Mittwoch, 03. Juni 2020

Was ist Licht?

Geschichte, Mythen und physikalische Grundlagen

Kreis Holzminden (08.01.20). Gerade in den dunklen Wintermonaten sehnen wir uns nach Licht und Helligkeit. Licht ist Leben – wir machen uns allerdings wenig Gedanken, was eigentlich die Essenz des Lichts ausmacht. Diese Essenz finden wir nicht in mythischen Vorstellungen, sondern in den naturwissenschaftlichen Grundlagen.

Ein tieferes Verständnis hat den Vorteil, dass wir die Erkenntnisse technisch anwenden und für unser Wohl nutzen können. Dank der Elektrizität können wir Licht nach Belieben ein- und ausschalten. Flüchtige Momente halten wir mit reflektierten Lichtstrahlen als Fotos auf Papier oder elektronischem Speichermedium fest. Über Solarzellen fangen wir die Sonnenenergie ein und wandeln sie in vielfach nutzbare Elektrizität um. Licht ist die Basis allen Lebens auf der Erde – über Fotosynthese erzeugen Pflanzen mit Hilfe der Sonnenenergie Biomasse und Sauerstoff, die Voraussetzungen für Leben auf der Erde. Grund genug, sich etwas tiefer mit der Materie zu befassen.

Mythen

Die Natur des Lichts war bis in das 19. Jahrhundert hinein ein Geheimnis. Es verwundert daher nicht, dass sich unzählige Mythen mit dem Licht befassen und eine Erklärung auf spiritueller Ebene versuchen.

Eine schöne Vorstellung über das Auf- und Untergehen der Sonne und damit des Lichts gab es im antiken Griechenland. Der strahlende Sonnengott Helios fährt in einem von vier prächtigen Rössern gezogenen Wagen von Ost nach West über den Himmel. Er folgt seiner Schwester Eos, der Morgenröte. Die zweite Schwester, die Mondgöttin Selene, folgt wiederum ihm nach. In der Nacht fährt er schlafend in einer goldenen Schale über das Meer zurück, um den täglichen Zyklus zu wiederholen.

In der nordischen Sagenwelt ist Balder der Gott des Lichts. Seine blonden Haarsträhnen stehen für die Strahlen der Sonne.

Im Christen- und Judentum wird das Licht durch einen Schöpfungsakt geschaffen. „Und Gott sprach: Es werde Licht! Und es ward Licht“ (1 Mose 1,3). Die Sonne als eigentliche Quelle wird seltsamerweise erst nach dem Licht erschaffen. Licht wird mit Gott und allem Guten gleichgesetzt, die Finsternis mit dem Bösen. Luzifer, der Lichtträger, fühlt sich Gott gleich und stürzt als Satan in die Hölle.

Im Islam geht der sogenannte Lichtvers auf die dem Licht innewohnende Symbolkraft ein (Vers 35 aus der 24. Sure des Koran): „Gott ist das Licht der Himmel und der Erde. Sein Licht ist einer Nische vergleichbar, in der eine Lampe ist. Die Lampe ist in einem Glas. Das Glas ist, als wäre es ein funkelnder Stern. Es wird angezündet von einem gesegneten Baum, einem Ölbaum, weder östlich noch westlich, dessen Öl fast schon leuchtet, auch ohne dass das Feuer es berührt hätte. Licht über Licht. Gott führt zu seinem Licht, wen Er will, und Gott führt den Menschen die Gleichnisse an. Und Gott weiß über alle Dinge Bescheid.“

Kleiner historischer Abriss

Bis vor einigen hunderttausend Jahren waren die Sonne und gelegentlich ein Blitz die einzigen Quellen des Lichts. Die Menschen kannten zwar Feuer, doch gezielt entzünden konnten sie es erst vor rund 30.000 Jahren. Wenn man Steine aus Pyrit und Feuerstein gegeneinander schlägt, so entsteht ein Funken, mit dem man getrockneten Zunderschwamm, einen Baumpilz, entzünden kann. Das war das erste Feuerzeug!

Die ersten Leuchtmittel waren Kienspäne, Streifen aus Kiefernholz, das mit Harz angereichert war. Die Brenndauer war allerdings bescheiden. Kerzen gibt es seit 2.000 Jahren, einfache Öllampen noch viel länger. Über das finstere Mittelalter hinweg gab es kaum Fortschritte. Den entscheidenden Durchbruch brachte die breite Verwendung der Elektrizität. Thomas Alva Edison gelang es 1879 als erstem, eine Glühlampe zu entwickeln, die für den praktischen Einsatz tauglich war.

