13.1 Geschichte des Lichts

Quelle: Mitschrift §6.1

Ausgangsfrage: Was ist Licht? Lange standen sich zwei klassische Theorien gegenüber:

Newton (Korpuskeltheorie)	Huygens (Wellentheorie)
Licht = kleine Teilchen mit $c_0$	Licht = klassische Welle
erklärt Reflexion, Brechung	erklärt Reflexion, Brechung, Beugung
$c$ in Glas größer als $c_0$ (falsch!)	$c$ in Glas kleiner als $c_0$ (richtig)
lokalisiert (das Teilchen hat einen genauen Ort), Helligkeit „quantisiert" (1, 2, N Teilchen)	ausgedehnt (nicht auf einen Punkt beschränkt), Helligkeit stetig (Amplitude — zwischen zwei Helligkeiten liegen unendlich viele weitere)
kein Medium nötig	Medium = „Äther" (ein hypothetisches, alles durchdringendes Medium, in dem sich Lichtwellen ausbreiten sollten — analog zu Luft beim Schall; später widerlegt)

Schlüssel-Etappen:

Jahr / Person	Beitrag
1801/02 Young	Doppelspalt (→ [[themen/Paradigmatische Experimente/4.4#4.4 Doppelspaltexperiment (Young 1801/02)
1856 Foucault	$c$ in Flüssigkeit $<c_0$ → spricht für die Welle
1860 Maxwell	Licht = EM-Welle, Vereinigung von E-Mag und Optik (historisch 1861–65; hier wie in Themenpool/Mitschrift: 1860) → [[themen/Elektrodynamik/14.1#14.1 Kurze Geschichte der Elektrizität
1888 Hertz	erzeugt Mikrowellen nach Maxwells Theorie — experimenteller EM-Wellen-Nachweis (Versuche 1886–88)
1900 Marconi	erste transatlantische Funkverbindung — praktische Nutzung der EM-Wellen (historisch 1901; Themenpool: ~1900)
1900 Planck	$E=hf$ — Energiequantelung (Grundstein der Quantenphysik)
1905 Einstein	Photoeffekt → Photonen → Welle-Teilchen-Dualismus
heute	QED (Quantenelektrodynamik — die heutige Quantenfeldtheorie der Wechselwirkung von Licht und geladener Materie)

✎ Warum sagen die zwei Theorien Gegenteiliges über $c$ in Glas voraus? Das war der entscheidende „Schiedsrichter"-Test.

• Newton (Teilchen): Glas zieht die Lichtteilchen beim Eintritt an und beschleunigt sie senkrecht zur Oberfläche → sie würden im Glas schneller ($c_{\text{Glas}}>c_0$). Zur Brechung zum Lot hin passt das nur, wenn das Licht schneller wird.
• Huygens (Welle): Jeder Punkt einer Wellenfront ist Ausgangspunkt einer neuen Elementarwelle. Im dichteren Medium laufen diese langsamer → die Front knickt zum Lot, und $c_{\text{Glas}}<c_0$.
• Entscheidung: Foucault maß 1856 direkt, dass Licht in Wasser langsamer ist → Huygens hatte recht, Newton lag falsch. (Heute: Im Medium bremst die Wechselwirkung mit den Atomen das Licht — $c=c_0/n$, $n\dots$ Brechzahl $>1$.)

✎ Warum konnte nur die Welle die Beugung erklären? Teilchen fliegen geradeaus; sie können nicht „um eine Ecke" hinter einen Spalt gelangen. Wellen dagegen breiten sich hinter einer engen Öffnung kreisförmig aus (siehe §13.5) — Young sah genau das (Doppelspalt-Interferenz). Wirklich entscheidend sind dabei die dunklen Streifen: An manchen Stellen ergibt „Licht + Licht = Dunkelheit" (destruktive Interferenz) — „Teilchen + Teilchen" können nur mehr werden, sich aber nie gegenseitig auslöschen. Deshalb verlor die Teilchentheorie zunächst.

✎ Warum konnte Maxwell die Lichtgeschwindigkeit aus der Theorie „ausrechnen"? (beliebte Prüfungsfrage) Die Vorgeschichte ist Faraday: Ørsted entdeckte „Strom erzeugt Magnetfeld" (E → M), Faraday vermutete aus Symmetrie auch die Umkehrung — „ein veränderliches Magnetfeld erzeugt Spannung" (M → E, elektromagnetische Induktion) — und führte den Begriff des Feldes ein: Im Raum existieren wirklich elektrische und magnetische Felder. Maxwell nahm diese Felder ernst und fragte: Was passiert mit den Feldlinien, wenn eine Ladung oder ein Magnetpol verändert wird?

