Licht: Teilchen oder Welle?

Die genaue Natur des sichtbaren Lichts ist ein Rätsel, das den Menschen seit Jahrhunderten verwirrt. Griechische Wissenschaftler aus der alten pythagoreischen Disziplin postulierten, dass jedes sichtbare Objekt einen stetigen Strom von Partikeln emittiert, während Aristoteles zu dem Schluss kam, dass sich Licht ähnlich wie Wellen im Ozean bewegt. Obwohl diese Ideen in den letzten 20 Jahrhunderten zahlreiche Modifikationen und ein erhebliches Maß an Entwicklung erfahren haben, bleibt das Wesen des von den griechischen Philosophen begründeten Streits bis heute bestehen.

Ein Gesichtspunkt stellt sich Licht als wellenartig in der Natur vor und produziert Energie, die durch Raum in einer Weise ähnlich den Kräuselungen durchquert, die sich über die Oberfläche eines stillen Teiches ausbreiten, nachdem sie durch einen fallengelassenen Felsen gestört worden sind. Die entgegengesetzte Ansicht besagt, dass Licht aus einem stetigen Strom von Partikeln besteht, ähnlich wie winzige Wassertröpfchen, die aus einer Gartenschlauchdüse gesprüht werden. In den letzten Jahrhunderten schwankte der Konsens der Meinung, wobei eine Ansicht für eine gewisse Zeit vorherrschte, nur um durch Beweise für die andere umgeworfen zu werden. Erst in den ersten Jahrzehnten des 20.Jahrhunderts wurden genügend überzeugende Beweise gesammelt, um eine umfassende Antwort zu geben, und zu jedermanns Überraschung erwiesen sich beide Theorien zumindest teilweise als richtig.

Im frühen achtzehnten Jahrhundert hatte das Argument über die Natur des Lichts die wissenschaftliche Gemeinschaft in geteilte Lager verwandelt, die heftig um die Gültigkeit ihrer Lieblingstheorien kämpften. Eine Gruppe von Wissenschaftlern, die sich der Wellentheorie anschlossen, konzentrierte ihre Argumente auf die Entdeckungen des Niederländers Christiaan Huygens. Das gegnerische Lager zitierte Sir Isaac Newtons Prismenexperimente als Beweis dafür, dass Licht als ein Schauer von Teilchen reiste, die jeweils in einer geraden Linie abliefen, bis es gebrochen, absorbiert, reflektiert, gebeugt oder auf andere Weise gestört wurde. Obwohl Newton selbst Zweifel an seiner korpuskulären Theorie über die Natur des Lichts zu haben schien, hatte sein Ansehen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft so viel Gewicht, dass seine Befürworter alle anderen Beweise während ihrer wilden Kämpfe ignorierten.

Huygens ‚Theorie der Lichtbrechung, basierend auf dem Konzept der wellenartigen Natur des Lichts, hielt fest, dass die Lichtgeschwindigkeit in jeder Substanz umgekehrt proportional zu ihrem Brechungsindex war. Mit anderen Worten, Huygens postulierte, je mehr Licht von einer Substanz „gebogen“ oder gebrochen wurde, desto langsamer würde es sich bewegen, während es diese Substanz durchquert. Seine Anhänger kamen zu dem Schluss, dass, wenn Licht aus einem Strom von Partikeln zusammengesetzt wäre, der gegenteilige Effekt eintreten würde, weil Licht, das in ein dichteres Medium eintritt, von Molekülen in dem Medium angezogen würde und eher eine Zunahme als eine Abnahme der Geschwindigkeit erfahren würde. Obwohl die perfekte Lösung für dieses Argument darin bestehen würde, die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Substanzen, beispielsweise Luft und Glas, zu messen, waren die damaligen Geräte dieser Aufgabe nicht gewachsen. Licht schien sich mit der gleichen Geschwindigkeit zu bewegen, unabhängig von dem Material, durch das es hindurchging. Über 150 Jahre vergingen, bis die Lichtgeschwindigkeit mit einer Genauigkeit gemessen werden konnte, die hoch genug war, um zu beweisen, dass die Huygens-Theorie korrekt war.

