Licht

Dieses einleitende Kapitel fasst Motivation und Struktur des Buches zusammen. Die grundlegenden Fragen zu Licht, die das Buch zu beantworten sucht, werden eingeführt. Der weitgehende Verzicht auf mathematische Formeln wird hinterfragt. Die notwendigen Abschweifungen in benachbarte Gebiete wie Astronomie, Mathematik und Physik der Bewegung werden begründet. Ebenfalls begründet werden eher feuilletonistische Abschweifungen in den generellen kulturhistorischen Hintergrund der Protagonisten und ihrer Epoche. Sozialisation und Charakteristika des Autors werden offengelegt, soweit sie für die kritische Auseinandersetzung mit dem Text relevant sind.

Dieses Kapitel nimmt vorweg, was man heute über Licht weiß und denkt. Es soll den Leser in die Lage versetzen, das Resultat im Auge zu behalten, während das Buch dem historischen Ablauf folgt. Die drei fundamentalen Fragen, die vom heutigen Standpunkt aus beantwortet werden, sind:

Der Leitfaden in allen drei Abschnitten ist jeweils die Wellenlänge des Lichts. Der Text ist in Form von Paragrafen strukturiert. Das erinnert einerseits an die Tradition von wissenschaftlichen Veröffentlichungen bis ins 19. Jahrhundert. Andererseits soll dadurch der apodiktische Charakter moderner Wissenschaft deutlich gemacht werden. Der Text dieses Kapitels benutzt keine mathematischen Formeln, genauso wie der Rest des Buches darauf weitgehend verzichtet.

Diese Kapitel behandelt Ideen über Licht aus der griechischen Antike und dem Helenismus, also in etwa von Empedokles bis Ptolemäus. Extramissions-, Intramissions- und Medium-Theorien des Lichts werden eingeführt. Abschweifungen behandeln die Physik des Aristoteles, euklidische Geometrie und archimedische Wägung. Archimedische und ptolemäische Optik machen den Zusammenhang zwischen Strahlenoptik und Geometrie deutlich. Lichtideen im antiken Asien werden gestreift. Die Ursprünge geometrischer Optik und ihrer Werkzeuge werden so ersichtlich.

In diesem kurzen Kapitel wird berichtet, wie im ,,dunklen“ Mittelalter Licht als Symbol Gottes gedient hat, etwa in den Schriften des Kirchenvaters Augustinus. Antikes Wissen, von arabischen Übersetzern gerettet, fand langsam seinen Weg westwärts. Rezeption in der Scholastik wird am Beispiel der Domschule von Chartres und ihrem prominenten Vertreter Thierry dargestellt. Eine Abschweifung über antike und mittelalterliche Linsen kommentiert die Erfindung von Seehilfen.

Dieses Kapitel handelt von der Bewahrung und Erweiterung antiken Wissens im mittelalterlichen Islam. Als Beispiel dient das ,,Haus der Weisheit“ in Bagdad. Eine Abschweifung berichtet über die Einführung von Papier als Schreibmaterial. Die extramissionistische geometrische Optik von al-Kindi wird analysiert. Ebenso wie das Kompendium von al-Haytham in seinem ,,Buch der Optik“, das ausführlich Experimente und Anleitungen zu ihrem Gebrauch behandelt. In einer Abschweifung wird über die Erfindung der Camera obscura in China und ihre Weiterentwicklung berichtet. Die Hypothesen von David Hockney zum Gebrauch optischer Instrumente in der Malerei der Renaissance geben Anlass zu einer neuerlichen Abschweifung. Zurück zum Thema führen die scholastischen Perspektivisten, insbesondere Roger Bacon und Witelo. Weitere Abschweifungen beschäftigen sich mit der Perspektive in der Renaissancekunst und der Anatomie des Auges.

