Licht

Licht gehört wohl zu einem der faszinierendsten Phänomene der Physik. Es wurde auch zum Schlüssel, der die grosse Tür der Wissenschaft für die Menschen geöffnet hat, denn alles begann mit Beobachtungen des Sternenhimmels und das ist “nur” Licht.

Heute noch stützt sich die Astrophysik mit ihren Erkenntnissen über die Sterne, Sonnensysteme, Galaxien etc. zu einem grossen Teil auf das beobachtbare Licht, das zu unserer Erde gelangt.

Fehlvorstellung von Lichtstrahlen aus dem Auge

Im antiken Griechenland wurde schon früh darüber gerätselt, was Licht überhaupt ist. Pythagoras, (ca. 570-480 v. Chr.) nahm an, dass das Auge heisse Sehstrahlen aussenden würde, die von den kalten Körpern dann „zurückgedrängt“ werden.

Ein paar Jahrhunderte später erkannte Ptolemäus (ca. 100-160 n. Chr.), dass das mit den Sehstrahlen nicht ganz stimmen kann, denn wenn das Auge Sehstrahlen ausschickte, müsste man ja auch im Dunkeln sehen können. Er nahm an, dass es Sehstrahlen gibt, die vom Auge ausgehen, und Lichtstrahlen, die von Lichtquellen ausgehen.

Die Vorstellung, dass etwas von unseren Augen ausgeht ist immer noch weit verbreitet. Hinzu kommen viele Redewendungen, die suggerieren, dass unsere Augen Strahlen absenden:

• «Einen Blick werfen»
• «Durch das Fenster gucken»
• «In einen Kasten schauen»
• «Genau hinsehen»
• «Ein stechender Blick»

Es ist aber definitiv nicht so! Augen senden keine Sehstrahlen aus. Alles, was wir sehen sind Lichtstrahlen, die in unser Auge eingfallen sind. Lichtstrahlen, die etwa an unserem Auge vorbeigehen, sind für uns komplett unsichtbar. Wir nehmen sie nicht war, egal wie stark sie sind.

Sehen entsteht durch die Anregung der lichtempfindlichen Sinneszellen in der Netzhaut unserer Augen. Diese werden durch Licht angeregt, das auf diese Sinneszellen auftrifft. Alle anderen Lichtstrahlen sind für uns nicht sichtbar.

Photonen bzw. elektromagnetische Wellen

Licht ist viel verrückter, als wir uns das vorstellen können. Besteht Licht aus Teilchen oder aus Wellen? Beides ist richtig!

Licht besteht aus den sog. Lichtteilchen, die wir Photonen nennen. Es sind kleine masselose Teilchen, die Energie und Impuls beinhalten, d.h. sie erzeugen einen kleinen Kraftstoss, wenn sie auftreffen.

Wie kann etwas einen Stoss bewirken, wenn es keine Masse hat? Wie gesagt: Licht ist verrückt! 😝

Der Grund liegt letztlich darin, dass Photonen mit Lichtgeschwindigkeit fliegen und deshalb Einsteins Spezielle Relativitätstheorie gilt.

Photonen erscheinen uns aber vor allem auch deshalb verrückt, weil sie quantenmechanische Teilchen sind. Für sie gelten die Gesetze der Quantenmechanik. Die Welt der Quantenmechanik ist so verschieden zu unserer Welt, dass wir sie uns kaum vorstellen können.

Quantenmechanische Teilchen haben eine Wellennatur, weshalb wir bei Licht oft von Wellen sprechen. Ein Photon kann als Welle gleichzeitig durch zwei Spalten gehen und dann wieder zu einem Photon “verschmelzen”. Ein klassisches Teilchen müsste sich entscheiden und könnte nur durch eine der beiden Spalten durchgehen, aber sicher nicht durch beide gleichzeitig!

Wenn das nicht schon genug verrückt ist: Licht ist ein elektromagnetisches Phänomen, d.h. es hat mit elektrischen Ladungen und Magnetismus zu tun. Es ist ein Energiepaket im elektrischen und magnetischen Feld, das sich als Welle fortpflanzt. Deshalb gehört Licht zu den elektromagnetischen Wellen.

Das Licht zeigt in verschiedenen Experimenten, dass es sich wie eine Welle verhält. Typisch für Wellen ist zum Beispiel die Reflexion an Oberflächen, die beim Licht sehr oft beobachtet werden kann. Die Brechung ist ein weiteres Merkmal, das zu den Wellen gehört.

Schliesslich kennen wir von den Wasserwellen, dass sie sich kreuzen können, ohne sich gegenseitig zu verändern. Das ist bei Licht ebenfalls zu beobachten. Zwei Lichtstrahlen können sich kreuzen, ohne dass sie sich in irgendeiner Weise stören würden.

Lichtquellen

Licht wird durch sog. Lichtquellen erzeugt. Wir werden an dieser Stelle nicht die Frage beantworten können, wie Lichtquellen es schaffen, Licht auszusenden, d.h. Photonen zu emittieren. Wir stellen einfach fest, dass es Lichtquellen gibt, die es schaffen, Lichtstrahlen auszusenden.

Lichtquellen sind:

• Heisse Materialien (Glühen sichtbar ab >525 °C)
• Sterne
• Elektrische Leuchtkörper

Beachte, dass die Sterne eigentlich zu den “heissen Materialien” gehören.

Sterne leuchten, weil sie eine sehr hohe Temperatur haben. Die Sonne hat an der Oberfläche eine Temperatur von 5’800 K. Die Wärmestrahlung, die dadurch erzeugt wird, erscheint uns als weisses Licht. Es ist die umgangssprachliche “Weissglut”.

