Die Theorie des LASER-Lichts samt der Quantenmechanik

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Das geheimnisvolle Licht

Der Laser (besser : das Laser-Licht) verändert unseren Alltag und unsere Sprache, auch wenn mit ihm nur ein - inzwischen allerdings sehr aufwendiger - Apparat gemeint ist, der ein fantastisches Licht mit wunderbaren Eigenschaften aussendet.

Es lohnt sich zu verstehen, was überhaupt das Besondere von Licht ausmacht und was die zahlreichen Anwendungen erlaubt, die den Laser aus dem Bereich der Wissenschaft und Grundlagenforschung in die kommerzielle Sphäre des industriellen Wirtschaftens geführt haben und ihm darüber hinaus die Möglichkeit geben, neue Kunstwerke zu generieren und alte zu reinigen.

Der Laser steht erst am Anfang

Es gibt kaum noch einen Bereich des Alltags, in dem das Laserlicht keine Spuren hinterlässt, und es ist zu erwarten, dass seine Präsenz und Wirksamkeit in der Zukunft zunehmen wird: »Der Laser steht erst am Anfang«, wie etwa aus Industriekreisen und aus dem Bundesministerium für Bildung und Forschung zu vernehmen ist.

Wir sollten uns darauf einstellen, dass die Zeit der Photonik bereits angebrochen ist und der Laser und sein Licht immer für Überraschungen sorgen werden - wie beispielsweise die, die als merkwürdiges Paradoxon anzusehen ist. Sie besteht in der Erkenntnis, dass wir seit einigen Jahrzehnten zwar immer besser mit dem Licht der Laser umgehen können, jedoch nicht besser als die Physiker aus dem letzten Jahrhundert verstehen, was das Wesen dieses Lichts ausmacht.

Albert Einstein und sein Eingeständnis

Der erste Physiker, der diese Schwierigkeit zum Ausdruck brachte und "Licht" als das offene Geheimnis begriff, war Albert Einstein. Ihm wurde 1922 der Nobelpreis für Physik für seine 1905 veröffentlichten Beiträge zum Verständnis von "Licht" verliehen, was den Gedanken nahelegt, dass er verstand, was das Licht ist.

Dies trifft aber zur allgemeinen Überraschung nicht zu. Gerade Einstein hat nämlich im Alter resigniert feststellen müssen, dass ihn fünfzig Jahre des Grübelns der Antwort auf die Frage nach "der Natur des Lichts" keineswegs einer Antwort näher gebracht hatten. »Heute glaubt zwar jeder Lump, er wisse es«, wie Einstein einem Freund im Jahr 1951 schrieb, »aber er täuscht sich.«

Wir wissen bis heute noch NICHT, was Licht wirklich ist .....

Wir sollten uns - in diesem Punkt - nicht täuschen lassen und zugeben, dass wir bis heute nicht wissen, was Licht ist. Daraus folgt nicht, dass wir nicht viel damit machen und sein Verhalten unter gegebenen Umständen beliebig genau berechnen können - vor allem dann, wenn es aus einem Laser kommt und auf ein bestimmtes Ziel gelenkt wird.

Wie es zu dieser Möglichkeit kommen konnte, wird in den folgenden Absätzen geschildert. Nicht ohne Grund beginnt die Darstellung mit Albert Einstein. Durch eine merkwürdige Überlegung hat er in den Jahren des Ersten Weltkriegs den Weg zum Laserlicht gewiesen, wobei er nach seiner Einsicht auch nicht den kleinsten Schritt in diese Richtung gegangen ist. Dennoch hat sich Einstein als ein guter Wegweiser erwiesen, und der geht bekanntlich nicht in die Richtung, die er weist, sondern bleibt vielmehr stehen. So kann er all jenen, die nach einem Weg suchen, zeigen, auf dem es lang geht.
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KAPITEL 1 - Einsteins Einsichten

Die Geschichte des Lichts beginnt mit der Entstehung des Universums und weist zwei Stränge auf. Der ältere Strang geht auf die Bibel zurück: Der Genesis zufolge hat Gott bei der Erschaffung der Welt das Licht als Erstes werden lassen und es für gut befunden. Seitdem macht es die Welt sichtbar und einsichtig zugleich. Der jüngere Strang betrifft den Beitrag des Menschen zur Erzeugung und zum Einsatz von Licht und verdankt sich maßgeblich den Naturwissenschaften und den dazugehörigen Techniken.

Der schöpferische Urknall

Das abendländische Abenteuer der Wissenschaft hat mit dem Blick auf die Sterne und in den Kosmos begonnen und sich schon früh mit seiner Entstehung befasst. Orientiert man sich an modernen Kosmologien, findet man am Anfang einen zur biblischen Geschichte analogen Schritt, bei dem der Lauf der uns bekannten Dinge mit einem schöpferischen Urknall beginnt.

Durch ihn bildet sich ein anfänglich undurchlässiges und lichtloses "Plasma" (das "Plasma" müsste hier eigentlich erklärt werden, denn es ist nicht trivial), in dem dann die Bausteine der Materie entstehen, die seit der griechischen Antike Atome genannt werden. Diese Gebilde können Energie aufnehmen und abgeben, und bei diesem Treiben kommt "Licht" ins Spiel. Es kommt sichtbar als die Form der Energie auf uns zu, die ein Atom abgibt, wenn es seinen Zustand ändert.
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Aus Atomen oder Molekülen entsteht das "Licht"

Unabhängig davon, ob die Sonne scheint, eine Neonröhre leuchtet, ein Feuer brennt oder ein Schwarm von Glühwürmchen blinkt - das Licht, das bei diesen Vorgängen freikommt und in unser Auge fällt, entsteht mithilfe von Atomen oder Molekülen, wie heute allgemein bekannt ist.

