Ist Licht eine Welle oder ein Teilchen? – Ishan, 15 Jahre, Dubai
Hallo Ishan! Danke für deine tolle Frage.
Licht kann sowohl als Welle als auch als Teilchen beschrieben werden. Es gibt vor allem zwei Experimente, die die duale Natur des Lichts offenbart haben.
Wenn wir uns vorstellen, dass Licht aus Teilchen besteht, werden diese Teilchen Photonen genannt. Photonen haben keine Masse, und jedes von ihnen trägt eine bestimmte Menge an Energie. Wenn wir hingegen daran denken, dass sich Licht als Wellen ausbreitet, handelt es sich um Wellen der elektromagnetischen Strahlung. Andere Beispiele für elektromagnetische Strahlung sind Röntgenstrahlen und ultraviolette Strahlung.
Es lohnt sich, daran zu denken, dass sich Licht – unabhängig davon, ob es sich wie eine Welle oder wie ein Teilchen verhält – immer mit etwa 300.000 Kilometern pro Sekunde ausbreitet. Die Geschwindigkeit des Lichts auf seinem Weg durch den Weltraum (oder ein anderes Vakuum) ist das schnellste Phänomen im Universum, soweit wir wissen.
Das Doppelspaltexperiment
Stellen Sie sich vor, Sie haben einen Eimer mit Tennisbällen. Zwei Meter vor Ihnen befindet sich eine massive Platte mit zwei Löchern darin. Einen Meter hinter dieser Platte ist eine Wand. Sie tauchen jeden Ball in rote Farbe und werfen ihn erst in das eine und dann in das andere Loch. Ein erfolgreicher Wurf hinterlässt einen roten Fleck an der Wand, der ein bestimmtes Muster aus rundlichen Punkten hinterlässt.
Werfen Sie Bälle gegen eine Wand und wenn Sie gut zielen, erhalten Sie ein Muster aus Punkten. Vom Autor zur Verfügung gestellt
Nehmen wir nun an, Sie schießen einen einzelnen Lichtstrahl auf dieselbe Platte mit Löchern, auf derselben Flugbahn wie die Tennisbälle. Wenn Licht ein Strahl von Teilchen ist, oder anders gesagt ein Strahl von Photonen, würden Sie erwarten, ein ähnliches Muster wie das der Tennisbälle zu sehen, wo die Lichtteilchen auf die Wand treffen.
Das ist jedoch nicht das, was Sie sehen. Stattdessen sieht man ein komplexes Muster aus Streifen. Warum das so ist?
Das liegt daran, dass sich Licht in dieser Situation wie eine Welle verhält. Wenn wir einen Lichtstrahl durch die Löcher schießen, bricht er in zwei Strahlen. Die beiden entstehenden Wellen interferieren dann miteinander und werden entweder stärker (konstruktive Interferenz) oder schwächer (destruktive Interferenz).
Eine einzelne Lichtwelle bricht sich in zwei und erzeugt so ein sogenanntes Interferenzmuster. Zur Verfügung gestellt vom Autor
Die Wellen erzeugen ein Gittermuster, das zu einer Reihe von Streifen auf der Wand führt. Im obigen Bild sind die Streifen an den Stellen, an denen die Wellen zusammenlaufen, größer und heller. Die Lücken zwischen den Streifen sind das Ergebnis von destruktiver Interferenz, die Streifen das Ergebnis von konstruktiver Interferenz.
Der photoelektrische Effekt
Das obige Experiment zeigt, dass sich Licht wie eine Welle verhält. Aber Albert Einstein hat uns gezeigt, dass wir Licht auch als aus einzelnen Energieteilchen bestehend beschreiben können: aus Photonen. Dies ist notwendig, um etwas zu erklären, das photoelektrischer Effekt genannt wird.
Wenn man Licht auf ein Metallblech schießt, gibt das Metall Elektronen ab: Teilchen, die elektrisch geladen sind. Das ist der photoelektrische Effekt.
Vor Einstein versuchten Wissenschaftler, den photoelektrischen Effekt zu erklären, indem sie annahmen, dass Licht nur die Form einer Welle hat. Um ihre Argumentation zu verstehen, stellen Sie sich Kräuselungen in einem Teich vor. Die Wellen haben Spitzen, wo die Welle ansteigt, und Täler, wo sie abfällt.
