In dieser Ausgabe wollen wir das Phänomen Licht gewissermaßen durch unser journalistisches Prisma schicken und uns ein paar der ausfallenden Strahlen und der entstehenden Reflexe anschauen.
Natürlich ist es unmöglich, alles über das Licht zu sagen, was sich sagen ließe, aber wir wollen doch versuchen, einen Bogen zu spannen, der die Größe des Phänomens zumindest andeutet.
Die Dunkelheit als Ausgangspunkt
Da es nie verkehrt sein kann, sich einem Gegenstand über die Frage zu nähern, wie denn die Welt ohne diesen Gegenstand aussähe, beginnen wir also beim Licht mit dessen Gegenteil: der Dunkelheit. Wir haben diejenige genommen, die sich bereits nach einigen hundert Metern unter der Meeresoberfläche findet. In der Tiefe ist dabei einiges los - etwa Fische, die sich selbst Licht machen (eine Fähigkeit, die wir zweibeinigen Säugetiere gelegentlich auch gern hätten).
Auf dem Meeresboden finden wir dann aber zugleich "technisches Licht" - wenn auch in armdicke Kabel eingesperrtes. An diesen Nahtstellen der Erdkruste spucken "Schwarze Raucher" (Black Smokers) ihren über 300 Grad Celsius heißen Sud aus. Er entsteht, wenn Meerwasser durch Erdspalten versickert und in die Nähe einer rund 1200 Grad Celsius heißen Magmablase gelangt.
Dort erwärmt es sich und belädt sich mit Schwefelwasserstoff, der für die meisten Organismen giftig ist, außerdem mit Metallen und Wasserstoff.
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Indem wir auch diese Welt des Infraroten zu unserem Thema machen, ignorieren wir die akademische Maßregelung, nach der nur derjenige Teil des elektromagnetischen Spektrums Licht genannt werden dürfe, der für das menschliche Auge sichtbar ist (und etwa zwischen 380 und 770 Nanometern Wellenlänge liegt). Wir schauen uns auch ein wenig links und rechts des sichtbaren Spektrums um.
Das Wesen des Lichts: Eine physikalische Betrachtung
Aber neben all diesen kleinen Vorstößen auf "verbotenes Terrain" (auch die Physik kennt "verbotene Übergänge") geht es selbstverständlich auch in diesen maßstäben sehr physikalisch zu. Licht ist schließlich eines der größten Phänomene in der Ideengeschichte der Physik und eines der wichtigsten technischen Handwerkszeuge schlechthin. Ohne Licht sieht man nicht nur nichts. Ohne Licht würde in unserer Welt auch nichts funktionieren.
Je größer ein Rätsel, umso zahlreicher die Lösungsvorschläge. So verstanden ist Licht ein wahrlich großes Rätsel. Wie viele prinzipiell mögliche Antworten die Frage "Was ist Licht?" auch zulässt - die Physik hat sie im Laufe ihrer Geschichte alle gegeben.
Zunächst die Frage der Richtung: Das Licht könnte vom Objekt kommend in das Auge des Betrachters fallen. Oder es könnte, genau anders herum, vom Auge ausgesendet sein. Beides wurde gedacht.
Dann die Frage, wie es den Weg zurücklegt: Es könnte wie ein Pfeil geradeaus fliegen oder sich als ein Schwarm kleinster Teilchen, als Lichtkügelchen, ausbreiten. Oder es könnte wie eine angeschlagene Saite sein - ein Schwingen des Mediums zwischen Auge und Objekt.
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Und ist das Rätsel Licht heute gelöst? Mitnichten! Die Physik deutet es heute in der Art eines Sowohl-als-auch und hat damit - ganz klassische Moderne - ein Paradoxon geschaffen. Paradoxa lassen sich zwar nicht zu Ende denken, aber mit großer Wahrscheinlichkeit kommt dieses Nicht-Denkbare der Wirklichkeit am nächsten.
Licht in der Kunst
Um eine andere Sicht zu bekommen, setzen wir unsere physikalische Brille an einigen Stellen sogar gänzlich ab: So fragen wir zum Wesen der Farben in der Welt der Kunst nach.