Diese Grundelemente der materiellen Realität können Energie auf verschiedene Weise erst aufnehmen und dann als Licht abgeben. Diese Vorgänge werden als Absorption und Emission bezeichnet.

Der Weg führt zu den Quantensprüngen

Es hat lange gedauert, bis sich den Physikern erschloss, was bei dieser Umwandlung von Energie passiert. Dies wurde erst möglich, als es einigen Wissenschaftlern zu Beginn des 20. Jahrhunderts gelang, ein zugleich merkwürdiges und erfolgreiches Verständnis der physikalischen Abläufe auf der atomaren Bühne zu entwickeln, zu dem ganz wesentlich die Quantensprünge gehören, die heute gern in politischen Festansprachen bemüht werden (auch wenn die Redner zumeist nicht genau wissen, worum es dabei geht).

Was sind diese Quantensprünge ?

Nur mit Hilfe des Verständnisses von Quantensprüngen kann man verstehen, was in Lasern passiert und weshalb sich das von einem solchen Gerät ausgesendete Licht - unter anderem - durch eine feste Wellenlänge beziehungsweise eine feste Energie charakterisieren lässt.

Wir blicken deshalb nochmal zurück, welches Bild der physikalischen Wirklichkeit in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelt wurde, als geistige Kapazitäten wie Albert Einstein, Niels Bohr, Max Planck, Max Born, Erwin Schrödinger, Wolfgang Pauli, Werner Heisenberg und Paul Dirac ein überraschendes und völlig ungewohntes Verständnis von Atomen, Licht und den dazugehörigen Wechselwirkungen aufbrachten, das sich bis heute millionenfach in allen nur denkbaren Experimenten bewährt hat.

Damals ein neues Thema, die Quantenmechanik

Die damals aufgestellte Theorie der physikalischen Wirklichkeit ist die Quantenmechanik, und bei ihrer Vorstellung dürfen wir aus mindestens zwei Gründen nicht zu oberflächlich vorgehen.

Der erste Grund beruht auf der Tatsache, dass die neue Sicht der Dinge mehr oder weniger eine Beleidigung des gesunden Menschenverstands darstellt. Wir müssen uns an viele Beschreibungen der Quantenwelt erst gewöhnen, etwa die, dass sich Atome nicht so unterscheiden lassen wie Billardkugeln, oder die, dass die elementaren Bauteile der Materie einige ihrer Eigenschaften erst bekommen, wenn sie vermessen werden.

Der Ort eines Atoms bleibt zum Beispiel unbestimmt, solange keine Messung erfolgt, die ihn ermittelt. Einen Ort bekommt ein Quantenobjekt erst, wenn jemand - ein Mensch mit einem Gerät - ihn bestimmt, und diese Rolle von eingreifenden Subjekten ist in der Tat sehr gewöhnungsbedürftig.

Wir brauchen leider etwas "Quantenphysik" ..... das neue Weltbild

Der zweite Grund, weshalb wir uns hier mit "Quantenphysik" befassen, bevor wir zum Laser vordringen, liegt in der Überzeugung des Autors, dass die Frage der Fachwelt, warum es so lange gedauert hat, einen ersten Laserstrahl zu produzieren - nämlich bis 1960 -, ihre Antwort zumindest teilweise darin findet, dass die große Gemeinde der Physiker und Ingenieure selbst Zeit gebraucht hat, um sich in dem neuen Weltbild zurechtzufinden, dessen Entwurf mit Planck und Einstein kurz nach 1900 begonnen hat.

Erst als die Vorstellung von Quantenübergängen zum Lehrstoff gehörte, sich als Paradigma etablieren und sich also im Denken vieler Wissenschaftler und Techniker verankern konnte, war es möglich, in der nötigen Breite über die Erzeugung von Laserlicht nachzudenken. Das dauerte über eine Generation und folglich über den Zweiten Weltkrieg hinaus.

In der Tat: Erst seit den frühen 1950er Jahren des 20. Jahrhunderts ist allen produktiven Physikern die Quantenwelt vertraut, in der Atome über stabile Zustände verfügen, zwischen denen sie springend hin und her wechseln können, während sie dabei Energie aufnehmen oder abgeben - oftmals eben in Form von Licht, das eine eigentümlich stimulierende Wirkung entfalten kann.

Zwar ist es diese »ansteckende« Wirkung, die den Lasereffekt des gebündelten Lichts ermöglicht, aber die oft vorgebrachte Behauptung, man hätte deshalb direkt nach 1917 beginnen können, Laserlicht zu generieren beziehungsweise einen Laser zu bauen, wirkt willkürlich und wenig überzeugend. Um Laserlicht zu erzeugen, mussten nämlich nicht bloß technische Voraussetzungen erfüllt sein. Vielmehr musste das quantenmechanische Denken selbstverständlich werden.

Was ist mit "Verstehen der Quanten" gemeint?

Die moderne Physik ist in der Lage, mithilfe der Quanten genau zu verstehen, über wie viel Energie ein Atom oder Molekül in einem gegebenen Zustand verfügt und welcher Anteil davon in Form von Licht abgegeben werden kann.