Trotz des hoch angesehenen Rufs von Sir Isaac Newton stimmten eine Reihe prominenter Wissenschaftler in den frühen 1700er Jahren seiner korpuskulären Theorie nicht zu. Einige argumentierten, dass, wenn Licht aus Partikeln besteht, wenn zwei Strahlen gekreuzt werden, einige der Partikel miteinander kollidieren würden, um eine Abweichung in den Lichtstrahlen zu erzeugen. Offensichtlich ist dies nicht der Fall, so dass sie zu dem Schluss kamen, dass Licht nicht aus einzelnen Teilchen bestehen darf.

Huygens hatte bei aller Intuition in seiner Abhandlung Traité de la Lumière von 1690 vorgeschlagen, dass Lichtwellen durch den Raum reisten, vermittelt durch den Äther, eine mystische schwerelose Substanz, die als unsichtbare Einheit in Luft und Raum existiert. Die Suche nach Äther verbrauchte im neunzehnten Jahrhundert eine beträchtliche Menge an Ressourcen, bevor sie schließlich zur Ruhe kam. Die Äthertheorie dauerte mindestens bis in die späten 1800er Jahre, wie Charles Wheatstones vorgeschlagenes Modell zeigt, das zeigt, dass Äther Lichtwellen trug, indem er in einem Winkel senkrecht zur Richtung der Lichtausbreitung vibrierte, und James Clerk Maxwells detaillierte Modelle, die den Aufbau der unsichtbaren Substanz beschreiben. Huygens glaubte, dass Äther in die gleiche Richtung wie Licht vibrierte und selbst eine Welle bildete, während er die Lichtwellen trug. In einem späteren Band, Huygens ‚Prinzip, beschrieb er genial, wie jeder Punkt auf einer Welle seine eigenen Wavelets erzeugen könnte, die sich dann zu einer Wellenfront addieren. Huygens verwendete diese Idee, um eine ausführliche Theorie für das Brechungsphänomen zu erzeugen, und auch zu erklären, warum Lichtstrahlen in einander nicht zusammenstoßen, wenn sie Wege kreuzen.

Wenn sich ein Lichtstrahl zwischen zwei Medien mit unterschiedlichen Brechungsindizes bewegt, erfährt der Strahl eine Brechung und ändert seine Richtung, wenn er vom ersten Medium in das zweite Medium übergeht. Um festzustellen, ob der Lichtstrahl aus Wellen oder Partikeln besteht, kann für jedes ein Modell entwickelt werden, um das Phänomen zu erklären (Abbildung 3). Nach der Wellentheorie von Huygens sollte ein kleiner Teil jeder abgewinkelten Wellenfront auf das zweite Medium auftreffen, bevor der Rest der Front die Grenzfläche erreicht. Dieser Teil beginnt sich durch das zweite Medium zu bewegen, während sich der Rest der Welle noch im ersten Medium bewegt, bewegt sich jedoch aufgrund des höheren Brechungsindex des zweiten Mediums langsamer. Da sich die Wellenfront nun mit zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt, biegt sie sich in das zweite Medium und verändert so den Ausbreitungswinkel. Im Gegensatz dazu hat die Teilchentheorie eine ziemlich schwierige Zeit zu erklären, warum Lichtteilchen ihre Richtung ändern sollten, wenn sie von einem Medium in ein anderes übergehen. Befürworter der Theorie schlagen vor, dass eine spezielle Kraft, die senkrecht zur Grenzfläche gerichtet ist, die Geschwindigkeit der Teilchen ändert, wenn sie in das zweite Medium eintreten. Die genaue Natur dieser Kraft wurde Spekulationen überlassen, und es wurden nie Beweise gesammelt, um die Theorie zu beweisen.

