Das Licht

Kann man Licht wiegen?

Wechselnde Wirkungen

Ausbreitung

Konstanz

Kann man Licht wiegen?

Ohne Licht gäbe es wohl kein Leben auf der Erde und wir Menschen könnten heute nicht den Blick zum Firmament erheben und etwas über die faszinierenden Erscheinungen im Kosmos erfahren. Das Licht ist der Bote, welcher Informationen aus den tiefsten Regionen des Universums zu uns trägt. Fragen wir uns einmal, was ist das eigentlich, dieses Licht?

Vor Einstein war die wissenschaftliche Welt davon überzeugt, dass Licht einfach eine masselose elektromagnetische Schwingung ist, die zudem ein Medium für ihre Ausbreitung benötigte. Das war der berühmte, ruhende Äther, der das ganze Universum ausfüllen sollte. Heute wissen wir jedoch nicht zuletzt durch ein Experiment der Wissenschaftler Michelson und Morley, dass es diesen Äther nicht gibt. Nach der Quantentheorie kann Licht sowohl den Charakter einer Welle als auch den eines Teilchens annehmen. Die kleinsten Einheiten des Lichts nennt man Lichtquanten oder Photonen, deren Energieinhalt nicht beliebig klein sein kann. Die Energie eines Photons ist abhängig von der Wellenlänge Lambda $\lambda$ bzw. der Frequenz $f$:

$E=h·f=h·c/\lambda$

wobei $h$ das Plancksche Wirkungsquantum ist ($h$ = 6,625 · 10^-34 [Js]), $c$ ist die Lichtgeschwindigkeit (∼3 · 10⁸ [m/s]).

Photonen sind also Energiequanten, die kleinsten Einheiten einer elektromagnetischen Welle, die wir allerdings auch als Teilchen mit der Ruhemasse Null auffassen können, d.h. in einem (theoretischen!) Zustand völliger Ruhe weisen sie keine Masse auf (Photonen können sich allerdings niemals anders als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen). Nach der Speziellen Relativitätstheorie bzw. der Äquivalenz von Energie und Materie kann man einem Photon allerdings doch eine Masse $m$, besser gesagt einen Impuls $p$ zuweisen:

$E={\mathrm{mc}}^2$ und $p=\mathrm{mc}=\mathrm{hf}/c$

Hierzu ein Berechnungsbeispiel:

Wir berechnen die Energie eines Photons bei einer Frequenz von 10.000 [Hz] (10 [kHz])

E = h · f = 6.625 x 10^-34 [Js] x 10000 [s]^-1 = 6,625 x 10^-30 [J] (1 [J] = [m²kgs^-2])

Einsteins Formel $E={\mathrm{mc}}^2$ umgestellt nach $m$:

$m=E/c^2$ = 6,625 · 10^-30  [m²kgs^-2] / 9 x 10¹⁶  [m²s^-2] = 7.4 x 10^-47 [kg]

Unserem Photon können wir demnach eine Masse zuordnen, wenn sie auch verschwindend gering ist. Prinzipiell kann man also das Licht wiegen!

Hier haben Sie die Möglichkeit zur Berechnung der Masse eines Photons beliebiger Frequenz. Geben Sie einfach die von Ihnen gewünschte Frequenz ein (Dezimalstellen mit einem Punkt trennen):

Licht, wohlgemerkt damit sind hier alle Frequenzen der elektromagnetischen Wellen gemeint, ist für uns fast die einzige Möglichkeit, etwas über ferne Himmelskörper zu erfahren (es sei denn, dass wir sie mit Raumfahrzeugen direkt erreichen können). Um möglichst viele Informationen der weit entfernten kosmischen Objekte zu erhalten, nutzen die Astronomen deshalb alle Wellenlängen, angefangen von längsten Radiowellen über Infrarot, den sichtbaren Bereich, UV, bis hin zur härtesten Röntgen- und Gammastrahlung. Wobei der Mikrowellen- Hintergrund nicht zu vergessen ist, berichtet er uns doch aus der kosmischen Kinderstube.
Woraus die Sterne und Planeten bestehen, oder die Gas- und Staubwolken, die Temperatur der Objekte, ihre Bewegungen oder die in ihnen ablaufenden physikalischen oder chemischen Vorgänge, all dies tragen die Wellen des Lichts zu uns.

