Basiswissen

Die Wellenoptik ist ein großer Bereich der Physik, der alle statistisch fassbaren Phänomene der Optik mit großer Genauigkeit beschreiben kann. Während die Wellen des Wassers sehr wahrscheinlich der Ideengeber zur Wellenoptik waren, werden die Wellen der Optik jedoch sehr viel einfacher gedacht als die realen Wasserwellen.

Anlass zur Wellentheorie

Viele Erscheinungen von Licht kann man sich mit Strahlen erklären.

Ein Strahl ist eine gedachte gerade Linie mit Anfang aber ohne Ende.

So gedacht wäre Licht ein Strom von kleinstens Teilchen auf einem Strahl.

Viele Effekte an Linsen (z. B. Brechung) kann man so gut berechnen.

Andere Effekte aber nicht, z. B. Beugung oder Interferenz.

Für solche Effekte stellt man sich Licht aus Wellen vor.

Die entsprechende Optik nennt man dann Wellenoptik.

Die historischen Begründer der Wellentheorie

Der Jesuit Francesco Maria Grimaldi.

Schon früher als Huygens und Newton beschrieb Grimaldi Licht explizit als Wellenphänomen.

Eine rein geradlinie Ausbreitung von Licht schloss Grimaldi ausdrücklich aus.

Mehr zur Person unter Francesco Maria Grimaldi ↗

Zentrale Phänomene der Wellentheorie

Licht gelangt in Bereiche, wo eigentlich Schatten sein müsste Beugung ↗

Weißes Licht spaltet sich in Verbindung mit Beugung in Farben auf Dispersion ↗

Die Befunde treffen auch für Teilchen mit Masse zu Materiewelle ↗

Das Photon als Lichtwelle

Ein völlig anderer Ansatz ist es, Lichtteilchen als Welle zu modellieren.

Dort überlagert man unendlich viele Wellen mit unterschiedlicher Länge.

Das Ziel ist die Erzeugung eines sogenannten Wellenpaketes:

Ein eng begrenzter, wandernder Wellenerg simuliert das Teilchen.

So gedachtes Licht fällt aber nicht mehr in die Wellenoptik.

Derart modelliertes Licht gehört in die Quantenphysik.

Mehr dazu unter Photonenwelle ↗

Gemeinsamkeiten und Unterschiede zur Wasserwelle

Als im 17ten Jahrhundert Physiker wie Grimaldi, Huygens und Newton und die Natur des Lichts nachdachten, benutzten sie dazu Begriffe die mit Wasserwellen in Verbindung stehen, etwa Undulation und das Wort Welle selbst. Was sie dabei entlehnten, waren aber nur ganz spezielle Eigenschaften solcher Wellen, etwa die Idee von Wellenlängen, Frequenzen, Interferenz und Beugung. Diese Phänomene kann man alle modellieren, indem man letztendlich nur sinsuförmige Wellenzüge zusammenaddiert, wobei diese Wellenzüge als unendlich ausgedehnt gedacht werden.^[5] Reale Wellenzüge im Wasser sind aber meist weder sinusförmig noch unendlich ausgedehnt. Auch zeigen echte Wellen im Wasser auch Phänomene wie das Wellenbrechen am Strand, gegenseitige Beeinflussungen und oft sehr unregelmäßige Formen, denen so keine Bedeutung in der Wellenoptik entspricht. Ein weiterer Unterschied ist, dass die Wellen im Wasser eine stofflich-materielle Grundlage in Form von Wasserteilchen haben, während man eine solche stofflich-materielle Grundlage für Lichtwellen, den Lichtäther, bisher nicht nachweisen konnte. Man darf also die Analogie nicht zu eng fassen. Siehe auch Wasserwelle ↗

Alternativen zur Wellenoptik

Ja: der Physiker und Nobelpreisträger formulierte mit einer Version der sogenannten Quantenelektrodynamik (QED) einen mathematischen Formalismus der alle Phänomen der Wellenoptik absolut sicher vorhersagen kann, dabei auf jede Vorstellung von wellenartigen Strukturen oder Annahmen verzichten kann. Statt von Frequenzen etwa spricht Feynman von der Drehgeschwindigkeit eines gedachten Uhrzeigers. Die Kernidee seines Formalismus sind die Quantenpfade. Siehe auch QED (Feynman) ↗

Fußnoten

[1] Francesco Maria Grimaldi: Physicomathesis de lumine, coloribus, et iride, aliisque annexis, Bologna 1665

[2] Isaac Newton: Opticks. 1704 auf Englisch, überarbeitete Ausgabe auf Latein 1706.