Ein weiterer hervorragender Vergleich der beiden Theorien betrifft die Unterschiede, die auftreten, wenn Licht von einer glatten, spiegelnden Oberfläche wie einem Spiegel reflektiert wird. Die Wellentheorie spekuliert, dass eine Lichtquelle Lichtwellen aussendet, die sich in alle Richtungen ausbreiten. Beim Auftreffen auf einen Spiegel werden die Wellen entsprechend den Ankunftswinkeln reflektiert, wobei jedoch jede Welle von hinten nach vorne gedreht wird, um ein umgekehrtes Bild zu erzeugen (Abbildung 4). Die Form der ankommenden Wellen hängt stark davon ab, wie weit die Lichtquelle vom Spiegel entfernt ist. Licht, das von einer nahen Quelle stammt, behält immer noch eine sphärische, stark gekrümmte Wellenfront bei, während sich Licht, das von einer Fernquelle emittiert wird, stärker ausbreitet und den Spiegel mit fast ebenen Wellenfronten trifft.

Der Fall für eine Teilchennatur für Licht ist in Bezug auf das Reflexionsphänomen weitaus stärker als für die Brechung. Von einer Quelle emittiertes Licht, ob nah oder fern, gelangt als Partikelstrom auf die Spiegeloberfläche, die von der glatten Oberfläche abprallen oder reflektiert werden. Da die Teilchen sehr klein sind, sind eine große Anzahl an einem sich ausbreitenden Lichtstrahl beteiligt, wo sie sich sehr nahe nebeneinander bewegen. Beim Auftreffen auf den Spiegel prallen die Partikel von verschiedenen Punkten ab, so dass ihre Reihenfolge im Lichtstrahl bei der Reflexion umgekehrt wird, um ein umgekehrtes Bild zu erzeugen, wie in Abbildung 4 gezeigt. Sowohl die Teilchen- als auch die Wellentheorie erklären die Reflexion von einer glatten Oberfläche angemessen. Die Teilchentheorie legt jedoch auch nahe, dass die Partikel, wenn die Oberfläche sehr rau ist, in verschiedenen Winkeln abprallen und das Licht streuen. Diese Theorie passt sehr gut zur experimentellen Beobachtung.

Partikel und Wellen sollten sich auch anders verhalten, wenn sie auf den Rand eines Objekts treffen und einen Schatten bilden (Abbildung 5). Newton wies in seinem 1704 erschienenen Buch Opticks schnell darauf hin, dass „Licht niemals krummen Passagen folgt oder sich in den Schatten beugt“. Dieses Konzept steht im Einklang mit der Teilchentheorie, die vorschlägt, dass sich Lichtteilchen immer in geraden Linien bewegen müssen. Wenn die Partikel auf den Rand einer Barriere treffen, werfen sie einen Schatten, da die nicht durch die Barriere blockierten Partikel in einer geraden Linie weiterlaufen und sich nicht hinter dem Rand ausbreiten können. Im makroskopischen Maßstab ist diese Beobachtung fast korrekt, stimmt jedoch nicht mit den Ergebnissen von Lichtbeugungsexperimenten in einem viel kleineren Maßstab überein.

Wenn Licht durch einen schmalen Schlitz geleitet wird, breitet sich der Strahl aus und wird breiter als erwartet. Diese grundlegend wichtige Beobachtung verleiht der Wellentheorie des Lichts eine erhebliche Glaubwürdigkeit. Wie Wellen im Wasser scheinen sich Lichtwellen, die auf den Rand eines Objekts treffen, um den Rand herum und in seinen geometrischen Schatten zu biegen, der ein Bereich ist, der nicht direkt vom Lichtstrahl beleuchtet wird. Dieses Verhalten ist analog zu Wasserwellen, die sich um das Ende eines Floßes wickeln, anstatt sich zu reflektieren.