Nachstehender Skizze kann man das Spektrum der elektromagnetischen Wellen entnehmen:

Die Skala der elektromagnetischen Wellen

Die Wellenlängen erstrecken sich über einen riesigen Bereich, angefangen bei den sehr energiearmen Längstwellen (hier nicht dargestellt), bei denen eine Schwingung 100 [km] lang sein kann, bis hin zu den hochenergetischen Gammastrahlen mit einer Wellenlänge von z.B. nur 10^-12 [m].

Eine elektromagnetische Welle kann man sich als ein Bündel von Photonen vorstellen, die alle in bestimmter Weise miteinander schwingen. Je schneller sie hin und her schwingen (je höher ihre Frequenz ist), umso größer ist ihr Energieinhalt. Infrarotwellen sind relativ langwellig und daher energiearm, Röntgenstrahlung ist sehr kurzwellig und deshalb energiereich.

Wechselnde Wirkungen

Photonen haben, wie wir oben sahen, eine Ruhemasse von Null. Durch elektrische und magnetische Felder sind Photonen deshalb nicht ablenkbar, weil solche Felder ihrerseits durch virtuelle Photonen übertragen werden und diese Energiequanten nicht miteinander reagieren. Sie können aber mit anderen Teilchen wechselwirken, das geschieht dann durch Absorption oder Emission. Prallt ein Elektron mit einem Photon zusammen, absorbiert es diesen Strahlungsquant mit dem Energieinhalt E = hf und gelangt dadurch auf ein höheres Energieniveau (d.h., es entfernt sich um einen bestimmten Betrag vom Atomkern)

Fällt das Elektron wieder auf sein vorheriges Niveau ab, emittiert es ein Strahlungsquant, ein Photon mit einer charakteristischen Wellenlänge (das emittierte Photon ist ein klein wenig energieärmer als das absorbierte, weil das Elektron diesen Differenzbetrag für sich "verbrauchte"). So entstehen beispielsweise die Emissionslinien in einem Sternspektrum und verraten uns damit die Zusammensetzung der Sternatmosphäre (hierzu siehe auch Spektralanalyse).

Neben seiner Energie überträgt ein Photon auch seinen Impuls auf das Teilchen, es wird also ein gewisser Strahlungsdruck ausgeübt. Es ist eine pro Flächeneinheit ausgeübte Kraft, die umso größer ist, je mehr Quanten auf die betrachtete Fläche treffen und je größer deren Impuls hf/c ist. Herrscht ein thermodynamisches Gleichgewicht vor, wie z.B. bei einem Schwarzen Strahler, so ist der Strahlungsdruck p nur von der Temperatur T abhängig:

$p=a{T}^4/3$

wobei a die so genannte Strahlungsdichtekonstante ist: a = 7,581 · 10^-16 [J m^-3 K^-4]

Der Strahlungsdruck spielt eine gewichtige Rolle im Innern der Sterne, wo er einen hohen Anteil zum Gleichgewicht gegen die nach innen gerichtete Gravitation beiträgt, sowie bei der Bildung von neuen Sternen. Aufgrund des Strahlungsdruckes könnte man Licht auch als Raketenantrieb nutzen (in so genannten Photonentriebwerken) und auf diese Weise Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit erreichen. Allerdings ist der Lichtdruck höchst gering und die Beschleunigungs- und Bremsphasen würden unsäglich lange andauern. Eine technische Umsetzung erscheint daher kaum möglich.

Photonen können indessen nicht nur absorbiert werden, es gibt noch andere Wechselwirkungen des Lichts mit der Materie. So kann Licht auch reflektiert oder gestreut werden, an der Grenzfläche zweier optisch unterschiedlich dichter Substanzen tritt die Lichtbrechung in Erscheinung. Lichtwellen breiten sich normalerweise geradlinig aus. Trifft ein Lichtstrahl jedoch auf ein Hindernis (eine "Kante"), kann er gebeugt werden. Zwei Lichtwellen können sich überlagern und je nachdem, ob sich die Wellenberge oder -täler überschneiden, tritt Lichtverstärkung oder sogar völlige Auslöschung auf, dieses nennt man Interferenz.

Licht kann auch abgelenkt werden, wenn es nämlich starken Gravitationsfeldern ausgesetzt wird. Wo sich Photonen normalerweise geradlinig ausbreiten, müssen sie im Schwerefeld eines massiven Körpers den durch ihn hervorgerufenen Krümmungen der Raumzeit folgen. Auf diesem Effekt beruhen z.B. die Gravitationslinsen, die uns Objekte zeigen können, die normalerweise hinter anderen Objekten verborgen sind.

