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4.4 Was ist Licht?

Das Licht mit Elektromagnetismus zusammenhängt wurde zuerst von Michael Faraday im Jahre 1845 entdeckt. Bei dem nach ihm benannten Faraday-Effekt kann beobachtet werden, wie der Einfluss eines starken Magnetfeldes die Polarisationsrichtung von Licht verändert. Einige Jahre später wurden dann die nach James Clerk Maxwell benannten Grundgleichungen der Elektrodynamik vollendet. Dabei zeigte sich, dass es in der klassischen Elektrodynamik Wellen geben muss, die sich in jedem Bezugssystem genau mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Damit schien klar, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist.

Bald stellte sich aber heraus, dass Licht auch einen Teilchencharakter besitzt. Heute gilt insbesondere der Photoelektrische Effekt, welcher 1886 von Wilhelm Hallwachs entdeckt wurde, als der erste entscheidende Beweis dafür (Eigentlich ist bereits der Faraday-Effekt ein deutlicher Hinweis). Max Planck's Arbeit zum temperaturabhängigen Strahlungsspektrum des Schwarzen Körpers aus dem Jahre 1900 zeigte dann, dass die Hohlraumstrahlung aus diskreten Energiepaketen zu bestehen scheint und die Energie dieser Quanten zur Frequenz des Lichtes proportional ist. Im Allgemeinen wird dies als die Geburtsstunde der Quantenmechanik betrachtet. Heute, also in der Standardphysik, stellt man sich Licht als eine Art Feld von diskreten waveletartigen Objekten vor, die Photonen genannt werden.

Es gibt zahlreiche weitere Experimente, die den Teilchencharakter des Lichtes eindrucksvoll belegen. Diese sollen hier nicht dargestellt werden. Stattdessen wird auf die ausgezeichnete Website www.leifiphysik.de verwiesen und stattdessen lediglich gezeigt, wie sich das Phänomen Licht mit all seinen Aspekten im Rahmen der Quantinotheorie in einer anschaulichen und physikalischen Weise erklären lässt, wie man es sonst nur bei Alltagseffekten gewohnt ist.

4.4.1 Photonenbeschleunigung

Abbildung 4.4.1.1: Das elektrische Feld eines schwingenden Dipols aus der Perspektive einer ruhenden Zielladung. Die Pfeile kennzeichnen Kraftwirkungen auf neutrale Dipole in der Umgebung (Photonen).
Wie in Abschnitt 2.7 erläutert wurde, strahlt ein oszillierender Dipol eine Quantinowelle ab. Diese Welle breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit in alle Richtungen aus, wobei ihre Frequenz der Schwingungsfrequenz des Dipols entspricht. In Abschnitt 2.12 wurde dann geschlussfolgert, dass sich auch das Vakuum wie ein Dielektrikum verhalten muss, um zu den Maxwellgleichungen zu gelangen. Es wurde dann postuliert, dass sich überall im Vakuum masselose, neutrale, elektrische Dipole aufhalten und dass diese Dipole Photonen sind.

An dieser Stelle schließt sich der Kreis. Das damals aufgestellte Postulat zur Erklärung der Dämpfung von Longitudinalwellen und zur Verstärkung von Transversalwellen führt nun automatisch und zwanglos zum Teilchenaspekt des Lichts. Betrachtet man nämlich die Primärwelle eines schwingenden Dipols genauer und berücksichtigt, was in Abschnitt 4.2 erklärt wurde, so erkennt man sofort, dass der schwingende Dipol auf Photonen anziehend wirkt, wenn sich diese nahe der Schwingungsachse aufhalten. Der Grund für diese Anziehung ist die ponderomotorische Kraft, die auch schon als wesentlicher Aspekt bei der Entstehung von Teilcheninterferenzmustern ausgemacht wurde.

Befindet sich ein Photon jedoch quer zur Schwingungsachse, so wird es abgestoßen. Um den Effekt zu verstehen, muss man sich klarmachen, dass Photonen an dieser Stelle immer 180° phasenverschoben zur Quelle schwingen. Wenn sich also die negative Ladung im Quellendipol nach oben bewegt, so bewegt sich die negative Ladung beim Photon nach unten. Die Schwingungen in beiden Dipolen können auch als Wechselströme verstanden werden. Es wirkt daher eine Lorentzkraft. Und da die Ströme immer zueinander entgegengerichtet sind, ist diese Kraft abstoßend. In der Animation 4.4.1.1 sind die Kraftwirkungen des schwingenden Dipols auf Photonen durch Pfeile gekennzeichnet. Man erkennt sofort, dass sich eine Dipol- oder Photonenströmung herausbilden muss, da der schwingende Quellendipol Photonen senkrecht zur Schwingungsachse ansaugt und dann quer zur Schwingungsrichtung wegschleudert.