Fast hundert Jahre nachdem Newton und Huygens ihre Theorien vorgeschlagen hatten, führte ein englischer Physiker namens Thomas Young ein Experiment durch, das die wellenartige Natur des Lichts stark unterstützte. Weil er glaubte, dass Licht aus Wellen besteht, argumentierte Young, dass eine Art von Wechselwirkung auftreten würde, wenn sich zwei Lichtwellen treffen. Um diese Hypothese zu testen, verwendete er einen Bildschirm mit einem einzigen, schmalen Schlitz, um einen kohärenten Lichtstrahl (mit Wellen, die sich in Phase ausbreiten) aus gewöhnlichem Sonnenlicht zu erzeugen. Wenn die Sonnenstrahlen auf den Schlitz treffen, breiten sie sich aus oder beugen sich, um eine einzelne Wellenfront zu erzeugen. Wenn diese Front einen zweiten Bildschirm mit zwei eng beieinander liegenden Schlitzen beleuchten darf, werden zwei zusätzliche kohärente Lichtquellen erzeugt, die perfekt im Gleichschritt miteinander stehen (siehe Abbildung 6). Licht von jedem Schlitz, der zu einem einzigen Punkt auf halbem Weg zwischen den beiden Schlitzen wandert, sollte perfekt im Gleichschritt ankommen. Die resultierenden Wellen sollten sich gegenseitig verstärken, um eine viel größere Welle zu erzeugen. Wenn jedoch ein Punkt auf beiden Seiten des Zentralpunkts betrachtet wird, muss das Licht von einem Schlitz viel weiter wandern, um einen zweiten Punkt auf der gegenüberliegenden Seite des Zentralpunkts zu erreichen. Licht aus dem Schlitz, der näher an diesem zweiten Punkt liegt, würde vor dem Licht aus dem entfernten Schlitz ankommen, so dass die beiden Wellen nicht im Einklang miteinander stehen und sich gegenseitig aufheben könnten, um Dunkelheit zu erzeugen.

Wie er vermutete, entdeckte Young, dass, wenn die Lichtwellen aus dem zweiten Satz von Schlitzen gespreizt (oder gebeugt) werden, sie sich treffen und überlappen. In einigen Fällen kombiniert die Überlappung die beiden Wellen genau im Schritt. In anderen Fällen werden die Lichtwellen jedoch entweder geringfügig oder vollständig außer Schritt miteinander kombiniert. Young fand heraus, dass, wenn sich die Wellen im Schritt trafen, sie durch einen Prozess addiert wurden, der als konstruktive Interferenz bezeichnet wird. Wellen, die sich außerhalb des Schrittes treffen, heben sich gegenseitig auf, ein Phänomen, das als destruktive Interferenz bekannt ist. Zwischen diesen beiden Extremen treten verschiedene Grade konstruktiver und destruktiver Interferenz auf, um Wellen mit einem breiten Spektrum von Amplituden zu erzeugen. Young konnte die Auswirkungen von Interferenzen auf einem Bildschirm beobachten, der in einem festgelegten Abstand hinter den beiden Schlitzen platziert war. Nach der Beugung erzeugt das Licht, das durch Interferenz rekombiniert wird, eine Reihe von hellen und dunklen Fransen entlang der Länge des Bildschirms.

Obwohl scheinbar wichtig, wurden Youngs Schlussfolgerungen zu dieser Zeit nicht allgemein akzeptiert, vor allem wegen des überwältigenden Glaubens an die Teilchentheorie. Zusätzlich zu seinen Beobachtungen zur Lichtinterferenz postulierte Young, dass Licht unterschiedlicher Farben aus Wellen unterschiedlicher Länge besteht, ein grundlegendes Konzept, das heute weithin akzeptiert wird. Im Gegensatz dazu stellten sich die Befürworter der Teilchentheorie vor, dass verschiedene Farben von Teilchen abgeleitet wurden, die entweder unterschiedliche Massen hatten oder sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegten.

Die Interferenzwirkung ist nicht auf Licht beschränkt. Wellen, die auf der Oberfläche eines Pools oder Teiches erzeugt werden, breiten sich in alle Richtungen aus und verhalten sich identisch. Wo sich zwei Wellen im Schritt treffen, addieren sie sich zu einer größeren Welle durch konstruktive Interferenz. Kollidierende Wellen, die nicht im Schritt sind, heben sich gegenseitig durch destruktive Interferenz auf und erzeugen eine ebene Oberfläche auf dem Wasser.

