Tim James - Fundamental

Planck bemerkte, dass diese Energieverteilung mit dem übereinstimmte, was er bei seinen Experimenten mit Glühbirnen beobachtete. Wenn wir einen Gegenstand erwärmen, bewegt sich das abgestrahlte Licht um einen mittleren Energiewert, wobei ein paar Strahlen am unteren und oberen Ende herauskommen. Daher schlug Planck vor, dass die Energie zwischen Lichtstrahlen genauso aufgeteilt wird, wie Wärme unter den Teilchen in einem Gas aufgeteilt wird.

Der einzige Haken ist, dass das Gas-Wärme-Phänomen nur deshalb stattfindet, weil ein Gas in Teilchen aufgespalten ist. Wenn Plancks Idee funktionieren sollte, dann musste das Licht ebenfalls aus Teilchen bestehen.

Er bezeichnete diese winzigen Lichtkörnchen als »Quanten« vom lateinischen quantitas , was Quantität bedeutet, und fuhr ungestört mit seiner Arbeit fort.

Damit keine Missverständnisse entstehen, Planck behauptete nicht ernsthaft, dass Licht aus Teilchen bestand – das wäre absurd. Er wandte nur – weitgehend aus Verzweiflung – einen albernen mathematischen Trick an, um seinen Ergebnissen einen Sinn abzugewinnen. Jedermann wusste aufgrund von Youngs Experiment, dass Licht eine Welle war, die sich durch den Äther bewegt; wir hatten schon vor langer Zeit mit Newtons Korpuskel-Idee aufgeräumt.

Was Planck anging, so waren Lichtquanten nur die halbe Antwort, die nicht ernst genommen werden sollte. Daher war er natürlich verblüfft, als er einen Forschungsartikel erhielt, der nachwies, dass sie wirklich waren. Tatsächlich so starr wie eine Planke.

*Im Englischen gibt es die Wendung »to put the cart before the horse« (das Pferd von hinten aufzäumen) und »the cart« klingt so ähnlich wie »Descartes« (A. d. Ü.).

Bis 1905 hatte Planck seine Idee von Lichtteilchen schon weitgehend vergessen und arbeitete als Chefherausgeber für die Annalen der Physik , eine der angesehensten Physikzeitschriften der Welt. In dieser Position zu sein bedeutete, dass er eine Menge von windigen Vorschlägen erhielt, die an sein Posteingangsfach gesendet wurden. Die meisten davon entsorgte er.

Der Essay, den er im März jenes Jahres erhielt und der behauptete, dass Licht wirklich aus Teilchen bestand und nicht nur ein Schwindel war, um zu den richtigen Zahlen zu kommen, schien zunächst nichts als eine weitere verrückte Idee zu sein. Sie kam von einem unbekannten 26-jährigen Amateurphysiker aus der Schweiz, der die Befähigung zum Gymnasialunterricht und nur wenig mehr aufwies. Doch die Physik in dem Aufsatz war nicht nur makellos, sondern löste auch noch ein anderes Rätsel, das man schon jahrelang zu beantworten versucht hatte.

Planck konnte es anfangs nicht glauben und schickte sogar seinen Assistenten in die Schweiz, um zu überprüfen, ob dieser »A. Einstein« echt war und nicht jemand, der unter einem Pseudonym schrieb, um Spott zu vermeiden. 11Als er feststellte, dass Einstein tatsächlich ein wirklicher Mensch war (wenn auch ein ziemlich unerfahrener – er hatte noch nicht einmal einen Doktorgrad), veröffentlichte Planck seinen Aufsatz sofort. Seine lächerliche Idee mit den Lichtquanten war vielleicht am Ende doch nicht so lächerlich.

Einsteins Aufsatz handelte von etwas, das als fotoelektrischer Effekt bezeichnet wird. Einfach ausgedrückt: Wenn man Licht auf ein reines Stück Metall strahlt, können Elektronen auf der Außenseite der Metallatome herausgeschlagen werden und von der Oberfläche wegfliegen.

Der Grund dafür ist, dass Elektronen Licht absorbieren und, wenn der einlaufende Strahl eine ausreichende Energie hat, ein Elektron dieses Licht absorbieren und losgeschlagen werden kann. Das ist zwar an sich nicht so überraschend, aber was überraschend ist , ist die Tatsache, dass das nicht bei jeder Farbe geschieht.

Jedes Metall ist einzigartig, aber im Allgemeinen haben rotes, oranges und gelbes Licht keine Wirkung auf eine Metalloberfläche, wohingegen grünes, blaues und violettes Licht zur Abgabe von Elektronen führen. Grünes, blaues und violettes Licht enthalten mehr Energie als rotes, oranges und gelbes Licht; das ergibt also einen Sinn. Seltsam ist jedoch, dass, wenn man die Helligkeit von rotem Licht erhöht (bis es einem blauen Licht gleicht), nichts passiert.