Der elektrische Strom erhitzt eine Glühwendel, die auf Grund der hohen Temperatur leuchtet und Licht aussendet. Dieses Modell sollte die Technik der nächsten hundert Jahre bestimmen, erst vor kurzem wurden LEDs (light emitting diode) so leistungsstark und preiswert, dass sie nun die Glühlampe auf breiter Front ablösen.

2015 wurde von der UNESCO als Jahr des Lichts proklamiert, um die Bedeutung in Wissenschaft und Kultur deutlich zu machen (Details: www.jahr-des-lichts.de/jahr-des-lichts/index.html )

Was ist Licht wirklich?

Erst das Licht der Aufklärung brachte neue Erkenntnisse. Es dauerte bis in das 17. Jahrhundert hinein, bis die ersten Naturgelehrten brauchbare Theorien formulierten. Kein geringerer als Isaac Newton, Begründer der klassischen Mechanik und der Infinitesimalrechnung, postulierte eine Korpuskeltheorie, nach der die Lichtausbreitung als Strom von winzigen Korpuskeln verstanden werden kann. Gegenstände werfen einen Schatten, weil sie die Korpuskeln nicht durchlassen. Die Reflektion an einem Spiegel lässt sich erklären als das Abprallen der Korpuskeln ähnlich wie Tischtennisbälle an einer Wand zurück geworfen werden. Die Farben des Lichts ergeben sich ganz einfach durch verschiedene Größe der Teilchen.

Christian Huygens und später Thomas Young und Augustin Fresnel entwickelten eine völlig andere Vorstellung. Danach breitet sich Licht als Welle aus, ähnlich wie Wasserwellen an der Oberfläche eines Teiches. Auch mit dieser Theorie können Ausbreitung und Reflektion erklärt werden. Die Lichtfarbe ergibt sich aus jeweils anderen Wellenlängen, dem Abstand zwischen den Wellenbergen. Wesentlich besser als mit der Korpuskeltheorie lassen sich die Phänomene Beugung und Brechung erklären, die man auch an Wasserwellen beobachten kann.

Fliegende Korpuskeln könnten ein solches Ergebnis nicht erzeugen. Auch die Interferenz, also das Auslöschen einer Welle, wenn ein Wellental auf einen Wellenberg trifft, kann man mit Korpuskeln nicht erklären. Es setzte sich daher mehr und mehr die Wellentheorie durch. Nach unserem heutigen Verständnis ist Licht eine sogenannte elektromagnetische Welle, das heißt ein elektrisches und magnetisches Feld treten gekoppelt auf und schwingen mit einer bestimmten Frequenz. Die Lichtwelle breitet sich mit einer Geschwindigkeit von knapp 300.000 km/s aus.

Andere Effekte, wie der photoelektrische Effekt, können wiederum mit der Wellentheorie nicht beschrieben werden. Lichtteilchen, die Photonen, schlagen Elektronen aus Atomen heraus. Das kann eine Welle nicht!

Was stimmt nun, Welle oder Teilchenstrom? Dieser „Dualismus zwischen Welle und Teilchen“ führte die Physik zu Beginn des 19. Jahrhunderts an ihre Grenzen, denn rein anschaulich kann nur das eine oder das andere richtig sein. Erst mit Hilfe der Quantenphysik lassen sich die Theorien vereinen. Diese ist zwar mathematisch begründet, übersteigt allerdings die Vorstellungskraft unseres Verstandes. Wir müssen Licht mal als Welle und mal als Strom von Teilchen betrachten.

Als elektromagnetische Welle ist Licht nichts besonderes. Wärmestrahlung, Mikrowellen, Radiowellen, Handystrahlung, Röntgenstrahlung, Gammastrahlung und Höhenstrahlung sind von gleicher Natur wie das Licht. Sie unterscheiden sich nur in der Wellenlänge. Licht ist für uns Menschen aber schon etwas besonderes, denn nur für Licht haben wir einen Sensor, unsere Augen.

Das Licht der Sonne

Natürliches Licht kommt von der Sonne. In ihrem Inneren verschmelzen Wasserstoffkerne über Kernfusion zu Heliumkernen und setzen dabei gewaltige Energiemengen frei, die als elektromagnetische Wellen/Photonen in den Weltraum abgestrahlt werden. Dabei stellt sich an der Oberfläche der Sonne eine Temperatur von knapp 6.000 Grad Celsius ein.

