Basiswissen

Unter bestimmten experimentellen Bedingungen zeigt Licht eindeutig Eigenschaften von Teilchen. Es kann dann ganz sicher keine Welle sein. Andererseits gibt es auch Experimente, die eindeutig zeigen, dass Licht irgendetwas Wellenartiges an sich hat. Dieser Widerspruch, der sogenannte Welle-Teilchen-Dualismus, ist hier aus Sicht des Teilchemodells erklärt.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — Kleine helle Punkte, die sich durch den Raum bewegen: das ist die klassische Vorstellung von Licht als Teilchen.☛

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^[9] und in seiner sogenannten Korpuskulartheorie formuliert. Optische Phänomene kann man dann oft auf die geometrische Betrachtung von geraden Linien vereinfachen: einmal von der Lichtquelle ausgesandt ("abgeschossen") bewegen sich die Lichtteilchen, die Korpuskel auf geradlinigen Bahnen. Man spricht auch von einem klassischen Teilchenmodell und einer dazu passenden Strahlenoptik. Es gibt verschiedene Versuche, die für diese Sicht Licht als Teilchen sprechen.

Historisch überholt?

Auf keinen Fall! Isaak Newton dachte sich Licht als Teilchen. Sein Zeitgenosse Christian Huygens sah im Licht eher ein Wellenphänomen. Über Jahrhunderte gab es einen Streit. Um das Jahr 1800 schien der Streit dann endgültig zugunsten des Wellenmodells entschieden zu sein (Versuch mit dem Poisson-Fleck). Das gesamte 19. Jahrhundert hindurch dominierte das Wellenbild von Licht. Man sprach von einer sogenannten Undulationstheorie. Aber im Jahr 1905 schlug Albert Einstein erneut vor, Licht als einen Strom von Teilchen zu denken. Er sprach von seiner sogenannten Lichquantenhypothese.^[10] Der Gedanke war zwar alt, aber von Einstein mit so schlagkräftigen Argumenten versehen, dass Einstein dafür später den Nobelpreis erhielt. Heute muss man sich damit begnügen, dass Licht beide Eigenschaften zeigt. Für die Aktualität des Teilchenmodells spricht etwa auch, dass sich der spätere Physik-Nobelpreisträger Richard Feynman, ganz sicher kein Dummkopf, ausdrücklich für das Teilchenmodell entschied. Er sprach von "lumps", was auf Deutsch so viel wie Klumpen heißt.

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, dass das auf sehr viele (aber eben nicht alle) Experimente mit 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]^[8]. 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

Ein Argument gegen den Teilchenarakter von Licht

Der Niederländer Christiaan Huygens (1629 bis 1695) argumentierte gegen den Teilchencharakter von Licht^[7]. Licht von verschiedenen Quellen kann sich in einer geraden Bahn überkreuzen ohne dass sich das Licht dabei gegenseitig stört. Bestünde das Licht aus umherfliegenden Teilchen, müssten diese bei einer Überkreuzung aber aneinander stoßen und zum Beispiel eine Schwächung der ursprünglichen Strahlen und auch eine Streuung zeigen. Aber genau das beobachtet man nicht. Die tatsächliche, ungestörte Durchdringung nennt man in der Physik auch 👉 Superposition [Überlagerung]

Teilchen und Wellen zugleich?

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

[1] Anton Zeilinger: Einstein auf dem Prüfstand. In: Sternstunde Philosophie. Interview des Schweizer Rundfunks. 14.05.2006. Siehe auch 👉 Zeilingers Kant-Forderung

[2] Eugen Sänger: Zur Mechanik der Photonen-Strahlantriebe: mit 17 Abbildungen und 8 Tafeln. München. Oldenbourg Verlag, 1956. 92 Seiten.

[3] Isaac Newton: Opticks, or, a Treatise of the Reflections, Refractions, Inflections, and Colours of Light. Sir Isaac Newton. 1704.

[4] Richard Feynman Physics Lecture 01 - Photons, Corpuscles of Light. Douglas Robb Memorial Lecture. 1979. University of Auckland. New Zealand. In dieser Vorlesung betont Feynman ausdrücklich, dass er Licht als ein Teilchen betrachtet. Was andere Wissenschaftler über Wellen modellieren, stellt er mathematisch mit Hilfe seiner sogenannten Quantenpfade dar. Online: https://www.youtube.com/watch?v=EyssfKRsgMU&ab_channel=Sk%C3%A9pseis

[5] Richard Feynman überträgt die Beobachtungen am Doppelspaltexperiment von Elektronen auch auf Licht, wenn er schreibt: "Surely, by making the light dimmer and dimmer, eventually the wave will be weak enough that it will have a negligible effect.” O.K. Let’s try it. The first thing we observe is that the flashes of light scattered from the electrons as they pass by does not get weaker. It is always the same-sized flash. The only thing that happens as the light is made dimmer is that sometimes we hear a “click” from the detector but see no flash at all. The electron has gone by without being “seen.” What we are observing is that light also acts like electrons, we knew that it was “wavy,” but now we find that it is also “lumpy.” It always arrives—or is scattered—in lumps that we call “photons.” As we turn down the intensity of the light source we do not change the size of the photons, only the rate at which they are emitted. That explains why, when our source is dim, some electrons get by without being seen. There did not happen to be a photon around at the time the electron went through." In: The Feynman Lectures on Physics, Volume I. Mainly mechanics, radiation, and heat. Feynman • Leighton • Sands. Dort das Kapitel 37: Quantum behaviour, Unterkapitel 37-6 Watching the Electrons. Siehe auch 👉 Feynman Lectures [Vorlesungen]