Dieses Kapitel handelt von Anwendungen sichtbaren Lichts in der Astronomie von Kopernikus bis Kepler und Galilei. Vor der Erfindung des Teleskops wurde Astrometrie auf der Himmelskugel mit Winkelmessern wie Astrolabium und Quadrant betrieben. Kopernikus läutete das Ende der geozentrischen Kosmologie ein, bei Erhaltung der idealen Kreisbahnen, mit Deferenten und Epizyklen. Widerstand formierte sich besonders in der Reformation. Inquisition und Index der römischen Kirche mischten sich später ein. Die schwierige Zusammenarbeit von Brahe und Kepler wird geschildert. In Keplers Paralipomena findet man einer erste Systematik der Abbildung in der Camera obscura, ebenso seine Bestimmung des Monddurchmessers. Die Berechnung der elliptischen Marsbahn nach Daten von Brahe veröffentlichte er in der Astronomia nova. In Zusammenarbeit mit Bürgi verwendete Kepler die neu entwickelten Logarithmen. Ebenfalls in den Paralipomena behandelte er Optik als Hilfswissenschaft der Astronomie, dieser Teil wird im Detail analysiert. Unter anderem: seine Sicht der Natur des Lichtes als species, seine Approximation des Brechungsgesetzes für kleine Winkel, die Abbildung auf die Netzhaut des Auges und das fotometrische Gesetz. Eine Abschweifung über Teleskope handelt von Galilei als Pionier der teleskopgestützten Astronomie. Die Reaktion der katholischen Kirche auf seinen Versuch, die heliozentrische Kosmologie zu beweisen, wird geschildert. Die Entstehung der experimentellen Naturphilosophie ging einher mit der Gründung von Akademien.

In diesem Kapitel stehen die Werke von René Descartes im Mittelpunkt. Er definiert seine rationalistische Naturphilosophie in den Discours de la méthode. Die discours über Optik werden im Detail analysiert, insbesondere die drei Analogien Blindenstock, Weinbütte und Tennisball. Und seine Sicht auf die Gesetze der Reflexion und Brechung. Eine kurze Abschweifung überfliegt die Geschichte der trigonometrischen Funktionen. Die Auseinandersetzung zwischen Descartes und Fermat über die korrekte Begründung des Brechungsgesetzes führt zur Formulierung des Fermat’schen Prinzips. Descartes fasst seine mechanistische Physik und Metaphysik im posthumen Werk Le monde de Mr Descartes zusammen. Seine Theorien der Bewegung und des Lichts werden detailliert analysiert.

Hier geht es um die Ursprünge der Teilchentheorie des Lichts. Alles dreht sich um Isaac Newtons induktive Methodik in seinen Arbeiten zu Licht und seinen Eigenschaften. Die Vorgeschichte der Lichtbeugung wird kurz geschildert. Rømers erste Messung der Lichtgeschwindigkeit wird in einer Abschweifung erklärt. Eine weitere behandelt die Entwicklung der Infinitesimalrechnung und den Streit um die Urheberschaft zwischen Newton und Leibniz. Auch Newtons Erfindung des Spiegelteleskops ist eine Abschweifung wert, weil sie ihm Zutritt zur Royal Society verschaffte. Dort veröffentlichte er 1672 seine New Theory about Light and Colours, die eingehend analysiert wird, insbesondere seinen Experimenten der Zerlegung von Sonnenlicht in Spektralfarben und deren Wiedervereinigung zu weißem Licht. Das Papier enthält den Ursprung der Teilchentheorie des Lichts. Newtons Abneigung gegen hypothesengestützte Argumentation wird mit Zitaten aus seinen Principia belegt. Die Auseinandersetzung mit Hooke zeigt Newtons eigene Ambivalenz gegenüber einer Teilchennatur des Lichts. Natürlich wird Newtons Opticks von 1704 im Detail besprochen, in der die gleiche Ambivalenz aufscheint. Besonders eingegangen wird auch auf einige der berühmten Queries aus dem dritten Buch. Etwa auf seine Experimente zur Beugung an einem Haar, seine Spekulationen über eine Anziehung des Lichts durch Materie, und seine Auseinandersetzung mit der Mediumtheorie des Lichts. Eine letzte Abschweifung beschäftigt sich mit Newtons Theorie der Bewegung und der Gravitation, niedergelegt in den Prinzipia. Der Rest des Kapitels führt Beispiele an für die Rezeption von Newtons Theorie und Experimenten zu Licht, etwa bei Voltaire und Goethe.

