Physik extrem

Licht lässt sich perfekt manipulieren: Mit ihm kann man schneiden, heizen oder rechnen, und demnächst soll es sogar unsere Computer antreiben. Dennoch hat bis jetzt noch niemand vollkommen verstanden, was Licht wirklich ist.

Den Rest des Lebens möchte ich damit zubringen, darüber nachzudenken, was Licht ist.« Das sagte Albert Einstein, der für die Aufklärung des Charakters von Licht 1921 den Nobelpreis erhielt. Doch am Ende seines Lebens stellte er resigniert fest: »Fünfzig Jahre intensiven Nachdenkens haben mich der Antwort auf die Frage: ›Was sind Lichtquanten?‹ nicht näher gebracht. Natürlich bildet sich heute jeder Wicht ein, er wisse die Antwort. Doch da täuscht er sich.«

Mehr als ein halbes Jahrhundert nach Einsteins pessimistischer Aussage sind wir leider nicht viel weiter. Das Licht, überall vorhanden, scheinbar überall sichtbar, leicht manipulierbar, verweigert uns immer noch sein Geheimnis. So hartnäckig entzieht es sich dem Durchschautwerden, dass die renommierte Max-Planck-Gesellschaft Anfang 2009 ein neues Institut gründete: das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts. Komplizierte Theorien wie die Quanteninformationstheorie und Details der optischen Kommunikation sollen dort untersucht werden.

Auf der ganzen Welt stellen Forscher wundersame Dinge mit Licht an: Sie bündeln es, bis es heißer wird als die Sonne; sie bremsen es ab, bis es langsam wird wie ein Spaziergänger; sie teilen Lichtteilchen in siamesische Geschwister, die miteinander verbunden bleiben, obwohl sie lichtschnell auseinanderrasen. Es gelingt ihnen sogar, Lichtteilchen durch die Luft zu »beamen« oder sie als Bausteine neuartiger Computer zu verwenden. Doch hinter all den Erfolgen bleibt seltsamerweise die wahre Natur des Lichts ein großes, ungelöstes Rätsel.

Sein größtes Geheimnis versteckt sich hinter seiner Doppelnatur. Durch sie entwischt uns das Licht wie ein nasses Stück Seife. Die Doppelnatur findet sich sogar in unserer Sprache: Mal sprechen wir von Lichtstrahlen, mal von Lichtwellen. Sprechen wir von Strahlen, so meinen wir Gebilde, die aus winzigen Teilchen bestehen (Korpuskular-, Partikel-, Teilchencharakter des Lichts). Sprechen wir von Lichtwellen, weisen wir darauf hin, dass Licht aus immateriellen Schwingungen besteht. Zwei unvereinbare Auffassungen, die sogar gleichzeitig gelten können.

Nehmen wir einen der einfachsten und tiefgründigsten Versuche, den Doppelspaltversuch; nach Richard Feynman, einem anderen Physik-Nobelpreisträger, ist er der Schlüssel zum Verständnis von Licht und Quanten: »Das Doppelspaltexperiment enthält das ganze Geheimnis der Quantenmechanik. Sämtliche Paradoxien, Rätsel und Absonderlichkeiten der Natur sind darin enthalten. Bei jeder x-beliebigen anderen Situation in der Quantenmechanik genügt dann der Hinweis: Sie erinnern sich an das Experiment mit den zwei Löchern.«

Beim Doppelspaltversuch schickt man Licht durch eine Barriere mit zwei Spalten oder Löchern. Auf einem Schirm dahinter entdeckt man ein Streifenmuster, wie es bei der Überlagerung von Wellen entsteht (»Interferenzstreifen«). Die Muster entstehen dadurch, dass Wellen einander verstärken oder auslöschen. Den Versuch kann man ganz ähnlich auch mit Wasserwellen durchführen und erhält dabei ebenfalls Interferenzstreifen. Deckt man einen Spalt ab, ergibt sich in beiden Fällen ein anderes Muster, das »Streumuster«.

So weit, so gut. Doch die Technik ist inzwischen so raffiniert, dass man einzelne Lichtteilchen (Photonen) durch die Apparatur schicken kann. Und siehe da: Auch hier gibt es ein Interferenzmuster. Zwar hinterlässt ein einzelnes Lichtteilchen nach dem Durchgang durch den Doppelspalt nur einen einzelnen Auftreffpunkt auf dem Schirm. Doch schickt man Einzelteilchen nach Einzelteilchen hindurch, endet jedes Teilchen an einem anderen Auftreffpunkt, und all diese Punkte zusammen zeigen das alte Interferenzmuster, das man vom Wellenversuch kennt.

