Tim James - Fundamental

Dem Material, das der Träger dieser Wellen ist und das Descartes »Plenum« genannt hatte, wurde ein ausgefallenerer Name gegeben – (lichtspendender) Äther –, und das Wesen des Lichtes war schließlich entschieden.

Descartes’ Idee war zwar gewiss ihrer Zeit voraus, aber sie wurde so lange nicht akzeptiert, wie es keinen experimentellen Beweis gab. Das ist eine eindringliche Erinnerung daran, dass man Descartes nicht vor das Pferd spannen kann. Der Witz tut mir fast leid. *Fast.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts stellte niemand mehr infrage, woraus Licht bestand. Young hatte es entschieden. Es gab jedoch ein paar Dinge, die nicht recht zusammenpassten, wobei das Bedeutendste in der Frage bestand, was geschieht, wenn Licht mit einem heißen Gegenstand interagiert. Um dieses Rätsel zu verstehen, müssen wir über Schläuche sprechen.

Stellen Sie sich einen Schlauch vor, dessen Tülle am Boden einer Kiste befestigt ist. Wenn wir das Wasser aufdrehen, wird sich die Kiste allmählich mit Wasser füllen, bis sie nicht mehr standhalten kann. Aber angenommen, wir bohren drei Löcher in den Deckel – ein kleines, ein mittleres und ein großes.

Wenn wir das Wasser jetzt aufdrehen, wird es zwar wie gewöhnlich ansteigen, aber dann anfangen, aus den Löchern im Deckel zu laufen. Offensichtlich kommt das meiste Wasser aus dem größten Loch und nur ein spärliches Rinnsal aus dem kleinsten. Der Bau einer solchen Vorrichtung wäre zwar etwas witzlos, aber es passiert hier nichts Unverständliches. Wir pumpen Wasser am Boden hinein und es läuft aus den Löchern im Deckel heraus.

Das ist eine recht gute Methode, um sich zu veranschaulichen, warum ein Gegenstand glüht, wenn er heißer wird. Wenn irgendein Gegenstand sich erwärmt, wird die Wärmeenergie absorbiert, und zwar so lange, bis der Gegenstand genug aufgenommen hat, zu welchem Zeitpunkt sie anfängt, in Form von Licht zu entweichen.

Der Schlauch in dem Vergleich stellt Wärme dar, die dem Gegenstand zugeführt wird, und die Löcher stehen für verschiedene Typen von Licht, die abgestrahlt werden können. Das kleinste Loch stellt infrarotes Licht dar (das zu wenig Energie besitzt, um sichtbar zu sein), das mittlere Loch stellt sichtbares Licht dar (von rot bis violett) und das größte Loch repräsentiert ultraviolettes Licht (das zu viel Energie besitzt, um sichtbar zu sein).

Dunkel gefärbte Gegenstände neigen dazu, diesen Umwandlungsprozess von Wärme in Licht am effektivsten zu vollziehen, da sie die ganze Energie absorbieren, die auf sie trifft, und daher wird ein theoretisch perfekter Wärmeabsorbierer in der Fachsprache der Physik als »Schwarzkörper« bezeichnet (selbst wenn er nicht buchstäblich schwarz ist).

Das Ganze wird durch eine einfache Gleichung angemessen beschrieben, die als Rayleigh-Jeans-Gesetz bezeichnet wird und die eine gute Näherung darstellt, insbesondere bei kalten bis gemäßigten Temperaturen. Wenn es jedoch glühend heiß wird, geschieht etwas wirklich Sonderbares.

Logischerweise sollte das meiste Licht, das von einem heißen Gegenstand ausgestrahlt wird, in Form von Ultraviolett erscheinen, weil das das Licht mit der höchsten Energie ist (das größte Loch in unserem Vergleich mit der Kiste). In Wirklichkeit kommt jedoch fast alles Licht aus dem Gegenstand mit einem mittleren Wert heraus.

Es gibt zwar auch ein bisschen Infrarot und ein bisschen Ultraviolett, aber der größte Teil des Lichtes, das von einem heißen Gegenstand abgestrahlt wird, sprudelt als Gelborange aus ihm heraus, was keinerlei Sinn ergibt. Es wäre so, als ob wir unsere Kiste mit Wasser füllten und alles dann aus dem mittleren Loch herausflöße anstatt aus dem großen.

