Ein grosses Rätsel namens Licht

Über Jahrhunderte haben sich Physiker darüber den Kopf zerbrochen, was Licht eigentlich ist – und so immer mehr Einsichten in unser Universum gewonnen.

Rolf App
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Lichtshow (Bild: (34583826))

Lichtshow (Bild: (34583826))

Es sei ein «wunderschöner Tag» im Mai 1905 gewesen, dem eine ganz besondere Nacht folgte, erinnert er sich später. Albert Einstein sitzt mit seinem Freund und Patentamtskollegen Michele Besso zusammen und wälzt Fragen. Grosse Fragen, auf die er keine Antwort hat. Am Ende sagt er: «Ich gebe auf.» Dann kommt die Nacht, und vielleicht geschieht es gerade, weil er kapituliert hat. Sein Kopf ist frei. Und «plötzlich verstand ich, wo der Schlüssel zu diesem Problem lag.» Dieses Problem: Das ist das Licht.

Schon als Schüler hat es ihn beschäftigt. Aus Alexander von Humboldts «Kosmos» erfährt er, «dass wir mit unseren grossen Fernrohren gleichzeitig vordringen in den Raum und in die Zeit». Als ihr Bote tritt das Licht auf. Was wir sehen von weit entfernten Sternen und Galaxien, das sind Momentaufnahmen längst vergangener Zeiten.

Immer gleich schnell

Wie kommt das Licht zu uns? Die Physiker dieser Zeit glauben, dass es durch eine Art Medium rast, das sie Äther nennen. Hendrik Lorentz, den Einstein sehr bewundert, sieht ihn als einen masselosen, starren Stoff, der das ganze Weltall durchdringt, und durch den die Erde gewissermassen wirbelt.

Das Problem ist: Niemand kann diesen Äther nachweisen. 1887 entwickeln die Amerikaner Albert Michelson und Edward Morley ein Messgerät, mit dem sie die Geschwindigkeit des eintreffenden Lichts messen. Und obwohl sich die Erde durch den Äther pflügt, trifft es von allen Seiten mit derselben Geschwindigkeit ein. Mit 300 000 Kilometern pro Sekunde. Wie kann das sein? In Bewegungsrichtung müssten sich die Geschwindigkeiten von Erde und Licht addieren, wie bei zwei Eisenbahnzügen, die aufeinander zufahren.

Die Sache mit den zwei Zügen

Einstein denkt in solchen Gedankenexperimenten. Sein Thema ist die Relativität. Dass man also, wenn man in dem einen Zug am Bahnhof sitzt und ein anderer gerade losfährt, nicht genau sagen kann, wer sich denn nun bewegt – der eigene Zug oder der andere. Durch solche Gedanken macht ihm das Licht einen dicken Strich – noch. Bis die Nacht kommt. Und bis Einstein das zu Papier bringt, was später «Spezielle Relativitätstheorie» heisst – speziell deshalb, weil sie nur für gleichförmig bewegte Körper gilt.

Das Licht beschäftigt die Menschen schon sehr lange. Schon im Altertum bündeln sie das Licht und entdecken, dass im Brennspiegel daraus Hitze entsteht. Später brechen sie es in Prismen und finden heraus, dass weisses Licht aus unterschiedlichen Lichtsorten besteht. Ihre Farben finden sich im Regenbogen wieder. Sie erkennen, dass diese Farben unterschiedlichen Wellenlängen entsprechen.

Was aber ist dieses Licht? Bestimmte Phänomene legen nahe, dass Licht sich verhält wie die Wellen des Wassers: Diese Wellen können sich neutralisieren oder sie können sich verstärken – je nachdem, ob Wellenberg auf Wellenberg trifft oder auf Wellental.

Huygens gegen Newton

Der Holländer Christian Huygens entwickelt daraus im 17. Jahrhundert die Theorie von der Wellennatur des Lichts. Der Träger der Lichtwellen ist für ihn jener Lichtäther, mit dem Einstein sich 1905 herumschlägt. Die scharfe Gegenposition bezieht Isaac Newton. Vehement vertritt er die Ansicht, dass Licht aus einem Strom geradlinig dahinsausender Teilchen besteht.

Welle oder Teilchen? Im 19. Jahrhundert erhält diese Frage neue Aktualität, und zwar aus ganz praktischen Gründen. Licht ist Energie, das wussten schon die alten Griechen. Sie mussten nur zum Himmel schauen und die Wärme auf der Haut spüren, die das Sonnenlicht zu uns trägt.

