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Licht als Teilchen


Klassisch und als Photon


Basiswissen


Unter bestimmten experimentellen Bedingungen zeigt Licht eindeutig Eigenschaften von Teilchen. Es kann dann ganz sicher keine Welle sein. Das ist hier näher erklärt.

Licht als Teilchen


Im Teilchen- oder Korpuskularmodell besteht Licht aus einem Strom kleiner Teilchen, die sich im leeren Raum geradlinig ausbreiten. Dieser Gedanken wurde klar gefasst von Isaak Newton und in seiner sogenanten Korpuskulartheorie formuliert. Optische Phänomene kann man dann oft auf die geometrische Betrachtung von geraden Linien vereinfachen. Man spricht auch von einem klassischen Teilchenmodell und einer dazu passenden Strahlenoptik. Es gibt verschiedene Versuche, die für Licht als Teilchen sprechen.

Woran würde man Lichtteilchen erkennen?


Für einen Teilchencharakter von Licht sprechen: eine geradlinige Ausbreitung, fleckenartige Aufschlageffekte oder zählbare Klicks in Photonen-Detektoren[6] und eine Impulsübertragung. Teilchen denkt man sich als kleine Gebilde mit mehr oder minder festen Grenzen. Erbsen, Sandkörner oder auch kleinste Staubteilchen sind typische Beispiele. So gedachte Teilchen haben zu jeder Zeit einen festen Aufenthaltsort und erscheinen als räumlich eng begrenzte Gebilde. Wirken auf sie keine Kräfte, bewegen sie sich auf geraden Bahnen. Wirft man mit einem Teilchen auf einen Gegenstand, der erfährt dieser einen Impuls, einfach gesagt eine Art Schubs. Im Folgenden sehen wir, wann das auf Licht zutrifft.

Licht breitet sich im Vakuum geradlinig aus


Viele optische Experimente der Schulphysik zeigen immer wieder gut erkennbare Lichtstrahlen, die sich in geraden Linien ausbreiten und an Spiegeln nach der Regel Einfallswinkel gleich Ausfallswenkel umlenken lassen. Genau dasselbe Verhalten würde auch kleine Kügelchen zeigen, die man im Weltraum (keine Schwerkraft) umherwerfen würde und dort an glatten Wänden abprallen ließen. Isaac Newton argumentierte[3], dass man von den geraden Flugbahnen im Umkehrschluss auf den Teilchencharakter der Lichtteilchen schließen könne. Das grundlegende Argument Newtons waren also Phänomene der Strahlenoptik. Die Idee, dass sich Licht gerade ausbreitete wurde schon sehr früh von dem arabischen Gelehrten Alhazen (965 bis 1040) formuliert. Siehe dazu auch den Artikel Lichtstrahl ↗

Licht erzeugt kleine Flecken auf einem Schirm


Eine Lichtquelle in einem dunklen Raum wird immer schwächer gemacht. In dem Raum befindet sich noch eine Photoplatte, auf die das Licht auftreffen kann. Ist das Licht schwach genug, etwa durch verdunkelnde Gläser, zeigen sich auf der Photoplatte nur noch einzelne punktartige Treffer. Der Eindruck entsteht, dass hier nach und nach einzelne Lichtteilchen auftreffen, die einen kleinen punktartigen Fleck auf der Photoplatte hinterlassen[5]. Genau so würden sich Teilchen verhalten. Siehe auch Doppelspaltexperiment nach Taylor ↗

Licht kann als Antrieb für Raumschiffe dienen


Im Jahr 1956 veröffentlichte der Raketenpionier Eugen Sänger ein Buch in dem er einen hypothetischen Raumantrieb beschrieb[2]: elektromagnetische Strahlung wird entgegen der gewünschten Flugrichtung vom Raumfahrzeug weggeschleudert und verleiht dem Raumschiff damit einen Vortrieb. Umgekehrt funktioniert das Lasersegel: von der Erde aus richtet man einen Laserstrahl und drückt damit ein Raumfahrzeug von der Erde weg. Einen dauerhaft gerichteten Impuls kann man aber nur mit Materieteilchen erzielen, nicht mit Wellen. Dass die hier vorgestellten vorgestellten Antriebsarten grundsätzlich funktionieren, spricht für etwas Teilchenartiges an Licht. Siehe auch Photonenimpuls ↗

Teilchen mit Wellencharakter?


In der Quantenphysik nennt man die hypothetischen Lichtteilchen auch Photonen. Photonen treten als Teilchen in Erscheinung. Um ihre Ausbreitung zu berechnen, verwendet man aber Formeln die eher auf Wellen passen. Diese Verbindung von Wellen- und Teilchenvorstellung nennt man den Welle-Teilchen-Dualismus. Siehe dazu auch Licht als Welle ↗

Licht mit Wellenlänge und Frequenz?


Grünes Licht hat eine Wellenlänge von 490 bis 560 Nanometern. Und 600 Terahertz ist eine typische Frequenz für ein sichtbares Lichtteilchen, also ein Photon. Für viele Berechnen ordnet man Lichtteilchen sowohl eine Frequenz f als auch eine Wellenlänge l (kleines Lambda) zu. Es ist abe nicht so, dass sich nun ein einzelnes Lichtteilchen auf einer Wellenlinie schlängelnd fortbewegt. Es ist auch nicht so, dass die Frequenz etwa für eine echte Schwingung, vielleicht als Zitterbewegung, des Photons steht. Frequenz und Wellenlänge dürfen hier nicht als echte Eigenschaften der Photonen im Sinne von Lichtteilchen gedeutet werden. Vielmehr gehöre die Wellenlänge und die Frequenz zu einem rein modellhaften Wellenbild, das man nur gedanklich mit dem Photon verbindet. Siehe auch Photonenfrequenz ↗

Historie: Einstein sah Licht als echte Teilchen


Dem Quantenphysiker Anton Zeilinger zufolge hatte Albert Einstein im Jahr 1905 das Bild von Licht im Sinne klassischer Teilchen klar in seiner Veröffentlichung "Über einen die Erzeugung und Umwandlung des Lichts betreffenden heuristischen Standpunkt" klar formuliert. Zeilinger charakterisiert Einsteins Idee wie folgt: „Es ist der erste Vorschlag von Quanten, die wirklich als Teilchen existieren sollen […] Und Einstein sagte, […] es soll Lichtteilchen geben und hatte da durchaus ein sehr realistisches Bild. Er sah diese Teilchen vor sich die da durch den Raum fliegen wie das halt Teilchen machen.[1]“ Siehe auch Licht als Teilchen [ausführlicher] ↗

Einsteins Licht-Teilchen heute überwunden


Anton Zeilinger sieht die moderne Quantenphysik jenseits einer Vorstellung klassisch gedachter Teilchen von Licht und sagt: „Und wenn Sie fragen, wo gehen wir heute über Einstein hinaus, dann sind es genau diese realistischen Bilder. Die akzeptieren wir heute in der Quantenphysik nicht mehr.[1]“ Die moderne, kompliziertere Vorstellung von Licht mit Teilchencharakter bezeichnet man meist mit dem Wort Photon [Licht und Teilchen zusammen] ↗

Das Lichtteilchen als Quantenobjekt


Licht kann unmöglich ein Teilchen im klassischen Sinn sein. Hält man dennoch am anschaulichen Bild eines Lichtteilchens fest und denkt gleichzeitig den Widersprung hinnehmend Licht mit Welleneigenschaften, so bezeichnet man das so gedachte Objekt auch als Quantenobjekt ↗

Fußnoten