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Lexikon der Optik: Lichttheorien

Lichttheorien, Vorstellungen über die Beschaffenheit des Lichtes, mit deren Hilfe optische Erscheinungen erklärt werden sollen.

1) Korpuskulartheorie. Isaac Newton (1643-1727) gelangte zu der Auffassung, daß sich das Licht aus kleinsten Teilchen (Korpuskeln) zusammensetzt, die von einer Lichtquelle ausgeschleudert werden und sich geradlinig ausbreiten, solange sie auf keine Hindernisse stoßen. Die Newtonsche Theorie ließ ohne weiteres verstehen, weshalb undurchsichtige Körper scharfe Schatten werfen. Für die dabei auftretenden feineren Effekte der Beugung machte Newton von der Berandung ausgehende Kräfte verantwortlich, die eine geringfügige Ablenkung der vorbeifliegenden Lichtteilchen bewirken. Die Brechung deutete er als Ergebnis einer Anziehung, die das brechende Medium auf die Lichtteilchen ausübt. Die aus dieser Vorstellung folgende Vorhersage, daß die Lichtgeschwindigkeit um so größer ist, je stärker brechend das Medium ist, wurde jedoch später experimentell widerlegt.

Die von ihm sehr sorgfältig untersuchten Farben dünner Blättchen brachten Newton dazu, den Lichtteilchen periodische "Anwandlungen (fits) leichter Reflexion" und solche "leichten Durchgangs" zuzuschreiben. Mit dem Begriff "Intervall der Anwandlung" erfaßte er dann das, was wir heute die halbe Wellenlänge nennen.

2) Wellentheorie. Christian Huygens (1629-1695) sah eine große Ähnlichkeit zwischen Licht und Wellen auf einer Wasseroberfläche bei den Vorgängen der Ausbreitung, Reflexion und Brechung. Er wurde so zum Begründer der Wellentheorie des Lichtes. Deren Grundlage bildete das Huygenssche Prinzip. Huygens verknüpfte allerdings den Wellenbegriff nicht mit der Vorstellung einer periodischen Bewegung. Dies taten erst Thomas Young (1773-1829) und Augustin Fresnel (1788-1827). Damit gelang diesen beiden Forschern – unabhängig voneinander – eine befriedigende Deutung der Interferenzerscheinungen. Sie machten dabei deutlich, daß sich unter bestimmten Bedingungen zwei Lichtwellen gegenseitig auslöschen, daß also in diesem Falle die Gleichung "Licht+Licht=Dunkelheit" besteht. Allerdings dachte man sich die Bewegung, welche die Welle an einem Orte ausführt, zunächst als eine longitudinale Schwingung. Die Polarisationseigenschaften des Lichtes ließen sich jedoch erst verstehen, als Young und nach ihm Fresnel den transversalen Charakter der Lichtschwingungen postulierten. Diese transversalen Schwingungen sollten nach Fresnel in einem elastischen Medium, dem hypothetischen Lichtäther stattfinden.

3) Elektromagnetische Theorie. Eine bedeutende Weiterentwicklung der Wellentheorie erfolgte durch James Clerk Maxwell (1831-1879), der die nach ihm benannten fundamentalen Gleichungen des Elektromagnetismus aufstellte (unter Zugrundelegung eines mechanischen Äthermodells). Dieser Forscher berechnete unter Benutzung mechanischer Analogien die Ausbreitungsgeschwindigkeit transversaler Wellen zu c=(ε0μ0)1/2, wobei ε0 und μ0 die Dielektrizitätskonstante bzw. die Permeabilität des Vakuums bezeichnen. Indem er für ε0μ0 den 1856 von W. Weber und R. Kohlrausch elektromagnetisch gemessenen Wert einsetzte, fand er für c einen Wert, der so genau mit dem von H.A.L. Fizeau gemessenen Wert der Lichtgeschwindigkeit übereinstimmte, daß er den Schluß auf die elektromagnetische Natur des Lichtes "kaum vermeiden konnte". Erst später leitete er aus seinen Grundgleichungen eine Wellengleichung ab. Diese Auffassung vom Licht fand eine glänzende experimentelle Bestätigung durch Heinrich Hertz (1857-1894), dem es gelang, auf elektrischem Wege elektromagnetische Wellen zu erzeugen und nachzuweisen, daß sie die gleichen Eigenschaften wie Lichtwellen besitzen. Mit der Schaffung der speziellen Relativitätstheorie durch Albert Einstein mußte die Ätherhypothese als unhaltbar aufgegeben werden, nachdem vorher schon alle Versuche, eine Bewegung der Erde gegenüber dem Äther experimentell nachzuweisen, erfolglos geblieben waren.

4) Lichtquantenhypothese. Ausgehend von thermodynamischen Betrachtungen formulierte Einstein im Jahre 1905 eine Lichtquantenhypothese, derzufolge die Energie einer Lichtwelle nicht, wie nach der Maxwellschen Theorie zu erwarten, kontinuierlich im Raum verteilt ist, sondern in lokalisierten Portionen der Größe hν, den Lichtquanten oder Photonen, steckt. Dabei bedeuten h das Plancksche Wirkungsquantum und ν die Lichtfrequenz. Einstein konnte darüber hinaus zeigen, daß sich mit dieser Vorstellung die von Lenard beobachteten Besonderheiten des Photoeffekts zwanglos verstehen lassen. Zu allgemeiner Anerkennung gelangte seine Theorie jedoch erst nach der Entdeckung des Compton-Effektes, der ebenfalls eine einfache Erklärung im Photonenbild findet.

Die Lichtquantenvorstellung ist aber andererseits nicht geeignet, Ausbreitungs-, Beugungs- und Interferenzerscheinungen zu beschreiben. Dort erweist sich die – auf den Maxwellschen Gleichungen basierende – Wellentheorie als völlig zutreffend. Beide Theorien, die der Lichtquanten und die der Wellen, ergeben daher zusammengenommen erst eine vollständige Beschreibung aller optischen Erscheinungen. Vom Standpunkt der klassischen Physik aus betrachtet sind die beiden Theorien unverträglich miteinander. Die Erfahrung zwingt uns aber dazu, dem Licht je nach den vorliegenden experimentellen Bedingungen einmal eine korpuskulare Beschaffenheit (im Sinne der Photonenvorstellung) oder wellenhafte Eigenschaften zuzuschreiben. Dieser Sachverhalt wird als Welle-Korpuskel-Dualismus bezeichnet. Er findet sich in ähnlicher Weise auch bei Teilchen mit endlicher Ruhemasse wie dem Elektron oder dem Neutron und stellt somit einen allgemeinen Zug des mikroskopischen physikalischen Geschehens dar. Eine formale Synthese des Wellen- und Teilchenbildes ist erst der Quantenmechanik, allerdings auf Kosten der Anschaulichkeit, gelungen.

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