Untertitel: Viele helle Streifen
Die Lehre vom Licht, die Optik, gehört zu den ältesten Gebieten der Physik. Schon die alten Griechen diskutierten darüber, ob Licht von den Dingen ausgeht oder ob unsere Augen die Dinge quasi „abtasten„. Erst der arabische Naturforscher Ibn Al Haitham scheint um das Jahr 1000 klargestellt zu haben, dass sichtbare Dinge Licht aussenden, also selbst leuchten oder fremdes Licht zurückwerfen. Das klingt sehr logisch! Nach der „Abtasttheorie“ könntest du ja auch im Dunkeln sehen (F5)!
Aber was ist Licht? Was wird dabei ausgesendet? Im 17. Jahrhundert gab es zwei Ansichten. Christian Huygens (siehe Kap. 26.1) war der Ansicht, dass Licht eine Welle ist. Er vertrat also die Wellentheorie. Isaac Newton war hingegen der Meinung, dass Licht ein Strom von Teilchen ist und vertrat somit die Teilchentheorie. Newtons Autorität war dermaßen groß, dass sich seine Ansicht durchsetzte.
Aber dann kam das Jahr 1801, und Thomas Young stellte ein Experiment vor, mit dem er eindeutig zeigen konnte, dass Licht Welleneigenschaften besitzt. Das von ihm erfundene Doppelspalt-Experiment ist ein absoluter Klassiker und wird bis heute durchgeführt. Warum war dieses ein starker Hinweis für die Wellentheorie des Lichts?
Um die Aussagekraft des Experiments zu verstehen, muss man sich zuerst überlegen, was das Licht hinter einem Doppelspalt macht, je nachdem, ob es sich wie ein Teilchen oder eine Welle verhält. Nehmen wir zunächst an, Licht verhält sich wie ein Schauer von Teilchen. Auf einem Schirm hinter dem Doppelspalt müssten dann zwei helle Streifen entstehen, von jedem Spalt einer. Richard Feynman hat dazu gerne den Vergleich mit einem Maschinengewehr gebraucht, mit dem man durch zwei Spalte schießt (F7).
| Wenn du mit einem Maschinengewehr durch einen „Doppelspalt„ schießt, bekommst du dahinter zwei Streifen mit den Einschlagstellen der Geschosse. |
Was würde passieren, wenn sich Licht wie eine Welle verhält? Für alle folgenden Überlegungen nehmen wir an, dass das Licht nur aus einer Frequenz besteht, also monochromatisch ist. Hinter jedem der beiden Spalte gäbe es dann eine Kreiswelle (folgende Abb.). Ihre Überlagerung würde zu Interferenzen führen, sodass sich an manchen Stellen das Licht verstärkt und an manchen komplett auslöscht. Wäre Licht also eine Welle, müsste man hinter dem Doppelspalt nicht nur zwei, sondern viele helle Streifen sehen (F6). Und genau das konnte Young mit seinem Doppelspalt-Experiment zeigen: viele helle Streifen!
| Wenn man jeweils einen der Spalte abdeckt, dann bekommt man das bekannte Muster einer Kreiswelle. |
| Durch die Überlagerung der beiden Kreiswellen kommt es zur Interferenz. Bei einer Lichtwelle würdest du dann am Schirm in diesem Fall mehrere helle Streifen bekommen (Anm.: Das Experiment ist von oben betrachtet, aber der Schirm zur besseren Übersicht gedreht dargestellt). Simulation |
Mit der Teilchentheorie konnte man den Ausgang des Doppelspalt-Experiments nicht erklären. Denn es müssten sich ja an den dunklen Stellen zwei Teilchen zu keinem addieren, quasi 1 + 1=0! Im Rahmen der Wellentheorie ist die Erklärung mit Hilfe der destruktiven Interferenz aber kein Problem. Das Experiment von Young führte nach und nach zu einem Umdenken. Die Wellentheorie setzte sich schließlich durch und die Teilchentheorie wurde wieder verworfen.
Warum hat man erst so spät erkannt, dass Licht eine Welle ist? Vom Schall wusste man das schon wesentlich früher. Das liegt daran, dass die Wellenlänge des Schalls rund eine Million Mal größer ist als die des Lichts. Die typischen Lichtwelleneigenschaften spielen daher im Alltag keine so offensichtliche Rolle wie beim Schall.