1. Entdeckung: Die Feldveränderung breitet sich als elektromagnetische Welle aus (damit zeigt Maxwell indirekt, dass Faraday recht hatte: Die Felder existieren). Eine konstant bewegte Ladung trägt ihr Feld nur mit; erst eine beschleunigte Ladung strahlt EM-Wellen ab.
2. Wie schnell ist diese Welle? Aus seinen Gleichungen folgt sie aus zwei rein elektromagnetischen Konstanten: $c={\displaystyle \frac{1}{\sqrt{{\epsilon }_0{\mu }_0}}}\approx 3\cdot {10}^8$ m/s (${\epsilon }_0\dots$ elektrische Feldkonstante; ${\mu }_0\dots$ magnetische Feldkonstante) — exakt die gemessene Lichtgeschwindigkeit. „Dieser Wert kann kein Zufall sein" → Licht ist eine EM-Welle.
3. Folge: Elektromagnetismus und Optik werden zur Elektrodynamik vereinigt — ein weiteres Argument für die Wellentheorie. (Ausführlich in Thema 14.)

✎ Wozu brauchte man den Äther — und warum wurde er verworfen? Alle damals bekannten Wellen brauchen einen Träger (Schall/Luft, Wasserwellen/Wasser). Wenn Licht eine Welle ist, „muss" es also ein Medium geben → Hypothese: Der Äther durchzieht den ganzen Raum. Die Annahme widerspricht sich aber selbst: Damit die These aufgeht, müsste er ein Festkörper sein und zugleich extrem fein, damit er die Planeten nicht behindert (Mitschrift §6.1). Verworfen wurde er, weil: Maxwells EM-Welle ist eine Schwingung der Felder selbst — sie braucht kein Medium; ✎ gezielte Suchen nach dem „Ätherwind" (Michelson–Morley, 1887) fanden nichts; Einsteins Spezielle Relativitätstheorie (1905) machte den Äther endgültig überflüssig.

✎ Die Lichtgeschwindigkeit $c_0$ ist eine Naturkonstante. Im Vakuum ist $c_0\approx 3\times {10}^8$ m/s eine Naturkonstante: Sie hängt nicht von der Bewegung der Lichtquelle ab, nicht vom Beobachter und nicht von Farbe/Wellenlänge — ein einfarbiger Laser und weißes Licht sind im Vakuum gleich schnell. (Genau das wurde später zum Grundpfeiler der Speziellen Relativitätstheorie — siehe Thema 6.)

✎ Kleine Geschichte der $c$-Messung (Schritt für Schritt).

1. Galilei (um 1600) versuchte es mit zwei Personen und Laternen über Berge hinweg: A öffnet seine Laterne, B öffnet die seine, sobald er das Licht sieht, und A misst die Zeit für den Hin- und Rückweg. Ergebnis: Außer der menschlichen Reaktionszeit war nichts zu messen. Daraus schloss er (fälschlich), die Lichtgeschwindigkeit sei unendlich/augenblicklich. Der Fehler: Licht ist viel zu schnell und die irdische Strecke viel zu kurz — die nötige Laufzeit ist weit kleiner als die Reaktionszeit, also gar nicht messbar. Seriös folgern konnte er nur: „Licht ist viel schneller als der Schall."
2. Rømer (1676): Er beobachtete, dass die Verfinsterungen des Jupitermondes Io je nach Abstand Erde–Jupiter früher oder später eintreten → die erste Abschätzung, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich ist.
3. Fizeau (1849, Zahnrad-Methode) und Foucault (1850/1856, Drehspiegel-Methode): Sie maßen $c$ erstmals präzise auf der Erde; Foucault wies dabei auch nach, dass Licht in Wasser langsamer ist (zugunsten von Huygens, siehe oben).

Gegen Ende des 19. Jh. galt Licht als EM-Welle — bis Planck und Einstein einen Fehler der reinen Wellentheorie fanden (den Photoeffekt, §13.2). Die heutige Auflösung ist der Welle-Teilchen-Dualismus: Licht ist beides, je nach Experiment (§13.6).