aus scinexx Alpha Centauri
Das Wesen des Lichts
Kosmisches Phänomen mit vielen Rätseln
Ohne Licht kein Leben – das Licht ermöglicht nicht nur unsere Existenz, es prägt auch unser gesamtes Universum und selbst unserem Alltag. Gleichzeitig ist das Licht eine der fundamentalsten und bis heute rätselhaftesten Phänomene der Physik – und es sorgt noch immer für reichlich Überraschungen.
Das Jahr 2015 wurde von der UN zum Internationalen Jahr des Lichts ausgerufen. Damit soll einerseits auf die Bedeutung des Lichts als Phänomen hingewiesen werden, gleichzeitig geht es aber auch um die Vielzahl der Technologien und Anwendungen, die wir dem Licht verdanken. Das Spektrum reicht von der Fotografie über Laser, Solaranlagen und nicht zuletzt die Datenkommunikation durch optische Leiter.
In diesem Dossier stellen wir nun zunächst das Licht als physikalisches Phänomen vor – mit allen seinen Rätseln, Überraschungen und offenen Fragen. In loser Folge werden wir dann in den nächsten Monaten weitere Aspekte des Lichts betrachten, darunter Laser und photonische Anwendungen.
Inhalt:
- Am Anfang war das Licht
Wie die Strahlung in die Welt kam - Das Maß aller Dinge
Albert Einstein, die Lichtgeschwindigkeit und gestopptes Licht - Gekrümmt und abgelenkt
Die Wechselwirkung von Licht und Gravitation - Die Natur des Lichts
Wellen, Teilchen und Kristalle - Die Formel
Was Licht und Materie miteinander verbindet
von Nadja Podbregar
Stand 16.01.2015
Noch bevor die ersten Elemente entstanden, war das Licht schon da: Elektromagnetische Strahlung prägte das Universum bereits in den ersten Sekundenbruchteilen nach dem Urknall. Die gewaltige Energie des Kosmos existierte damals, vor knapp 14 Milliarden Jahren, in Form solcher energiereicher Strahlung. Als die ersten Elementarteilchen entstanden, war das Universum daher zwar noch trüb, aber hell.
Fossil des Urknalls
Erst rund 380.000 Jahre nach dem Urknall änderte sich dies: Das heiße Plasmagemisch war nun soweit abgekühlt, dass die ersten Atome entstanden. Dadurch konnte sich die elektromagnetische Strahlung nun nahezu ungehindert im Raum bewegen. Das Universum wurde transparent und war von Licht erfüllt. Und dieses erste Licht – gut 400 Photonen davon gibt es noch heute in jedem Kubikzentimeter Weltraum – erfüllt bis heute als kosmische Hintergrundstrahlung das All.
Die kosmische Hintergrundstrahlung erfüllt das All wie eine diffus gemusterte Mikrowellentapete.Diese Hintergrundstrahlung ist ein Fossil des allerersten Lichts unseres Kosmos – und erinnert bis heute daran, wie fundamental wichtig die Strahlung für alles ist, was uns umgibt. Allerdings: Das strahlende Relikt des Urknalls hat heute längst nicht mehr die gleiche kurze Wellenlänge wie einst. Durch die anhaltende Ausdehnung des Weltraums hat sich die Hintergrundstrahlung immer weiter abgekühlt. Inzwischen liegt ihre Strahlungstemperatur nur noch bei etwa minus 270 Grad Celsius, ihre Wellenlänge im Mikrowellenbereich.
Rätselhaft noch immer
Seit ihrer Entdeckung vor gut 50 Jahren hat kosmische Hintergrundstrahlung bereits viele wertvolle Hinweise auf die Entwicklung unseres Universums geliefert – und fast ebenso viele Fragen aufgeworfen. So schien es im März 2014 zunächst, als hätten Astronomen endlich die Spuren der kosmischen Inflation – der exponentiellen Ausdehnung des Universums – in diesem Restlicht entdeckt. Das allerdings erwies sich wenig später als verfrüht.