Dieses Kapitel handelt von den Ursprüngen der Wellen- oder Mediumtheorie des Lichts. Christiaan Huygens’ deduktive Methode und seine Stoßwellentheorie werden behandelt. Insbesondere das Huygens’sches Prinzip und warum es funktioniert. Huygens’ Traité de la lumière wird im Detail analysiert. Nicht notwendigerweise periodische Stoßwellen sollen Licht übertragen in einem ideal elastischen Äther. Reflexions- und Brechungsgesetz leitet Huygens ab mit Hilfe eines Postulats der kürzesten Laufzeit. Die Lichtgeschwindigkeit im dichteren Medium ist bei ihm geringer als im dünneren, im Gegensatz zu Newtons Teilchentheorie. Eulers Nova theoria lucis et colorum wird ebenfalls unter die Lupe genommen. Er stellt explizit Emissions- und Mediumtheorie gegeneinander. Periodische Wellen – im Gegensatz zu den Huygensschen Stoßwellen – transportierten Licht in Analogie zum Schall im elastischen Äthermedium. Die Frequenz der Welle entspricht der Lichtfarbe, WWellenlänge und Frequenz bestimmen die Lichtgeschwindigkeit. Dispersion im Äther gibt es nicht, alle Lichtfrequenzen haben die gleiche Geschwindigkeit, gegeben durch Dichte und Elastizität des Äthers. In Materie tritt dagegen Dispersion auf.

In diesem Kapitel geht es um Interferenz als potenzielles Unterscheidungsmerkmal von Welle und Teilchen. Thomas Youngs Weg zum berühmten Doppelspaltexperiment wird anhand einer Reihe seiner Veröffentlichungen nachgezeichnet. On the Theory of Light and Colours enthält erste qualitative Überlegungen zur Beugung am Spalt und zur Dispersion. Young misst die Wellenlänge von Licht mit einem Reflexionsspektrometer. Seine Arbeit Experiments and Calculations relative to physical Optics enthält eine frühe Fassung des Doppelspaltexperiments, ausgeführt in seinem späteren Course of Lectures. Er beobachtet und analysiert die Interferenzstreifen und führt Beugungsexperimente auch mit ultraviolettem Licht durch. Malus’ Arbeiten zur Polarisation identifizieren sie als transversale Eigenschaft im Gegensatz zur longitudinalen Dichtewelle. Er untersucht Polarisation der beiden Strahlen bei Doppelbrechung und bei Reflexion unter dem Brewster-Winkel. Das Gesetz von Malus quantifiziert die Intensität hinter einem Polarisationsfilter. Die mathematische Formulierung der Wellentheorie geht auf Fermat zurück. Hier lässt sich der Beginn einer Entwicklung hin zur quantitativen experimentellen Physik nachverfolgen. Fresnel und Arago vermessen die Eigenschaften von Beugungsstreifen. Fresnel liefert deren Berechnung erst in einer Näherung von zwei Strahlen, später mithilfe der Fresnel-Integrale in seiner preisgekrönten Note sur la théorie de la diffraction. Die Bestätigung seiner Rechnungen durch den Poisson-Fleck ist ein frühes Beispiel einer erfolgreichen Vorhersage durch eine neue Theorie.