Sie versteht diesen Vorgang deshalb so gut, weil sie dafür eine eigene mathematische Sprache entwickelt hat, in der sich mittels Gleichungen präzise angeben und prüfbar ausrechnen lässt, welche Wellenlänge dem Licht zukommt, das Atome in einem bestimmten Zustand abgeben. Die entsprechenden Messungen stimmen stets bestens mit den Berechnungen überein, und daher verstehen die Physiker, was passiert - und dies klingt überzeugend.

Manches ist nach wie vor eher geheimnisvoll

Doch stimmt das? Könnte es nicht sein, dass die Physiker in ihrer Fachsprache mit mathematischen Symbolen und Formeln - bei aller Raffinesse der Formeln - letzten Endes doch nur mehr oder weniger beschreiben, was in der Quantenwelt passiert?

Bleibt es nicht eher geheimnisvoll, wie sich die Energie dort im Detail verwandelt, um von einem Atom freizukommen und als Licht sichtbar zu werden? Wissen wir überhaupt, was die Energie ist, die sich da in unterschiedlichen Formen zeigt?

Und was meint jemand im Detail, wenn er sagt, er weiß, was Energie ist (und nicht nur, wie viel von ihr vorhanden ist)?

Möglicherweise überschätzen wir unsere Fähigkeiten, wenn wir in philosophischem Sinn sagen, wir verstehen, wie Licht erzeugt wird.

Vielleicht sollten wir bescheidener sagen, wir können mit physikalischen Theorien vorhersagen, welches Licht ein Atom aussendet, wenn es eine messbare Menge an Energie freigibt. Das reicht jedenfalls unter der Vorgabe von Quantenzuständen aus, um sich Laser-Licht vorzustellen. Ob ihr Wirken jemand in der Tiefe versteht, könnte eine spannende philosophische Debatte werden. Jedoch an dieser Stelle reicht es uns, wenn Laser funktionieren, und es stört nicht, wenn sie ihr Geheimnis vor uns hüten. Das macht ihr Licht höchstens noch interessanter für uns.
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Eine Erklärung mit Beispielen : Erste Quantensprünge

Atome und Moleküle können verschiedene Zustände annehmen und zwischen ihnen hin und her springen. Sie können sich aber nicht kontinuierlich ändern, sondern nur diskrete Werte annehmen - so wie jemand, der einen Aufzug benutzt, nicht an einem beliebigen Ort aussteigen kann, sondern nur in den Stockwerken, in denen gehalten und die Tür geöffnet wird.

Der Unterschied zwischen atomaren Gebilden und den Passagieren in einem Lift besteht darin, dass wir zwar wissen, was die Personen zwischen den Haltepunkten machen, dass wir aber nicht sagen können, was mit den Atomen oder Molekülen in der analogen Situation geschieht.
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Das kleinste "Etwas" ist ein »quantum« ......

Wir kennen sie nur vor oder nach einem Quantensprung, der seinen Namen dem lateinischen Wort »quantum« verdankt, das nach der Größe von "etwas" fragt.

Das Quantum ist das kleinste "Etwas", das es gibt, ohne "Nichts" zu sein, woraus folgt, dass Quantensprünge das Mindeste sind, das man erwarten kann, wenn sich solch ein "Etwas" ändert (woraus weiter folgt, dass nicht zu verstehen ist, warum sie von Managern so emphatisch beschworen werden).

Die Regeln der Natur (oder der Physik)

Atome und Moleküle können nicht sein, was sie wollen, sondern nur diskrete Zustände an- und einnehmen, zwischen denen wiederum nur diskrete Übergänge - Quantensprünge - möglich sind.

Unterschiedliche Zustände verfügen über unterschiedliche Energien, und wenn ein Atom oder Molekül dann Energie - zum Beispiel in Form von Licht - aufnimmt, kann es (nur stufenweise) aus einem Zustand mit geringerer Energie in einen Zustand mit höherer Energie übergehen.

Dies geschieht aber nur, wenn die Energie des Lichts genau der Differenz (der Stufe) entspricht, die diese beide Zustände voneinander trennt. Weicht sie davon ab (ist die Energeidifferenz kleiner), passiert nichts, denn irgendwelche Zwischenzustände (zwischen den Stufen) hat die Natur ausgeschlossen.

Diese Feststellung muss man einfach hinnehmen, solange es kein Experiment gibt, das dieser Sicht widerspricht. Ob und wie sie wirklich zu verstehen ist, bleibt offen.
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Zustandsveränderungen werden nur durch solche Sprünge erreicht

Atome und Moleküle können auf jeden Fall nur in (solchen abgestuften) Zuständen existieren, die sie durch Quantensprünge erreicht haben. Zu jedem Zustand gehört eine bestimmte Form oder Gestalt, weshalb die Schöpfer dieser Physik auch daraufhingewiesen haben, dass sie mit der Quantenphysik wieder an die Lehre von den Gestalten (Morphologie) anknüpfen konnten, die es seit dem 18. Jahrhundert gibt.

Was gerade für die Aufnahme von Licht (Absorption) beschrieben worden, ist, gilt auch für dessen Aussendung (Emission}. Denn wenn Atome oder Moleküle von einer energiereichen in eine energiearme Form wechseln, senden sie eine für sie charakteristische Strahlung aus, deren Energie sich durch die Differenz der Zustände angeben lässt, zwischen denen der Quantensprung stattgefunden hat.
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Also - Was ist eigentlich ein Quantensprung ?