Licht im Kosmos liefern heute aber auch unzählige Sterne, Galaxien und glühende Gaswolken.Doch die Hintergrundstrahlung ist nicht das einzige Licht im Kosmos – ganz im Gegenteil: Ob die bunt leuchtenden Gase der großen Sternenwiegen, die Sterne und Galaxien oder die intensiven Strahlenausbrüche von Supernovae und anderen kosmischen Explosionen – ohne Licht wäre das Universum dunkel und leer. Und auch unsere Sonne gäbe es nicht – den Stern, dem wir Menschen unsere Existenz verdanken.
Das Licht ist daher viel mehr als ein leuchtendes Beiwerk – es bildet die Grundlage des gesamten Kosmos. Das erkannte vor hundert Jahren auch einer der ganz Großen der Physik….
Das Maß aller Dinge
Albert Einstein, die Lichtgeschwindigkeit und gestopptes Licht
Es ist kein Zufall, dass für das Jahr des Lichts ausgerechnet 2015 ausgewählt wurde: Vor genau hundert Jahren, 1915, veröffentlichte Albert Einstein seine Theorie der Allgemeinen Relativität, zehn Jahre zuvor seine Theorie der Speziellen Relativität – und stellte mit beiden das komplette Weltbild der Physik auf den Kopf. Denn mit ihnen erhielt das Licht eine ganz neue Bedeutung: Sie wurde zum Maß aller Dinge.
2015 wird Albert Einsteins Allgemeine Relativitätstheorie 100 Jahre alt.Zeit ist relativ, die Lichtgeschwindigkeit nicht
Vor Einstein war das Licht nur eines von vielen Phänomenen im Kosmos. Schon Aristoteles hatte festgestellt, dass Licht sich in immer gerader Linie ausbreitet, dabei aber von einem Punkt aus in alle Richtungen strahlen kann. Wie schnell sich das Licht dabei bewegt, hielt man damals für variabel. Als absolut galt allein die Zeit. Theoretisch wäre es daher nach damaliger Vorstellung durchaus möglich, einem Lichtstrahl hinterherzurasen und ihn einzuholen.
Einstein aber machte dem ein Ende. Er postulierte erstmals, dass nicht die Zeit, sondern die Lichtgeschwindigkeit absolut ist. Sie ist eine Naturkonstante und damit fundamentaler Teil des Kosmos. Es gibt im Universum nichts, was sich schneller bewegen kann als das Licht. Und gleichzeitig breitet sich Licht immer gleich schnell aus, egal ob ich mich beim Messen bewege oder nicht. Für die Zeit gilt dies dagegen nicht: Sie scheint für einen Beobachter umso langsamer zu vergehen, je schneller er selbst sich durch den Raum bewegt.
Gebremstes Licht
Wenn die Lichtgeschwindigkeit eine Naturkonstante ist, dann müsste sie eigentlich immer unverändert bleiben. Das Licht dürfte sich daher auch nicht abbremsen oder gar stoppen lassen. Normalerweise stimmt dies auch. Doch in den letzten Jahren ist es Physikern gelungen, diese Konstante durch spezielle Kristalle und raffinierte Experimente auszutricksen: Für wenige Sekunden und sogar bis zu einer Minute"froren" die Forscher auf diese Weise Lichtstrahlen ein.
Blick auf das Experiment zum Stoppen und Speichern von Lichtpulsen
Als "Bremsklotz" dient den Physikern dabei meist ein bis auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt heruntergekühlter Kristall aus dem Seltenerd-Element Praseodym. Dieser wird mit einem gespaltenen Laserstrahl beschossen, dessen zwei Teilstrahlen senkrecht aufeinander treffen. Der erste Teilstrahl dient als Bremse, er regt die Ionen im Kristallgitter an und verändert dadurch die Kristalleigenschaften. Der zweite Teilstrahl trifft nun auf dieses neue Medium aus Kristall und Laserlicht und wird darin stark verlangsamt.
„Licht, das in den Kristall eintritt, wird so weit abgebremst, dass es stillsteht und dort bleibt, bis wir es wieder gehen lassen“, erklärt Morgan Hedges von der Australian National University. „Wenn wir es dann wieder gehen lassen, bekommen wir alles wieder so heraus, wie es hineingekommen ist, akkurat bis auf das letzte Photon.“ Diese Experimente sind dabei weit mehr als physikalische Spielereien. Denn mit solchen Lichtfallen könnte sich künftig optische Informationen direkt speichern lassen, ohne sie wie bisher nötig, zuvor in elektronische oder magnetische Daten umzuwandeln.