Interferenz entsteht also schon mit einem einzelnen Teilchen. Aber was überlagert sich da mit was? Kann ein einzelnes Teilchen durch zwei Spalte zugleich schlüpfen? Noch erstaunlicher wird die Sache, wenn man das gleiche Experiment mit Elektronen statt Photonen durchführt. Auch hier entstehen Interferenzmuster. Auch das Elektron kann sich wie eine Welle benehmen; auch Materie hat eine Doppelnatur. So ist das Geheimnis des Lichts zugleich das Geheimnis der Materie und damit der gesamten Existenz!

Aber was ist so schwer daran, Licht zu erkunden? Es erscheint uns doch im Alltag und macht unser Leben überhaupt erst möglich. Da gibt es eine überraschende Tatsache, die die wenigsten kennen: Licht leuchtet nicht, im Gegenteil – es ist unsichtbar! Um das zu beweisen, präsentiert der Physiker Arthur Zajonc ein ebenso einfaches wie überraschendes Experiment: Ein schwarz bemalter Glaskasten ohne Inhalt wird vom Strahl einer starken Bogenlampe durchstrahlt. Der Kasten ist voll Licht – doch die verblüfften Zuschauer sehen nichts! Sie blicken nur in einen vermeintlich leeren Kasten.

Um ihnen zu zeigen, dass Licht dennoch im Übermaß vorhanden ist, schiebt Zajonc durch einen Spalt einen Stab in den Kasten: Der Stab strahlt fast unangenehm hell. Zieht man ihn heraus, herrscht wieder absolute Schwärze. Denn Licht ist nur wahrnehmbar, wenn es von Materie absorbiert, also vernichtet wird – zum Beispiel auch von den Rezeptoren unserer Netzhaut. In den meisten Fällen wird Licht »wiedergeboren«: Der Stoff, der die Photonen eingefangen hat, sendet dafür andere Photonen aus. Darum sehen wir Gegenstände. Oder wir nehmen Licht direkt wahr: Dann haben die Photonen in den Rezeptoren unserer Netzhaut Elektronen herausgeschlagen und so einen Strom produziert, der vom Gehirn wahrgenommen wird.

Licht spielt auch in Religionen eine große Rolle. Oft ist die Rede vom »ewigen Licht«. Aber lebt Licht, von sich aus betrachtet, wirklich ewig? Solche Fragen sind nicht etwa typisch für weltabgewandte Mystiker, sondern für Albert Einstein. Der begann seine physikalische Karriere mit der Vorstellung, auf einem Lichtstrahl zu reiten. Und wenn seine Formeln stimmen, dann hat Licht, von innen her gesehen, überhaupt keine Existenz. Denn die relativistische Zeitdehnung ist bei Lichtgeschwindigkeit so groß, dass das Photon in dem Augenblick stirbt, da es geboren wird. Seine »Eigenzeit« ist gleich null.

Und wie steht es mit Licht, das langsamer läuft, beispielsweise in Glas oder Wasser? Auch hier eine Überraschung: Licht läuft immer mit seiner Geschwindigkeit im Vakuum, die von den Physikern als c0 (»c-null«) bezeichnet wird. Dass es uns langsamer erscheint, ist eine optische Täuschung. Trifft Licht nämlich auf ein »optisch dichtes« Medium, werden die Photonen immer wieder von Molekülen absorbiert und kurz darauf neu erschaffen: Das Photon trifft mit einem Molekül zusammen – und verschwindet aus der Welt. Zurück bleibt ein Molekül, das sich in einem energetisch angeregten Zustand befindet. Nach sehr kurzer Zeit gibt das Molekül die gespeicherte Energie wieder frei, und ein neues Photon entsteht – das mit voller Geschwindigkeit weiterrast. Da auch scheinbar dichte Materie zu 99,999 Prozent aus leerem Raum besteht, hat das Licht genug Platz zum Rasen. Weil wir von außen jedoch nur den Netto-Effekt beobachten, meinen wir, das Licht laufe langsamer.

Gänzlich seltsam verhält sich Licht allerdings, wenn man es in ein Bose-Einstein-Kondensat schickt, ein Gas, das bis nahe an den absoluten Nullpunkt abgekühlt ist. Dann kann man Licht sogar komplett stoppen, speichern und es zu einem anderen Zeitpunkt wieder freisetzen. Das Kunststück gelang der dänischen Physikerin Lene Hau mit Laserstrahlen: Das Licht verlangsamt sich in dem Gas bis auf »angenehme Fahrradgeschwindigkeit« und stoppt schließlich sogar ganz. Das Bose-Einstein-Kondensat wird nun zu einer materialisierten Form des Lichts: Energie und Information eines kompletten Laserstrahls sind in der Materie gespeichert. Man kann das Kondensat herumtransportieren und das Licht an anderer Stelle wieder in die Freiheit entlassen – niemand wird dem Licht ansehen, was ihm zwischenzeitlich widerfahren ist.