Noch mehr Beweise für eine wellenartige Natur des Lichts wurden entdeckt, als das Verhalten eines Lichtstrahls zwischen gekreuzten Polarisatoren sorgfältig untersucht wurde (Abbildung 7). Polarisationsfilter haben eine einzigartige Molekülstruktur, die nur Licht mit einer einzigen Orientierung durchlässt. Mit anderen Worten, ein Polarisator kann als eine spezielle Art von molekularer Jalousie angesehen werden, die winzige Lamellenreihen aufweist, die in einer einzigen Richtung innerhalb des polarisierenden Materials ausgerichtet sind. Wenn ein Lichtstrahl auf einen Polarisator treffen darf, können nur parallel zur Polarisationsrichtung orientierte Lichtstrahlen den Polarisator passieren. Wenn ein zweiter Polarisator hinter dem ersten positioniert und in die gleiche Richtung ausgerichtet ist, wird Licht, das durch den ersten Polarisator hindurchtritt, auch durch den zweiten hindurchtreten.

Wenn der zweite Polarisator jedoch in einem kleinen Winkel gedreht wird, verringert sich die Lichtmenge, die hindurchtritt. Wenn der zweite Polarisator gedreht wird, so dass die Orientierung senkrecht zu der des ersten Polarisators ist, dann wird keines des Lichts, das durch den ersten Polarisator hindurchtritt, durch den zweiten hindurchtreten. Dieser Effekt lässt sich leicht mit der Wellentheorie erklären, aber keine Manipulation der Teilchentheorie kann erklären, wie Licht durch den zweiten Polarisator blockiert wird. Tatsächlich ist die Teilchentheorie auch nicht ausreichend, um Interferenz und Beugung zu erklären, Effekte, die sich später als Manifestationen desselben Phänomens herausstellen würden.

Die mit polarisiertem Licht beobachteten Effekte waren entscheidend für die Entwicklung des Konzepts, dass Licht aus transversalen Wellen besteht, deren Komponenten senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehen. Jede der Querkomponenten muss eine bestimmte Orientierungsrichtung haben, die es ermöglicht, sie entweder zu passieren oder durch einen Polarisator blockiert zu werden. Nur die Wellen mit einer Querkomponente parallel zum Polarisationsfilter werden durchgelassen und alle anderen werden blockiert.

Mitte der 1800er Jahre überzeugten sich die Wissenschaftler zunehmend vom wellenartigen Charakter des Lichts, aber es blieb ein übermächtiges Problem. Was genau ist Licht? Ein Durchbruch wurde erzielt, 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: 186.000 Meilen pro Sekunde. Maxwells Entdeckung nagelte effektiv den Sarg der Teilchentheorie und zu Beginn des 20.Jahrhunderts schien es, dass die grundlegenden Fragen der Licht- und optischen Theorie endlich beantwortet waren.

Ein schwerer Schlag für die Wellentheorie ereignete sich hinter den Kulissen in den späten 1880er Jahren, als Wissenschaftler erstmals entdeckten, dass Licht unter bestimmten Bedingungen Elektronen aus den Atomen mehrerer Metalle entfernen kann (Abbildung 8). Obwohl es zunächst nur ein merkwürdiges und unerklärliches Phänomen war, wurde schnell entdeckt, dass ultraviolettes Licht Atome von Elektronen in einer Vielzahl von Metallen entlasten kann, um eine positive elektrische Ladung zu erzeugen. Der deutsche Physiker Philipp Lenard interessierte sich für diese Beobachtungen, die er den photoelektrischen Effekt nannte. Lenard verwendete ein Prisma, um weißes Licht in seine Komponentenfarben aufzuteilen, und fokussierte dann selektiv jede Farbe auf eine Metallplatte, um Elektronen auszustoßen.

Was Lenard entdeckte, verwirrte und erstaunte ihn. Für eine bestimmte Wellenlänge des Lichts (z. B. blau) erzeugten die Elektronen ein konstantes Potential oder eine feste Energiemenge. Eine Verringerung oder Erhöhung der Lichtmenge führte zu einer entsprechenden Zunahme oder Abnahme der Anzahl der freigesetzten Elektronen, wobei jedoch jeweils die gleiche Energie beibehalten wurde. Mit anderen Worten, Elektronen, die ihren atomaren Bindungen entkamen, hatten Energien, die von der Wellenlänge des Lichts abhängig waren, nicht von der Intensität. Dies widerspricht dem, was man von der Wellentheorie erwarten würde. Lenard entdeckte auch eine Verbindung zwischen Wellenlänge und Energie: kürzere Wellenlängen erzeugten Elektronen mit größeren Energiemengen.

