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IST DAS LICHT TEILCHEN ODER WELLE?

CHRISTIAAN HUYGENS (1629–1695)

IM KONTEXT

GEBIET

Physik

FRÜHER

11. Jh. Alhazen zeigt, dass Licht sich geradlinig ausbreitet.

1630 René Descartes beschreibt Licht als Wellen.

1660 Robert Hooke behauptet, Licht sei die Schwingung des Mediums, durch das es sich ausbreitet.

SPÄTER

1803 Thomas Young weist experimentell nach, dass Licht sich wie eine Welle verhält.

1864 James Clerk Maxwell berechnet die Lichtgeschwindigkeit und hält Licht für eine elektromagnetische Welle.

ab 1900 Albert Einstein und Max Planck zeigen, dass Licht sowohl Welle als auch Teilchen ist. Die von ihnen entdeckten Strahlungsquanten werden später »Photonen« genannt.

Im 17. Jahrhundert befassten sich Isaac Newton und der niederländische Astronom Christiaan Huygens mit dem Wesen des Lichts und kamen zu sehr verschiedenen Schlüssen. Ihr Problem: Jede Theorie über das Wesen des Lichts muss die Phänomene Reflexion, Brechung, Beugung und Farbe erklären. Die Brechung ist die Richtungsänderung von Licht, wenn es von einem Material in ein anderes eintritt. Ihretwegen kann eine Linse das Licht fokussieren. Beugung ist dagegen die Richtungsänderung die das Licht erfährt, wenn es durch einen engen Spalt fällt.

Vor Newtons Versuchen war es weithin akzeptiert, dass Licht seine Farbe durch Wechselwirkung mit Materie erhält. Der »Regenbogeneffekt« am Prisma erscheint also, weil das Prisma das Licht irgendwie gefärbt hat. Newton zeigte, dass das »weiße« Licht, das wir sehen, eigentlich eine Mischung verschiedener Farben ist, die sich durch die leicht unterschiedliche Brechung am Prisma auftrennen.

In Übereinstimmung mit vielen Naturphilosophen seiner Zeit glaubte Newton, das Licht sei ein Strom von Teilchen, den »Korpuskeln«. Diese Vorstellung erklärt, wie Licht sich geradlinig ausbreitet und von reflektierenden Flächen »abprallt«. Außerdem erklärt sie die Brechung mithilfe von Kräften an der Grenzfläche zwischen zwei verschiedenen Materialien.

Partielle Reflexion

Newtons Theorie konnte aber nicht erklären, warum und wie das Licht an manchen Oberflächen teils gebrochen, teils reflektiert wird. 1678 behauptete Huygens, der Raum sei von einer Substanz aus gewichtslosen Teilchen erfüllt, dem sogenannten Äther. Das Licht erzeuge Störungen des Äthers, die sich als Wellen ausbreiteten. Die Brechung erklärte er so, dass diese Wellen sich in verschiedenen Materialien (sei es Äther, Wasser oder Glas) unterschiedlich schnell bewegten. Huygens’ Theorie konnte somit nicht nur die Beugung erklären, sondern auch, warum an einer Fläche sowohl Brechung als auch Reflexion auftreten.

Wenn weißes Licht durch ein Prisma dringt, wird es in seine Komponenten zerlegt. Huygens erklärte das damit, dass Licht sich in verschiedenen Materialien unterschiedlich schnell ausbreitet.

Damals spielte Huygens’ Idee noch keine Rolle – wohl wegen Newtons überlebensgroßem Ruf. 1803 jedoch, über ein Jahrhundert später, wies Thomas Young nach, dass sich Licht wirklich wie eine Welle verhält. Und im 20. Jahrhundert zeigten Versuche, dass Licht sich sowohl wie ein Teilchenstrom als auch wie eine Welle verhält, wenn es auch große Unterschiede zwischen Huygens’ »Kugelwellen« und unserem modernen Modell des Lichts gibt: Huygens zufolge sind Lichtwellen Longitudinalwellen in einem Medium, dem Äther, so wie Schallwellen. Bei longitudinalen Wellen bewegen sich die Teilchen des Mediums in Ausbreitungsrichtung der Welle. Heute wissen wir, dass Lichtwellen transversal sind und sich ähnlich wie Wasserwellen verhalten. Transversalwellen benötigen keinen Träger, und die durch sie angeregten Teilchen schwingen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.

Christiaan Huygens

Der niederländische Mathematiker und Astronom Christiaan Huygens wurde 1629 in Den Haag geboren. Er studierte Jura und Mathematik an der Universität, widmete sich dann aber seiner eigenen Forschung – anfangs Mathematik, später auch Optik. Er baute Teleskope und schliff seine eigenen Linsen.

Huygens reiste mehrere Male nach England und traf 1689 dort mit Newton zusammen. Auch Huygens hatte sich mit Kräften und Bewegung befasst, Newtons Idee einer »Fernwirkung« zur Beschreibung der Gravitationskraft akzeptierte er aber nicht. Zu Huygens größten Leistungen gehörten die genauesten Uhren seiner Zeit, Ergebnis seiner Arbeiten über Pendel. Bei astronomischen Beobachtungen mit seinen eigenen Teleskopen entdeckte er den größten Saturnmond, Titan, und er lieferte auch die erste korrekte Beschreibung der Saturnringe.

Hauptwerke

1656 De Saturni Luna Observatio Nova

1690 Abhandlung über das Licht