Ein Essay über die Eigenschaften des Lichts

Licht ist in der Physik allgegenwärtig. Schon in der ersten (oder vielleicht zweiten) Physiklektion brauchen wir das Licht, nämlich bei der Definition der Länge. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt bekanntlich 299’792’458 m/s. Dieser Wert ist unvorstellbar hoch, was sich in unserer Sprache in Wendungen wie «schnell wie der Blitz» niederschlägt. Aber woher wissen wir, wie schnell das Licht ist? Wieso ist es nicht etwas mehr oder etwas weniger? Die Antwort darauf ist ganz einfach: Es ist die falsche Frage! Die Frage ist nicht, warum das Licht genau so schnell ist, sondern warum ein Meter so lang ist, wie er ist. Der Wert der Lichtgeschwindigkeit ist eine Festlegung, und aufgrund dieser Festlegung wird dann bestimmt, wie lang ein Meter ist.
Die Lichtgeschwindigkeit kann man beispielsweise in den sogenannten Ping-Zeiten im Computer sehen. Damit ist die Zeit gemeint, bis ein Server im Internet antwortet. Weil die Signale zwischen den Computern mit Lichtgeschwindigkeit laufen, könnte man ausrechnen, wie weit weg dieses Gerät ist.

Superaugen und Zeitmaschinen
Um von der Sonne zur Erde zu gelangen, benötigt das Sonnenlicht ungefähr acht Minuten. Deshalb ist der Blick ins All immer eine Reise in die Vergangenheit. Wenn ein Stern so weit weg ist, dass sein Licht zehn Jahre braucht, um die Erde zu erreichen, dann sehen wir den Stern heute so, wie er vor zehn Jahren war. Ist das nicht eigenartig? Für die Erforschung des Alls ist Licht (bzw. elektromagnetische Wellen) das Wichtigste, was wir messen können, denn Schall kann sich im All nicht ausbreiten, weil er dazu ein Medium braucht. Einen Grossteil des Wissens über das Universum haben wir, weil wir das Licht von fernen Sternen und Galaxien in präziser Detektivarbeit untersuchen. Dazu braucht es optische Hilfsmittel: Das erste Fernrohr entstand vor rund 400 Jahren. Eines der ersten Spiegelteleskope wurde von Sir Isaac Newton gebaut. Man kann es heute noch im Science Museum in London bewundern. Heutige Teleskope sind vergleichsweise riesig. Zurzeit wird in Chile ein Teleskop der Superlative gebaut, das ELT (Extremly Large Telescope). Sein Hauptspiegel besteht aus vielen Segmenten und hat einen Gesamtdurchmesser von 39 Metern. (Abb. 1)

Abb. 1: Künstlerische Darstellung des ELT. Im Vordergrund sind Autos und ein Lastwagen zu sehen. www.eso.org
[Bild: www.eso.org]

Welche Farbe hat eine Rose im Dunkeln?
Ein überaus wichtiges Nebenprodukt von Newtons Arbeit am Bau des Teleskops war die Erforschung der Farben. Seine Experimente zeigten, dass weisses Licht aus sieben (Haupt-)Farben besteht: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo, Violett. Seine berühmte Abkürzung dafür war ROGGBIV (bzw. auf englisch ROGYBIV). Dies sind die Farben des Regenbogens. Auch das ursprüngliche Logo von Apple enthielt übrigens diese Farben, allerdings in der falschen Reihenfolge. Ob das Absicht oder Zufall war, sei dahingestellt. Die Zahlen, die den jeweiligen Farben zugeordnet werden, heissen Wellenlängen. Licht mit ca. 700 nm (Nanometer) Wellenlänge empfinden wir als rot. Wenn es ca. 400 nm Wellenlänge hat, empfinden wir es als violett. Interessanterweise gibt es aber auch Farben, die gar keine Wellenlänge haben – nämlich alle Farben, die nicht im Regenbogen vorkommen, zum Beispiel Magenta. Farbige Objekte verschlucken einen Teil des Spektrums und die restlichen Farben erzeugen einen Farbeindruck. Wenn eine rote Rose beispielsweise mit grünem Licht beschienen wird, erscheint sie grau oder schwarz.