Erika Schow und Jens Simon sprachen mit Gijs van Tuyl, Kunsthistoriker und Direktor des Kunstmuseums Wolfsburg, einem international bedeutenden Museum für moderne Kunst.
Redaktion: Herr van Tuyl, welche Farbe hat Kunst für Sie? Und welche Farbe hat Physik?
van Tuyl: So generell - rein assoziativ? Vielleicht ist Physik weißes Licht. Klarheit. Und Künstler wählen natürlich aus - bestimmtes Licht. Kunst ist vielleicht blau. Das geht bei mir auf eine Jugendliebe zurück: Mein erster großer Eindruck von Kunst waren diese "Collages Découpés", diese Scherenschnitte von Matisse, die ich im Stedelijk Museum in Amsterdam gesehen habe.
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Nicht nur blau, aber die blauen haben mich am meisten beeindruckt. Blau hat etwas mit Purheit zu tun, mit Ferne und auch mit Nähe. Matisse hat einmal gesagt, ein Quadratmeter Blau sei blauer als ein Quadratzentimeter desselben Blaus. Da hat er absolut Recht.
Im 20. Jahrhundert hat man festgestellt, dass Farbe und Form eng zusammenhängen. Das kann man auch mit Rot machen, wie bei Barnett Newman: Wenn man eine Riesenfläche Rot hat, dann ist es mehr Rot als nur ein Tropfen. Die Farbe ändert sich durch die Größe.
Die Anwendung von Licht in der Technik
Über den Knotenpunkt in Norden haben die deutschen Internet-Surfer auch Anschluss an das weltweit längste Kabel "SEA-ME-WE-3". Es verbindet auf seinem insgesamt 38 000 Kilometer langen Weg 34 Staaten und verläuft durch das Mittelmeer, das Rote Meer und den Indischen Ozean.
Vor Singapur gabelt es sich: Eine Route führt nach Australien, die andere nach Japan und Korea. Bis eine Information aus Deutschland in diesen asiatischen Staaten angekommen ist, vergeht weniger als eine achtel Sekunde.
Ein Signal, das per Funk über Satellit zum Empfänger geschickt wird, ist mehr als siebenmal länger unterwegs. Diese Zeitverzögerung kann bei einem Telefongespräch sehr störend sein.
Der noch größere Nachteil der Satelliten ist aber ihre niedrigere Übertragungskapazität. Daher können die künstlichen Himmelskörper das Kommunikationsbedürfnis zwischen den Ballungszentren der Industrienationen weit schlechter befriedigen als ihre irdische Konkurrenz. Das sieht auch Fachmann Lösch so.
Wärme sehen: Thermographie
Kann man Wärme eigentlich nur fühlen oder auch sehen? Sehen wäre praktisch, dann würde man sich an heißem Kaffee nicht den Mund verbrennen. Tatsache ist, der Kaffee ist nur noch nicht heiß genug, sonst könnte man selbstverständlich sehen, dass er heiß ist. So ab cirka 600 Grad Celsius. Solche Temperaturen verträgt der Kaffee zwar nicht, ganz klar, der wäre längst verdampft.
Aber andere Dinge - man denke an die überhitzte Herdplatte - fangen dann an zu glühen und werden tatsächlich sichtbar heiß. Schwarz und also unsichtbar ist eine Tasse heißen Kaffees in einem nachtdunklen Raum. Ein strahlendes Objekt dagegen ist sie für eine Wärmebild- oder Thermographiekamera. Denn die spezielle Optik und der Detektor dieser Kamera sind auch dort scharfsichtig, wo das menschliche Auge blind ist.
Wir sehen zwar alles zwischen rot und blau und nennen das dann Licht. Aber jenseits des Roten, jenseits des Blauen? Da ist die "Lichtwelt" nicht zu Ende. Eine Wärmebildkamera liefert ein Bild, das nach Temperaturzonen aufgeteilt ist. Rehe im Wald sind wärmer als der Wald und werden in einer thermographischen Aufnahme in Rottönen wiedergegeben.
