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Physik des Lichts

»Was wir wissen, ist ein Tropfen;
was wir nicht wissen, ein Ozean.«
Isaac Newton

WISSENSCHAFTSGESCHICHTE

Von Euklid bis Einstein – von Platon zu Planck

Optik hat als Lehre des Sichtbaren, als Wissenschaft vom Licht eine lange Tradition. Erste empirische Einsichten formuliert wohl Ptolemäus, griechischer Gelehrter in Alexan-dria, im 2. Jhd. in seiner »Optik«, in der er Brechungen und Reflexionen untersucht. Alhazen aus Basra greift im 11. Jhd. wohl diese Ansätze auf, forscht weiter und erfindet die Lupe. Das bringt im 13. Jhd. Roger Bacon aus Oxford zur Erforschung von Lichtphänomenen und zur Erfindung der Brille. In jenen Jahren erscheint auch das Standardwerk »Perspectiva« von Witelo aus Breslau – das Kepler inspirierte.

Es sind Erkenntnisse der Optik, die Astronomie ermöglichen, die Weltbilder revidiert. Und auch im Kleinsten ist die Beschäftigung mit der Natur des Lichts erste Naturwissenschaft: Huygens entwickelt im 17. Jhd. eine Wellentheorie des Lichts, die beispielsweise Interferenzen erklären kann – anders als Newtons Korpuskeltheorie. Seit Anfang des 20. Jahrhunderts ist der Welle-Teilchen-Dualismus Stand der Forschung.

Wie wandelten sich die wissenschaftlichen Auffassungen von der Natur des Lichts im Lauf der Geschichte?

ELECTROMATGENTIC WAVES

Das volle Spektrum

Licht ist mehr als das, was sichtbar ist. Die Welt, die uns unsere Augen offenbaren, um-fasst die Wellenlängen von 380 nm bis
780 nm elektromagnetischer Strahlung. Ihre Frequenz definiert die Farbe. Infrarot und Ultraviolett sind für den Menschen unsichtbar – aber nutzbar. Wie auch Radiowellen oder Röntgenstrahlen. Diese Wellentheorie ist prinzipiell seit dem 17. Jhd. bekannt und durch Phänomene wie Interferenz oder Beugung belegt. Die Wellen breiten sich mit 299.792.458 m pro Sekunde aus – von der Sonne benötigen sie rund 8 Minuten zu uns.

Im Spektrum des Sonnenlichts und der Sterne entdeckt man dunkle Absorptionslinien der Elemente in der Atmosphäre. Jede Lichtquelle hat ihr eigenes Spektrum. Die Photoelektronenspektroskopie erkennt sogar chemische Zusammensetzungen von Festkörpern allein mit Licht.

Im Alltag erfahren wir Licht als Helligkeit – und können sie messen. Die Lichtstärke einer Lichtquelle wird in Candela definiert – so hell wie eine Kerze. Dabei strahlt sie genau den sogenannten Lichtstrom von einem Lumen pro Raumwinkel ab. Daraus leitet sich die Beleuchtungsstärke im Raum ab – beispielsweise am Arbeitsplatz. Hierfür ist die Einheit ein Lux, die lateinische Bezeichnung für Licht. Sie nimmt mit dem Abstand zur Lichtquelle ab.

Wie beschäftigt sich die Physik heute mit Licht? Wie definiert sie Licht? Wie misst sie Licht?

OPTIK

Reflexion

Sonnenbrillen wirken cool. Aber sich in den Augen seines Gegenübers spiegeln, das ist der intime Moment. In seinem Spiegelbild sich selbstverliebt ertränken, das ist der narzisstische Mythos. Den Spiegel befragen, wer die Schönste sei, das ist die Hookline einer beliebten Erzählung von Eifersucht der (Stief-)Mütter auf die Jugend.

Uns ist der Blick in den Spiegel allmorgendlich vertraut. Aber eine gewisse Magie wohnt diesen mit Aluminium beschichteten Glasscheiben immer noch inne. Sie zu zerbrechen bringe Unglück, sagt man weiterhin. Vampire hätten keine solche Doppelgänger, heißt es in alten Büchern. Dabei spiegelt uns das Licht oft genug falsche Tatsachen vor. In Spiegelkabinetten erscheint man mal dicker mal dünner, mal kürzer mal länger, je nachdem wie die Zerrspiegel geformt sind. Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel – das Gesetz der Reflexion in der Optik ist einfach. In der Philosophie steht Reflexion seit der Aufklärung für prüfendes Nachdenken.

Die Lichtzeit-Ausstellung wird Spiegel-inszenierungen vorstellen, einfache visuelle Zaubertricks, aber auch andere optische Rafinessen – und reflektieren.

EXTENSIONS

Zeitreisen mit Licht

Geschliffene Bergkristalle zur Vergrößerung nutzten schon im 12. Jhd. Wikinger und Araber. Im 15. Jhd. konnten venezianische Glaskünstler durchsichtiges Glas herstellen; daraus wurden erste Sehhilfen. Bald kombinierten Brillenmacher konkave und konvexe Linsen und bauten Fernrohre. Mit seinerzeit sensationellen achtfachen Vergrößerungen entdeckte Galileo 1610 die Jupitermonde und erkannte Einzelsterne in der Milchstraße.