Tatsächlich ist die wirkliche Situation noch verwirrender als unser Vergleich mit den drei Löchern; weil das wirkliche Licht jede beliebige Energie aufweisen kann, anstatt auf nur drei Typen beschränkt zu sein. Ein genaueres Bild könnte darin bestehen, dass man sich einen Spalt vorstellt, der entlang des Deckels der Kiste eingeschnitten ist, und dann feststellt, dass das Wasser nur aus der Mitte des Schlitzes herausquillt und die Enden irgendwie ignoriert.

Der Physiker Paul Ehrenfest bezeichnete dieses Problem als »Ultraviolett-Katastrophe« 8, und seither nennt man es in Physikbüchern die berüchtigte »Ultraviolett-Katastrophe«.

In dieser Situation haben wir eine fehlende Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment, und in der Naturwissenschaft ist es immer die Theorie, die geändert werden muss. Man hat einem Experiment nicht zu sagen, welche Ergebnisse es hervorbringen soll. Wenn Ihre Theorie also die Daten, die Sie wirklich erhalten, nicht vorhersagt, dann heißt das, dass Sie sich von Ihrer Theorie verabschieden müssen.

Die Katastrophe ergab sich daraus, dass wir anscheinend falsche Vorstellungen davon hatten, wie Lichtenergie funktioniert, aber niemand hätte ahnen können, dass ein leichtes Überdenken dieser Vorstellungen auf den Weg zur Quantenrevolution führen würde. Obwohl der Mann, der die Antwort entdeckte, nicht versuchte, irgendetwas so Radikales zu tun. Er wollte nur eine billige Glühbirne.

Max Planck war das jüngste von sechs Kindern und schloss das Gymnasium 1875 ab, ein Jahr vor seinen Klassenkameraden. Er bewarb sich für ein Physikstudium an der Universität München, aber der Mann, der seine Bewerbung begutachtete, Professor P. von Jolly (ein echter Name), versuchte, ihm abzuraten, weil die Physik fast abgeschlossen war und es sich um eine Verschwendung von Plancks Intellekt handeln würde. 9

Obwohl Jolly dermaßen ernst war, machte Planck keinen Rückzieher und bestand darauf, das Fach zu studieren, das er wollte. Ihm lag nicht daran, etwas Neues zu entdecken, weil er kein Interesse an Vermächtnissen hatte. Er wollte nur verstehen, wie die Welt funktionierte, und würde eine ablehnende Antwort nicht akzeptieren. Planck gab nicht klein bei.

Jolly war so beeindruckt von dieser hartnäckigen Haltung, dass er schließlich beschloss, Planck zuzulassen, und bald schon wurde dieser zu einer der am meisten verehrten Figuren des europäischen Physikerkreises. Seine Vorlesungen waren angeblich so beliebt, dass die Leute sich in der Regel Schulter an Schulter drängten, um ihn sprechen zu hören, und es gibt Berichte darüber, dass Zuhörer, die von der Wärme ohnmächtig geworden waren, von allen anderen ignoriert wurden, damit Planck zu Ende sprechen konnte.

Es war dieser Ruf, der ihm die Aufmerksamkeit des deutschen Eichamts einbrachte, das anfragte, ob er bei dessen Projekt mithelfen wolle, Deutschland mit elektrischer Straßenbeleuchtung auszustatten. Elektrizität war in anderen Ländern zwar schwer in Mode, aber sie war teuer, und das Eichamt wollte die effektivste Beleuchtungsmethode herausfinden. Planck nahm die Einladung bereitwillig an und begann mit der Arbeit, indem er die Beziehung zwischen Wärme und Licht bei einer heißen Glühbirne untersuchte. 10

Der Glühfaden einer solchen Birne ist tatsächlich ein »Schwarzkörper«. Während er von innen erwärmt wird, absorbiert die äußere Oberfläche alle Energie und strahlt sie wieder als Licht ab, vor allem als sichtbares Licht. Wenn er jedoch heißer wird, beginnt er nicht, die Arten von Licht hervorzubringen, die vom Rayleigh-Jeans-Gesetz vorhergesagt werden, weshalb Planck beschloss, ein neues Gesetz zu erfinden, eines, bei dem er sich die Lichtenergie als eine Art von Gas vorstellte.

In einem Gas gibt es eine Gruppe von Teilchen, die wahllos herumfliegen, und wenn sie zusammenstoßen, wird ihre Wärme aufgeteilt. Durch bloßen Zufall haben manche Teilchen eine niedrige Energie und manche haben eine hohe Energie, aber die meisten konvergieren auf einen mittleren Wert – was wir als Temperatur bezeichnen.