Atomuhr-Technologie
Zeit: Für uns Atome hier ein verdammt wichtiger Job. Sagen wir mal so: Unser Leben besteht aus einem trägen Grundzustand. Da ist nicht viel mit uns los. Um in einen angeregteren Zustand zu kommen, muss uns jemand einen ordentlichen Tritt geben. Und wir sind da sehr eigen. Der Tritt muss genau richtig sein, sonst passiert gar nichts.
Einen solchen Tritt verpassen uns Photonen, das sind die Lichtteilchen, die hier als Mikrowellen auf uns geschossen werden. Nur wenn die Mikrowelle genau auf unsere Anregungsfrequenz eingestellt ist, können die Photonen ihre Energie an uns weitergeben. Dann sind wir Atome eine Weile aufgeregt, bis wir wieder zurückfallen in die Trägheit. Das Gerät, in dem wir eingesperrt sind, misst, wie viele von uns jeweils angeregt werden.
Wenn es besonders viele erwischt hat, signalisiert es der Mikrowelle, dass sie ihre Photonen haargenau mit der richtigen Frequenz losschickt.
Präzisionsmessungen mit Licht
Wie ein Erdbeben könnte ein vorbeifahrender Lastwagen auf die Atome des glatt polierten, dunklen Granitblocks im Keller des Abbe-Baus der PTB wirken. Und die Körperwärme eines Menschen reicht aus, um den Fels und die aufliegenden Geräte um ein paar milliardstel Meter auszudehnen.
Selbst der federleichte Aluminium-Schlitten, der luftgepolstert über den Granitblock gleitet, drückt den Fels um Bruchteile einer Haaresbreite nach unten. Ein Horror für Jens Flügge: Der PTB-Wissenschaftler will das genaueste Lineal der Welt bauen.
Der "Nanometer-Komparator", an dem er zusammen mit Kollegen seit zwei Jahren arbeitet, soll demnächst den Abstand zwischen Strichen auf Längenmaßstäben bis auf fünf milliardstel Meter (5 Nanometer = 5 nm) genau messen, die Strukturen auf Masken für Computerchips sogar (in bestimmten Fällen) auf ein paar zehntel Nanometer.
Krebsforschung mit Fluoreszenz
"Da liegt der Tumor", sagt Rainer Macdonald und zeigt auf ein Foto auf einem Poster. Eine Maus mit einem leuchtenden Fleck auf der rechten Körperseite. Was hier leuchtet, ist nicht der Tumor selbst, sondern der "Agent" - ein Kontrastmittel, das die Forscher der Maus gespritzt haben. Es hat die Krebszellen im Körper der Maus aufgespürt und sich an sie geheftet.
Um Kontakt mit ihrem Agenten aufzunehmen, bestrahlen die Wissenschaftler die Maus mit Laserlicht einer ganz bestimmten Wellenlänge (in diesem Fall 740 nm), das mehrere Zentimeter tief in das Gewebe eindringt. Der Agent antwortet - will sagen: das Kontrastmittel leuchtet auf - und verrät den Sitz des Tumors. "Eine faszinierende Sache, nicht wahr?" sagt Macdonald.
So wird der Tumor sichtbar: Im Licht eines aufgeweiteten Laserstrahls leuchtet der Fluoreszenzfarbstoff, der sich an die Krebszellen der Maus angelagert hat, auf (Skala: Fluoreszenzintensität als Zahl der über eine bestimmte Belichtungszeit registrierten Photoelektronen).
Der Tscherenkow-Effekt
Wer bisher dachte, das blaue Licht sei lediglich im Grimmschen Märchen zu Hause und man müsste in einen tiefen Brunnen steigen, um es herauszuholen, der irrt. Ganz unmärchenhaft, aber nicht weniger magisch schön, leuchtet es aus den Wasserbecken der Kernreaktoren, wie hier im Forschungsreaktor Geesthacht.
