellen entsprechend den Einfallswinkeln reflektiert, wobei jedoch jede Welle umgedreht wird, sodass ein umgekehrtes Bild entsteht (Abbildung 4). Die Form der ankommenden Wellen ist stark davon abhängig, wie weit die Lichtquelle vom Spiegel entfernt ist. Licht von einer nahen Lichtquelle weist immer noch eine sphärische, stark gekrümmte Wellenfront auf, wohingegen sich Licht von einer weit entfernten Lichtquelle stärker ausbreitet und mit fast planen Wellenfronten auf den Spiegel trifft.

Die Argumente für eine teilchenartige Natur des Lichts sind bezüglich des Reflexionsphänomens weitaus stärker als in Bezug auf die Brechung. Licht von einer nahen oder fernen Lichtquelle erreicht die Spiegeloberfläche als Strom von Teilchen, die an der glatten Oberfläche abprallen oder reflektiert werden. Da die Teilchen sehr klein sind, sind an einem sich ausbreitenden Lichtstrahl sehr viele Teilchen beteiligt, die sich sehr dicht nebeneinander bewegen.

Beim Auftreffen auf den Spiegel prallen die Teilchen von verschiedenen Punkten ab, sodass ihre Reihenfolge im Lichtstrahl bei der Reflexion umgekehrt wird und ein umgekehrtes Bild entsteht, wie in Abbildung 4 dargestellt. Beide Theorien erklären die Reflexion an einer glatten Oberfläche angemessen. Die Teilchentheorie besagt jedoch auch, dass bei einer sehr rauen Oberfläche die Teilchen in verschiedenen Winkeln abprallen und das Licht streuen. Diese Theorie stimmt sehr gut mit den experimentellen Beobachtungen überein.

Teilchen und Wellen sollten sich unterschiedlich verhalten, wenn sie auf den Rand eines Objekts treffen und einen Schatten bilden (Abbildung 5). Isaac Newton wies in seinem 1704 erschienenen Buch Opticks darauf hin, es sei noch nie gesehen worden, dass Licht einer Biegung folgt oder sich in einen Schatten beugt. Dieses Konzept stimmt überein mit der Teilchentheorie, die besagt, dass sich Lichtteilchen immer in geraden Linien bewegen. Wenn die Teilchen auf den Rand eines Hindernisses treffen, werfen sie einen Schatten, weil die Teilchen, die nicht von dem Hindernis blockiert werden, in einer geraden Linie weiterlaufen und sich nicht hinter dem Rand ausbreiten können. Auf makroskopischer Ebene ist diese Betrachtung fast korrekt, aber sie stimmt nicht mit den Ergebnissen überein, die aus Lichtbeugungsexperimenten in viel kleinerem Maßstab erhalten wurden.

Wenn Licht durch einen schmalen Spalt fällt, verbreitert sich der Lichtstrahl stärker als erwartet. Diese grundlegend wichtige Beobachtung verleiht der Wellentheorie des Lichts erhebliche Glaubwürdigkeit. Wie Wellen im Wasser scheinen sich Lichtwellen, die auf den Rand eines Objekts treffen, um den Rand herum und in den geometrischen Schatten hinein zu beugen, d. h. in einem Bereich, der nicht direkt vom Lichtstrahl beleuchtet wird. Dieses Verhalten ist vergleichbar mit Wasserwellen, die um das Ende eines Floßes schwappen, anstatt daran abzuprallen.

Fast 100 Jahre, nachdem Isaac Newton und Christiaan Huygens ihre Theorien aufgestellt hatten, führte der englische Physiker Thomas Young ein Experiment durch, das die wellenartige Natur des Lichts eindeutig bestätigte. Er ging von der Annahme aus, dass Licht aus Wellen besteht, und dass eine Art Wechselwirkung auftreten würde, wenn zwei Lichtwellen aufeinandertreffen.

