| 1. Das Rätsel Licht |
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Was ist Licht?
Alle physikalischen Modelle und Theorien haben mir bisher nicht geholfen, dem Wesen des Phänomens Licht auch nur ein Stückchen näher zu kommen. Die aktuellen Streitereien der Anhänger Einsteins und seiner Kritiker helfen mir leider auch nicht, doch zumindest zeigen sie, daß die Physik noch lange nicht von sich sagen kann, das Licht zu verstehen.
Wie es sich zeigt, gibt es zwei Arten von Licht, zwischen denen, wenn von Licht und seiner Ausbreitung gesprochen wird, meist nicht direkt unterschieden wird:
- das Primärlicht einer Lichtquelle, das "aktive" Licht: Licht, das leuchtet, blendet, das noch "rein" ist, unverfälscht, noch keine Berührung mit Atomen hatte.
- das Sekundärlicht nach Wechselwirkung mit Atomen, das durch teilweise oder vollständige Reflexion an einem Körper oder beim Durchgang durch einen Körper entsteht.
Außerdem gibt es noch den "Grenzbereich", daß Licht in der Nähe eines Körpers gebeugt wird und dadurch eine Veränderung erfährt, es gibt die sogenannte "Remission", ein Stiefkind der Physik u. v. a. m. Der Spezialfall der totalen Reflexion direkt an der Oberfläche, der "Spiegeleffekt" ist ebenfalls ein Phänomen, das wesentlich ausführlicher betrachtet werden muß (siehe Spiegel). |
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| 2. Das Licht-Teilchen |
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Immer wieder lese ich Argumente für das einseitige Teilchen-Bild des Lichtes, die mir zeigen, wie große die Probleme sind, sich Licht im Welle-Bild vorzustellen: eine Welle - so die traditionelle Vorstellung - ist die Weitergabe einer Bewegung von "Teilchen" zu "Teilchen" bzw. in einem "Medium". Da im Vakuum keine Teilchen existieren und es kein faßbares Medium ("Äther") gibt, hat man keine Erklärung dafür, daß Licht sich ausbreiten kann - außer eben im Teilchenbild: Das Licht muß selbst ein Teilchen sein, damit es sich im Vakuum, in der "Leere" fortbewegen kann.
Es ist ein aus erkenntnistheoretischer Sicht äußerst spannender Teufelskreis bzw. logischer Fehlschluß:
Eine Welle benötigt ein Ausbreitungs-Medium.
Wenn ich ein solches Medium nicht finde (!), kann also eigentlich keine Wellen-Ausbreitung vorliegen. Dieser Widerspruch erzeugt so etwas wie einen Erklärungsnotstand. Daher ist es leichter, Wellenerscheinungen abzuwerten.
Im allgemeinen kann man davon ausgehen, daß das übliche, das vorherrschende "Bild" vom Licht dieses einseitig als Teilchen (Photonen) darstellt, die - "statistisch" gesehen - auch Welleneigenschaften hervorbringen können.
Der umfassendere, allgemeinere Gedanke wäre jedoch: wenn ich am Licht Wellenerscheinungen beobachte, muß ich ein Ausbreitungsmedium suchen, bis ich es gefunden habe.
Wenn das Teilchenbild heute so beliebt ist, wird immer vergessen, daß es aus einem ganz bestimmten Aspekt heraus überhaupt entstanden ist: der Tatsache, daß Licht die Fähigkeit hat, auf Atome Energie zu übertragen ähnlich wie eine Billardkugel dieses mit einer anderen Billardkugel tut. Das Teilchenbild des Lichtes stammt also aus einem Analogieschluß mit makroskopisch-mechanischen Vorgängen. Es ist eigentlich nur in der Lage, etwas über Wechselwirkungen zwischen Licht und massebehafteten Körpern zu sagen. Daraus auf das Wesen des Lichtes rückzukoppeln, ist ein erkenntnistheoretisch äußerst fragwürdiges Vorgehen.