Ursache dieses blauen Leuchtens sind sehr schnelle Elektronen, die bei der Spaltung der Uran-Atome aus den Kernbrennstäben entweichen und in das umgebende Wasser eindringen. Diese Elektronen sind schneller, als es Licht in Wasser sein kann. Und analog zu einem Düsenjet, der beim Überschreiten der Schallgeschwindigkeit einen Knall provoziert, "knallt" es bei den Elektronen optisch, sobald sie die Lichtmauer durchbrechen.
Dieser Tscherenkow-Effekt (erstmals 1934 beobachtet) tritt immer dann auf, wenn geladene Teilchen, also etwa Elektronen, mit Überlichtgeschwindigkeit durch ein (dielektrisches) Medium schießen, das sie polarisieren können. Mit "Lichtgeschwindigkeit" ist dabei die maximale Geschwindigkeit für Licht in diesem Medium gemeint. Und je höher die Brechzahl des Mediums, umso stärker wird das Licht gebremst.
Mikroskopie
"Sehr verehrtes Publikum, hier kommt ein weiterer Höhepunkt des Programms. Er stammt aus einer sehr berühmten Familie. Und er kann etwas, was seine Brüder nicht können. Erleben Sie den Star, der seinen Spot selbst mitbringt. Ungewöhnlicher Name? Nein, nicht in dieser Familie. Seine Brüder heißen STM und AFM und sind weltweite Top-Stars.
Fangen wir mit dem Ältesten an, mit STM. Das Kürzel steht für "Scanning Tunneling Microscope" oder Rastertunnelmikroskop. Eine geniale Entwicklung von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer, für die die beiden 1986 den Physik-Nobelpreis bekamen: ein Mikroskop, das die Oberflächen abrastert, also Punkt für Punkt abfährt. Nur wenige Nanometer (millionstel Millimeter) über einem elektrisch leitenden Material bewegt sich eine ultradünne Spitze hin und her.
Sie fängt Elektronen ein, die den Zwischenraum "durchtunneln", wenn an die Probe eine elektrische Spannung angelegt wurde. Das gemessene Signal ändert seine Stärke mit der Entfernung zwischen Nadel und Oberfläche. Auf dem Computerbildschirm entsteht danach ein Bild der Oberfläche - sogar von einzelnen Atomen.
Der Bruder, AFM ("Atomic Force Microscope" oder Rasterkraftmikroskop) braucht nicht einmal eine elektrisch leitende Probenoberfläche. Auch er rastert die Oberfläche mit einer extrem feinen Spitze ab, die aber an einer sehr weichen Blattfeder hängt. Auf die Rückseite der Feder ist ein Laserstahl gerichtet, der jede Bewegung der Feder mitbekommt. Winkeländerungen dieses Laserstrahls zeigen an, ob sich die Spitze nach oben oder unten bewegt. Mit dem Rasterkraftmikroskop kann man sogar lebende Zellen oder Proteine abbilden.
Fotografie
1827 ist es soweit: Für das erste Foto der Welt (oder zumindest das älteste noch erhaltene Foto) lässt der Franzose Joseph Nicéphore Niépce acht Stunden lang Licht durch die kleine Öffnung seiner Camera obscura auf eine Zinnplatte, mit Bitumen als lichtempfindlicher Schicht, fallen. Louis Jacques Mandé Daguerre gelingt es kurze Zeit darauf, die Lichtempfindlichkeit enorm zu steigern: Das einfallende Licht schwärzt seine mit Jod bedampften Silberplatten bereits nach wenigen Minuten.
Sind Niépces Heliographien oder die Daguerreotypien noch jeweils Unikate auf Metallplatten, so werden die Licht-Bilder mit William Henry Fox Talbot reproduzierbar. Talbot erfindet das Negativ-Positiv-Verfahren, bei dem von einem Negativ (noch aus Papier) beliebig viele positive Kontaktkopien hergestellt werden können. Seine Aufnahmen, die er "Photogenic Drawings" nennt, veröffentlicht er 1844 in dem Buch "The Pencil of Nature" - es ist das erste Buch überhaupt, das Fotografien enthält.
Der Buchtitel hingegen drückt noch die Nähe zur Malerei aus. Die Fotografie blieb bis zum Ende des 19.