Gewöhnlich halten sich Atome (oder Moleküle] in ihrem Grundzustand auf, der durch die kleinste Energie charakterisiert ist, die etwa ein Wasserstoffatom oder ein Kohlendioxid annehmen kann.

(Um sich das Konzept des Grundzustands in unserer Lebenswelt zu veranschaulichen, kann man sich einfach einen Menschen vorstellen, der zufrieden in einem Sessel sitzt.) In diesem Grundzustand sind die physikalischen Gebilde höchst stabil, das heißt, sie bleiben in ihrer gemütlichen Lage, und es passiert nichts, solange sie nicht gestört werden.

Kommt es zu Änderungen, so werden die Atome und Moleküle angeregt, ihren Grundzustand zu verlassen, und es drängt sie zurück in die Ausgangslage, die sie in kürzester Zeit mit einem spontanen Quantensprung erreichen. (Der oben erwähnte Mensch im Sessel setzt sich auch sofort wieder hin, nachdem er etwa durch ein Klingeln an der Haustür angeregt wurde, den Zustand des Sitzens vorübergehend aufzugeben.)

Die eben geschilderte unstete Art von Atomen und Molekülen wird durch eine physikalische Theorie untermauert, die Mitte der 1920er Jahre begründet wurde und als Quantenmechanik bezeichnet wird. Sie gehört zu den erfolgreichsten wissenschaftlichen Theorien und liegt den Prozessen zugrunde, die das Licht von Lasern ermöglichen.

Die verbotenen Zonen in der Quantentheorie

Ein Problem, das die Quantentheorie für das gewöhnliche Alltagsdenken darstellt, besteht darin, dass es so etwas wie verbotene Zonen gibt. Anders ausgedrückt: Atome und Moleküle können nur Zustände annehmen, die von der Physik (beziehungsweise der Theorie) erlaubt werden, was konkret heißt, dass sie niemals in einer Zwischenform zu finden sind.

Wenn etwa ein Atom einen Quantensprung unternimmt, fragt man sich, wie es zwischen seinen Zuständen aussieht. - Wenn jemand erst in einem Sessel sitzt und dann aufsteht, kann man ja sehen, wie er langsam die Füße in Position bringt, die Knie durchdrückt, den Rücken aufrichtet und zuletzt aufrecht steht.

Bei den Atomen sind keine Zwischenzustände zu erkennen, der Vorgang des Aufstehens - um im Bild des Alltags zu bleiben - ist nicht nachvollziehbar. Der Wechsel von einem Zustand in einen anderen erfolgt direkt (instantan). Ein solcher unmittelbarer Übergang wurde und wird Quantensprung genannt. Diese Entdeckung widersprach der herkömmlichen Vorstellung, dass in der Natur alle Abläufe kontinuierlich sind und die Natur keine Lücken kennt.
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Das Quantum selbst und seine Wirkung

Max Planck hatte bereits im Jahr 1900 den Begriff der quantisierten Wechselwirkung zwischen Licht und Atomen eingeführt, um mit ihrer Hilfe erklären zu können, welches farbige Licht ein fester Körper - zum Beispiel ein Eisendraht - aussendet, wenn man ihm immer mehr Wärmeenergie zuführt und dabei erhitzt.

Er leuchtet erst rot, dann gelblich und glüht zuletzt weiß, bevor er schmilzt. Planck konnte diese eher einfach wirkende Farbenfolge erst ableiten, als er annahm, dass sich die Energie des ausgestrahlten Lichts nicht kontinuierlich, sondern sprunghaft änderte - eine gewagte Annahme, die sich aber sofort als tragfähig und inzwischen als unentbehrlich erwiesen hat.

Das Licht, die Frequenz und das Quantum der Wirkung

Physiker bezeichnen die Energie mit dem Buchstaben E, und als Planck sich Gedanken über die erwähnten Farben von erwärmten Festkörpern machte, kam er erst weiter, als er es riskierte, die Energie von Licht mit seiner Frequenz zu verknüpfen:

E = h x v

Die Verbindung wird durch die Größe h hergestellt, die seitdem als das Quantum der Wirkung bekannt ist und die Dimension einer »Wirkung« hat. So nennen die Physiker das Produkt aus Energie und Zeit, das im Fall des Quantums verschwindend klein ist.

In der Wissenschaft wird Energie gern in einer Einheit gemessen, die nach dem britischen Physiker James Prescott Joule (J) genannt wird, und wenn man die Zeit in Sekunden (s) angibt, dann schlägt das Quantum der Wirkung mit dem gemessenen Wert von rund 6,626 x 10-34 Js (Joulesekunden] zu Buche.

Wir reden von unvorstellbaren kleinen Zahlen

Es fällt zunächst schwer, sich ein Bild davon (von der Wirkung eines Quantums) zu machen. Da ist zum einen die unvorstellbar kleine Zahl von 10 hoch -34, die wir zwar aussprechen können - »zehn hoch minus 34« -, für die wir aber keinen Namen haben.

Es gibt das Quantum als reale und messbare Lücke im Weltganzen, und mit "ihm" beziehungsweise "ihr" sieht die Physik völlig anders aus, wie man in den ersten Jahrzehnten des 20. Jahrhunderts begriff.