Um diese Hypothese zu testen, verwendete er einen Schirm mit einem schmalen Spalt, um aus gewöhnlichem Sonnenlicht einen kohärenten Lichtstrahl (der Wellen enthält, die sich in Phase ausbreiten) zu erzeugen. Wenn die Sonnenstrahlen auf den Spalt treffen, breiten sie sich aus oder werden gebeugt, um eine einzige Wellenfront zu erzeugen. Lässt man diese Wellenfront einen zweiten Schirm mit zwei dicht neben einander liegenden Spalten beleuchten, dann werden zwei zusätzliche Quellen kohärenten Lichts erzeugt, die perfekt gleich getaktet sind (siehe Abbildung 6). Licht, das von jedem Spalt zu einem einzigen Punkt auf halbem Weg zwischen den beiden Spalten gelangt, sollte genau gleichgetaktet ankommen.

Die resultierenden Wellen sollten sich gegenseitig verstärken und eine viel größere Welle erzeugen. Betrachtet man jedoch einen Punkt auf jeder Seite des zentralen Punktes, so muss sich das Licht von einem Spalt viel weiter ausbreiten, um einen zweiten Punkt auf der gegenüberliegenden Seite des zentralen Punktes zu erreichen. Licht aus dem Spalt, der näher an diesem zweiten Punkt liegt, würde vor dem Licht aus dem weiter entfernten Spalt ankommen, sodass die beiden Wellen nicht gleichgetaktet wären und sich gegenseitig aufheben könnten – das Resultat wäre Dunkelheit.

Thomas Young stellte fest, dass sich die Lichtwellen aus der zweiten Reihe an Spalten treffen und überlagern, wenn sie sich ausbreiten (oder gebeugt werden), und bestätigte damit seine Annahme. In einigen Fällen werden die beiden Wellen durch eine taktgenaue Überlagerung kombiniert. In anderen Fällen werden die Lichtwellen mit leichten oder deutlich unterschiedlichen Phasen kombiniert.

Thomas Young fand heraus, dass sich die Wellen, wenn sie im Gleichtakt aufeinander trafen, durch einen Prozess namens konstruktive Interferenz addierten. Die Wellen, die nicht im Gleichtakt aufeinandertreffen, heben sich gegenseitig auf. Dieses Phänomen ist auch als destruktive Interferenz bekannt. Zwischen diesen beiden Extremen treten verschiedene Grade von konstruktiver und destruktiver Interferenz auf, die Wellen mit einem breiten Spektrum von Amplituden erzeugen. Thomas Young beobachtete die Interferenzeffekte auf einem Schirm, der sich in einem bestimmten Abstand hinter dem Doppelspalt befand. Nach der Beugung erzeugt das durch Interferenz rekombinierte Licht eine Reihe an hellen und dunklen Streifen entlang der Länge des Schirms.

Trotz ihrer Bedeutung wurden Youngs Schlussfolgerungen damals nicht allgemein anerkannt, was vor allem an der vorherrschenden Überzeugung lag, dass die Teilchentheorie des Lichts stimmt. Zusätzlich zu seinen Beobachtungen zur Lichtinterferenz nahm Thomas Young an, dass sich das Licht aus verschiedenen Farben und Wellen unterschiedlicher Länge zusammensetzt, einem grundlegenden Konzept, das bis heute weithin anerkannt ist. Die Befürworter der Teilchentheorie gingen dagegen davon aus, dass die verschiedenen Farben von Teilchen stammen, die entweder eine unterschiedliche Masse haben oder sich mit unterschiedlicher Geschwindigkeit fortbewegen.

Der Interferenzeffekt ist nicht auf Licht beschränkt. Wellen, die auf der Wasseroberfläche eines Pools oder Teichs erzeugt werden, breiten sich in alle Richtungen aus und unterliegen einem identischen Verhalten. Wenn sich zwei Wellen im Gleichtakt treffen, addieren sie sich durch konstruktive Interferenz zu einer größeren Welle. Kollidierende Wellen, die nicht im Gleichtakt sind, heben sich durch destruktive Interferenz auf und erzeugen eine flache Wasseroberfläche.

