Historischer Meilensteine im Überblick

Noch Descartes glaubte, die Ausbreitung des Lichtes erfolge momentan, daher ohne Zeitverlust, später bildeten sich im wesentlichen zwei Schulen, zum einen Newtons, die an Lichtpartikeln festhielt, und zum anderen Huygens, die an die Wellennatur des Lichts glaubte. Als man in der klassischen Elektrodynamik mit den Maxwell-Gleichungen, und somit unter zu Hilfenahme der Wellennatur, das Licht beschreiben konnte, dachte man, die Frage währe geklärt, doch nicht einmal vierzig Jahre später gab es Probleme bei der Beschreibung der »Holraumstrahlung« (d. h. die Strahlung, die sich im thermodynamischen Gleichgewicht mit den auf konstanter Temperatur gehaltenen Wänden eines Holraumes herausbildet) da hinsichtlich ihrer (gemessenen) spektralen Energieverteilung ein Fehler gegenüber der theoretischen vorlag, welche Max Planck durch die »Quantisierung« der Energie eines mit dem Strahlungsfeld wechselwirkenden Oszillators, in der Art einer ad hoc-Hypothese überwand. Andererseits legten die beim Studium des photoelektrischen Effektes gefundenen Besonderheiten, wie Einstein klar erkannte, eine »Lichtquantenhypothese« nahe. Er gelangt zu der Auffassung Licht bestehe aus räumlich lokalisierten Energieklümpchen, den Lichtquanten, denen die Energie hv zugeschrieben ist. Daher ist wieder die Frage offen, ob nun das Licht aus Korpuskeln oder Wellen bestehe, wie später klar wird, in manchen Fällen ist es als Korpuskel, in anderen als Welle zu sehen, der Welle-Teilchen Dualismus des Wellteilchens Photon.

Lichtwelle à la Huygens

Christian Huygens gilt, mit Recht, als Schöpfer der Wellentheorie des Lichts. Ein fundamentales Prinzip, das die Ausbreitung der Lichtwellen verstehen lässt, trägt seinen Namen, so hat es zusammen mit der darauf fußenden Beschreibung von Reflexion und Brechung einen wohlverdienten Platz in den Lehrbüchern der Optik gefunden.
Wenn wir heute von einer Welle sprechen, meinen wir ganz selbstverständlich eine räumlich und Zeitlich periodische Bewegung: An jedem Ort vollführt die Auslenkung (denken wir beispielsweise an eine Wasserwelle) eine harmonische Schwingung mit einer bestimmten Frequenz v, und eine Momentanaufnahme der gesamten Welle zeigt immer wiederkehrenden Wechsel von Wellenbergen und Wellentälern.
Doch diese Periodizitätseigenschaft, die uns geradezu das Charakteristikum einer Welle zu sein scheint, fehlt dem von Huygens benutztem Wellenbegriff vollständig. Er stellt sich die Entstehung so vor, das eine Punktförmige Quelle, die gleichzeitig das Zentrum der Wellen darstellt, durch Stöße die nicht in regelmäßigen Abständen aufeinanderfolgen, eine art Erschütterung der Ätherteilchen bewirkt. Die Ausbreitung der Welle kann dann nur so zustande kommen, das die Ätherteilchen nicht anders können, als diese Erschütterung auf die Teilchen in ihrer Umgebung zu übertragen.
Die Bilder, die er zeichnete, bei denen Wellenfronten in jeweils gleichem Abstand aufeinanderfolgen, sind somit so auf zu fassen, dass sie die gleiche Wellenfront, zu verschiedenen Zeiten betrachtet, darstellen, und die in den Zeichnungen zum Ausdruck kommende Regelmäßigkeit ist allein dadurch bedingt, dass die gewählten Zeitabstände gleich sind.
Interferenzphänomene erklärten sich in diesem Modell also nur so, dass die rückwärts laufenden Wellen, sich »weg interferieren«. Weiter ist der außerordentliche Strahl der Reflexion kein Kreis, sondern eine Rotationselypse, diese Einsicht Hygens wird durch die moderne Kristalloptik vollauf bestätigt.