Wir messen die Quantenenergie in Einheiten, die als Elektronenvolt bezeichnet werden (abgekürzt durch eV), und ein rotes Licht von 10 eV enthält denselben Energiebetrag wie ein blaues Licht von 10 eV. Wie kommt es also, dass rotes und blaues Licht gleicher Energie nicht dieselbe Wirkung haben? Sind 10 eV von rotem Licht nicht dasselbe wie 10 eV von blauem Licht? Einstein zeigte, dass das nicht der Fall wäre, wenn man Plancks Quantentheorie ernst nähme. Zehn ist nicht immer gleich zehn.

Stellen Sie sich vor, dass jemand einen Apfel mit ausgestrecktem Arm hält. Wenn Sie mit einer Wasserpistole auf den Arm dieser Person spritzen (fragen Sie nicht, warum Sie das tun, so funktionieren Vergleiche in der Physik), wird der Apfel so lange an seinem Ort bleiben, bis Sie die Intensität zu einem kräftigen Strahl erhöhen. An diesem Punkt kann die Wasserenergie den Griff der Hand überwinden, und der Apfel fliegt in die Luft.

Genauso ist ein Elektron an sein Atom mit einem bestimmten Energiebetrag gebunden, und wenn wir die Helligkeit des einlaufenden Lichtes erhöhen, sollten wir es schließlich losschlagen, und zwar unabhängig davon, mit welcher Farbe wir es zu tun haben. Im Labor erhalten wir jedoch nicht dieses Ergebnis, weshalb wir unsere Theorie wieder umkrempeln und etwas Neues ausprobieren müssen.

Wenn wir unseren roten Strahl betrachten und uns vorstellen, dass er in kleine Stückchen zerhackt ist, wie Planck vorschlug, dann wird jedes Stückchen einen bestimmten Energiebetrag enthalten. Ein Strahl von blauem Licht lässt sich natürlich in dieselbe Anzahl von Stückchen zerhacken, aber jedes einzelne wird mehr Schlagkraft haben.

Anstatt sich die Lichtenergie als einen nahtlosen Wasserstrahl vorzustellen, müssen wir im Sinne von Teilchen denken. Rote Lichtquanten wären etwa so wie Tischtennisbälle. Wenn man einen Tischtennisball auf die Hand einer Person feuert, wird der Apfel sich nicht bewegen, auch wenn man die Intensität erhöht. Man kann einen ganzen Eimer Tischtennisbälle auf die Versuchsperson werfen, aber da jede Interaktion zwischen Apfel und Ball gering ist, bewegt sich nie etwas, gleichgültig wie viel Licht es gibt.

Im Gegensatz dazu ist ein Quant von blauem Licht eher so wie eine Kanonenkugel. Wenn Sie ein einzelnes blaues Teilchen auf die Person feuern, die Ihren Apfel hält, wird es den Apfel wegschlagen und wahrscheinlich auch die Hand. Suchen Sie Ihre Versuchsperson sorgfältig aus.

Hundert Tischtennisbälle haben vielleicht dieselbe Gesamt energie wie eine einzige Kanonenkugel, aber die Kanonenkugel wird leicht mehr Wirkung haben. Daher ist die Gesamtenergie eines Lichtstrahles irrelevant, wenn er in Teilchen aufgespalten ist; alles, was zählt, ist die Farbe. Und genau das beobachten wir auch.

Einstein zufolge hat Plancks Quantentheorie des Lichtes eine wirkliche physikalische Bedeutung. Sie war nicht nur ein Mittel, um uns nahe an die Antwort heranzubringen, sie war buchstäblich die Antwort selbst. Licht besteht am Ende doch aus Teilchen. Bald nach Einsteins Beweis beschloss der Chemiker Gilbert Lewis, dass diese Teilchen einen eingängigeren Namen als »Lichtquanten« haben sollten, und er begann, das Wort »Photon« (griechisch für Licht) zu verwenden, das jetzt hängen geblieben ist. 12

Sowohl Planck als auch Einstein erhielten Nobelpreise für ihren neuen Ansatz in der Physik des Lichtes, jeweils 1918 und 1921. Gilbert Lewis bekam leider keinen Nobelpreis, aber er hatte einen fantastischen Schnurrbart, und die Erfindung des Wortes »jiffy« (Sekundenschnelle) wird ihm zugeschrieben, insofern hatten alle etwas gewonnen.