Bis Ende des 19. Jhd. konstruierte man immer größere Teleskope. Wie den Großen Refraktor in Potsdam mit 0,8 m Linsendurchmesser und 12,14 m Brennweite. Hohlspiegel bündeln ebenfalls Licht – derart gebaute Spiegel-teleskope erreichen bessere Lichtausbeuten, das derzeit größte auf dem (den Apachen heiligen) Mount Graham sogar Auflösungen eines 22,8 m großen Spiegels. Oberhalb der Ionosphäre arbeitet ohne atmosphärische Lichtstörungen das Hubble-Teleskop – ein Spiegel von 2,4 m Durchmesser mit 57,6 m Brennweite und zwei hochauflösenden 4K-Photosensoren. Sie entdecken auch unvorstellbar und weit entfernte Lichtquellen.

Neben sichtbarem Licht, UV- und Infrarot-Licht erfassen moderne Teleskope auch Röntgen- bzw. Radiostrahlung und schauen tief in ferne Welten und in die Vergangenheit des Universums.

Die LICHTZEIT will optische Gesetze und astronomische Erkenntnisse an anschaulichen alten Apparaten und hoch innovativen Instrumenten veranschaulichen.

EXTENSIONS

Sehen, was die Welt im Innersten zusammenhält

Optiker versuchen seit ihrer Erfindung im 16. Jhd. immer bessere Mikroskope zu konstruieren. Im 17. Jhd. gelingen 50-fache Vergrößerungen; dem niederländischen Meister Leeuwenhoek mit exakt geschliffenen, stark gewölbten Linsen sogar 270-fache. Damit entdeckt er rote Blutkörperchen, Einzeller und Bakterien. Mit Carl Zeiss und Otto Schott begründet Ernst Abbe im 19. Jhd. die hoch technisierte optische Industrie, zeigt ihr aber auch ihre Grenzen auf: Denn Details, die kleiner sind als die halbe Wellenlänge des sichtbaren Lichts (also 200 nm); können aufgrund des optischen Gesetzes der Beugung nicht mehr unterschieden werden. Alternativen bieten neuste Forschungen mit Fluoreszenzmikroskopie. Oder seit den 1930er Jahren die Rasterelektronenmikroskopie, bei der ein Elektronenstrahl von Hochspannung in Vakuum bewegt und durch magnetische Linsen fokussiert, Auflösungen von derzeit 0,1 nm (bald wohl 0,05 nm) möglich macht. Das ist der subatomare Bereich.

Die LICHTZEIT wird die Suche nach Bildern von immer kleineren und feineren Strukturen thematisieren und visualisieren – und Besuchern der Ausstellung die Möglichkeit bieten, diese faszinierenden Welten eigenständig zu erkunden.

EINSTEIN vs. PLANCK

Die Weltformel

Zwei Theorien, zwei Formeln, zwei Protagonisten die sich nicht zusammenbringen lassen. Einsteins Relativitätstheorie und seine berühmte Formel E = mc2 gilt im gesamten Universum aber nicht im Kleinsten. In der Welt der subatomaren Teilchen gelten andere Gesetze und diese sprengen unsere Vorstellungskraft. Plancks Strahlengesetze beschreiben, dass der Energieaustausch in kleinsten nicht mehr teilbaren Energiepaketen stattfindet, den Quanten. Außerdem ist keine sinnvolle Unterscheidung zwischen Teilchen und Wellen möglich, da das gleiche Objekt sich je nach Art der Untersuchung entweder als Welle oder als Teilchen verhält: Der Welle-Teilchen-Dualismus.

Aktuell suchen Forscher wie Stephen Hawking nach der Zusammenführung dieser zwei Theorien zu einer sogenannten Weltformel, der Theory of Everything. Diese soll dann alle bekannten physikalischen Phänomene erklären und miteinander verknüpfen. Große Fortschritte erwartet man hierzu vor allem vom LHC in Genf.

Gibt es etwas Schnelleres als Licht?

CERN – LHC

Die größte Maschine der Menschheitsgeschichte

Das CERN, die Europäische Organisation für Kernforschung, ist eine Großforschungseinrichtung bei Meyrin im Kanton Genf in der Schweiz.

Am CERN wird vielfältige physikalische Grundlagenforschung betrieben, bekannt ist es vor allem für seine großen Teilchenbeschleuniger. Teile der Beschleunigeranlagen sind unter anderem das Super Proton Synchrotron (SPS) für die Vorbeschleunigung und der Large Hadron Collider (LHC, Großer Hadronen-Speicherring) für die eigentlichen Experimente.

Mit dem LHC wird die Zusammensetzung der Materie erforscht, indem Teilchen fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und zur Kollision gebracht werden. Mit einer Vielzahl von unterschiedlichen Teilchendetektoren werden dann die Flugbahnen der in den Kollisionen entstehenden Teilchen rekonstruiert. Daraus lassen sich die Eigenschaften der kollidierten und neu entstandenen Teilchen bestimmen. Dies ist mit enormem technischen Aufwand für den Betrieb und mit extremen Rechenleistungen zur Datenauswertung verbunden.

Im Prinzip werden hier die Energien, wie sie eine Trillionstel Sekunde nach dem Urknall herrschten, simuliert.

Werden wir die Dunkle Materie und Energie jemals nachweisen können?

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