[3] Thomas Young, Experimental Demonstration of the General Law of the Interference of Light, "Philosophical Transactions of the Royal Society of London", vol 94 (1804). [Vorläufer des Experimentes mit geteiltem Lichtstrahl] URL: https://royalsocietypublishing.org/doi/pdf/10.1098/rstl.1804.0001

[4] Richard Feynman: QED: Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. Piper Verlag. 1. Auflage 1992. ISBN: 3-492-21562-9

[5] Die Wellen der Wellenoptik und der Quantenphysik beziehen sich auf harmonische Wellen: "Der grundsätzliche Gegensatz zwischen Wirkungsquantum und klassischen Begriffen erhellt sofort aus den einfachen Formeln, welche die gemeinsame Grundlage der Lichtquantentheorie und der Wellentheorie materieller Teilchen bilden. Bezeichnen wir die PLANCKSCHE Konstante mit h, so haben wir bekanntlich Eτ = Iλ = h wo E und I Energie und Impuls, und τ und λ die zugeordnete Schwingungsdauer und Wellenlänge bedeuten. In diesen Formeln stehen die zwei erwähnten Auffassungen des Lichts und der Materie einander schroff gegenüber. Während Energie und Impuls dem Partikelbegriff angehören und also nach der klassischen Auffassung durch Raum-Zeit-Koordinaten gekennzeichnet werden können, so beziehen sich Schwingungsdauer und Wellenlänge auf einen in raum-zeitlicher Hinsicht unbegrenzten ebenen harmonischen Wellenzug." In: Niels Bohr: Das Quantenpostulat und die neuere Entwicklung der Atomistik. In: Die Naturwissenschaften. I6. Jahrgang 13. April 1928 Heft 15. Siehe auch Quantenpostulat ↗

zur Bildbeschreibung mit Autoren- und Urheberinfos — Von der verwendeten Formeln her ähneln sich die Physik der Wasserwellen und die Physik des Lichtes sehr. Dennoch kann Licht keine Welle im wörtlichen Sinn des Wortes sein. Gunter Heim

Fußnoten

[1] Niels Bohr betonte, dass die Wellen der Wellenoptik und der Quantenphysik sich auf harmonische Wellen und unbegrenzte Wellen beziehen: "Der grundsätzliche Gegensatz zwischen Wirkungsquantum und klassischen Begriffen erhellt sofort aus den einfachen Formeln, welche die gemeinsame Grundlage der Lichtquantentheorie und der Wellentheorie materieller Teilchen bilden. Bezeichnen wir die PLANCKSCHE Konstante mit h, so haben wir bekanntlich Eτ = Iλ = h wo E und I Energie und Impuls, und τ und λ die zugeordnete Schwingungsdauer und Wellenlänge bedeuten. In diesen Formeln stehen die zwei erwähnten Auffassungen des Lichts und der Materie einander schroff gegenüber. Während Energie und Impuls dem Partikelbegriff angehören und also nach der klassischen Auffassung durch Raum-Zeit-Koordinaten gekennzeichnet werden können, so beziehen sich Schwingungsdauer und Wellenlänge auf einen in raum-zeitlicher Hinsicht unbegrenzten ebenen harmonischen Wellenzug." In: Niels Bohr: Das Quantenpostulat und die neuere Entwicklung der Atomistik. In: Die Naturwissenschaften. I6. Jahrgang 13. April 1928 Heft 15. Siehe auch