Licht – Welle oder Teilchen? Am Beispiel des Lichts lässt sich illustrieren, wie, ausgehend von Beobachtungen und vielfach sehr phantasievollen Vermutungen, schließlich ein Netz von Gesetzen entsteht, das mit wenigen Annahmen eine Vielfalt von Phänomenen erklärt. Ein solches in sich widerspruchsfreies Netz von Gesetzen wird als physikalische Theorie bezeichnet. Sie muss nicht nur bekannte Phänomene und Effekte beschreiben, sondern auch auf neue, bisher unbekannte Phänomene anwendbar sein bzw. solche Phänomene vorhersagen können. Der Entwicklungsweg einer Theorie ist selten geradlinig, sondern enthält viele Irrungen und Sackgassen. Eine Theorie wie die Maxwell’sche Elektrodynamik bietet einerseits breiten Raum, um in ihrem Rahmen neue Phänomene und praktische Anwendungen zu suchen. Andererseits stellt sich immer wieder die Frage nach ihren Grenzen und ob auch neu entdeckte Phänomene durch sie erklärt werden können. In der Regel haben Theorien ihren Anfang in Teilgebieten der Physik, wie etwa der Elektro- und Magnetostatik, und münden in eine umfassendere Theorie wie die Elektrodynamik. Die Gesamtheit aller physikalischen Theorien lässt uns – näherungsweise und noch lange nicht vollständig – verstehen, was „die Welt im Innersten zusammenhält“. Diese Gesamtheit wird als Weltbild der Physik bezeichnet. Es entwickelt sich ständig weiter und wird vermutlich nie vollendet sein. An der Optik lässt sich beispielhaft der Entwicklungsprozess zeigen. Hier können nur einige wichtige Schritte skizziert werden. Die Entwicklung der Optik begann vor 400 Jahren als geometrische Optik mit der Erklärung von Lupe und Fernrohr durch Johannes Kepler (1571–1630), wurde als Wellenoptik Teil der Elektrodynamik und führte schließlich ab dem Jahr 1900 zur Entwicklung der Quantenphysik. Der Franzose René Descartes (1596–1650), Erfinder der kartesischen Koordinaten, versuchte als Erster, das Brechungsgesetz zu erklären. Er hielt die Existenz eines leeren Raums, eines Vakuum, für unmöglich. Daher stellte er sich den Raum gefüllt mit einander berührenden Teilchen vor. Kraftübertragungen und die Ausbreitung von Licht sollten durch gegenseitige Stöße der Teilchen erfolgen. Zuerst deutete er die Reflexion des Lichts analog zum elastischen Rückspringen eines schräg auftreffenden Balls. Die Geschwindigkeitskomponente parallel zur Oberfläche bleibt unverändert, die Normalkomponente kehrt sich um. Für die Brechung behielt er die Konstanz der parallelen Komponente bei. Da im optisch dichteren Medium die Brechung zum Lot erfolgt, nahm er an, dass in optisch dichteren Medien die Lichtgeschwindigkeit größer ist als etwa in Luft. Es schien ihm plausibel, dass die Teilchenstöße umso schneller voranschreiten, je härter das Material ist. In heutiger Schreibweise lautet das Resultat von Descartes für die Brechungswinkel α1,2 und Lichtgeschwindigkeiten c1,2 in den Medien 1 und 2: sin α 1_ sin α 2 = c 2_ c 1, leider falsch. Richtig wäre sin α 1_ sin α 2 = c 1_ c 2 Zum entgegengesetzten Ergebnis gelangte der französische Mathematiker Pierre de Fermat (1607–1665) im Jahr 1662: Wegen der Brechung zum Lot muss die Lichtgeschwindigkeit im optisch dichteren Medium kleiner sein. Wie kann man dieselbe experimentelle Tatsache auf zwei konträre Weisen erklären? 94.1 Spiegelung des orangeroten Himmels nach Sonnenuntergang in Pfützen am Sandstrand. Leichter Wind kräuselt die Wasserflächen und lässt sie glitzern. Wie spielen Experiment und Hypothesenbildung in der Frage „Was ist Licht?“ zusammen? 94.2 Im Gemälde Sternennacht über der Rhone stellte der Maler Vincent Van Gogh die funkelnden Sterne den Lampen am Ufer und ihren Spiegelungen an den Wellen des Flusses gegenüber. 94.3 Lichtbrechung nach Descartes 1 2 α 2 α 2 α 1 α 1 c2∙sin (α2) = c1∙sin (α1) c1 c2 c1∙sin (α1) 94.4 Winzige Eiskristalle in der Luft brechen und bündeln die Sonnenstrahlen, so dass ein heller Ring, ein Halo (altgriechisch: Scheibe), um die Sonne sichtbar wird. 94 Theorieentwicklung 1 Licht – Wandel des physikalischen Weltbilds In diesem Kapitel geht es um den langwierigen Weg zu einer widerspruchsfreien Theorie am Beispiel des Lichts. Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv
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