[6] Feynman hielt Licht für Teilchen, nachdem er kurz Newton Korpuskeltheorie gewürdigt hatte, sagte er: "Heute wissen wir, daß Licht in der Tat aus Teilchen besteht. Wir verfügen nämlich über ein hochempfindliches Instrument, das bei Lichteinfall klickt. Verdunkeln wir einfallendes Licht, so klickt die Apparatur gleich laut weiter, nur seltener. (Seite 24)" Sowie zwei Seiten (Seite 26) weiter: "Ich betone noch einmal, daß Licht in dieser Form - als Teilchen - auftritt. Es verhält sich genauso, wie sich Teilchen verhalten." Doch gesteht Feynman seinen Teilchen Fähigkeiten zu, die nicht für jeden auf klassisch gedachte Teilchen passen. An anderer Stelle (Seite 52) schreibt er, dass Licht - auch einzelne Lichtteilchen - verschiedene mögliche Wege durch eine Versuchsanordnung gleichzeitig nimmt. Und wenn ein Lichtteilchen sich durch den Raum bewegt, dann fühlt es in benachbarte Raumbereiche hinein. Feynman gesteht, dass "sich das Licht in Wirklichkeit nicht nur geradlinig ausbreitet; es 'scmeckt' in die Nachbarpfade ringsherum 'hinein' und macht sich einen kleinen Kernbereich in seiner unmittelbaren Umgebung zunutze." (Seite 66) In: Richard Feynman: QED: Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. Piper Verlag. 1. Auflage 1992. ISBN: 3-492-21562-9. Siehe auch 👉 QED (Feynman)

[7] Huygens schließt umherfliegende Teilchen des Lichts aus, das sich Licht aus verschiedenen Richtungen selbst bei einer Überkreuzung nicht gegenseitig stört: "Further, when one considers the extreme speed with which light spreads on every side, and how, when it comes from different regions, even from those directly opposite, the rays traverse one another without hindrance, one may well understand that when we see a luminous object, it cannot be by any transport of matter coming to us from this object, in the way in which a shot or an arrow traverses the air; for assuredly that would too greatly impugn these two properties of light, especially the second of them. It is then in some other way that light spreads; and that which can lead us to comprehend it is the knowledge which we have of the spreading of Sound in the air." Huygens schlägt dann vor, dass der materielle Träger von Licht Teilchen sind, die sich nicht selbst fortbewegen, sondern nur ihre Schwingung weitergeben. In: TREATISE ON LIGHT In which are explained The causes of that which occurs In REFLEXION, & in REFRACTION And particularly In the strange REFRACTION OF ICELAND CRYSTAL. By CHRISTIAAN HUYGENS. Rendered into English By SILVANUS P. THOMPSON. Dort die Seite 4. Im Französischen Original: Traite de la Lumiere. 1690. Dort die Seiten 3 und 4.

[8] Der Physiker und Nobelpreisträger Anton Zeilinger (geboren 1945) betont, dass man auch beim Doppelspaltexperiment tatsächlich einzelne Lichtteilchen beobachtet, und keine Wellen: "Es gibt jedoch Lichtdetektoren, die bei Auftreffen eines einzelnen Photons einen elektrischen Puls abgeben, der dann registriert werden kann. Setzen wir also einen solchen Lichtdetektor in die Beobachtungsebene unseres Doppelspaltexperiments. Wir werden dann einzelne Teilchen, einzelne Photonen registrieren! Die einzelnen Photonen werden so verteilt sein, daß wir an den dunklen Stellen des Interferenzbildes keine Photonen registrieren und an den hellen Stellen sehr viele. Das bedeutet, daß die Hell-Dunkel-Streifen einfach als eine Verteilung vieler einzelner Photonen verstanden werden können." In: Anton Zeilinger: Jenseits jeder Gewißheit: Das Rätsel der Quantenwelt. Ausstellung in der Neuen Galerie in Graz (1997) und im Ludwig Museum in Budapest (1996). Katalog im Passagen Verlag, Wien. Online: https://homepage.univie.ac.at/franz.embacher/Quantentheorie/sciweek2000/Zeilinger-Artikel/index.html

[9] Rowan Hamilton über Newtons Lichtteilchen: "The theory of Newton is well known. He compared the propagation of light to the motion of projectiles; and as, according to that First Law of Motion, of which he had himself established the truth by so extensive and beautiful an induction, an ordinary projectile continues in rectilinear and uniform progress, except so far as its course is retarded or disturbed by the influence of some foreign body; so, he thought, do luminous and visible objects shoot off little luminous or light-making projectiles, which then, until they are accelerated or retarded, or deflected one way or another, by the attractions or repulsions of some refracting or reflecting medium, continue to move uniformly in straight lines, either because they are not acted on at all by foreign bodies, or because the foreign actions are nearly equal on all sides, and thus destroy or neutralise each other. This theory was very generally received by mathematicians during the last century, and still has numerous supporters." In: Hamilton, William Rowan, Sir (1833). On a general method of expressing the paths of light, & of the planets, by the coefficients of a characteristic function. Printed by P.D. Hardy.

[10] Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322 (Band 17 der 4. Folge), 1905, S. 132–148, doi:10.1002/andp.200590004