Noch mehr Beweise für eine wellenartige Natur des Lichts wurden entdeckt, als das Verhalten eines Lichtstrahls zwischen gekreuzten Polarisatoren untersucht wurde (Abbildung 7). Polarisationsfilter haben eine einzigartige Molekularstruktur, die nur Licht mit einer einzigen Ausrichtung durchlässt. Ein Polarisator kann also als eine spezielle Art von molekularer Jalousie mit winzigen Lamellenreihen betrachtet werden, die innerhalb des polarisierenden Materials in eine einzige Richtung ausgerichtet sind. Trifft ein Lichtstrahl auf einen Polarisator, können nur parallel zur Polarisationsrichtung orientierte Lichtstrahlen den Polarisator passieren. Befindet sich ein zweiter Polarisator hinter dem ersten Polarisator und ist in die gleiche Richtung ausgerichtet, passiert das Licht, das durch den ersten Polarisator fällt, auch den zweiten Polarisator.

Wird jedoch der zweite Polarisator um einen kleinen Winkel gedreht wird, verringert sich die Menge des durchgelassenen Lichts. Wenn der zweite Polarisator so gedreht wird, dass die Ausrichtung senkrecht zu der des ersten Polarisators ist, wird Licht, das durch den ersten Polarisator fällt, nicht durch den zweiten Polarisator geleitet. Dieser Effekt lässt sich leicht mit der Wellentheorie erklären, wohingegen die Teilchentheorie keinerlei Erklärung dafür liefert, warum das Licht durch den zweiten Polarisator blockiert wird. Tatsächlich ist die Teilchentheorie unzureichend, um Interferenz und Beugung zu erklären – Effekte, die sich später als Erscheinungsformen desselben Phänomens herausstellen sollten.

Die mittels polarisiertem Licht beobachteten Effekte waren entscheidend für die Entwicklung des Konzepts, dass Licht aus transversalen Wellen mit Komponenten senkrecht zur Ausbreitungsrichtung besteht. Jede der transversalen Komponenten muss eine bestimmte Ausrichtung haben, um einen Polarisator zu passieren bzw. von ihm blockiert zu werden. Nur Wellen mit einer transversalen Komponente parallel zum Polarisationsfilter werden durchgelassen, alle anderen werden blockiert.

Mitte des 19. Jahrhunderts waren immer mehr Wissenschaftler von der wellenartigen Natur des Lichts überzeugt, aber eine Frage blieb immer noch zu klären: Was genau ist Licht? Ein Durchbruch wurde erreicht, als der englische Physiker James Clerk Maxwell entdeckte, dass alle Formen elektromagnetischer Strahlung ein kontinuierliches Spektrum darstellen und sich mit der gleichen Geschwindigkeit durch ein Vakuum bewegen, nämlich mit 186.000 Meilen pro Sekunde. Dank Maxwells Entdeckung war die Teilchentheorie nun endgültig bewiesen, sodass es zu Beginn des 20. Jahrhunderts schien, als seien die grundlegenden Fragen zu Licht und der optischen Theorie endlich beantwortet.

In den späten 1880er Jahren entdeckten Wissenschaftler aber erstmals, dass Licht unter bestimmten Bedingungen Elektronen aus den Atomen verschiedener Metalle herauslösen kann, sodass die Wellentheorie des Lichts erneut angezweifelt wurde (Abbildung 8). Auch wenn es zunächst als merkwürdiges und unerklärliches Phänomen betrachtet wurde, war schnell klar, dass ultraviolettes Licht in einer Vielzahl von Metallen Atome von Elektronen befreien kann, um eine positive elektrische Ladung zu erzeugen. Der deutsche Physiker Philipp Lenard interessierte sich für diese Beobachtungen und bezeichnete sie als photoelektrischen Effekt. Er verwendete ein Prisma, um weißes Licht in seine Farbkomponenten zu zerlegen, und fokussierte dann jede Farbe selektiv auf eine Metallplatte, um Elektronen herauszulösen.

Was er entdeckte, verwirrte und faszinierte ihn zugleich. Bei einer bestimmten Lichtwellenlänge (z. B. blau) erzeugten die Elektronen ein konstantes Potential oder eine feste Energiemenge. Eine Verringerung bzw. Erhöhung der Lichtmenge führte zu einer entsprechenden Erhöhung bzw. Verringerung der Anzahl freigesetzter Elektronen, wobei die Energie in jedem Fall gleich blieb. Anders gesagt, die Energie der Elektronen, die aus ihren Atombindungen entweichen, hängt von der Wellenlänge des Lichts ab, nicht von der Intensität. Dies steht im Gegensatz zu dem, was man nach der Wellentheorie erwarten würde. Philipp Lenard entdeckte auch einen Zusammenhang zwischen Wellenlänge und Energie: kürzere Wellenlängen erzeugten Elektronen mit einer größeren Energiemenge.

