Lichtvorstellungen von der Antike bis heute

Eine Chronik der Lichtforschung


Facharbeit (Schule), 2013

22 Seiten, Note: 1,66


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

1 Einführung in die Geschichte der Lichtvorstellungen

2 Antike Vorstellungen von Licht

3 Von der klassischen Optik zur Quantenoptik
3.1 Die Entwicklung der Optik als Wissenschaftsdisziplin
3.2 Der Irrtum Newtons
3.3 Ein historischer Moment
3.4 Ein Äther, den es nicht gibt

4 Das Licht in der Quantenphysik
4.1 Der Ritt auf dem Lichtstrahl
4.2 Ein Quantensprung für die Lichtforschung
4.3 Der Alte würfelt doch – die quantenmechanische Interpretation des Doppelspaltexperimentes

5 Modelle als Resultat unserer eingeschränkten Vorstellungskraft

6 Literaturverzeichnis

7 Anhang

1 Einführung in die Geschichte der Lichtvorstellungen

Sicherlich, so schreibt D.J. Lovell in seinem unterhaltsamen Werk ‚Optical Anecdotes‘, hat sich jeder von uns schon einmal gefragt, was denn das Licht eigentlich ist. Die Antwort, es erhelle unsere Sicht, macht also das Sehen möglich, ist keine zufriedenstellende. Sie bedeutet eigentlich nur, dass uns das Verständnis für die vielfältige Natur des Lichtes fehlt und für uns Licht einfach nur Licht ist.[1] Die Diskussion über das für unser Leben so wichtige, dabei aber selbstverständliche Licht, begann schon früh im antiken Griechenland. Unsere Neugierde und unser Interesse an dem Phänomen sind der Vielschichtigkeit des Lichtes geschuldet. Es vereint Ästhetik, Religion und Technik: Regenbögen, das Abendrot und die Farben in der Natur faszinieren seit Jahrtausenden und wurden meist mit religiösen Mythen in Zusammenhang gebracht. Aber auch die Entwicklung optischer Geräte beflügelte den Drang danach, das Licht verstehen und kontrollieren zu können. Zur Jahrtausendwende, etwa 1000 nach Christus, legte Ibn al-Haitham den Grundstein der Optik, der das Mittelalter weit überdauerte. Es dauerte mehr als eineinhalb Jahrtausende, bis die Lichtforschung, deren Wurzeln in der Antike liegt, wieder in Europa aufkeimte. Der Mangel an fähigen Wissenschaftlern und die postalischen Verzögerungen durch die Briefpost zu Anfang des 17. Jahrhunderts erschwerten zunächst die Zusammenarbeit zwischen den Forschern.[2] Aus diesem Grund waren es meist einzelne Personen, die durch neue Experimente wichtige Erkenntnisse lieferten, wie Isaac Newton, Thomas Young, später Augustine Jean Fresnel und Albert Michelson. Sie lieferten Beweise für bestimmte Eigenschaften von Licht und konnten diese erklären. Gleichzeitig versuchten sie die Wissenschaftswelt von der Richtigkeit ihrer Theorien zu überzeugen, wenn auch nicht immer mit Erfolg. Die Seminararbeit soll nicht den Anspruch erfüllen alle wichtigen Wissenschaftler der vergangenen Epochen zu nennen, vielmehr wird eine subjektiv getroffene Auswahl in den näheren Blickpunkt gezogen. Ihre Theorien und Beschreibungen von Licht und auch der Weg zu ihren Erkenntnissen sollen skizziert werden. Vor allem die Quantenphysik kann nur punktuell betrachtet werden, alles andere würde den Umfang der Arbeit sprengen. Besonders wichtig ist es, vor allem in Hinsicht auf die Zielgruppe der Seminararbeit, für jeden noch so komplexen Sachverhalt ein veranschaulichendes Beispiel oder analoges Modell zu finden. Oliver Morsch schreibt in seinem Fachbuch ‚Licht und Materie‘, dass „[a]nschauliche Vergleiche […] in der Physik oft aufschlussreicher als jede noch so exakte Theorie [sind].“[3] Die Wissenschaft des 21. Jahrhunderts kann zwar mithilfe mathematischer Zusammenhänge vieles vorhersagen und berechnen, doch dürfen wir nicht vergessen, dass wir nur mit Modellen arbeiten. Denn wie Albert Einstein einmal sagte: „Kein Wissenschaftler denkt in Formeln“[4]. Physikalische Modelle erheben nicht den Anspruch, vollständig zu sein und die Realität vollständig zu erfassen, sondern helfen uns die Welt in dem gewissen Maße zu verstehen, so wie wir es gerade brauchen. Zu Newtons Zeiten glaubten die Wissenschaftler, dass man mithilfe einer einzigen physikalischen Theorie, der Newtonschen Mechanik, alle Phänomene in der Physik erklären und ein einheitliches Weltbild schaffen kann. Zur Jahrhundertwende vom 19. ins 20. Jahrhundert dachten die meisten Physiker, dass man kurz davor stünde, alles was es zu erforschen gibt, erforscht zu haben. Aus ihrer Sicht hätte lediglich noch die Messgenauigkeit gesteigert werden können.[5] Mit diesem Glauben lagen sie jedoch völlig falsch. Die großen Revolutionen der Physik des 20. Jahrhunderts, die Relativitätstheorie und die Quantenphysik, sind eng mit der Suche nach der Antwort auf die Frage „Was ist das Licht“ verknüpft. Wie schwierig deren Beantwortung ist, lässt sich an zwei berühmten Zitaten Einsteins festmachen:

„Den Rest meines Lebens werde ich darüber nachdenken, was Licht ist!“ (1917)[6]

"Fünfzig Jahre angestrengten Nachdenkens haben mich der Antwort auf die Frage ‚Was sind Lichtquanten?‘ nicht näher gebracht. Heute bilden sich Hinz und Kunz ein, es zu wissen. Aber da täuschen sie sich." (1951)[7]

Der Weg zur heutigen Beschreibung des Lichtes war weit und erforderte von den Wissenschaftlern Höchstleistungen „[...] der Erkenntnis, Phantasie und Erfindungsgabe […]“, wie in „[…] keinem anderen Gebiet der Wissenschaft […]“, äußerte 1925 J.J. Thomson.[8]

2 Antike Vorstellungen von Licht

„Im Anfang schuf Gott Himmel und Erde; die Erde aber war wüst und wirr, Finsternis lag über der Urflut und Gottes Geist schwebte über dem Wasser. Gott sprach: Es werde Licht.

Und es wurde Licht. Und Gott sah, dass das Licht gut war. […]“ – Genesis 1,1-1,4[9]

Das Licht faszinierte die Menschen im unmittelbaren Wortsinne schon seit Urzeiten. Ganz abgesehen von der religiösen Symbolik des Lichtes, welche sich bereits sehr früh in der Menschheitsgeschichte entwickelt hat und sich auch heute noch in den Weltreligionen wiederfindet, liegen auch die Wurzeln der Lichtforschung in der Antike.[10] Als klassische Epoche der Lichtforschung kann man die Zeit von den antiken griechischen Philosophen bis ins 19. Jahrhundert zu Zeiten Thomas Youngs bezeichnen.[11] Klassisch im Sinne von einer wissenschaftlichen Hochleistung in der Mathematik und in der Optik. Hinsichtlich der begrenzten technischen Möglichkeiten der griechischen Philosophen sind ihre Beschreibungen über die geometrische Optik erstaunlich. Sie erkannten grundlegende Gesetzmäßigkeiten der Strahlenoptik wie Reflexion und Strahlenausbreitung und konnten diese auch berechnen.[12] Bei archäologischen Ausgrabungen fand man optische Linsen, die auf etwa 3500 Jahre vor Christus datiert werden.[13] Im dritten Jahrhundert nach Christus setzte Euklid in seinem Werk ‚Optik‘ den Grundstein einer Wissenschaft, die durch die Mathematik geprägt war. Das bloße Beobachten und Beschreiben von Lichtphänomenen reichte jedoch nicht mehr aus, es wurden mathematische Zusammenhänge gesucht. Euklid gehörte zu der großen Gruppe der Philosophen, die an verschiedenen Variationen der Sehstrahltheorie festhielten. Prominente Namen wie Pythagoras, Aristoteles und Platon gehörten zu den Unterstützern dieser Theorie.