Newtons Lichtteilchen

Isaac Newton gilt als Begründer der Korpuskeltheorie des Lichts. Er postulierte Lichtteilchen auf grund der geradlinigen Ausbreitung, und den scharfen Schatten, der von Kanten geworfen wurden, die im z.B. Gegensatz zu den Wellen im Wasser, die sich um Hindernisse herumlaufen, standen.
Wie wir seit den bahnbrechenden Leistungen von Young und Fresnel wissen, war der Newtonsche Schluss voreilig, denn was beim Auftreffen einer Wellenfront auf ein Hindernis geschieht, hängt mit der Größe, bzw. mit dem Verhältnis der räumlichen Ausdehnung des Hindernisses zur Wellenlänge ab.
Newton bestimmte auch schon erstaunlich genau, wie aus seinen Aufzeichnungen hervorgeht, die Beugung des Lichts an Kanten (z.B. einer Rasierklinge), so dass kein Scharfer Schatten entstand, allerdings wertete er es keineswegs als Indiz für eine Welleneigenschaft des Lichts, sondern erklärte es mit einer zunehmenden Ätherdichte im Verhältnis zur Oberfläche von Kannten, die derartige Beugungen verursachte.
Ein wichtiger Punkt war auch die Aufspaltung der Strahlen an Kristallen, so werden ja nicht alle Strahlen gleich durch ihn hindurch gehen, und wieder andere werden sogar Reflektiert. Im Rahmen der Wellentheorie des Lichts ? wohlgemerkt, einer skalaren Theorie nach dem Vorbild der Lehre vom Schall, bei der die Schwingung den Charakter von abwechselnd Verdünnungen und Verdichtungen eines Mediums haben, an die Möglichkeit transversaler Schwingungen dachte damals noch niemand. ? liegt hier tatsächlich ein echtes Dilemma vor. Wellen müssten sich ja hinsichtlich all ihrer Seiten gleich Verhalten, was sie ja demnach nicht täten. Daher ist nicht einzusehen, wie beispielsweise der aus dem ersten Kristall austretende ordentliche Strahl von der Orientierung des zweiten Kristalls Notiz nehmen kann.
Newton sah nun in seinem Teilchenmodell des Lichts eine Möglichkeit der Erklärung. Die Rotationssymmetrie kann ja dadurch aufgehoben sein, dass die Teilchen selbst nicht rotationssymmetrisch sind, sondern eine Art von »Orientierungsmerkmal« besitzen. Er sprach zwar selber nicht von Würfeln oder Rechtecken, als Lichtteilchen, er schrieb nur von vierseitigen Teilchen, was aber auf das selbe hinausläuft. Beim »normalen« Licht, sollten diese Teilchen, nicht in einer Richtung ausgerichtet, sondern vermischt, kommen. Beim ersten auftreffen, und der Aufspaltung in einen ordentlichen und außerordentlichen Strahl, werden eben diese Teilchen getrennt, und wird jetzt ein zweiter Kristall, mit einer Änderung der Ausrichtung um 90° durchlaufen, so findet keine weitere Aufspaltung (in z.B. vier Strahlen) statt. Diese Darstellung ist der heutigen noch sehr ähnlich, bei der die Ausrichtung der elektrischen Feldstärke der Photonen diese Rolle übernimmt.

Der Youngsche Interferenzversuch

Der Versuchsaufbau ist nicht all zu schwer, beim Youngschen Interferenzversuch. Ein Schirm, auf den das Licht auftrifft, vor dem eine Platte, die 2 Löcher beinhaltet, steht. Heute würden wir eine punktförmige monochromatische Lichtquelle verwenden, die auf die Platte scheint, da Young derartiges nicht zur Verfügung stand, nahm er das Sonnenlicht zur Hilfe.
Das Ergebnis, das wir am Schirm betrachten, ist ein abwechseln von hellen und dunklen Streifen, begonnen in der Mitte der beiden Löcher mit hell, was bedeutet, das in manchen fällen die Gleichung
Licht + Licht = Dunkelheit
zutreffen muss. Verschließen wir ein Loch, so werden wir bemerken, dass auch die dunklen stellen wieder hell werden, wie wir das für gewöhnlich sehen. Dieses Ergebnis ist mit dem Newtonschen Teilchenmodell so nicht zu erklären, und wurde daher als Experimentelle Wiederlegung dieser Anschauung betrachtet, was wie wir heute wissen, nicht korrekt ist, die ganze Situation ist viel komplexer.
Er konnte allerdings durch die Interferenz, die Wellenlängen des Lichtes errechnen, so kam er bei rotem Licht auf ungefähr 1/36000 Zoll und für violettes Licht auf etwa 1/60000 Zoll, was mit den heute bekannten Werten recht genau übereinstimmt.