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Ein Beispiel für das Problem:
Vor Jahren sprach ich mit einem Physikstudenten über Licht und Schall. Er versicherte mir auf meine Frage sehr überzeugt, daß das Licht keine Welle sei, sondern Teilchen, Photonen. Auf meine Frage nach den "Schallteilchen" lächelte er über meine Unbedarftheit und versicherte: "Das sind doch Schall-Wellen!" |
| Ausbreitung oder Bewegung |
Selbst im normalen, nicht-wissenschaftlichen Sprachgebrauch ist es üblich, von der "Ausbreitung" einer Welle zu sprechen. Intuitiv wissen die meisten Menschen zwischen einer "normalen" Bewegung eines Gegenstandes, eines Dinges, eines Gases oder einer Flüssigkeit und einer solchen Ausbreitung einer Wellenerscheinung in Gegenständen oder Ausbreitungsmedien wie Flüssigkeiten und Gasen zu unterscheiden. Zu diesen Begriffs-Schwierigkeiten habe ich einige allgemeinere Gedanken im Thema "Bewegung" vorgestellt.
Auch in Lehrbüchern wird i. a. eher von Ausbreitung als von Bewegung einer Welle gesprochen. Wenn also zwischen diesen beiden Begriffen streng unterschieden wird, dann ist es eigentlich unverständlich, wenn man beide "über einen Kamm schert" , mit dem gleichen Maß messen will:
für beide wird eine "Geschwindigkeit" definiert, die sich aus dem Verhältnis von zurückgelegtem Weg in einer bestimmten Meßzeit ergibt.
Dieses gleiche Maß für zwei so wesentlich verschiedene physikalische Vorgänge ist aus meiner Sicht wesentlich schuld an dem ganzen Dilemma, das mit der Frage nach der "Lichtgeschwindigkeit" zusammenhängt.
Die Ausbreitung einer Welle ist eine "Scheinbewegung": der Bewegungszustand eines schwingenden Teilchens (z. B. eine Kugelkette miteinander verbundener Kugeln) oder Mediums (Wasser oder z. B. ein Seil, dem man eine Transversalwelle aufprägt, indem man ein Seilende vertikal hin- und herbewegt) wird auf andere Teilchen oder einen anderen Abschnitte des Mediums übertragen.
Besonders anschaulich kann man sich die Tatsache, daß es sich um eine Scheinbewegung handelt, anhand der "Welle" machen, die Zuschauer im Stadium dadurch produzieren, daß sie nacheinander (zeitlich verzögert!) aufstehen und sich setzen. Was "bewegt" sich hier? Letztlich ist es nur das Signal für den nächsten, zu einem bestimmten Zeitpunkt aufzustehen. |
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| 3.Welle- und Teilchen-Bild sind beide noch unzureichend |
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Auch wenn man beide Bilder zuläßt, hat man noch lange nicht das Wesen des Lichtes erfaßt. "Teilchen" und "Welle" sind nur zwei Begriffe aus unserer (makroskopischen, mechanischen) Anschauung, die jeweils einige Phänomene des Lichtes beschreiben, aber nicht alle. Diese Möglichkeit, Licht in den beiden Bildern oder Modellen zu beschreiben, sagt nicht, daß das Licht wirklich Teilchen oder Welle ist! Das wird gern vergessen: "Teilchen" und "Welle" sind lediglich Modelle! Wenn diese Modelle verwendet werden, muß man sich immer bewußt sein, daß es nur Bilder, Modelle, Annäherungen sind. Die Gleichsetzung des Modells mit der Realität, wie sie z. B. der Physikstudent vollzog (siehe unter 2. rechts : "sind" Teilchen, "sind" Wellen), ist unzulässig.
Vielleicht finden wir noch ganz andere Modelle für das Licht, die dann weitere Eigenschaften veranschaulichen.
Es gibt so viele Rätsel um das Phänomen des Lichtes, daß eine solche vereinfachende, primitive Darstellung als "der Weisheit letzter Schluß" sich einfach verbietet. Im Gegenteil: diese beiden Bilder in ihrer Ausschließlichkeit behindern nur die weitere Suche nach Erklärungsmöglichkeiten für das Wesen des Lichtes.
Das eigenartigste an den Vorstellungen vom Licht ist, daß das Teilchenmodell auch noch als das allgemeinere, bessere angesehen wird. Leute, die diesem Bild anhängen wie Gläubige einem Gott, werden sehr böse, wenn man sich damit nicht zufriedengibt. |
siehe auch die komplizierte Ausbreitung von Schallwellen
in Schall |
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Es ist mir eine große Freude mitzuteilen, daß es mir gelungen ist, mit Hilfe meines Atommodells dieses Problem sehr einfach und anschaulich zu lösen.