Der Grundstein für eine Verbindung zwischen Licht und Atomen wurde in den frühen 1800er Jahren gelegt, als William Hyde Wollaston entdeckte, dass das Spektrum der Sonne kein kontinuierliches Lichtspektrum ist, sondern dass darin Hunderte von Wellenlängen fehlen. Der deutsche Physiker Joseph von Fraunhofer kartierte mehr als 500 schmale Linien, die den fehlenden Wellenlängen entsprechen, und ordnete den größten Lücken Buchstaben zu. Später wurde entdeckt, dass die Lücken durch Absorption bestimmter Wellenlängen durch Atome in der äußeren Schicht der Sonne entstanden. Diese Beobachtungen zählen zu den ersten, die dazu führten, Atome und Licht miteinander in Verbindung zu bringen, auch wenn die grundlegenden Auswirkungen zu dieser Zeit noch nicht verstanden wurden.
 

Teilchentheorie des Lichts

1905 stellte Albert Einstein fest, dass Licht tatsächlich bestimmte Teilcheneigenschaften aufweisen könnte, ungeachtet der erdrückenden Beweise, die für eine wellenartige Natur sprachen. Bei der Entwicklung seiner Quantentheorie berechnete Einstein mathematisch, dass Elektronen, die an Atome in einem Metall gebunden sind, eine bestimmte Lichtmenge absorbieren können (zuerst als Quantum bezeichnet, später jedoch in Photon umbenannt) und somit genügend Energie erlangen, um zu entweichen. Er spekulierte auch, dass kürzere Wellenlängen Elektronen mit höherer Energie erzeugen würden, wenn die Energie eines Photons umgekehrt proportional zur Wellenlänge wäre, eine Hypothese, die er aus den Forschungsergebnissen von Philipp Lenard ableitete.

Einsteins Theorie wurde in den 1920er Jahren durch die Experimente des amerikanischen Physikers Arthur H. Compton bestärkt. Er wies nach, dass Photonen einen Impuls haben, eine notwendige Voraussetzung zur Untermauerung der Theorie, dass Materie gleichbedeutend ist mit Energie. Etwa zur gleichen Zeit schlug der französische Wissenschaftler Louis-Victor de Broglie vor, dass jegliche Materie und Strahlung Eigenschaften haben, die sowohl einem Teilchen als auch einer Welle ähneln. Louis-Victor de Broglie nahm die Arbeit Max Plancks als Grundlage und extrapolierte Einsteins berühmte Formel, die Masse und Energie in Beziehung setzt, um die Plancksche Konstante einzubeziehen:

E = mc2 = hν

Wobei: E = Energie eines Teilchens, m = Masse, c = Lichtgeschwindigkeit, h = Plancksche Konstante und ν = Frequenz. Die Arbeit von Louis de Broglie, in der die Frequenz einer Welle mit der Energie und der Masse eines Teilchens in Beziehung gesetzt wurde, war grundlegend für die Entwicklung eines neuen Bereichs, der schließlich dazu dienen sollte, die wellen- und die teilchenartige Natur des Lichts zu erklären.
 

Lichtdualität: Teilchen und Welle

Aus der Forschungsarbeit von Einstein, Planck, de Broglie, Neils Bohr, Erwin Schrödinger und anderen, die versuchten zu erklären, warum elektromagnetische Strahlung sowohl ein teilchenartiges als auch ein wellenartiges Verhalten zeigt (so genannte Dualität), entstand schließlich die Quantenmechanik. Manchmal verhält sich Licht wie ein Teilchen und manchmal wie eine Welle.

Mit diesem komplementären bzw. dualen Verhalten in Bezug auf die Theorie und das Verhalten von Licht lassen sich alle bekannten Phänomene beschreiben, die experimentell beobachtet wurden – von Brechung, Reflexion, Interferenz und Beugung bis hin zu den Beobachtungen mit polarisiertem Licht und dem photoelektrischen Effekt. Kombiniert wirken die Eigenschaften des Lichts zusammen und bringen uns die Schönheit des Universums näher.