Heute ist es wohlbekannte Tatsache, dass die Netzhaut unserer Augen auf Lichteinfall reagiert und in Korrelation mit dem Gehirn das Sehen dadurch erst möglich wird. Dies war aber Jahrtausende lang alles andere als selbstverständlich. Die oben erwähnte Sehstrahltheorie besagte, dass das Licht dem Auge entspringt und wie der Strahl eines Leuchtturmes die Außenwelt ertastet. Der Begründer der Geometrie, Euklid, betonte, dass sich diese ‚Sehstrahlen‘ vom Auge ausgehend geradlinig in verschiedene Richtungen ausbreiten und von der Außenwelt reflektiert werden. Der Ausgangswinkel und die Richtung der reflektierten Strahlen bestimmen Größe und Lage eines gesehenen Gegenstandes. Von diesen Annahmen ausgehend lieferte die euklidische Optik eine Erklärung für das perspektivische Sehen.[14]

Aristoteles vermutete ein „feines Mittel“[15], ein Lichtmedium, in welchem sich das Licht fortpflanzt, analog zu der Schallausbreitung in Luft, Wasser und anderen Medien.

Die Vorstellung eines Lichtäthers wird sich noch bis in das Zeitalter der Lichtwelle zum Ende des 19. Jahrhunderts halten. Ihrer Zeit weit voraus waren auch die Atomisten Demokrit und Epikur, die sich einig waren, dass das Licht aus kleinsten Teilchen bestehe – ein Vorgriff auf den späteren jahrhundertelangen Disput, ob Licht Welle oder Teilchen ist.

Der Römer Lukrez fasste den Gedanken des im 3. Jahrhundert vor Christus lebenden Philosophen Epikur in seinem Werk ‚De rerum natura‘, auf Deutsch ‚Die Natur der Dinge‘, zusammen:

„ Über das Licht und die Wärme der Sonne können wir sagen, auch sie setzen sich aus winzigen Atomen zusammen, die angestoßen sogleich durch den Zwischenraum

der Luft in die ihnen durch den Stoß mitgeteilte Richtung eilen.“[16]

3 Von der klassischen Optik zur Quantenoptik

3.1 Die Entwicklung der Optik als Wissenschaftsdisziplin

"Das Licht überliefert das Sichtbare dem Auge; das Auge überliefert's dem ganzen Menschen." – Johann Wolfgang von Goethe[17]

Auch wenn die Beschreibung des Lukrez aus heutiger Sicht erstaunlich realitätsnah klingt, wurde sie von den meisten Zeitgenossen nicht anerkannt.[18] Er sprach dabei übrigens nicht von den Atomen, wie wir sie heute kennen, sondern von kleinsten unteilbaren Teilchen, lateinisch atomus . Erst der arabische Augenarzt Ali al-Hasan ibn al Haitham, kurz Alhazen, schien zur Jahrtausendwende vom ersten ins zweite Jahrtausend nach Christus ein für alle Mal klargestellt zu haben, dass Gegenstände, die wir sehen, entweder selbst leuchten oder das Licht einer anderen Lichtquelle reflektieren. Wieso es so lange gedauert hatte, bis die Sehstrahltheorie der großen griechischen Philosophen angezweifelt und experimentell widerlegt wurde, hatte mehrere Gründe. Das antike Griechenland gehörte seit 146 v. Chr. dem Römischen Reich an, die andauernde Reichskrise, die kriegerischen Auseinandersetzungen und letztendlich der Zerfall des Römischen Reiches in das Oströmische und Weströmische Reich – all dies mündete in den Untergang der römischen und griechischen Kultur. Beim Brand der großen Bibliothek in Alexandria war ein unermessliches Wissen für immer verloren gegangen. In diesen krisenbesetzten Zeiten hatten sich demnach nur noch wenige Wissenschaftler mit dem Licht beschäftigt. Dies änderte sich mit dem Araber Alhazen, er war der herausragende Wissenschaftler des Mittelalters, dessen Leistungen lange Zeit unübertroffen blieben. Neben seinen Abhandlungen über mathematische Probleme gehörten zu seinem Lebenswerk sieben Bücher zur geometrischen Optik. Während also die europäische Wissenschaft in einem ‚dunklen Zeitalter‘ stagnierte[19], bereitete er das nahezu vergessene antike Gedankengut wieder auf und entwickelte es weiter. Sein Werk ‚Opticae thesaurus‘ (‚Der Schatz der Optik‘) bildete den Grundstein einer neu aufkeimenden Euphorie in der Lichtforschung. Die Übersetzung in die lateinische Sprache Ende des 12. Jahrhunderts war Voraussetzung für die spätere Veröffentlichung und Bekanntmachung in Europa. Er stützte seine These, dass der Sehvorgang durch Lichteinfall möglich wird, unter anderem auf das Phänomen der Nachbilder. Betrachtet man nämlich eine helle Lichtquelle über längere Zeit und schließt dann seine Augen, sieht man einen nachwirkenden Lichtfleck in der Komplementärfarbe.[20] Dies konnte seiner Meinung nach nur auf einen äußeren Einfluss zurückzuführen sein und widersprach somit der Theorie eines aus dem Augeninneren stammenden Lichtes. Die Sehstrahltheorie liefert auch keine Erklärung, wieso das Sehen im völligen Dunkeln nicht möglich ist. Seine Studien über die ‚Camera obscura‘ ergänzten die frühen Formulierungen des Aristoteles experimentell und trugen zu einem besseren Verständnis der Strahlenoptik und des Sehvorgangs bei. Eine solche Lochkamera kann man sich auch selbst bauen, indem man bei einem Schuhkarton eine Seite herausschneidet, diese durch ein Blatt Transparentpapier ersetzt und in die gegenüberliegende Seite ein kleines Loch schneidet. Nachfolgende Abbildungen zeigen den Selbstversuch:

[...]


[1] sinngemäß nach dem Englischen Originalton: D.J. Lovell, 2004, S.11 Abs. 1

[2] vgl. D.J. LOVELL, 2004, S.44 Abs.1

[3] MORSCH, 2003, S.49

[4] ebd.

[5] MORSCH, 2003, S.50 Abs. 2

[6] http://www.leifiphysik.de/themenbereiche/quantenobjekt-elektron

[7] GRIBBIN, 1996, S.13

[8] LIEDTKE/POPP, 2006, S.19 Abs. 3

[9] HERDER, 2006, S.5

[10] Gesamtes Kapitel nach KILIAN/ASCHEMEIER, 2012, S.12 ff.

[11] vgl. GRIBBIN, 1996, S.55

[12] vgl. KILIAN / ASCHEMEIER, 2012, S.13

[13] vgl. D.J. LOVELL, 2004, S.1 Abs. 6

[14] vgl. http://www.joachimschummer.net/kurs/hpp/optik.htm

[15] KILIAN / ASCHEMEIER, 2012, S.15

[16] GRIBBIN, 1996, S.56

[17] http://de.wikiquote.org/wiki/Licht

[18] Folgender Absatz nach GRIBBIN, 1996, S.56 ff.

[19] vgl. D.J. LOVELL, 2004, S.5 Abs.2

[20] MORSCH, 2003, S.26 Abs. 3

Ende der Leseprobe aus 22 Seiten

Details

Titel
Lichtvorstellungen von der Antike bis heute
Untertitel
Eine Chronik der Lichtforschung
Note
1,66
Autor
Jahr
2013
Seiten
22
Katalognummer
V268239
ISBN (eBook)
9783656592013
ISBN (Buch)
9783656592006
Dateigröße
2721 KB
Sprache
Deutsch
Anmerkungen
Der gesamte Text wurde im Nachhinein hinsichtlich der Interpunktion nochmals überarbeitet und würde nun eine höhere Notenwertung erzielen.
Schlagworte
Licht, Lichtvorstellungen, Lichttheorien, Physik, Optik, Newton, Michelson-Morley, Alhazen, Kopenhagener Deutung, Welle-Teilchen-Dualismus, Wellenoptik, Wellentheorie, Lichtwelle, Korpuskeltheorie, Lichtkorpuskel, Fresnel, Äther, Huygens, Young, Doppelspaltexperiment, Schrödinger, Photoelektrischer Effekt, Lichtforschung
Arbeit zitieren
Richard Stock (Autor), 2013, Lichtvorstellungen von der Antike bis heute, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/268239

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