Gekrümmt und abgelenkt
Die Wechselwirkung von Licht und Gravitation
Aber auch unter natürlichen Bedingungen ist Licht nicht völlig unbeeinflusst von seiner Umgebung: Es geht durchaus Wechselwirkungen mit Materie ein – wie wir im Alltag ständig beobachten können. So wird es beispielsweise an der Grenze zwischen zwei verschiedenen Materialien gebrochen oder reflektiert. Diesem Verhalten haben wir Himmelsphänomene wie den Regenbogen oder die bunte Korona um manche Wintermonde zu verdanken. Der blaue Himmel beweist zudem, dass Licht auch gestreut werden kann.
Die Krümmung der Raumzeit durch die Gravitation lenkt auch das Licht ab.
Schwerkraft und das gekrümmte Licht
Noch viel fundamentaler aber ist die Wirkung der Schwerkraft auf das Licht, die Albert Einstein schon 1915 in seiner Allgemeinen Relativitätstheorie darlegte. Demnach bildet die Raumzeit eine Art Matrix für den gesamten Kosmos. Die Gravitation krümmt diese Raumzeit – bei massereichen Objekten mehr, bei leichteren wenigen. Diesem Gefälle im Gefüge des Universums muss auch das Licht folgen – es wird auf ein massereiches Objekt hingelenkt.
Den Beweis für diesen Effekt lieferte am 29. Mai 1919 eine Sonnenfinsternis. Forscher waren dafür eigens nach Westafrika gereist, denn die Verdunkelung der Sonne sollte nun endlich zeigen, ob Einstein tatsächlich Recht hatte. Stimmte seine Theorie, dann müsste die Schwerkraft der Sonne das Licht fern hinter ihr stehender Sterne ein wenig ablenken. Diese Ablenkung müsste sich darin zeigen, dass die scheinbare Position des Sterns am Himmel leicht gegenüber seiner normalen Position verschoben ist, wenn sein Licht direkt am Sonnenrand vorbeistrahlt.
Originalaufnahme der Sonnenfinsternis von 1919 von Arthur Eddington
Und tatsächlich zeigten die während der Sonnenfinsternis belichteten Fotoplatten genau diese winzige Ablenkung. Diese Bestätigung von Einsteins Theorie war nicht nur in Physikerkreisen eine Sensation, sie machte ihn auch in der breiten Öffentlichkeit zu einem Popstar der Wissenschaft. So titelte die New York Times kurz darauf: "Lichter am Himmel alle schief - Einsteins Theorie triumphiert".
Kosmische Linsen
Dass Einsteins Theorie stimmt, lässt sich besonders gut an Gravitationslinsen beobachten – massereichen Galaxien, die das Licht ferner Himmelskörper beugen und verzerren - ähnlich wie eine Linse in optischen Instrumenten. Schon Einstein sagte voraus, dass solche Schwerkraft-Zentren das Licht des in einer Linie hinter ihnen liegenden Objekts so verzerrt und ablenkt, dass sich dessen Licht wie ein Ring um die Galaxie legt – der heute nach ihm benannte Einsteinring.
Ein fast vollständiger Einsteinring um die ferne Galaxie LRG 3-757Ein vollkommener Einsteinring ist allerdings ein seltenes Phänomen, denn dafür müssen Galaxie, Hintergrundobjekt und Beobachtet genau auf einer Linie aufgereiht sein. Einen dieser seltenen Ringe entdeckten Astronomenim Oktober 2013 um eine Zwerggalaxie in 9,4 Milliarden Lichtjahren Entfernung. Diese Gravitationslinse ist damit nicht nur bisher entfernteste Objekt dieser Art, sie ist auch eines der wenigen Beispiele für eine perfekte Aufreihung.
Rückschlüsse über Dunkle Materie
Der von Einstein postulierte Linseneffekt ist heute längst ein wertvolles Werkzeug der Astronomie. Denn die Stärke der Linsenwirkung einer Galaxie verrät, welche Masse und damit Schwerkraft sie besitzt. Forscher können so auch ermitteln, welchen Anteil die nicht sichtbare Dunkle Materie an der Gesamtmasse einer solchen Galaxie hat. Vor wenigen Jahren gelang es damit sogar erstmals, die Verteilung der Dunklen Materie über große Bereiche des Himmels zu vermessen.