Ausbreitung

Licht breitet sich mit einer Geschwindigkeit von 299 792,458 [km/s] (~ 3 x 10⁸ [m/s]) im Vakuum aus. Es ist dabei völlig egal, ob wir eine Taschenlampe einschalten, die Flutlichtanlage eines Fußballplatzes, der Arzt sein Röntgengerät oder ob im Kosmos eine Supernova explodiert und dabei Licht aller möglichen Wellenlängen freisetzt. Jedes Mal fliegen die Photonen mit exakt derselben Geschwindigkeit durch die Gegend. Das gilt für alle elektromagnetischen Wellen!

Aber halt, es wurde ja oben behauptet, dass Photonen eine (scheinbare) Masse besitzen. Dann sollten sie ja eigentlich durch ein Medium, wie unsere Luft, oder Wasser oder kosmischen Staub gebremst werden (eine Art Reibungswiderstand). Genau das ist auch der Fall!

Luft raubt der Lichtgeschwindigkeit zum Beispiel rund 65 [km/s], und der Brechungsindex eines Glases beruht ebenfalls auf dieser Abbremsung. Der Brechungsindex n ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c dividiert durch die Geschwindigkeit im Medium c₁, also:

$n=c/c_1$

daraus ergeben sich beispielsweise Werte für Glas von 1.5 und Wasser von 1.33.

Die physikalische Ursache für die "Bremswirkung" optisch dichter Medien liegt darin begründet, dass die Photonen kurzzeitig von den Elektronen der Atome des Mediums absorbiert werden. Die Elektronen gewinnen dadurch vorübergehend an Energie und gelangen auf ein höheres Energieniveau. Alsbald nehmen sie jedoch ihren alten Zustand wieder ein und emittieren das Photon, dem nun aber ein wenig seines ursprünglichen Impulses fehlt (das Elektron verbrauchte diese Energie für seinen Sprung). Hierauf beruht z.B. die Lichtabschwächung in optischen Geräten: Je mehr Linsen ein System verwendet, umso schwächer wird die Abbildung.

Sobald das Photon emittiert wird, fliegt es mit seiner normalen Vakuumlichtgeschwindigkeit weiter, bis es vom nächsten Elektron absorbiert wird. So tritt nach und nach eine Verzögerung ein, wodurch die Geschwindigkeit der Lichtstrahlen in dichten Medien verringert wird.

Die Vakuumgeschwindigkeit des Lichts ist also die maximale Geschwindigkeit, mit welcher Energie oder Informationen (Signale) übertragen werden können. Man kann daher sagen:

Photonen überholen sich niemals und sie lassen sich auch von nichts überholen!

Sie haben im freien Raum immer dieselbe Geschwindigkeit, sie können nicht verzögern und auch nicht beschleunigen.

Nun könnte man vielleicht auf den "genialen" Gedanken kommen, wenn ein Astronaut mit beispielsweise halber Lichtgeschwindigkeit durch den Raum fliegt und von der Spitze seiner Rakete einen Lichtstrahl aussendet, dass dieser Strahl sich dann auch mit anderthalbfacher Lichtgeschwindigkeit durch den Raum bewegt. Das aber ist leider nicht der Fall, denn die Lichtgeschwindigkeit ist vollkommen unabhängig vom Standpunkt des Beobachters.

Konstanz

Die Lichtgeschwindigkeit ist stets konstant und von keiner Bewegung abhängig. Das ist eine der bedeutungsvollsten Erkenntnisse Einsteins. Würden wir z.B. einem Astronauten zusehen, wie er mit dem Irrsinnstempo 0,99 c auf die Erde zurast und die Geschwindigkeit seines Lichtstrahls messen, so kämen wir zu dem Ergebnis 299 792,458 [km/s]! Selbst wenn er gar umdreht und von uns wegfliegt, den Lichtstrahl erneut in unsere Richtung schwenkt, messen wir wieder das gleiche! Auch er kann nichts anderes feststellen, wenn er die Geschwindigkeit seines Strahls bestimmt oder eines anderen, den wir ihm vielleicht entgegen senden.

Durch viele Experimente, unter anderem auch bei verschiedenen Weltraummissionen, wurde auch diese Aussage der Relativitätstheorie erfolgreich überprüft (wie viele andere auch, es ist die bestüberprüfte Theorie der Welt). Die Lichtgeschwindigkeit ist in keiner Weise abhängig von irgendeinem Bezugssystem. Im folgenden Abschnitt Schneller als das Licht? wird auf dieses merkwürdige Verhalten noch etwas ausführlicher eingegangen.