Zum anderen ist da die Energie-Einheit Joule, die im Alltag kaum auftaucht. Da ist eher das Maß geläufig, das nach dem schottischen Erfinder James Watt benannt ist, der zur Entwicklung der Dampfmaschine beigetragen hat.

So weiß man zum Beispiel, mit wie viel Watt die Glühbirnen im Haushalt betrieben werden - meist zwischen 40W und 100W -, wobei Watt die Einheit für die Angabe von Energie ist, die in einer festgelegten Zeiteinheit geliefert und in der Physik als Leistung bezeichnet wird. Eine Wattsekunde (Ws) entspricht dabei einem Joule.

Leistung und Energiedichte im Vergleich

Seltsamerweise werden Laserstrahlen heutzutage ebenfalls mit dieser Einheit charakterisiert, und so tauchen im Lauf der folgenden Darstellung 100Watt-Laser oder 20kW-Laser auf.

Was die Wattzahlen angeht, so sind sie für Glühbirnen und Laser ebenso wenig zu vergleichen wie die Wirkung der beiden Lichtquellen auf das Auge.

Denn während die Glühbirne ihre Leistung in den ganzen Raum abstrahlt, konzentriert sich die eines Laserstrahls auf einen engen Bereich. Für den von ihm ausgeübten Effekt kommt es dabei auf seine Intensität an, die sich als Dichte seiner Leistung berechnet - zum Beispiel als Watt pro Quadratzentimeter.

Rechenbeispiele an einem Laser

Wenn wir uns der Einfachheit halber einen Laser vorstellen, der eine Leistung von einem Kilowatt schafft und dessen Strahl auf einen Durchmesser von 1 Millimeter fokussiert werden kann (reale Laserstrahlen sind noch energiereicher und noch enger begrenzt], dann liegt dessen Intensität bei runden 10.000 Watt/cm2.

Fokussiert man den Strahl um den Faktor 10, steigert man die Intensität um den Faktor 100 auf eine runde Million Watt/cm2.

Im Vergleich dazu ein Beispiel aus dem Alltag: In einer Küche erzeugt eine Herdplatte mit zwanzig Zentimetern Durchmesser 1 Kilowatt Leistung. Die dazugehörige Dichte lässt sich dann auf einige wenige Watt/cm2 errechnen, was die Platte trotz ihrer rot glühenden Hitze neben dem vorgestellten Laserstrahl extrem schwach erscheinen lässt.

Laser überschreiten mühelos diese Intensität, folglich kann man sich ebenso leicht vorstellen, dass ihr Licht (mit seiner Energie) nicht nur Wasser zum Kochen und Verdampfen bringen kann wie eine Herdplatte, sondern dass dem Laser auch ganz andere Materialien weichen - Metalle zum Beispiel.

Einsteins erste Einsicht

Wir kehren zu der Verknüpfung von Energie und Frequenz zurück, die heute schlicht wirkt und von Physikern mit Erfolg eingesetzt wird. Den Erfindern dieser Relation versetzte aber dieser Zusammenhang einen Schock, den sie erst 1912 zu überwinden imstande waren, als der Däne Niels Bohr die Formel von Planck nutzen konnte, um die Stabilität der Atome - und damit die Existenz unserer Welt - verständlich zu machen.

Der Schrecken, den die neue Darstellung der Lichtenergie mit sich brachte, befiel 1905 als Ersten Albert Einstein, der mit Plancks Überlegungen hinsichtlich der sprunghaften Änderung der Lichtenergie, um die Farben von erhitzten Körpern zu erklären, ernst machte.

In diesem Fall erfasste die kleine Formel nicht die Energie eines ganzen Lichtstrahls, sondern nur die seiner Teile. Und tatsächlich gelang es Einstein zu zeigen, dass die traditionelle Vorstellung der Physik, die das Licht als Wellenbewegung verstand, das Phänomen nicht vollständig erfasste.

Einstein konnte nachweisen, dass es so etwas wie Licht-Atome - Licht-Teilchen - geben musste, und damit brachte er einen Grundpfeiler seiner Wissenschaft zum Einsturz, die sich seit mehr als einhundert Jahren in der Gewissheit sonnte, Licht als kontinuierliche Wellenbewegung verstanden zu haben.

Ein Phänomen : Licht + Licht ergibt Dunkelheit

Das für diese traditionelle Deutung entscheidende Experiment war bereits im frühen 19. Jahrhundert gelungen, als gezeigt wurde, dass bei Licht genau das passiert, was nur mit Wellen möglich ist, dass nämlich "Licht plus Licht" Dunkelheit ergeben kann.

Die Wissenschaft spricht dabei von der Interferenz, und niemand stellte sich damals vor, dass auch Teilchen mit Masse sich gegenseitig auslöschen konnten. Licht war (ja nur) eine Welle, wie es dann hundert Jahre lang immer wieder bestätigt wurde und zur festen Überzeugung der Physiker wurde - bis Einstein Plancks Vorgabe aufgriff und alles zum Einsturz brachte.

Als Einsteins Weltbild unter den Füßen weg sackte

Niemand verstand das Revolutionäre seines Tuns besser als der junge Einstein selbst, der äußerst erschrocken war, als sich die Existenz von Lichtteilchen nicht mehr leugnen ließ.

Er notierte daraufhin zum einen voller Sorge, der Physik sei nun jeder Boden unter den Füßen weggezogen worden, ohne dass ein neuer Grund erkennbar sei. Aber er ließ sich von solchen bedrückenden Gefühlen nicht beeinträchtigen, machte sich Gedanken über »die Erzeugung und Verwandlung des Lichts« und bezeichnete die Lichtatome in diesem Zusammenhang als Photonen.