In diesem Kapitel werden Messungen der Lichtgeschwindigkeit unter Laborbedingungen nachgeliefert. Charles Wheatstone erfindet 1834 den Drehspiegel, der zeitliche Abfolgen in räumliche Ablenkung umsetzt. Arago entwickelt mit dem Uhrmacher Breguet Instrumente, um zu entscheiden, ob sich Licht in dichteren Medien schneller oder langsamer als in dünneren fortpflanzt. Er führt sie aber nicht selbst aus, sondern motiviert Fizeau und Foucault zu solchen Experimenten. Parallel dazu wird der Doppler-Fizeau-Effekt für Schall in Luft nachgewiesen. Man begann also, nach einem ähnlichen Effekt für Licht im Äther zu suchen. Eine erste Messung in Luft mit der Zahnrad-Methode legt Fizeau vor. Foucault nutzt die Drehspiegelmethode zu einer ersten Vergleichsmessung in Luft und Wasser. Fizeau bestätigt wenig später, dass die Lichtgeschwindigkeit in der Tat in Wasser kleiner ist als in Luft. Die Suche nach dem Ätherwind schließt sich an. Zunächst Fizeaus Experiment mit schnell fließendem Wasser unter Nutzung von Interferenz. Dann die Experimente von Michelson und Newcomb über sehr lange Distanzen. Experimente mit dem Interferometer von Michelson in Berlin, Potsdam und Cleveland bedeuten das Ende des Ätherwinds. Der Äther als Definition eines absoluten Raums hat ausgedient, der Weg ist frei für Einsteins spezielle Relativitätstheorie.

1887 gelingt Heinrich Hertz der Nachweis, dass elektromagnetische Wellen sich tatsächlich von ihrer Quelle lösen. Sie können reflektiert werden und sind polarisiert wie Licht. Die Entdeckung löst eine Fülle von Erfindungen zur Übertragung von Informationen mithilfe von Radiowellen aus. Branly und Marconi entwickeln erste Empfänger, Ferdinand Brau die nach ihm benannte Röhre. Das Radio verbreitet sich rasant, sowohl in Europa als auch in den USA und Japan. Die Entwicklung von Rundfunk und Fernsehen wird in diesem kurzen Kapitel bis in die Gegenwart verfolgt.

Dieses Kapitel gibt einen Überblick über die Geschichte dreier bildgebenden Verfahren, der Mikroskopie, der Fotografie mit sichtbarem Licht und der Röntgenaufnahme. Ein- und zweilinsige Mikroskope werden parallel zu den Teleskopen im frühen 17. Jahrhundert entwickelt. Ernst Abbe klärt in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts den Einfluss der Wellenoptik auf die Auflösung von Mikroskopen. Das Festhalten von Bildern auf Fotografien erfordert fotochemische Prozesse, die seit dem 18. Jahrhundert untersucht werden. Frühe Fotografien sind aufgrund ihrer Lichtempfindlichkeit kurzlebig. Fotolithografie erlaubt ab dem frühen 19. Jahrhundert die Herstellung farbiger Drucksachen. Niépce und Daguerre entwickeln in den späten 1820er-Jahren Methoden zur dauerhaften Fixierung von Fotografien. Letzterer durch das Verfahren der Entwicklung unter Quecksilberdampf, die Daguerreotypie. Arago setzt sich stark für die Verbreitung des Verfahrens ein, gemäß der Maxime, dass wissenschaftlicher Fortschritt der Gesellschaft nützen soll. Negativfilme machen die Fotografie massentauglich und Eastman Kodak Ende des 19. Jahrhunderts zum Marktführer. Die Entwicklung von bewegten Bildern durch Lumière, Pathé und Gaumond wird kurz gestreift, genauso wie die der farbigen Fotografie. Der lichtelektrische Effekt führt zur Entwicklung von Halbleiter-Sensoren für sichtbares Licht, digitale Verfahren verdrängen analoge. 1985 entdeckt Röntgen die nach ihm benannten kurzwelligen Strahlen, medizinische Anwendungen folgten schnell. Polarisation und Interferenz zeigen, dass es sich auch bei Röntgenstrahlen um Licht handelt. Sommerfeld begründet die Theorie ihrer Erzeugung durch Bremsstrahlung.

