Lichtstrahl-Kreuzungs-Versuch

Physik

Grundidee｜ Video｜ Kurzanleitung｜ Zitate｜ Naturphilosophischer Rahmen｜ Keine Teilchen｜ Eher Wellen｜ Heutige Sicht｜ Fußnoten

Grundidee

Ein Lichtstrahl wird durch einen oder mehrere andere Lichtstrahlen durchkreuzt. Kann man damit den ersten Strahl irgendwie verändern? Diese Frage ist Jahrhunderte alt. Die Antwort hat weitreichende Folgen für die Philosophie der Physik.

Video

Mehrere Strahlen Licht durchkreuzen sich gegenseitig. Keine der Strahlen scheint irgendwie durch die anderen Strahlen verändert zu werden.

Kurzanleitung

Man benötigt verschiedene Lichtquellen, die idealerweise eng gebündelte Strahlen oder Kegel von Licht aussenden. Laser aber auch Spotlights sind dazu ideal. Idealerweise hat man mehrere solche Lichtquellen mit unterschiedlichen Farben zur Hand.

Man richtet einen Lichtstrahl oder Lichtkegel so auf eine helle Fläche (Papier, Wand), dass man dort gut den erzeugten Lichtfleck betrachten kann.

Dann schickt man verschiedenste andere Lichtstrahlen durch diesen ersten Strahl. Man beobachtet, ob sich der Lichtfleck auf der Fläche irgendwie verändert.

Wenn der Lichtfleck nur von dem ersten Strahl erzeugt wurde, und die anderen Strahlen zwar den ersten Strahl kreuzen, selbst aber nicht mit auf die Fläche fallen, dann sollte man an dem Lichtfleck keinerlei Veränderung erkennen, ganz gleich, mit welchen Farben oder Lichtstärken man den ersten Strahl zu verändern versucht.

Es scheint also so zu sein, dass sich verschiedene Strahlen aus Licht gegenseitig durchdringen, das heißt kreuzen können, ohne dass sie sich dabei gegenseitig verändern. Wie aber kann es dann zu einer additiven Mischung von Lichtfarben können?

VIDEO ../vid/additive_farbmischung.web Roter, grünes und blaues Licht gleichzeitig auf eine helle Fläche gerichtet, erzeugt dort den Farbeindruck Weiß. Ist das kein Argument dafür, dass Licht sich doch gegenseitig mischt und verändert?

Dort wo sich die Lichtstrahlen verschiedener Farben treffen, kann also ein weißer Fleck entstehen. Das aber ist kein zwingendes Argument dafür, dass sich die einzelnen Strahlen irgendwie verändert hätten. Das zeigt sich, wenn man die Strahlen nach ihrem Kreuzungspunkt getrennt für sich alleine weiter verfolgt: jeder der anfänglichen Strahlen geht aus dem gemeinsamen Kreuzungsbereich völlig unverändert wieder hervor. Das hat unter anderem Isaac Newton mit verschiedenen Strahlen aus einem Prisma oder eine Linse gezeigt.^[4]

Zitate

Die Frage, ob sich Licht irgendwie vermischen kann und danach eine neue Art von Licht gibt, wird in der Physik seit mindestens 1000 Jahren diskutiert. Aber weder hat man eine Veränderung der Richtung der Strahlen noch eine Veränderung der Farben oder Helligkeiten einzelner Strahlen nach dem Kreuzungsmoment beobachtet.

ZITAT:

Alhazen, 1021: "[…] wenn Licht sich in der Luft vermischen würden, würde sich das Licht von [verschiedenen] Lampen auf dem Weg hin zu einer Öffnung [z. B. ein Loch in einer Wand] vermischen und auch beim Durchgang durch die Öffnung. Es kämme dann auf der anderen so durchmischt heraus, dass es keine unterscheidbaren Strahlen mehr gäbe. Das ist aber nicht was wir beobachten. Vielmehr verlassen die Strahlen die Öffnung ganz voneinander getrennt […]"^[1]

ZITAT:

Leonardo da Vinci (1452 bis 1519): "Der Luftkörper ist gefüllt mit einer unendlichen Anzahl von Pyramiden^[2] aus den Strahlen des Lichts, welche von den Rändern der festen Körper […] stammen. […] [Diese Strahlen] verschmelzen niemals, sondern sie breiten sich unabhängig voneinander aus und erfüllen damit die umgebende Luft."^[3]

ZITAT:

Isaac Newton, 1672: "Warum erscheinen nicht alle Gegenstände in derselben Farbe, wenn sich doch die Strahlen des Lichts überall auf wirre Weise vermischen? Warum verschmelzen (assimiliate) die Strahlen nicht zu einer Einheitsfarbe (become Uniform) bevor sie das Auge des Betrachters erreichen?"^[4]

ZITAT:

Christiaan Huygens, 1695: "Ich wundere mich, dass noch niemand diese ersten und bemerkenswerten Phänomene des Lichts wahrscheinlich erklärt hat, nämlich warum es sich nur geradlinig ausbreitet und wie die Lichtstrahlen, die von unendlich vielen verschiedenen Orten kommen, einander ohne gegenseitige Behinderung durchdringen."^[5]

Naturphilosophischer Rahmen

Es scheint also eine sogenannte Beobachtungstatsache zu sein, dass zwei oder mehr Strahlen aus Licht gemeinsam durch den gleichen Bereich des Raums gehen können, und danach völlig unverändert aus der Begegnung wieder hervor gehen. In der Sprache der heutigen Physik würde man sagen, dass es keine Wechselwirkung von Licht mit Licht gibt. Dieser Befund wurde im 17. und 18. Jahrhundert vor allem im Hinblick auf die Frage diskutiert, woraus Licht denn letzten Endes besteht. Es gibt zwei vorherrschende Gruppen von Ideen, was Licht "wirklich" ist.

Teilchen

In der einen Vorstellung besteht Licht aus kleinen Teilchen, die sich durch den Raum bewegen. Newton nannte diese Teilchen Korpuskel. Eine moderne Bezeichnung ist Photon. Ein Lichtstrahl bestünde dann aus einer Abfolge vieler solcher Teilchen, die auf einer Art Bahn entlang fliegen. Die Energie des Lichts ist dann in den Teilchen gebunden. In den Teilchenmodellen muss man dann klären, ob die Teilchen aus fester undurchdringlicher Materie (wie Gewehrkugeln) bestehen sollen oder sogar immaterieller Natur sein können (etwa Einsteins Photonen). Siehe auch 👉 Licht als Teilchen

Wellen

In einer zweiten Vorstellung soll Licht wellenähnlich sein. Was sich dieser Idee zufolge im Raum fortbewegt sind keine Teilchen, ist überhaupt nicht irgendwie Materie sondern eine Schwingung. Ähnlich wie Schall nur eine Schwingung von Luftteilchen ist, so soll auch das Licht nur eine Schwingung der (bisher unentdeckten) Ätherteilchen des Lichts sein. Siehe dazu auch 👉 Licht als Welle

Keine Teilchen

Der Lichtstrahl-Kreuzungs-Versuch kann helfen, zwischen diesen beiden Modellen zu unterscheiden. Stellt man sich Licht so vor, als sei es aus gewehrkugelartigen feste Teilchen aufgebaut, dann sollte man erwarten, dass bei einer Durchkreuzung von zwei Lichtstrahlen, Teilchen verschiedener Strahlen hin und wieder zusammenstoßen. Und bei einem Zusammenstoß würde die betroffenen Teilchen aller Erfahrung mit echten Festkörpern nach auch ihre Richtung ändern. Sind die Effekte groß genug, dann müsste man nach der Durchdringung der Lichtstrahlen irgendwelche Effekte sehen können. Entweder sieht man, dass die ursprünglichen Strahlen deutlich abgeschwächt sind. Oder aber man sieht neue Lichtstrahlen oder Lichtflecken an Stellen, die ohne eine Durchkreuzung dunkel blieben. Doch nichts dergleichen wird beobachtet.^[1]^[3]^[4]^[5]

Merksatz:

Der Licht-Kreuzungs-Versuch legt nahe, dass Licht nicht aus kleinen undurchdringlichen Teilchen ähnlich wie Schrot oder Gewehrkugeln besteht.

Doch es gibt Vorbehalte gegen das Argument. Die Teilchen des Lichts könnten so klein sein, dass die Wahrscheinlichkeit für einen Zusammenprall einfach so erdrückend klein ist, dass auch bei hellen Strahlen eine Kollision so gut wie ausgeschlossen werden kann. Eine Analogie dafür ist die Durchdringung von zwei Galaxien. Galaxien sind inmitten der Dunkelheit des Weltraums auffällig hell leuchtende Ansammlungen von Milliarden von Sternen. Doch selbst wenn zwei Galaxien im Weltraum aufeinander prallen, kommt es so gut wie nie zu Kollisionen von Sternen. Der Abstand zwischen den Sternen ist dazu einfach zu groß.