Hier taucht zum ersten Mal das Wort auf, aus dem sich heute das aufstrebende Tätigkeitsfeld der Photonik ableitet, die der Ansicht vieler Zeitgenossen zufolge der Elektronik als maßgeblicher Technologie unserer Zeit den Rang ablaufen soll.

Doch so erfolgreich das Konzept des Photons augenscheinlich ist - Einsteins Zeitgenossen hatten erhebliche Schwierigkeiten mit seiner Einführung. Licht verfügt damit nämlich über eine Doppelnatur. Es zeigt sich nicht nur als Welle, sondern auch als Teilchen, und diese Dualität ist seit über einhundert Jahren anerkannt.

Das Licht ist also Welle und Teilchen zugleich

Es ist heute unbestreitbar und im Detail nachweisbar, dass Licht, wenn es sich ausbreitet und dabei gespiegelt, gebrochen oder gebeugt wird, nur dann umfassend verstanden werden kann, wenn wir seine Eigenschaften sowohl im Bild einer Welle als auch unter der Vorgabe von Teilchen (Partikeln] erfassen.

Die Wissenschaft kommt mit dieser Zweiteilung (Dichotomie] gut zurecht. Das Licht zeigt nicht nur historisch, sondern auch aktuell einen dualen Charakter, und nach dieser Auskunft geht man normalerweise zur Tagesordnung über - und übersieht dabei, was Einstein wirklich erschüttert hat.

Was ist denn "Licht" nun wirklich ?

Dies steckt in seiner Einsicht, dass wir jetzt zwar alles Mögliche über das Licht herausfinden und an ihm messen können, dass wir aber nicht mehr zu sagen vermögen, was es wirklich ist.

Wie soll man sich denn etwas vorstellen, das zugleich Welle und Teilchen sein kann? Wie kann man sich ein Bild von etwas machen, das sich so lange die beiden Möglichkeiten offenhält (und unbestimmt bleibt], bis eine Messung erfolgt, die etwa eine Wellenlänge - und mit ihr das Phänomen Licht - bestimmt ?

Neu war: Erklären, daß man es eben nicht erklären kann

Gar nicht, sagt Einstein, und das ist der Schock. Denn die Antwort bedeutet, dass wir nur erklären können, dass wir "Licht" nicht erklären können. Die Physiker können mit ihm anstellen, was sie wollen - und wir werden noch eine Menge ihrer Tricks und Vorrichtungen kennen lernen -, und sie können an ihm messen, was sie wollen. Dennoch können sie nicht sagen, was Licht wirklich ist.

Man muss diese Situation nicht negativ sehen und kann dem eben beschriebenen Sachverhalt eine positive Seite abgewinnen. Denn wenn wir nicht sagen können, was Licht ist, dann bleibt es ein Geheimnis, das uns keine Ruhe lässt. Und gibt es etwas Schöneres als das Gefühl für das Geheimnisvolle ?

Die Quantensprünge des Lichts - Bohrs Bahnen

Woher rühren die diskreten Energiewerte des Lichts? Wie kommen sie zustande? Wo finden denn Quantensprünge statt?

Die Antwort findet sich in den Vorstellungen, die Niels Bohr im Gefolge von Planck und Einstein über den Aufbau der Atome entwickelte. Als Planck und Einstein ihre erwähnten Vorschläge hinsichtlich des Quantums der Wirkung und der Doppelnatur des Lichts machten, glaubten die Physiker noch, dass Atome wie eine Art Rosinenteig zu verstehen seien.

Man wusste, dass es in Atomen negativ geladene Bausteine - die Elektronen - sowie positiv geladene Bereiche (Teile) gab, die sie festhalten mussten und das gesamte Gebilde nach außen neutral machten. So stellte man sich die Elektronen als Rosinen vor, die in einem Ladungsbrei (einer Art Pudding) steckten - bis ein Experiment mit diesem Bild aufräumte.

Ein Atom ist (und war) zweigeteilt

Um 1911 zeigte sich, dass das Atom zweigeteilt war, und zwar in einen Kern und eine Schale.

Im Atomkern befanden sich der größte Teil der Masse und die positive Ladung, und das Zentrum wurde von Elektronen umkreist. Das Atom sah demzufolge wie ein Planetensystem in Miniatur aus, und so stellen wir es uns vielfach bis heute noch vor.

Aber damit hatten die Physiker große Probleme, denn Elektronen, die auf einer Kreisbahn unterwegs sind, die durch ein elektrisches Feld führt - das der positiven Ladungen im Atomkern -, stellen so etwas wie einen Sender dar, der kontinuierlich Energie abstrahlt.

Wenn das aber der Fall ist, können die Elektronen ihre Bahn nicht halten. Sie bewegen sich vielmehr auf den Kern zu und stürzen in ihn hinein. Mit anderen Worten, das Modell des Planetensystems schien ebenso unbrauchbar wie das des Rosinenkuchens - bis Bohr kam und dasselbe wie Einstein machte.

Die Welt aus Atomen, Elektronen und Photonen

Er nahm Planck und seine Quantensprünge ernst und stabilisierte damit das Atom (und die Welt, die aus ihnen besteht).