Alessandro Voltas Versuch

Dass es noch andere, verborgenere Formen der Energie gibt, das entdeckt man im Laufe der Zeit. In den 1790er-Jahren presst Alessandro Volta eine münzenförmige Kupferscheibe gegen die eine Seite seiner Zunge, eine Zinkscheibe gegen die andere Seite – und als die beiden sich berühren, spürt er ein Prickeln. Es ist das Prickeln der Elektrizität. Man versteht sie nicht, aber man sucht sie zu nutzen.

Vor allem die Amerikaner sind im Praktischen gross. Ein Lehrer namens Joseph Henry, der sehr beeindruckt ist von jenen gewaltigen Blitzen, die sein Landsmann Benjamin Franklin untersucht hat, vernimmt vom Versuch eines britischen Artillerieoffiziers. Der hat ein Stück Eisen mit Draht umwickelt und es an eine Volta'sche Batterie angeschlossen – und das Eisen so in einen Magneten verwandelt. Um 1830 herum konstruiert Henry immer stärkere Magneten. Dann verlängert er den Draht, und eine geheimnisvolle Kraft tritt aus der Batterie in den Draht, sprudelt in ihm entlang und schaltet am andern Ende den Elektromagneten ein. Der Telegraf ist erfunden.

Menschen sind keine besonders edelmütigen Wesen. So findet man auf dem Weg zur Erkundung des Lichts allerlei mehr oder weniger skrupellose Geschäftemacher. Leute wie Samuel Morse, der Joseph Henry seine Idee klaut. Oder wie Thomas Alva Edison, der, wie ein Auftraggeber feststellte, «ein Vakuum hat, wo bei anderen das Gewissen sitzt». Jahrelang ist Edison durch Amerika gewandert, er ist arm, verbittert – und intelligent. Er nutzt die Ideen, von denen ihm Alexander Graham Bell erzählt, der Erfinder des Telefons. So gelingt es ihm, dessen Signal über sehr viel weitere Strecken zu übermitteln.

Der unermüdliche Edison

Dann setzt Edison sich in den Kopf, Elektrizität in Licht zu verwandeln. 1872 hat der Russe Alexander Lodjikon bereits zweihundert elektrische Lampen im Admiralitätshafen von Sankt Petersburg zum Leuchten gebracht. Kurz darauf sind sie geschmolzen. Edison experimentiert bis zum Umfallen, seine Glühbirne muss er sich verdienen. «Durch die enorme Stärke des Lichts letzte Nacht von 22 Uhr an höllische Augenschmerzen gehabt», beschreibt er einen Versuch mit einem Nickeldraht. «Endlich mit grosser Dosis Morphium Schlaf gefunden.»

Erfolge wie Edisons Glühbirne gehören ebenso zur Geschichte der Erforschung des Lichts wie nützliche Misserfolge. Einen solchen fährt 1858 Edward O. Whitehouse ein. Im Auftrag des steinreichen Kaufmanns Cyrus Field verlegt er ein Unterseekabel von den USA nach Irland und will dann ein Grusstelegramm der englischen Königin Viktoria an US-Präsident Buchanan übermitteln. Er hört Störgeräusche, erhöht die Stromspannung, und nach wenigen Tagen ist die Leitung tot.

Whitehouse und Field waren gewarnt. Der schottische Physiker William Thomson hat ihnen erklärt, nicht nur fliesse im Kabel ein Strom an Elektrizität. Darum herum entstehe ein elektrisches Feld – das die Gummischicht um das Kupferkabel schmelzen lassen könne. Cyrus Field hat das nicht geglaubt: Die Vorstellung unsichtbarer Kraftfelder war «zu starker Tobak für einen Geschäftsmann, der in dem Glauben an die rasselnden Dampfmaschinentechnik gross geworden war», fasst David Bodanis in seinem Buch über «Das Universum des Lichts» zusammen.

Albert Einstein nun legt ein halbes Jahrhundert später noch anderes beiseite. Den Äther beispielsweise, den es gar nicht mehr braucht. Er entwirft ein Universum voller unsichtbarer Energiefelder, in dem Materie zu Energie werden kann – besonders mächtig in der Atombombe. Und in dem Licht deshalb immer gleich schnell ist, weil sich mit wachsendem Tempo die Zeit verändert.

Das ist es, was er in jener Nacht im Mai 1905 erkennt: Dass es eine innige Verbindung gibt zwischen Raum, Zeit und Licht.

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