Abb. 2: Das Spektrum des Sonnenlichtes mit Fraunhoferlinien. www.bu.edu
[Bild: www.bu.edu]

Auch in der Astrophysik sind Farben ein sehr wichtiges Instrument. Ihr Spektrum weist viele feine Lücken auf, die sogenannten Fraunhoferlinien. (Abb. 2) Diese Lücken sind Hinweise auf die chemische Zusammensetzung der Sonne. Wie kommt dieser Effekt zustande? Im sehr heissen Inneren eines Sterns entsteht aufgrund der Kernfusion Strahlung. Wenn diese nach aussen dringt, wird sie durch die dort vorhandenen Gase gefiltert. Jedes chemische Element filtert unterschiedliche Farben heraus. Durch Analyse der verschiedenen Farben des Sternenlichts lässt sich bestimmen, ob der Stern in seinen äussersten Schichten etwa Eisen- oder Kohlenstoffatome enthält.

Was haben Head-up-Displays und Wein gemeinsam?
Licht breitet sich wellenartig aus, was einen interessanten Effekt zur Folge hat. Wie eine Gitarrensaite verschiedene Möglichkeiten hat, sich zu bewegen (also seitlich oder auf und ab), können auch Lichtwellen in verschiedene Richtungen schwingen. Diesen Effekt nennt man Polarisation. Er entsteht beispielsweise durch Spiegelung an einer Wasseroberfläche. Die reflektierten Lichtwellen schwingen dann hauptsächlich in seitlicher Richtung. Deshalb lassen sich diese oft störenden Lichtwellen mit einer polarisierenden Sonnenbrille oder einem Polfilter herausfiltern. (Abb. 3)

Abb. 3: Aufnahme des Morning Glory Pools im Yellowstone Park (USA), links ohne und rechts mit Polfilter. www.torsten-hartmann.com
[Bild: www.torsten-hartmann.ch]

Wegen dieses Effekts sind allerdings auch die Lichtwellen des Head-up-Displays in den moderneren Autos polarisiert. So ist es nicht verwunderlich, dass man je nach Sonnenbrille im Head-up-Display möglicherweise gar nichts sieht.

Polarisiertes Licht ist ein sehr nützliches Werkzeug in den Materialwissenschaften. So werden zum Beispiel Bohrproben von Beton oder Gesteinen in ganz dünne Scheibchen geschnitten und mit polarisiertem Licht durchleuchtet. Unter dem Mikroskop lassen sich dann kleine Kunstwerke bewundern, die ähnlich aussehen wie farbige Kirchenfenster – eine optische Zaubershow im Miniaturmassstab. Bei diesen Dünnschliffen kommen die Farbeffekte dadurch zustande, dass die verschiedenen Mineralien das polarisierte Licht auf unterschiedliche Art beeinflussen. So lassen sich Rückschlüsse ziehen auf die Zusammensetzung des Gesteins. (Abb. 4)

Abb. 4: Dünnschliff des Blaubeuren-Meteorits – mit «Kirchenfenster-Effekt».
[Bild: www.dlr.de]

Mit polarisiertem Licht lassen sich auch andere Eigenschaften von Werkstoffen sichtbar machen, etwa Spannungen in einem Kunststoffteil. Diese entstehen bei der Herstellung mittels Spritzguss. Farbverläufe zeigen die Stellen mit vielen Spannungen. Spannungsfreie Zonen erscheinen dabei schwarz, also durchsichtig. (Abb. 5)

Abb. 5: Durch polarisiertes Licht sichtbar gemachte Spannungen bei einem Winkelmesser aus Polystyrol. de.wikipedia.org/
[Bild: Polystyrol.de.wikipedia.org]

Und sogar beim Wein spielt die Polarisation eine wichtige Rolle: Zucker in einer wässrigen Lösung dreht die Schwingungsrichtung des durchscheinenden polarisierten Lichtes – je höher der Zuckergehalt, desto grösser die Drehung. So lässt sich die Qualität des Traubensaftes beurteilen, bevor er zu Wein weiterverarbeitet wird. Licht sei Dank!

Von Karl Haab, Physiklehrer