Defintion

Als elektromagnetische Welle bezeichnet man gekoppelte elektrische und magnetische Felder, die sich über die Zeit im Raum ausbreiten. Die gegenseitige Kopplung kommt dazu zustanden, dass zeitlich veränderlicher elektrische Felder immer ein Magnetfeld erzeugen und umgekehrt, auch zeitlich veränderliche Magnetfelder immer ein elektrisches Feld zu Folge haben. Dabei erfüllen die Wellen den Raum kontinuierlich, das heißt ohne Lücken^[2] und theoretisch auch mit unendlicher Ausdehnung^[3].

Elektromagnetische Wellen als Modell

Elektromagnetische Wellen sind eine Modellvorstellung. Das heißt, es muss nicht geklärt sein, ob es diese Art von Wellen wirklich gibt. Solange die Vorstellung für befriediegend viele Gebiete der Physik zutreffende Vorhersagen erlaubt, gilt das Modell als brauchbar.^[4] Mindestens zwei Aspekte lassen an der realen Existenz dieser Wellen zweifel als berechtigt erscheinen. Man hat a) bisher keine Träger der Schwingungen, sogenannte Oszillatoren gefunden^[5] und b) verschiedene Versuche lassen sich nur erklären, wenn man die Energie als räumlich eng begrenzt auffasst^[6]. Trotz dieser Einschränkungen baut die gesamt Maxwellsche Theorie der Elektrodynamik auf der reinen Wellenidee auf und macht damit große Bereiche der Wirklichkeit berechenbar.

Das Spektrum elektromagnetischer Wellen

Elektromagnetische Wellen unterscheidet man nach ihrer Wellenlänge und ihrer Frequenz. Je größer die Wellenlänge, desto kleiner die Frequenz. Und die Frequenz entscheidet letztendlich auch darüber, als welche Farbe wie die sichtbaren Teile der elektromagnetischen Wellen wahrnehmen^[7]. Es gibt aber auch elektromagnetische Wellen, der Anwesenheit keine Lichteffekte bei Menschen erzeugt, etwa Radiowellen oder Röntgenwellen. Siehe mehr dazu unter elektromagnetisches Spektrum ↗

Die Erzeugung elektromagnetischer Wellen

Elektromagnetische Wellen kann man unter anderem mit einem sogenannten Hertzschen Dipol erzeugen.^[1] Das ist eine elektrische Ladung, die sehr schnelle Schwingungsbewegungen vollzieht. Siehe mehr unter Hertzscher Dipol ↗

Elektromagnetische Welle oder Photonenwelle?

Die klassische elektromagnetische Welle nach Maxwells Theorie erfüllt den Raum lückenlos und zumindest theoretisch auch mit unendlicher Ausdehnung. Aber gerade diese Idee der räumlichen großen Ausdehnung wiederspricht der Idee eines räumlich eng begrenzten Lichtteilchens, eines Photons.^[3] Dennoch spricht man auch im Zusammenhang von Photonen von Wellen. Wie dieser scheinbare Widerspruch aufgeklärt werden kann, bespricht der Artikel zur Photonenwelle ↗

Fußnoten

[1] Das physikalische Prinzip zur technischen Erzeugung elektromagnetischer Wellen, insbesondere zur Nutzung als Funk, heißt Hertzscher Dipol ↗

[2] Albert Einstein betont, dass sich die Energie von Licht im Sinne von elektromagnetischen Wellen kontinuierlich im Raum ausbreite, also nicht eng an einem Ort lokalisiert sei: "Nach der Maxwellschen Theorie ist bei allen rein elektromagnetischen Erscheinungen also auch beim Licht, die Energie als kontinuierliche Raumfunktion aufzufassen". In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148, doi:10.1002/andp.19053220607. Dort die Seite 13r3. Online: http://myweb.rz.uni-augsburg.de/~eckern/adp/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf

[3] Die unendliche Ausdehnung unterstreicht auch das Spektrum Lexikon der Astronomie: "Im Rahmen der klassischen Elektrodynamik ist Licht eine unendlich ausgedehnte elektromagnetische Welle, die sich auch im Vakuum ausbreiten kann." Und: "Im strengen Sinne ist dies noch kein Photon, weil es nicht diskret, sondern kontinuierlich ist." In: der Artikel Photon. Spektrum Lexikon der Astronomie. Abgerufen am 24. Mai 2024. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/astronomie/photon/341

[4] Einstein erkennt an, dass sich die "Undulationstheorie", so seine Bezeichnung der Theorie elektromagnetischer Wellen, "zur Darstellung der rein optischen Phänomene vortrefflich bewährt" habe. In: Albert Einstein: Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 132–148, doi:10.1002/andp.19053220607. Dort die Seite 13r3. Online: http://myweb.rz.uni-augsburg.de/~eckern/adp/history/einstein-papers/1905_17_132-148.pdf

[5] Die Suche nach dem materiellen Träger elektromagnetischer Wellen ist eng mit dem Wort des Äthers verbunden. Klassisch gedacht sind Wellen die Ausbreitung von Schwingungen im Raum. Eine Schwingung benötigt aber immer etwas, das schwingt, den sogenannten Oszillator. Schallwellen in Luft etwa haben die Luftteilchen als Oszillatoren. Da sich elektromagnetische Wellen auch im Raum ausbreiten können, stellt sich die Frage, was die Oszillatoren im Vakuum sein könnten. Es gibt darauf bis heute keine Antwort. Siehe auch Lichtäther ↗

[6] Dass Licht teilchenartig sein muss betonte unter anderem der Nobelpreisträger Richard Feynman. Ein Beleg ist, dass bei einer ausreichenden Vermidnungerung der Intensität von Licht nicht etwa das Licht über einen großen Raumbereich immer schwäche wird. Vielmehr beobachtet man irgendwann nur noch einzeln auftreffende Lichtteilchen, die klümpchenartig wie Teilchen erscheinen. Die Idee, dass Licht in Teilchen aus begrenzter Energie besteht, führte Einstein im Jahr 1905 zu seiner These vom Lichtquant ↗

[7] Wenn etwa rotes Licht von Luft in Glas eindringt wird es deutlich langsamer. Dabei verändert es seine Wellenlänge, nicht aber seine Frequenz. Da der Farbeindruck derselbe wie an Luft bleibt, muss die Wahrnehmung, so der Physiker Erwin Schrödinger, mit der Frequenz verbunden sein. Mehr dazu unter Farbwahrnehmung ↗