Ein zweiter Vorbehalt ist, dass die Teilchen des Lichts vielleicht gar nicht aus undurchdringlicher Materie bestehen. Vielleicht bestehen sie aus einem Stoff, der schadlos mit anderen Stoffen das gleiche Gebiet im Raum teilen kann, ohne sich dabei in seiner Beschaffenheit oder Bewegung verändern zu lassen. Albert Einstein belebte die Idee von Lichtteilchen im Jahr 1905 neu, als seine seine Photonen vorstellte. Diese bestanden nicht mehr aus fester Materie. Einsteins Photonen können also durchaus den Lichtstrahl-Kreuzungs-Versuch bestehen und das Teilchenmodell weiter erhalten. Im historischen Werdegang der Theorien zum Licht aber wurde der Versuch so gedeutet, als sei Licht eher nicht aus Teilchen beschaffen.

Eher Wellen

Das sich Lichtstrahlen gegenseitig ungehindert durchkreuzen können erinnerte einige Physiker an ein ganz ähnliches Phänomen aus der Welt der Wasserwellen. Auch Wellen im Wasser können sich gegenseitig durchdringen und am Ende wieder in ihrer ursprünglichen Form, Richtung, Geschwindigkeit und Größe aus der Begegnung hervorgehen. Im Zusammenhang mit Wellen spricht man dann von einer Superposition, auf deutsch so viel wie eine ungestörte Überlagerung.

Die kleinen und zarten Wellen im flachen Wasser des Wattenmeers führen vor, wie sie sich gegenseitig durchwandern, ohne dass sie sich dabei gegenseitig sichtbar verändern.

Es war nicht nur^[6] aber ganz sicher auch^[8] diese Beobachtung, dass sich Wellen im Wasser gegenseitig kreuzen können und dabei jede Welle ihre alte Gestalt und ihr altes Verhalten unverändert beibehält, die mit zu der Idee führte, dass auch Licht etwas Wellenartiges sein könnte.

ZITAT:

Christian Huygens, 1690: "Wenn man die extreme Geschwindigkeit bedenkt, mit der sich das Licht nach allen Seiten ausbreitet, und wie Lichtstrahlen, die aus verschiedenen Richtungen – sogar aus genau entgegengesetzten – kommen, einander ohne Behinderung durchdringen, dann kann man gut verstehen, dass wir einen leuchtenden Gegenstand nicht dadurch sehen können, dass Materie von diesem Gegenstand zu uns transportiert wird, so wie etwa ein Geschoss oder ein Pfeil die Luft durchquert. Denn das würde diese beiden Eigenschaften des Lichts, besonders die zweite, viel zu sehr infrage stellen. Das Licht breitet sich also auf andere Weise aus. Und was uns helfen kann, dies zu begreifen, ist das Wissen, das wir über die Ausbreitung des Schalls in der Luft besitzen."^[7]

Heutige Sicht

1700 bis 1900

Phänomene wie der des Lichtstrahl-Kreuzungs-Versuch, aber auch noch viele weitere, hatten dazu geführt, dass man Anfang des 18. Jahrhunderts Licht zunehmend als Wellenphänomen betrachtete. Mit dem Wellenbild des Lichts könnte man nicht nur die störungsfreie Durchkreuzung erklären. Auch die Bewegung von Licht in eigentlich abgeschattete Räume, die sogenannte Beugung, ist im Wellenmodell kein Problem. Und sogar die Brechung, die Änderung der Richtung, wenn sich die Eigenschaften des Mediums ändern, kann man gut im Wellenmodell und nicht wirklich im Teilchenmodell erklären. Spätestens um 1820 hatte sich dann Einsicht durchgesetzt, dass Licht wellenartig sei. Man sprach damals von einer sogenannten Undulationstheorie.^[7]

1905

Im späten 19. Jahrhundert galt die Teilchenvorstellung des Lichts als überholt. Auch wenn es beachtliche Probleme gab, einen Äther des Lichts dingfest zu machen, hielt man an der Idee fest. Das änderte sich radikal mit Einsteins bahnbrechendem Werk über Teilchennatur des Lichts.^[8] Hatte man bis 1950 die Vorstellungen von Licht als Teilchen und von Licht als Welle als sich gegenseitig ausschließende Theorie verstanden, verband Einsteins berühmte Veröffentlichung (für die er den Nobelpreis bekam) beide Vorstellung zu etwas ganz Neuem. Man schrieb dem Stoff des Lichts nun gleichzeitig Aspekte beider Eigenschaften zu. Dieses neue Lichtding, das seine Energie zum Beispiel wie ein Teilchen eng lokalisiert hat, gleichzeitig aber wie eine Welle in gegenseitiger Beeinflussung mit dem gesamten Raum um sich steht, nannte Einstein ein Lichtquant. Die schwer zu durchdringende Idee, dass Licht gleichzeitig wellen und teilchenartig sei, ist der auch Anfang des 20. Jahrhunderts vorherrschende Trend. Man spricht seitdem von einem sogenannten 👉 Welle-Teilchen-Dualismus