Außerdem aber wirkt eine solche Gravitationslinse wie ein natürliches Teleskop, weil sie die Lichtquelle im Hintergrund vergrößert und verstärkt. Dadurch lassen sich auch ferne Objekte noch untersuchen, für die die Auflösung normaler Teleskope nicht ausreicht.
Die Natur des Lichts
Wellen, Teilchen und Kristalle
Auch über die Natur des Lichts tappte man vor Einstein noch ziemlich im Dunkeln: Für Isaac Newton im 17. Jahrhundert war Licht nichts anderes als ein Stahl von winzigen, leuchtenden Teilchen, sein Zeitgenosse, der Astronom Christiaan Huygens, bezweifelte dies jedoch und ging seinerseits von einer Lichtwelle aus.
Thomas Young fertigte diese Zeichnung der Interferenz von Licht an.
Welle oder Teilchen?
Huygens' Ansicht setzte sich spätestens dann durch, als der Physiker Thomas Young um 1800 in einem heute klassischen Experiment bewies, dass sich Lichtstrahlen gleicher Wellenlänge je nach Phase gegenseitig verstärken oder sogar auslöschen können – eine Interferenz wie bei aufeinandertreffenden Wellen auf einem Teich. Seither galt es als bewiesen, dass Licht eine Welle sein müsse.
Aber auch mit dieser Vorstellung räumte Einstein auf. Die Erkenntnis kam ihm bei seiner Suche nach einer Erklärung für den photoelektischen Effekt, der Tatsache, dass ein energiereicher Lichtstrahl Elektronen aus einer Metalloberfläche herausschlagen kann. Im Jahr 1905 veröffentlichte er seine Schlüsse dazu. Er leitete her, dass das Licht keine reine Welle sein kann, sondern Wellen- und Teilchennatur in sich vereinen muss. Licht besteht demnach aus Photonen und verhält sich deshalb unter bestimmten Bedingungen wie ein Teilchenstrahl. Gleichzeitig aber breitet es sich aus wie eine Welle und schwingt auch so – ein bis heute schwer begreiflicher Dualismus.
Normales Laserlicht: Die einzelnen Photonen wechselwirken nicht miteinander.
Moleküle aus Licht
Der gängigen Theorie nach sind die Photonen des Lichts strenge Einzelgänger: Sie besitzen keine Masse besitzen und beeinflussen sich auch nicht gegenseitig. Jedes von ihnen verhält sich im Lichtstrahl, als wäre es allein auf weiter Flur. Doch im September 2013 gelang es Physikern, auch diese scheinbare Gewissheit zu umgehen und das Licht gewissermaßen auszutricksen: "Wir haben ein Medium erzeugt, in dem Photonen miteinander so stark interagieren, dass sie beginnen sich zu verhalten, als wenn sie Masse besäßen. Und sie verbinden sich zu einer Art Molekülen", erklärt Mikhail Lukin von der Harvard University.
Das Licht in diesen photonisch gebundenen Zustand zu zwingen, gelang den Forschern in einer Vakuumkammer, in der sie eine Wolke aus Rubidiumatome bis auf wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt abkühlten. In diese Wolke feuerten sie mit einem Laser jeweils zwei einzelne Photonen gleichzeitig. Und das Erstaunliche geschah: Durch die Wechselwirkung mit den Gasatomen verhielten sich die beiden Lichtteilchen plötzlich wie ein Molekül: Sie schoben und zogen sich gegenseitig - ein für Lichtteilchen völlig untypischer Effekt.
Synchrone Wellen zeigen hier, dass sich die Photonen koordiniert wie ein einem Kristall verhalten. Noch weiter gingen Physiker genau ein Jahr später, im September 2014: Sie brachten Licht dazu, zu kristallisieren. Die Photonen hielten sich gegenseitig fest und bildeten dabei eine Art Gitter. Die Lichtteilchen bilden dabei eine Art kollektives Verhalten aus, bei dem sie mal wie eine Flüssigkeit hin- und herschwappen, mal völlig einfrieren. "Das ist etwas, das wir noch nie zuvor gesehen haben – ein für Licht völlig neues Verhalten", sagt Andrew Houck von der Princeton University.