Der Link verweist auf eine erste Darstellung meines Modells aus dem Jahr 2001, die ich für Interessenten auch und vor allem außerhalb der Physik geschrieben habe: ich bemühe mich dort um eine allgemeinverständliche, anschauliche Beschreibung. Ich habe darin den Modellen vom Licht als Teilchen bzw. als Welle eine dritte Version, ein "hydrodynamisches Modell" hinzugefügt: Licht als Energiestrom, der auch Parallelen bzw. Analogien zu einer strömenden Flüssigkeit zeigt. |
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| 4. Die Licht-Geschwindigkeit |
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Der Einstein zugeschriebene Satz von der "Konstanz der Lichtgeschwindigkeit" hat eine unvorstellbare Verwirrung in den Köpfen der Menschen ausgelöst.
Der Grundgedanke war, daß (in Analogie zu allen anderen Wellenphänomenen wie z. B. Schallwelle und Wasserwelle) sich die Geschwindigkeit des Welle-Erregers und die Eigengeschwindigkeit der Welle nicht addieren, daß die Geschwindigkeit, mit der sich die Welle ausbreitet, unabhängig ist von der Geschwindigkeit ihres Erregers. In allen Medien ist die Fortpflanzung einer Welle abhängig vom Medium, sie ist eine Materialkonstante. Auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in Luft, Wasser und beispielsweise im Diamanten ist eine Materialkonstante. Wird das Medium bewegt, addieren sich für den außerhalb stehenden Beobachter die Geschwindigkeiten des Lichtes und des Mediums, das ist ausreichend experimentell bewiesen ("Mitführeffekt" von fließendem Wasser gegenüber Licht).
Es gibt zwei Probleme mit dieser Aussage über die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit:
Das Hauptproblem ist, daß sich die meisten Menschen die Ausbreitung von Licht analog zu massebehafteten Teilchen vorstellen: bei denen addieren sich die Geschwindigkeiten. Das beliebte Beispiel ist die Fliege in einem Zug: sie hat gegenüber der Erde die Geschwindigkeit: v (Fliege gegenüber Erde) = v(Zug) + v(Fliege gegenüber Zug). Das ist anschaulich und logisch.
Nun besagt Einsteins Behauptung in etwa: egal, von wo aus ich die Fliege sehe: wenn ich am Bahndamm stehe, erscheint mir ihre Geschwindigkeit gleich der Geschwindigkeit der Fliege, die ein Insasse des Zuges sieht. Das ist natürlich absurd.
Doch der Satz von der Konstanz und Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Lichtquelle sagt eigentlich nur, daß es egal ist, ob Licht beispielsweise von eine Lampe in einem fahrenden oder stehenden Zug ausgeht: es hat die gleiche Geschwindigkeit gegenüber dem Medium, in dem es sich bewegt. Nur eines verändert sich: seine Wellenlänge.
Der Beobachter, der eine ruhende Lichtquelle sieht und eine bewegte, würde in beiden Fällen also die gleiche Lichtgeschwindigkeit messen und nicht - wie der "gesunde Menschenverstand" auf den ersten Blick vermuten würde - zwei verschiedene Lichtgeschwindigkeiten. Das ist alles!
Das zweite Problem ist die Frage, welche Geschwindigkeit des Lichtes ein Beobachter wahrnehmen kann, der sich gegenüber dem Medium bzw. der Lichtquelle bewegt. Hierzu empfehle ich einen aus gutem Grund verpönten Analogieschluß zur Ausbreitung von Schallwellen:
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siehe die komplizierte Ausbreitung von Schallwellen
in Schall |
| Aus gutem Grund nicht erlaubte Spekulationen: Was wäre, wenn ...? |
Übrigens, beim Schall gibt es die Tatsache, daß man innerhalb des Machschen Kegels eine sich mit Überschallgeschwindigkeit entfernende Schallquelle nicht mehr hört.
Wenn der Analogieschluß zulässig wäre (aber er ist ja aus gutem Grund "verboten"), hieße das - nur einmal ganz theortisch angenommen - , eine mit "Überlichtgeschwindigkeit" sich entfernende Lichtquelle könnte gar nicht mehr gesehen werden. Da man sie nicht sieht, kann man über ihre Existenz nichts wissen, zumindest nach erstem Anschein.
Es kommt noch viel "dümmer": ihre Masse (einmal angenommen, Gravitation wäre instantan, eine aus gutem Grund nicht gern gesehene Spekulation) wäre trotzdem zu spüren - und dann hätte man eine so einfache, primitive Erklärung für schwarze Materie und schwarze Energie... |
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