Andere Sterne erscheinen blau, weil sie heisser als unsere Sonne sind und wiederum andere rot, z.B. die roten Riesen, weil sie deutlich kühler sind als unsere Sonne. Diese Farben können mit Hilfe des Wien’schen Verschiebungsgesetzes erklärt werden.

Streuung

Alle Materialien, deren Temperatur unter 525 °C liegt, sind eigentlich nicht sichtbar. Wir sehen unsere Hand, weil wir die Lichtstrahlen sehen, die sie aussendet. Das stimmt.

Diese Lichtstrahlen sind aber gestreut worden. Ursprünglich kamen sie von einer echten Lichtquelle aus der obigen Liste, also Sonnenlicht (bei Tag) oder künstliches Licht (bei Nacht). Ohne diese echten Lichtquellen sind wir im Dunkeln und sehen die Lichtstrahlen unserer Hand nicht.

Streuung ist wohl die häufigste beobachtbare Eigenschaft von Materialien. Auf das Material auftreffende Licht wird in alle Richtungen zufällig gestreut. Hinter das Material gelangen keine Lichtstrahlen, so dass dort ein dunkler Schatten entsteht.

Die Streuung ist dafür verantwortlich, dass wir dieses Material aus allen Winkeln sehen können, denn nur wenn wir einen Lichtstrahl in unser Auge bekommen, können wir etwas sehen!

Wir können deshalb rückschliessen, dass wenn wir etwas sehen, ist es entweder eine (echte) Lichtquelle oder an einem Material gestreutes Licht. Wenn wir die Lichtquelle ausschliessen können, wissen wir, dass ein Material das Licht gestreut haben muss.

Unseren Himmel sehen wir blau leuchten. Das ist gestreutes Licht. Es ist nur möglich, weil wir eine Atmosphäre, d.h. eine dünne Materieschicht um die Erde herum haben.

Ohne Atmosphäre wäre der Himmel nicht leuchtend, also schwarz. Auf dem Mond gibt es keine Atmosphäre und der Himmel ist pechschwarz. Nicht ganz! Es wurde ein ganz leichtes Leuchten festgestellt, was auf feinste, im elektrischen Feld des Monds suspendierte Feststoffpartikel zurückzuführen ist.

Ein ganz besonders Bild bietet uns die Oberfläche des Saturnmondes Enceladus. Es wird vermutet, dass Phänomene, die unseren Geysiren ähneln, Materie ausstossen. Diese Materie wird durch die Lichtstreuung sichtbar.

Absorption

Durch die Absorption werden Lichtstrahlen regelrecht “verschluckt” und deren Energie in eine andere Form umgewandelt, meistens in thermische Energie.

Materialien, die das ganze Licht absorbieren sind ideal schwarz. Von ihnen gehen keine Lichtstrahlen aus, d.h. wir können sie eigentlich gar nicht sehen. Ideal absorbierende Materialien werden als ideale schwarze Körper bezeichnet.

Die meisten Materialien absorbieren einen Teil des Lichts und streuen den Rest zurück. Beispielsweise absorbiert die Bananenschale aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung das blaue Licht. Das restliche Licht wird zurückgeschickt. Unsere Augen, die nur die Farben rot, grün und blau registrieren können, merken, dass alles da ist, ausser blau. Unser Gehirn interpretiert das als gelb und wir sehen die Banane gelb.

Aus physikalischer Sicht ist die Banane aber nicht gelb, sondern einfach “alles, ausser blau”! 😎

Reflexion

Es gibt Materialien, die Licht sehr gut reflektieren. Der Unterschied zur Streuung ist die Richtung des reflektierenden Lichtstrahls, die nicht mehr zufällig ist, sondern dem Reflexionsgesetz folgt.

Das Spezielle an der Reflexion ist, dass wir ein reflektiertes Bild sehen und somit das reflektierende Material nicht wirklich wahrnehmen können. Wir fokussieren uns auf das Bild, das uns verrät, von wo die Lichtstrahlen vor ihrer Reflexion gekommen sind.

Die Weltmeister der Reflexion sind die Metalle. Spiegel sind zwar aus Glas, haben aber eine dünne Metallschicht, die das Licht reflektiert. Glas reflektiert zwar auch, aber viel schwächer als Metall. Wenn wir in den Spiegel sehen, ist das Bild ganz leicht doppelt und verschoben, aber das merken wir nicht (siehe Bild).

Auch reflektierende Materialien hinterlassen einen Schatten hinter sich, da die reflektierenden Lichtstrahlen nicht nach hinten kommen.

Transparenz

Spezielle Materialien können das Licht praktisch ungehindert durchlassen und erscheinen für uns deshalb transparent. Das Licht transmittiert durch das Material. Eigentlich können wir solche Materialien gar nicht sehen. Sie sind durchsichtig!

Optische Effekte (Brechung und Reflexion) verraten uns aber die Präsenz des Materials. So können wir ein Wasserglas überhaupt erst sehen und auch erkennen, ob es leer oder mit Wasser gefüllt ist.

Ohne diese Effekte wären aber Glas und Wasser nicht wahrnehmbar. Ideal transparente Materialien hinterlassen keinen Schatten.

In Realität ist kein Material ideal transparent, d.h. es wird immer ein bisschen Licht absorbiert. Professionelle der Fotografie geben sehr viel Geld aus für Objektive, die weniger Licht verschlucken, weil sie Linsen aus besonderem Glas enthalten.