Poisson-Fleck (Interferenz)
Hinter einem rotationssymmetrischen Objekt kann durch konstruktive Interferenz ein heller Fleck entstehen. Der Poisson-Fleck beweist damit, dass es im Schatten des Objekts immer noch Lichtwellen hat, die sich aber im Normalfall gegenseitig auslöschen, Image by Aleksandr Berdnikov, licensed under CC BY-SA 4.0

In der Mitte des Kernschattens einer runden Scheibe entsteht ein kleiner Lichtfleck, der nur mit der Wellennatur des Lichts erklärt werden kann, denn dort interferieren die Lichtwellen konstruktiv.

Im Jahr 1818 schrieb die Académie des sciences in Frankreich einen Wettbewerb aus, um der Natur des Lichts näher zu kommen. Bis dahin gab es Newtons Theorie, die Licht aus Lichtteilchen bestrachtete und Youngs Doppelspalt-Experiment, das ein Interferenzmuster zeigte, was für Lichtwellen sprach.

Augustin-Jean Fresnel bediente sich des Huygens’schen Modells der elementaren Kugelwellen und sagte einen hellen Fleck inmitten des Schattens einer runden Scheibe voraus. Siméon Denis Poisson, der selber Anhänger der Teilchentheorie war, fand die Idee absurd und wollte sie widerlegen.

Es gelang dann François Arago, der die Jury des Wettbewerbs leitete, das Experiment durchzuführen und einen kleinen Fleck auszumachen. Tatsächlich hatten rund 100 Jahre zuvor zwei Wissenschaftler diesen Fleck bereits entdeckt. Ihre Arbeit war danach aber weitgehend unbeachtet geblieben.

Der Kernschatten ist eine Zone, in welche kein Licht eindringt, weil die Lichtstrahlen auf dem Weg dorthin, von einem schattenwerfenden Körper absorbiert worden sind. Es gibt Strahlen, die es noch am Objekt vorbei schaffen und andere, die es nicht mehr schaffen. Soweit die Theorie der sog. geometrischen Optik, wo Licht mithilfe von Strahlen modelliert wird. Die Grenze des Kernschattens ist bei ideal parallelem Licht entsprechend scharf.

Schatten hinter einem Objekt in der Strahlenoptik
Schatten hinter einem Objekt in der Strahlenoptik: Es gibt keine Möglichkeit, dass Licht hinter das Objekt kommen kann, da die Lichtstrahlen in der Strahlenoptik immer gerade verlaufen. Es ist deshalb nicht möglich, dass Licht hinter das Objekt gelangen kann.

Wie sieht es aber aus, wenn Licht als Wellen betrachtet wird? Wir wechseln hier von der geometrischen Strahlenoptik zu der sog. Wellenoptik. Ideal paralleles Licht kann dann als ebene Wellen modelliert werden.

Wenn wir Huygens Modell der elementaren Kugelwellen für die Wellenausbreitung nehmen, dann muss ein Teil der Welle hinter das Objekt gelangen. Unter idealen Umständen und mit Laserlicht, d.h. mit Licht von genau einer Wellenlänge und der gleichen Phase, müssen wir annehmen, dass genau in der Mitte hinter dem Objekt etwas neues passiert: Es kommen zwei Wellen zusammen, die genau den gleich langen Weg hinter sich haben. Damit sind sie in Phase und interferieren konstruktiv. Wir erwarten einen hellen Fleck. Zwar sicher nicht ganz so hell, wie der Strahl selbst, aber definitiv nicht schwarz, wie die Strahlenoptik behaupten würde.

Schatten hinter einem Objekt in der Wellenoptik (Poisson Fleck)
Schatten hinter einem Objekt in der Wellenoptik: Wir die Wellennatur des Lichts berücksichtigt, so gelangt Licht auch hinter ein Objekt. Die Wellen löschen sich aber gegenseitig auf. Bei perfekt rotationssymmetrischen Objekten besteht aber die Möglichkeit, dass die Wellen in der Mitte konstruktiv interferieren und so einen Lichtfleck erzeugen (Poisson-Fleck).

Die Konsequenz dieses Lichtflecks ist nicht ganz ohne: Wenn im Kernschatten nun doch Licht ist und wir Licht als Wellen anschauen müssen, dann erfüllt Licht fast immer den ganzen Raum, so wie wir uns das beim Schall gewohnt sind. Der Grund, warum Schatten schwarz sind, ist nicht weil kein Licht dorthin kommt, sondern weil Licht dort destruktiv interferiert, d.h. weil es sich selber auslöscht. Im Schatten hat es Licht, aber es löscht sich selber aus!