Welche Bedeutung Licht für unser Leben hat, ist allen klar. Ohne Licht gäbe es nichts, alles Lebendige und vielleicht sogar die ganze Welt entsteht aus dem Licht. Doch Licht scheint noch viel tiefer mit unserem Leben verknüpft zu sein, als wir gewöhnlich meinen. Der Physiker und Krebsforscher Fritz-Albert Popp beschäftigt sich seit über zwei Jahrzehnten mit einem Phänomen, das von der klassischen Wissenschaft nicht anerkannt ist: Er meint, sogenannte »Biophotonen« entdeckt zu haben. Schon in den 1920er Jahren hat der russische Biologe Alexander Gurwitsch bei Experimenten mit keimenden Zwiebeln eine außerordentlich schwache Strahlung beobachtet, die später auch von italienischen, australischen und deutschen Forschern gefunden wurde.

Diese Strahlung, so Popp, dient dem Informationsaustausch. Sie zeige, dass es im Inneren von Zellen stehende Lichtwellen gebe, und Biophotonen wären ein Hinweis auf die Frische von Nahrungsmitteln. Mit anderen Worten: Nicht nur Vitamine und Mineralstoffe sind wichtig, wenn wir etwas essen. Lebensmittel brauchen auch noch einen Rest »Lebenslicht«, damit sie uns ernähren können. Gurwitschs und Popps Ideen wurden von der Wissenschaft nicht anerkannt (obwohl die Strahlung nachweisbar ist), hatten aber viel Erfolg bei Esoterikern und Alternativmedizinern.

Und was ist nun das Geheimnis des Lichts? Auch Professor Gerd Leuchs, Leiter der Abteilung »Optik und Information« des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts, kann sein Geheimnis nicht lüften. Als echter Wissenschaftler rät er aber zur Vorsicht und nimmt als Beispiel ein Fahndungsfoto. Dort sieht man den Gesuchten von vorn und im Profil, zwei Ansichten, die scheinbar wenig miteinander zu tun haben und erst in ihrer Kombination das Gesamtbild ergeben. Genauso ist es seiner Ansicht nach mit dem Licht: Seine Doppelnatur entspricht dem Doppelporträt. Die wahre Natur des Lichts bleibt uns verborgen, und wir können nur versuchen, es formelmäßig und durch Experimente, also theoretisch und praktisch, zu erfassen.

Dabei hilft der technische Fortschritt. Inzwischen können wir einzelne Photonen erzeugen und nachweisen; wir können sie zur Interferenz bringen, auch wenn sie von verschiedenen Quellen stammen; wir können ins Innere von Atomen blicken. So wird es auch eines Tages experimentell gelingen, die Frage zu beantworten: Wie kann ein winziges Atom als Antenne für die Aufnahme einer Lichtwelle dienen? Eine Frage, die auch praktischen Wert hat, zum Beispiel bei der Benutzung von Licht als Informationsträger. Doch seltsamerweise lassen alle praktischen Erkenntnisse die wahre Natur des Lichts weiter im Dunkeln.

Da hilft auch eine Theorie nicht weiter, die den Doppelcharakter von Licht und Materie anschaulich und kausal erklären wollte. Es handelt sich um die Theorie der »Führungswelle«, die zuerst von Louis de Broglie in den 1930er Jahren konzipiert und von David Bohm in den 1950er Jahren ausgebaut wurde. Die beiden Physiker gehen vom klassischen Konzept des Teilchenkosmos aus: Alles besteht aus Teilchen. Die allerdings werden unsichtbar gebündelt und geführt von einer Kraft, welche unendlich schnell wirkt und mit der Entfernung nicht schwächer wird. Diese Kraft führt die Teilchen in einer Form, die man als Wellenerscheinung beschreiben kann. So wird die Idee einer »Doppelnatur« von Licht und Materie vermieden, und die einzelnen Teilchen müssen nicht mit sich selbst interferieren. Raffinierte Erweiterungen des Doppelspaltexperiments sollten diese These in jüngster Zeit beweisen oder widerlegen. Dabei kam letzten Endes nur heraus, dass eine Führungswelle nicht nachgewiesen werden kann, mithin also nicht existiert. Schade: wieder nichts.

Die alltägliche Erscheinung des Lichts versteckt weiterhin erfolgreich ihr Wesen. Einstein hatte wohl doch recht ...