Die Einsteinsche Lichtquantenhypothese

Eine bahnbrechende experimentelle Untersuchung des photoelektrischen Effekts hatte P. Lenard zu überraschenden Resultaten geführt, die sich mit der Vorstellung eines mit einer elektromagnetischen Welle wechselwirkenden, im Metall in irgend einer Weise gebundenen Elektrons nicht in Einklang bringen ließ.
Drei Jahre später gab Einstein diesen Befund in eine mit der klassischen Konzeption des Lichts in krassem Wiederspruch stehende Deutung in Gestalt einer ? vorsichtig als »eine die Erzeugung und Verwendung des Lichtes betreffende heuristischen Gesichtspunkten« deklarierten ? Hypothese über die mikroskopische Beschaffenheit des Lichts, deren enorme Tragweite erst viel später, im Zusammenhang mit der Entstehung der Quantenmechanik, erkennbar werden sollte.
Eine originelle Betrachtung zur Holraumstrahlung, ließ ihn zu dem Schluss kommen, das eine »körnige« Struktur des Lichts vorlag.
Was für Beobachtungen hatte nun Lenard gemacht, als er die Metalloberfläche (im Vakuum) mit Licht bestrahlte und die dabei in den freien Raum Austretenden Elektronen untersuchte?
Da war zunächst die Feststellung, dass die Geschwindigkeit dieser Elektronen nicht von der Lichtintensität abhängt. Dagegen zeigte sich eine Frequenzabhängigkeit des Effekts: Brachte man nämlich ein (den ultravioletten Anteil des Lichts absorbierendes) Glimmer- oder Glasplättchen vor die Metalloberfläche, so waren keine Elektronen mehr nachweisbar. Andererseits erwies sich die Zahl der pro Zeiteinheit emittierten Elektronen als proportional zur Intensität des Lichts, und das galt überraschenderweise auch noch bei sehr kleinen Intensitäten. Im besonderen war kein Schwelleneffekt (Einsetzten der Elektronenemission erst bei einer Mindestintensität) zu erkennen, wie Lehnard erwartet hatte.
Doch wenden wir uns jetzt den Einsteinschen Überlegungen zu, denn er ging von der thermodynamischen Betrachtung aus. Er Konzentrierte sich auf den Fall, dass das Wiensche Strahlungsgesetz gültig ist, so leitete er zunächst einen Ausdruck für die Entropie eines monochromatischen Strahlungsfeldes her, wobei ihn besonders die Abhängigkeit von dem vom Strahlungsfeld eingenommenen Volumen interessierte. Daraus berechnete er, unter Verwendung der fundamentalen Bolzmanschen Relation zwischen Entropie S und der Wahrscheinlichkeit W,
S = k log W
(k ist hier die Bolzmannkonstante), die Wahrscheinlichkeit dafür, dass zu einem Zeitpunkt die Energie des in einen »Kasten« mit spiegelnden Wänden eingeschlossen gedachten Strahlungsfeldes der Frequenz v zufällig vollständig in einem vorgegebenen Teilvolumen V0 des Kastens vom Volumen V konzentriert ist. Dabei spielt für das elektromagnetische Feld das Verhältnis der Gesamtenergie zu der Größe hv die Rolle der Teilchenzahl. So gelangte er zu dem Schluss, dass sich die Strahlung so verhalte, als bestünde sie aus voneinander unabhängigen Energiequanten mit der Energie hv. Tatsächlich verwendete Einstein natürlich nicht das Planksche Wirkungsquantum sondern da er vom Wienschen Strahlungsgesetzt ausging,
Rβ/N ,
wobei R die universelle Gaskonstante, N die Avogadrosche Zahl und β die im Exponenten des Wienschen Gesetztes stehende Konstante ist.
Gibt es jetzt noch eine »Austrittsarbeit« A für das Elektron, während die restliche Energie dem Elektron als kinetische Energie verbleibt, bedeutet dass
hv = 1/2mv2 + A .      (1.1)
Trotz der glänzenden experimentellen Bestätigung, welche die Lichtquantenhypothese in gestalt von Gl. (1.1), verbleibt die Frage nach der Vereinbarkeit mit einer Vielzahl von optischen Experimenten (wie Interferenz und Beugung), die sich nur mit der Vorstellung eiern kontinuierlichen Erfüllung des Raumes durch Wellen verstehen lassen.
Wir kommen somit nicht umhin, bereits dem einzelnen Photon Welleneigenschaften zuzuschreiben, do dass uns die Einsteinsche Lichtquantenhypothese letztlich ein dualistisches Bild vom Licht bescherte.