2018

Im 2018 gelang am LHC des CERN bei Genf ein Experiment, bei dem mit hoher Zuverlässigkeit eine Wechselwirkung zwischen Photonen nachgewiesen wurde.^[10] Im Englischen spricht man passenderweise von two-photon-physics, im Deutschen auch von der Halpern-Streuung^[11]. Demnach kann man nicht mehr sagen, dass sich Licht in keinster Weise gegenseitig beeinflusst, wenn es sich kreuzt. Man kann aber festhalten, dass sich Licht sehr weitgehend ungestört durchkreuzt. Der Nachweis einer gegenseitigen Beeinflussung erfordert viele Milliarden teure Anlagen und sehr sensible Messverfahren.

Fußnoten

[1] Alhazen: "Thus, if lights blended in the atmosphere, the lights of the lamps meeting at the aperture would have mixed in the air at the aperture and in the air preceding it before they reached the aperture, and they would have come out so mingled together that they would not be subsequently distinguishable. We do not, however, find the matter to be so; rather the lights are found to come out separately, each being opposite the lamp from which it has arrived." In: Ibn al-Haytham: Kitāb al-Manāẓir (Book of Optics). Übersetzt von A. Mark Smith. In A. Mark Smith, Alhacen’s Theory of Visual Perception: A Critical Edition, with English Translation and Commentary of the First Three Books of Alhacen’s De Aspectibus, vol. 2. Transactions of the American Philosophical Society 91, no. 5. Philadelphia: American Philosophical Society, 2001, 372. Online: https://islam.fandom.com/wiki/Book_of_Optics

[2] In einer Skizze machte da Vinci deutlich, was er mit den Pyramiden meinte: man sieht eine kreisförmige Sonnenscheibe. Von zwei Punkten der Sonnenscheibe aus gehen gerade Strahlen aus, die sich weiter entfernt von der Sonne in einem Punkt treffen. Dieses Dreieck wäre im Raum ein Kegel. Vielleicht meinte da Vinci mit Pyramiden eigentlich Kegel? Die Skizze findet sich in: Codex Ashburnam II, folio 6v. Der Codex Ashburnam ist eine Sammlung von Schriften da Vincis.

[3] Leonardo da Vinci: "The body of the air is full of infinite pyramids composed of radiating straight lines which emanate from the edges of the surfaces of the solid bodies placed in the air; and the further they are from their cause the more acute are the pyramids, and although their converging paths intersect and interweave, nevertheless they never blend but proliferate independently, infusing all the surrounding air." In: Leonardo da Vinci in Fritjof Capra, The Science of Leonardo: Inside the Mind of the Great Genius of the Renaissance. New York: Doubleday, 2007, 228. Online: https://erenow.org/biographies/the-science-of-leonardo-inside-the-mind-of-the-great-genius-of-the-renaissance/10.php

[4] Eingebettet in sein Argument, dass Weiß eine Mischung aller andere Farben ist, beobachtet Newton, dass Lichtstrahlen auch nach einer gegenseitigen Durchdringung beibehalten."There remains now the third Quære to be consider'd, which is, Whether Whiteness be an Uniform Colour, or a dissimilar Mixture of all colours? The Experiment which I brought to decide it, the Animadversor thinks may be otherwise explain'd, and so concludes nothing. But he might easily have satisfied himself by trying, what would be the result of a Mixture of all colours. And that very Experiment might have satisfied him, if he had pleased to examine it by the various circumstances. One circumstance I there declared, of which I see no notice taken; and it is, That if any colour at the Lens be intercepted, the Whiteness will be changed into the other colours: If all the colours but red be intercepted, that Red alone in the concourse or crossing of the Rays will not constitute Whiteness, but continues as much Red as before; and so of the other colours. So that the business is not only to shew, how rays, which before the concourse exhibit colours, do in the concourse exhibit White; but to shew, How in the same place, where the several sorts of rays apart exhibit several colours, a Confusion of all together make White. For instance, if red alone be first transmitted to the paper at the place of concourse, and then the other colours be let fall on that Red, the Question will be, Whether they convert it into White, by mixing with it only, as Blew falling on Yellow light is suppos'd to compound Green; or, Whether there be some further change wrought in the colours by their mutual acting on one another, untill, like the contrary Peripatetic qualities, they become assimilated. And he that shall explicate this last Case mechanically, must conquer a double impossibility. He must first shew, that many unlike motions in a Fluid can by clashing so act on one another, and change each other, as to become one Uniform motion; and then, that an Uniform motion can of itself, without any new unequal impressions, depart into a great variety of motions regularly un-equal. And after this he must further tell me, Why all Objects appear not of the same colour, that is, why their colours in the Air, where the rays that convey them every way are confusedly mixt, do not assimilate one another and become Uniform before they arrive at the Spectators eye?" In: Newton, Isaac: Mr Isaac Newtons Answer to some Considerations [of Robert Hooke] upon his doctrine of Light and Colors. Philosophical Transactions of the Royal Society, no. 88 (1672): 5097. Online: https://www.newtonproject.ox.ac.uk/view/texts/diplomatic/NATP00028