Bohr nahm kühn und mutig an, dass es zwar die atomare Hülle mit kreisenden Elektronen gab, dass diesen negativen Bauteilen jedoch nicht alle Freiheiten zur Verfügung standen. Sie konnten sich nur auf separaten Bahnen befinden, und diese Konstruktion brachte zwei große Vorteile mit sich.

Diese Konstruktion konnte zum einen erklären, dass Atome Licht in Form von Photonen aussenden, wenn ein Elektron von einer Bahn zu einer anderen springt. Die Photonen tragen dann die Energie, die dabei erübrigt und freigesetzt wird.

Und zum anderen konnte diese Konstruktion verständlich machen, warum diese Anordnung - und damit die Materie - stabil ist, nämlich ausgerechnet durch das Quantum. Um ein Elektron aus einer Bahn zu werfen, benötigt es mindestens ein Quantum Energie (genauer: Wirkung}. Bleibt die Energie aus, bleibt das Elektron, wo es ist - und die Welt bleibt bestehen - so wie sie ist.

Ein Baustein zum Verstehen von Laserlicht

Natürlich konnte Bohrs Atommodell längst durch kompliziertere Konstruktionen abgelöst werden, was auch geschehen musste, da es noch zu stark mit anschaulichen Elementen durchsetzt war.

Bohrs Bahnen zeigen uns aber genau das, was für das Verstehen von Laserlicht wichtig ist, nämlich die Idee von atomaren Zuständen, die durch Quantensprünge getrennt sind.

In diesem Modell kann ein Atom nicht nur von einem höheren Zustand (mit größerem Energieniveau) in einen tieferen übergehen - was von selbst passieren kann. Man spricht dann von spontaner Emission.

Das "optische Pumpen"

Ein Atom kann auch durch Energiezufuhr von außen von einem niedrigeren Zustand (mit geringerer Energie) in einen höheren (mit entsprechend mehr Energie) gebracht werden.

Wenn dieser Vorgang sachdienlich durchgeführt wird, kann er zur Erzeugung von Laserlicht führen. Wenn die Energie dabei von einer Lichtquelle stammt, spricht man in der Wissenschaft vom "optischen Pumpen". Mithilfe dieses Verfahrens ist 1960 der erste Laserstrahl hervorgebracht worden.

Einsteins zweite Einsicht

Noch bewegen wir uns in den Jahren vor dem Ersten Weltkrieg (1914), in dessen Verlauf Einstein trotz aller politischen Unruhen in der Lage war, zwei große wissenschaftliche Ideen zu konzipieren, die als weltbewegend eingestuft werden müssen.

Uns interessiert vor allem der zweite Gedanke aus den Jahren 1916/17, der jedoch für Einsteins Zeitgenossen im Schatten der Erkenntnis stand, die heute als "Allgemeine Relativitätstheorie" bekannt ist, die die Wechselwirkung zwischen Materie einerseits und Raum und Zeit andererseits beschreibt und zum Verständnis des Kosmos und seiner Expansion beiträgt.

Einsteins ungewöhnliche Einsichten in das Weltall, das er 1915 als endlich und zugleich unbegrenzt vorstellte, konnten 1919 durch Vermessungen von Sonnenfinsternissen bestätigt werden - ein Erfolg, der den Beginn seines Wegs zum Weltruhm markierte.

Und als ob dies noch nicht genug sei, wies Einstein in dem genannten Zeitraum über das Geleistete hinaus noch auf eine Besonderheit der Strahlung (Lichtenergie) hin, die von Atomen ausgesendet wird. Damit beginnt die wissenschaftliche Geschichte des Lasers.

Die Suche nach der Erklärung für Plancks farbige Strahlen

Nach dem Abschluss der genannten Relativitätstheorie unternahm Einstein in den Jahren 1916/17 den Versuch, die Erklärung "abzuleiten", die Planck für das Auftreten der farbigen Strahlung bei erhitzten Körpern gegeben hatte.

Einsteins selbst gestellte Aufgabe, das Ableiten eines physikalischen Gesetzes von Planck, bestand darin, mit einem Modell des leuchtenden Materials zu beginnen und zu fragen, welche Eigenschaften die dort versammelten Atome haben mussten, um genau die Strahlung zu erzeugen, die im Experiment - also in der Wirklichkeit - nachgemessen worden war.

Einstein rechnete dabei mit Atomen, wie sie Bohr vorgeschlagen hatte. Das heißt, er versuchte, aus den Übergängen, die zwischen getrennten Elektronenbahnen erlaubt waren, und den Lichtenergien, die dabei freikamen, das Aussehen (Spektrum) der farbigen Strahlung vorherzusagen, die man beim Erhitzen beobachten kann und die von den Physikern präzise vermessen worden war.

7 Seiten : Ergebnisse und Einsichten zur Quantentheorie

1917 veröffentlichte Einstein eine nur sieben Seiten umfassende Arbeit, in der er seine Ergebnisse und Einsichten zur Quantentheorie der Strahlung vorstellte, und er kündigte in der Einleitung an, dass seine Abhandlung »über den für uns noch so dunklen Vorgang der Emission und Absorption der Strahlung durch die Materie einige Klarheit zu bringen scheint«.

Man kann darüber streiten, ob dieser Anspruch gerechtfertigt erscheint oder nicht. Es ist jedoch unbestreitbar, dass Einstein mit dieser Abhandlung einen neuen Gedanken in die Welt der Physik einführte, der heute in Lasern genutzt wird.