Der Grundstein für eine Verbindung zwischen Licht und Atomen wurde in den frühen 1800er Jahren gelegt, als William Hyde Wollaston entdeckte, dass das Sonnenspektrum kein kontinuierliches Lichtband war, sondern Hunderte fehlender Wellenlängen enthielt. Über 500 schmale Linien, die fehlenden Wellenlängen entsprechen, wurden vom deutschen Physiker Joseph von Fraunhofer kartiert, der den größten Lücken Buchstaben zuordnete. Später wurde entdeckt, dass die Lücken durch Absorption bestimmter Wellenlängen durch Atome in der äußeren Sonnenschicht erzeugt wurden. Diese Beobachtungen waren einige der ersten Verbindungen zwischen Atomen und Licht, obwohl der grundlegende Einfluss zu dieser Zeit nicht verstanden wurde.

1905 postulierte Albert Einstein, dass Licht tatsächlich einige Teilcheneigenschaften haben könnte, ungeachtet der überwältigenden Beweise für eine wellenartige Natur. Bei der Entwicklung seiner Quantentheorie schlug Einstein mathematisch vor, dass Elektronen, die an Atome in einem Metall gebunden sind, eine bestimmte Lichtmenge absorbieren können (zuerst als Quant bezeichnet, später aber in ein Photon umgewandelt) und somit die Energie haben, zu entkommen. Er spekulierte auch, dass, wenn die Energie eines Photons umgekehrt proportional zur Wellenlänge wäre, kürzere Wellenlängen Elektronen mit höheren Energien erzeugen würden, eine Hypothese, die tatsächlich aus den Ergebnissen von Lenards Forschung hervorgeht.

Einsteins Theorie wurde in den 1920er Jahren durch die Experimente des amerikanischen Physikers Arthur H. Compton, der demonstrierte, dass Photonen einen Impuls hatten, eine notwendige Voraussetzung, um die Theorie zu unterstützen, dass Materie und Energie austauschbar sind. Etwa zur gleichen Zeit schlug der französische Wissenschaftler Louis-Victor de Broglie vor, dass alle Materie und Strahlung Eigenschaften haben, die sowohl einem Teilchen als auch einer Welle ähneln. De Broglie extrapolierte Einsteins berühmte Formel in Bezug auf Masse und Energie auf die Plancksche Konstante:

wobei E die Energie eines Teilchens ist, m die Masse, c die Lichtgeschwindigkeit, h die Plancksche Konstante und ν die Frequenz. De Broglies Arbeit, die die Frequenz einer Welle mit der Energie und Masse eines Teilchens in Beziehung setzt, war grundlegend für die Entwicklung eines neuen Feldes, das letztendlich genutzt werden würde, um sowohl die wellenartige als auch die teilchenartige Natur des Lichts zu erklären. Die Quantenmechanik entstand aus der Forschung von Einstein, Planck, de Broglie, Neils Bohr, Erwin Schrödinger und anderen, die zu erklären versuchten, wie elektromagnetische Strahlung das zeigen kann, was heute als Dualität bezeichnet wird, oder sowohl teilchen- als auch wellenartiges Verhalten. Manchmal verhält sich Licht wie ein Teilchen und manchmal wie eine Welle. Diese komplementäre oder doppelte Rolle für das Verhalten von Licht kann verwendet werden, um alle bekannten Eigenschaften zu beschreiben, die experimentell beobachtet wurden, von Brechung, Reflexion, Interferenz und Beugung bis hin zu den Ergebnissen mit polarisiertem Licht und dem photoelektrischen Effekt. In Kombination wirken die Eigenschaften des Lichts zusammen und ermöglichen es uns, die Schönheit des Universums zu beobachten.