Auch diesen Effekt erreichten die Forscher, indem sie die Wechselwirkung des Lichts mit Materie ausnutzen. Mit Hilfe eines sogenannten Jaynes-Cummings Dimers brachten sie eine kleine Menge Photonen dazu, sich zwischen zwei Resonatoren hin und her zu bewegen. Unter bestimmen Bedingungen ließ sich dabei das "einfrieren" der Photonen zu einer Art Gitter beobachten. Nach Ansicht der Forscher bieten solche Manipulationen des Lichts die Chance, beispielsweise Materialien mit ganz neuen Eigenschaften zu entwickeln. Sie erlauben es aber auch, fundamentale Eigenschaften der Materie, von Atomen und Molekülen zu untersuchen.
Die Formel
Was Licht und Materie miteinander verbindet
Albert Einstein vor seiner berühmten Formel E=mc2
Diese Formel kennt vermutlich fast jeder – auch diejenigen, die sich sonst nicht im Geringsten für Physik interessieren: E=mc2. Und auch sie hat sowohl mit Licht zu tun als auch mit Albert Einstein, der sie 1905 aufstellte. Was aber bedeutet sie? Im Prinzip beschreibt sie nicht weniger als das Verhältnis von Energie und Materie und liefert die theoretische Grundlage für die Annahme, dass sich Materie in Licht und umgekehrt auch Strahlung in Materie umwandeln lässt.
Heller als tausend Sonnen
Ersteres lässt sich an unserer Sonne nachvollziehen: In ihrem Inneren verschmelzen Wasserstoffkerne miteinander und geben dabei große Mengen an Strahlung ab. Diese Fusion erzeugt das Licht, ohne das es auf der Erde kein Leben gäbe. Gleichzeitig verliert die Sonne durch diese Strahlung ständig ein winziges Bisschen an Masse – dies ist aber so wenig, dass es sich von uns nicht nachweisen lässt.
Deutlicher wird dies bei dem Phänomen der Radioaktivität, genauer bei einer Atomexplosion: Bei der Spaltung eines Urankerns wird die enorme Energie von 200 Millionen Elektronenvolt frei. Schon eine geringe Menge an spaltbarem Material reicht daher aus, um ganze Städte auszuradieren. Ob dabei aber tatsächlich Materie in Strahlung umgewandelt wurde, zeigt sich, wenn man anschließend alle Zerfallsprodukte des Urankerns einsammeln und wiegen würde: Die Teilchen sind hinterher etwas leichter als vorher – es fehlt ungefähr ein Fünftel der Masse eines Protons. Dieser Materieanteil wurde bei der explosiven Spaltung des Kerns in Energie umgewandelt.
Materie aus Licht – die Breit-Wheeler-Theorie
Aber wie sieht es mit dem Umgekehrten aus? Kann auch aus Licht Materie entstehen? Im Prinzip schon, wie die beiden Physiker Gregory Breit und John Wheeler bereits 1943 postulierten. Sie belegten anhand einer Gleichung, dass die Kollision zweier Photonen theoretisch ausreicht, um ein Elektron und ein Positron zu erzeugen – und damit Materieteilchen. Allerdings: Um eine solche Kollision herbeizuführen, benötigt man eine extrem hohe Dichte an Photonen – und die sind nur schwer experimentell zu erzeugen.
Materie aus Licht - theoretisch schon lange vorhergesagt
Eine Methode, mit der dies trotzdem gehen könnte, haben Oliver Pike und seine Kollegen vom Imperial College London im Mai 2014 vorgeschlagen. Das Überraschende daran: Benötigt werden dafür nur Technologien und Anlagen, die es schon gibt. Die Umsetzung wäre daher relativ einfach.
Benötigt wird ein extrem energiereicher Elektronenstrahl, wie er beispielweise in Synchrotronen erzeugt wird, der auf ein Goldstück geschossen wird. Die dabei entstehende Gammastrahlung wird in einen sogenannten Vakuum-Hohlraum geleitet – eine winzige Aushöhlung in einem weiteren Goldstück, die mit Photonen gefüllt ist. Dort kollidieren die Photonen des Strahls und des Feldes und erzeugen dabei im Idealfall jeweils Paare von Elektronen und Positronen. "Das Rennen darum, dieses Experiment erstmals durchzuführen, ist hiermit eröffnet!", so Pike.
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