Mit Lichtgeschwindigkeit erreicht die Strahlung nach gut acht Minuten die Erde. Nur etwa ein Drittel der Sonnenstrahlung erreicht die Erdoberfläche. Praktischerweise wird der gefährliche Teil in der Atmosphäre weggefiltert, insbesondere durch Ozon in Höhen zwischen 20 und 50 km. Der für uns sichtbare Teil, das Licht, gelangt fast ungehindert durch das sogenannte atmosphärische Fenster zu uns. Am Erdboden sorgt die Energie des Sonnenlichtes für die Fotosynthese und damit für die Bildung von Biomasse und Sauerstoff, den Voraussetzungen für unsere Existenz.

Fotosynthese

Die Fotosynthese ist der wichtigste chemische Prozess auf der Erde. Unter der Einwirkung von Licht werden aus Wasser und Kohlendioxid Zucker und Sauerstoff gebildet. In Folgeschritten vermögen Pflanzen aus dem Zucker komplexe Moleküle, sprich Biomasse, also lebende Sub-stanz, aufzubauen. Der Sauerstoff wird als Abfallprodukt abgegeben und ermöglicht Menschen und Tieren zu atmen und damit zu leben. Vor einigen Milliarden Jahren war die Erde tatsächlich „wüst und leer“. Erst als die Evolution die Fotosynthese „erfunden“ hatte, „brachte die Erde junges Grün hervor, Gewächs, das Samen nach seiner Art bildet, und Bäume, die Früchte tragen mit Samen darin nach ihrer Art“ (1 Mose 1,12).

 

Aus toter Materie, Wasser und Kohlendioxid, wird unter Lichteinwirkung Sauerstoff und lebendige Pflanzenmasse! Diese wiederum sind die Grundlagen der Existenz für Mensch und Tier, die Sauerstoff zum Atmen und Biomasse zur Ernährung brauchen.

Gespeichertes Licht

Vor 100 bis 400 Millionen Jahren waren die Bedingungen für exorbitantes Pflanzenwachstum günstig. Abgestorbene Biomasse wurde abgelagert und entwickelte sich in Abwesenheit von Sauerstoff und unter dem Druck durch aufliegende Erd- oder Wasserschichten zu Kohle, Erdöl und Erdgas.

Diese fossilen Brennstoffe wurden und werden ausgebeutet und sorgen durch Verbrennung für billige Energie. Die ursprüngliche Biomasse wurde durch Fotosynthese aufgebaut. Die Energie aus Kohle, Erdöl und Erdgas ist also praktisch gespeichertes Licht, die in den fossilen Brennstoffen steckt und denen wir unseren Lebensstandard verdanken. Allerdings verjubeln wir in 200 Jahren die Energie, für deren Speicherung die Natur einige 100 Millionen Jahre brauchte. Fatalerweise wird bei der Verbrennung der gebundene Kohlenstoff als Kohlendioxid wieder frei und sorgt für die Erderwärmung, deren erste Auswirkungen bereits sichtbar werden.

Zusammenfassung

Licht ist lebenswichtig. Daher ranken sich viele Mythen um das Wesen und die Natur des Lichts. Ein wesentlich tieferes Verständnis gelingt allerdings nur mit den Naturwissenschaften. Physikalisch gesehen gibt es zwei Modellvorstellungen, die sich über die Quantenphysik vereinen lassen. Danach kann Licht als elektromagnetische Welle und als Strom von Teilchen, den Photonen, verstanden werden.

Das Licht der Sonne bewirkt, dass Pflanzen Biomasse und Sauerstoff erzeugen, die wiederum Leben für Mensch und Tier ermöglichen. Die Energie zur Erzeugung des Sonnenlichts stammt aus der Kernfusion im Inneren der Sonne, der Verschmelzung von Wasserstoff zu Helium.

Als Hauptquelle der heutigen Energieversorgung dienen fossile Brennstoffe. Diese sind über einige hundert Millionen Jahre unter der Einwirkung des Sonnenlichts entstanden.

Kohle, Erdöl und Erdgas enthalten praktisch die gespeicherte Energie des Lichtes. Das bei der Nutzung entstehende Kohlendioxid treibt den Klimawandel voran. (Dr. Norbert Kalkert)