Abbildung 4.4.1.2: Sich scheiben- oder strahlförmig ausbreitende elektromagnetische Transversalwellen wirken anziehend und in Ausbreitungsrichtung beschleunigend auf Photonen.
Die Animation 4.4.1.2 zeigt die Wirkung einer elektromagnetischen Welle auf einen einzelnen Dipol. Es wird deutlich: Licht ist keinesfalls nur eine elektromagnetische Welle, sondern insbesondere auch eine Partikelstrahlung. Bei sehr vielen Photonen wird die Bedeutung der Trägerwelle zunehmend kleiner, während die der Sekundärwellen immer größer wird. Es kann davon ausgegangen werden, dass sich letztlich eine Art thermodynamisches Gleichgewicht bildet.

Abbildung 4.4.1.2 verdeutlicht aber nicht nur den Beschleunigungsprozess der Photonen in der elektromagnetischen Welle. Sie erklärt auch, weshalb die Energie der Photonen proportional zur Frequenz der Welle ist. Der Grund besteht darin, dass die Photonen in Ausbreitungsrichtung durch die Lorentzkraft um so stärker beschleunigt werden, je schneller sie schwingen. Die Schwingungsgeschwindigkeit ist jedoch proportional zur Frequenz der Trägerwelle.

Ein aufmerksamer Leser wird vielleicht festgestellt haben, dass das Photon in Abbildung 4.4.1.2 nicht synchron zur dargestellten Trägerwelle schwingt. Das liegt daran, dass ein sich bewegender Dipol die elektrische Trägerwelle anders wahrnimmt, als ein ruhender Beobachter. Auch für ein bewegtes Photon hat die Trägerwelle nämlich immer genau Lichtgeschwindigkeit! Die Ursache dafür ist, dass in der Quantinotheorie eine Quantinowelle mit vielen verschiedenen Phasengeschwindigkeiten gleichzeitig existiert, aber immer nur die Welle maximale Wirkung besitzt, die im jeweiligen Bezugssystem gerade Lichtgeschwindigkeit aufweist. Wenn dem Leser das noch unklar sein sollte, in den Abschnitten 2.4 und 2.5 werden diese Zusammenhänge genau dargelegt.

Es wird weiterhin angemerkt, dass zunächst auch nichts gegen überlichtschnelle Photonen spricht. Allerdings werden solche schnellen Photonen kaum noch eine Wirkung auf Materie ausüben können, da sie sich aus der Perspektive eines ruhenden Beobachters von ihrem eigenen elektrischen Feld trennen. Eine Wechselwirkung ist nur noch dann zu erwarten, wenn eine Einheitsladung direkt als Volltreffer auf eine andere Einheitsladung trifft. Es könnte sehr gut möglich sein, dass es sich bei Neutrinos nur um überlichtschnelle Photonen handelt.

4.4.2 Nomenklatur

Es ist notwendig an dieser Stelle anzumerken, dass die Nomenklatur der Standardphysik dringend angepasst werden muss. Bisher werden die Bezeichnungen "Licht", "Photonen" und "elektromagnetische Welle" synonym gebraucht. In der Quantinotheorie müssen und können diese Begriffe klar voneinander abgegrenzt werden:
  1. Quantinowelle: Ist eine sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitende Feldstärkeschwingung ohne die Wirkung des umliegenden Dielektrikums.
  2. Elektromagnetische Welle: Ist die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreitende Feldstärkeschwingung unter Berücksichtigung der Wirkung eines (immer vorhandenen) Dielektrikums, aber ohne den Partikelaspekt, der durch die enthaltenen Photonen entsteht.
  3. Licht: Ist eine elektromagnetische Welle einschließlich der enthaltenen Photonen.
  4. Photon: Ist eine neutraler, elektrischer Dipol, welcher durch eine elektromagnetische Welle zum Schwingen angeregt werden kann. Ein Photon besitzt keine schwere, jedoch träge Masse. Diese träge Masse könnte wegen der beim Schwingen auftretenden Ladungstrennung möglicherweise frequenzabhängig sein.
Licht ist also durchaus eine elektromagnetische Welle, aber eine elektromagnetische Welle ist noch kein Licht.