Einstein stellte nämlich fest, dass es neben der spontanen Aussendung von Strahlung eine zweite, höchst besondere Variante gibt, die zur Emission von Licht führt und die als erzwungene oder stimulierte Emission bezeichnet werden kann.

Dieser Vorgang findet statt, wenn einem Atom, in dem zuvor ein Elektron angeregt und in eine höhere Bahn befördert wurde, genau die Energie zugeführt wird, die dies bewirkt hat. In diesem Fall kann das Elektron nicht nur von selbst, sondern zusätzlich mithilfe dieser Stimulation in seinen Grundzustand zurückkehren.

Auch neu : »vollständig gerichtete Vorgänge«

Was zunächst nicht aufregend wirkt und bloß einem Vorgang, der Licht aussendet, einen zweiten an die Seite zu stellen scheint, der ebenfalls Licht aussendet, bekommt seine besondere Bedeutung durch Einsteins Hinweis, dass es sich hierbei um »vollständig gerichtete Vorgänge« handelt.

Nur unter dieser - intuitiv einleuchtenden - Annahme kann er nämlich sein Ziel erreichen und Plancks Strahlung verstehen. Das heißt aber, dass sich das Licht, das stimuliert wird, genauso bewegt wie das Licht, von dem es stimuliert wird.

Aus einem Lichtteilchen sind zwei Photonen geworden, die sich beide auf die
Suche nach anderen angeregten Atomen machen, die ebenfalls bereit sind, nach einer Stimulation Licht auszusenden.

Und genau so entsteht der Laserstrahl

Und so ahnt man, dass aus zwei Photonen vier, aus vier Photonen acht und dann immer mehr werden - 16, 32, 64, 128, ... 1024, ..., 13 1072, ... 4194304, ... 536870912 ... - und das Verdoppeln immer weiter geht, bis so viele Photonen unterwegs sind, dass man sie als Lichtstrahl sehen kann. So entsteht ein Laserstrahl - in der Theorie. Bis zur Praxis sollte es allerdings noch viele Jahrzehnte dauern.

Der Nobelpreis für Physik 2001

Wissenschaft verläuft weder störungsfrei noch gradlinig, und von Einsteins Idee führt leider kein direkter Weg zu dem Laserlicht der 1960er Jahre, obwohl dabei die stimulierte Emission genutzt und eingesetzt wurde, die er eingeführt hatte.

Warum mussten mehr als vierzig Jahre vergehen, um von Einsteins Vorschlag zur ersten konkreten Realisierung eines Lasers 1960 zu gelangen? Man kann sicher nicht dahingehend argumentieren, dass die Entwicklung ohne einen weiteren Beitrag von ihm auskommen musste.

Vielleicht finden wir eine Antwort, wenn wir im Folgenden die dazugehörige Geschichte erzählen, wobei wir vorwegnehmen wollen, dass Einsteins Name am Ende der aktuellen Laserforschung wieder aufgetaucht ist, und zwar als Folge von Überlegungen, die am Anfang standen.

Noch ein Herr Bose aus Indien - der 3. Bose bereits

Einsteins Ziel, Plancks Erklärung der Strahlung zu verstehen, haben zu seiner Zeit auch andere Physiker verfolgt, darunter der Inder Satyendra Bose. Als er 1924 meinte, Plancks Gesetz abgeleitet zu haben, schickte er sein Manuskript an Einstein, dem sogleich etwas Seltsames auffiel. Bose hatte seinen Erfolg durch etwas erkauft, was auf den ersten Blick wie ein Fehler aussah.

Er hatte die Atome so abgezählt, als ob man sie nicht unterscheiden könne, und rechnete mit ihnen wie mit Objekten, die anders waren als etwa Murmeln oder Eier.

Diese Gegenstände sehen zwar auch alle zum Verwechseln ähnlich aus, aber man kann sie nummerieren und dadurch auseinanderhalten. Die Physiker um Einstein waren bei Atomen ebenso vorgegangen und hatten den elementaren Bausteinen der Materie die Art von Identität zugebilligt, die sie allen Teilchen einräumten.

Mit den Atomen mußte man anders umgehen

Doch nun zeigte Boses Erfolg, dass man mit Atomen anders umgehen musste. Man verstand ihre Physik offenbar besser, wenn man sie als "un-unterscheidbar" einstufte.

Das blieb zwar unverständlich, aber für Einstein zählte das richtige Ergebnis, und so vermutete er, dass die fehlende Identifizierungsmöglichkeit ein Wesensmerkmal von Atomen und Elektronen ist.

Er dachte weiter darüber nach und sagte - zusammen mit Bose - das Vorhandensein eines Zustands voraus, bei dem unter bestimmten Vorgaben elementare Teilchen anfangen, sich völlig gleichartig zu verhalten. Sie wachsen zu einem Klumpen zusammen, der dem Anschein nach nicht mehr aus einzelnen Teilchen besteht.

Die Bose-Einstein-Kondensation

Heute spricht man von einer Bose-Einstein-Kondensation, und für ihren Nachweis wurde ihnen im Jahr 2001 der Nobelpreis für Physik verliehen. Die dazugehörigen Experimente konnten nur durchgeführt werden, weil geeignete Laser mit hoher Präzision zur Verfügung standen. Der Weg zu ihnen braucht seine Zeit. Wir werden ihn aber gehen - und dabei immer wieder Gelegenheit zum Staunen haben.

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