[5] Christian Huygens staunt über die Superposition von Licht, im französischen Original: "Je m'étonne ... que personne ait encore expliqué probablement [de façon probante] ces premiers et notables phénomènes de la lumière, savoir pourquoi elle ne s'étend [elle ne se propage] que suivant des lignes droites et comment les rayons visuels, venant d'une infinité de divers endroits se croisent sans s'empêcher en rien les uns les autres". In: Christian Huygens: Traité de la lumière. 1690. Dort auf Seite 2.

[6] Christiaan Huygens über Licht als Wellen: "We know that by means of the air, which is an invisible and impalpable body, Sound spreads around the spot where it has been produced, by a movement which is passed on successively from one part of the air to another; and that the spreading of this movement, taking place equally rapidly on all sides, ought to form spherical surfaces ever enlarging and which strike our ears. Now there is no doubt at all that light also comes from the luminous body to our eyes by some movement impressed on the matter which is between the two; since, as we have already seen, it cannot be by the transport of a body which passes from one to the other. If, in addition, light takes time for its passage—which we are now going to examine—it will follow that this movement, impressed on the intervening matter, is successive; and consequently it spreads, as Sound does, by spherical surfaces and waves: for I call them waves from their resemblance to those which are seen to be formed in water when a stone is thrown into it, and which present a successive spreading as circles, though these arise from another cause, and are only in a flat surface." In:

[7] Huygens schließt umherfliegende Teilchen des Lichts aus, da sich Licht aus verschiedenen Richtungen selbst bei einer Überkreuzung nicht gegenseitig stört: "Further, when one considers the extreme speed with which light spreads on every side, and how, when it comes from different regions, even from those directly opposite, the rays traverse one another without hindrance, one may well understand that when we see a luminous object, it cannot be by any transport of matter coming to us from this object, in the way in which a shot or an arrow traverses the air; for assuredly that would too greatly impugn these two properties of light, especially the second of them. It is then in some other way that light spreads; and that which can lead us to comprehend it is the knowledge which we have of the spreading of Sound in the air." In: TREATISE ON LIGHT In which are explained The causes of that which occurs In REFLEXION, & in REFRACTION And particularly In the strange REFRACTION OF ICELAND CRYSTAL. By CHRISTIAAN HUYGENS. Rendered into English By SILVANUS P. THOMPSON. Dort die Seite 4. Im Französischen Original: Traite de la Lumiere. 1690. Dort die Seiten 3 und 4.

[8] In einem Lexikon aus dem Jahr 1838 heißt es: "Die Undulationstheorie erklärt Licht jenseits der Strahlenoptik". In: Der Artikel Licht im Brockhaus Bilder-Conversations-Lexikon, Band 2. Leipzig 1838., S. 740-742. Siehe auch 👉 Undulationstheorie

[9] Der Begriff Lichtquant wurde im Jahr 1905 geprägt von Albert Einstein und parallel zu dem Wort Energiequant mehrfach wörtlich verwendet in: Albert Einstein Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt. In: Annalen der Physik. Band 322, Nr. 6, 1905, S. 133. Siehe auch 👉 Lichtquant

[10] Streuung als Wechselwirkung von Licht mit Licht: "This Letter describes the observation of the light-by-light scattering process []" In: Aaboud et al.: ATLAS Collaboration. Observation of Light-by-Light Scattering in Ultraperipheral Pb+Pb Collisions with the ATLAS Detector. Physical Review Letters 123 (2019), 052001. Online: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/31491300/

[11] Otto Halpern: Über einen klassischen Effekt bei der Streuung von Strahlung. Z. Physik 67, 523–530 (1931). Online: https://doi.org/10.1007/BF01390793