Auf dem Weg zur Quantentheorie des Lichts waren die Wärmelehre und insbesondere die Wechselwirkung zwischen Wärmestrahlung und Materie wichtige Forschungsfelder. Im 19. Jahrhundert kommt zum traditionellen makroskopischen Zugang zur Thermodynamik eine mikroskopische, atomistische Sichtweise hinzu. Zu deren Verständnis beschreibt eine Abschweifung einige Schritte zum Energiebegriff und zur Erhaltung der Energie. Die Hauptsätze der Thermodynamik werden kommentiert. Wärmestrahlung und kinetische Wärmetheorie werden überflogen. Näher am Thema Licht liegt die Schwarzkörper- oder Hohlraumstrahlung, eine Art Gas aus Licht. Messungen zu ihrem Spektrum zeigen Ende des 19. Jahrhunderts dank neuer Messverfahren deutliche Abweichungen von der klassischen statistischen Thermodynamik.

Dieses Kapitel behandelt den Übergang zwischen der thermodynamisch motivierten Quantenhypothese und der von der Atomphysik motivierten Quantenmechanik. Er beginnt mit Einsteins Analyse des fotoelektrischen Effekts, die im Licht der experimentellen Befunde geschildert wird. Dabei wird insbesondere auf die sorgfältigen Messungen von Millikan eingegangen. Es wird auch diskutiert, inwiefern damalige Experimente tatsächlich beweisen, dass Licht aus Photonen besteht. Energie und Impuls von Photonen werden quantifiziert. Die Noether-Theoreme beleuchten die grundlegende Bedeutung von erhaltenen Größen in der Physik. Dass Lichtstrahlen aus Photonen, jedes mit einer bestimmten Energie und einem dazu proportionalen Impuls bestehen, wird damit klar. Experimente mit einzelnen Photonen belegen diese Tatsache. Eine Abschweifung beschäftigt sich mit der Bewegung zu einer ,,deutschen“ Physik im Ersten Weltkrieg und ihren Protagonisten. Die Grundzüge des Bohr’schen Atommodells werden vorgestellt, dessen quantenmechanische Ausformung im Schalenmodell jedoch nicht. Stattdessen werden die wesentlichen Befunde der Quantenmechanik zur Bewegung eines Elektrons in einem elektromagnetischen Feld zusammengefasst. Besondere Aufmerksamkeit gebührt der Wellenfunktion und ihrer physikalischen Bedeutung und dem Heisenberg’schen Prinzip der ,,Unschärfe“ quantenmechanischer Observabler. Zum Abschluss des Kapitels wird die künstliche Antinomie zwischen Teilchen und Welle, einschließlich einiger elementarer Aspekte der Pilotwellentheorie von de Broglie und Bohm diskutiert.

Dieses Kapitel schildert die Entwicklung der Quantenelektrodynamik. Eine relativistische Version der Bewegungsgleichung für Quanten wird gebraucht, um relativistische Teilchen beschreiben zu können, insbesondere Photonen. Versionen für Teilchen mit und ohne Spin folgen aus dem relativistischen Energiesatz. Sie enthalten aber Lösungen mit negativer Energie, die interpretiert werden müssen. Stückelberg und Feynman interpretieren sie als Antiteilchen, die sich in der Zeit zurückbewegen. Das liefert gleichzeitig die Erklärung für die Erhaltung der Ladung bei Erzeugung und Vernichtung von geladenen Teilchen. Feynman, Schwinger, Tomonaga und Dyson entwickeln die Quantenfeldtheorie der elektromagnetischen Wechselwirkung. Feynmans Version wird anhand von Feynman-Graph und Pfadintegral anschaulich gemacht. Danach wechselwirken geladene Teilchen miteinander durch den Austausch von virtuellen Photonen. Das ,,Hütchenspiel“ der Renormierung wird erläutert. Die Noether-Theoreme erklären anhand von Eichsymmetrien, warum elektrische Ladung nicht nur global, sondern auch lokal erhalten sein muss. Ihre verschärfte lokale Version legt die Eigenschaften der Quantenelektrodynamik fest. Veltman und ’t Hooft klären den Zusammenhang zwischen Eichfreiheit und Renormierbarkeit. Damit gründet sich das gesamte heutige Standardmodell der Teilchenphysik auf Symmetrieprinzipien.

Abstract