Nun stellen Sie sich vor, dass sich in dem Teich auch ein Boot mit Lego-Soldaten an Bord befindet. Wenn die Wellen das Boot erreichen, haben sie das Potenzial, die Soldaten aus der Bahn zu werfen. Je mehr Energie die Wellen tragen, desto größer ist die Kraft, mit der die Soldaten weggeschleudert werden.
Und da jede Welle potenziell einen Soldaten abwerfen kann, können wir davon ausgehen, dass umso mehr Soldaten abgeworfen werden, je mehr Wellen das Boot innerhalb einer bestimmten Zeitspanne erreichen.
Auch Lichtwellen haben Spitzen und Täler und kräuseln sich daher auf ähnliche Weise. In der Wellentheorie des Lichts werden diese Schwingungen mit zwei Eigenschaften des Lichts in Verbindung gebracht: Intensität und Frequenz.
Vereinfacht ausgedrückt ist die Frequenz einer Lichtwelle die Anzahl der Spitzen, die in einem bestimmten Zeitraum an einem Punkt im Raum vorbeiziehen (so wie eine bestimmte Anzahl von Wellen innerhalb einer bestimmten Zeit auf das Boot trifft). Die Intensität entspricht der Energie der Welle (wie die Energie, die jede Kräuselung in unserem Teich trägt).
Wissenschaftler im 19. Jahrhundert stellten sich vor, dass sich Elektronen auf einem Metallblech ähnlich verhalten wie die Lego-Soldaten auf unserem Floß. Wenn Licht auf das Metall trifft, sollten die Wellen die Elektronen abwerfen.
Je größer die Intensität (die Energie der Welligkeit), desto schneller fliegen die Elektronen weg, dachten sie. Je höher die Frequenz innerhalb einer bestimmten Zeitspanne ist, desto mehr Elektronen werden in dieser Zeit abgeworfen – richtig?
Was wir tatsächlich sehen, ist das komplette Gegenteil! Es ist die Frequenz des Lichts, das auf das Metall trifft, die die Geschwindigkeit der Elektronen beim Abschuss bestimmt. Währenddessen bestimmt die Intensität des Lichts, also wie viel Energie es trägt, die Anzahl der wegfliegenden Elektronen.
Einsteins Erklärung
Einstein hatte eine tolle Erklärung für diese merkwürdige Beobachtung. Er stellte die Hypothese auf, dass Licht aus Teilchen besteht und in Wirklichkeit keine Welle ist. Er verknüpfte dann die Intensität des Lichts mit der Anzahl der Photonen in einem Strahl und die Frequenz des Lichts damit, wie viel Energie jedes Photon trägt.
Wenn mehr Photonen auf das Metall geschossen werden (höhere Intensität), gibt es mehr Kollisionen zwischen den Photonen und Elektronen, so dass eine größere Anzahl von Elektronen emittiert wird. Die Intensität des Lichts bestimmt also die Anzahl der emittierten Elektronen und nicht die Geschwindigkeit, mit der sie davonfliegen.
Erhöht man die Intensität des Lichts und damit die Anzahl der Photonen, die auf ein Blech einschlagen, so werden auch mehr Elektronen abgeschossen. Zur Verfügung gestellt vom Autor
Wenn die Frequenz des Lichts erhöht wird und jedes Photon mehr Energie trägt, dann nimmt auch jedes Elektron mehr Energie aus der Kollision mit – und fliegt deshalb mit mehr Geschwindigkeit davon.
Diese Erklärung brachte Einstein 1921 den Nobelpreis ein.
Welle oder Teilchen?
Nach all dem bleibt eine Frage: Ist Licht eine Welle, die manchmal wie ein Teilchen aussieht, oder ein Teilchen, das manchmal wie eine Welle aussieht? Hierüber herrscht Uneinigkeit.
Ich setze darauf, dass Licht eine Welle ist, die unter bestimmten Bedingungen teilchenähnliche Eigenschaften zeigt. Aber das bleibt eine kontroverse Frage – eine, die uns in das spannende Reich der Quantenmechanik führt. Ich ermutige Sie, tiefer zu graben und sich Ihre eigene Meinung zu bilden!
Verwendete Bilder mit freundlicher Genehmigung von Pexels/João Jesus
Dieser Artikel wurde von The Conversation unter einer Creative-Commons-Lizenz neu veröffentlicht. Lesen Sie den Originalartikel.