Was ist Licht ?
Dr. Hugo Niggli
Jeder von uns weiss, wie wichtig das Licht für unser Leben ist. Nach dem kalten Winter erwärmt die Frühlingssonne unsere Erde und alles in der Natur beginnt zu wachsen und zu blühen. Fällt das weisse Sonnenlicht durch ein Prisma, wird es in verschiedene Spektralfarben aufgeteilt: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett. Diese Beobachtung machte Isaac Newton (1642-1727) mit knapp 25 Jahren. Er zeigte mit diesem Experiment, dass weisses Licht eine Mischung der Regenbogenfarben war. Das Lichtspektrum kommt nicht nur im Regenbogen zum Vorschein. Bereits im Altertum konnte man bei Schmiedevorgängen beobachten, dass Eisen, wenn es im Feuer erhitzt wird, erst dunkelrot wird, dann ein helleres Rot annimmt und allmählich Weiss wird. Andere feste Stoffe, die nicht verbrennen, verhalten sich genauso. Es scheint offensichtlich, dass lange Wellenlängen bei mässigen Temperaturen erscheinen. Wenn die Temperatur steigt, beginnen immer kürzere Wellenlängen aufzutreten. Wird der Stoff glühend heiss, sind alle Wellenlängen vertreten. Untersuchungen von noch heisseren Körpern (Sternen) zeigten, dass die längeren Wellenlängen langsam herausfallen, bis sich die Farbe allmählich zum blauen Bereich des Spektrums hinbewegt. Warum das Spektrum stufenweise erscheint und verschwindet, konnte erst durch die Erkenntnisse von Max Planck (1858-1947) und Albert Einstein (1879-1955) theoretisch erklärt werden. Die beiden Wissenschaftler haben die Basis für die moderne Lichtquantentheorie gelegt. Diese ist eine Verbindung von Wellen- und Teilchenvorstellung. Seitdem Thomas Young (1773-1829) im Jahre 1803 gezeigt hatte, dass Licht Interferenzmuster erzeugt, nahm man an, dass Licht aus Wellen bestehen müsste - eine Auffassung, die vorher unter anderen von Christiaan Huygens vertreten worden war. Die elektromagnetische Lichttheorie wurde von James Clerk Maxwell (1831-1879) begründet, wonach Licht eine Kombination aus elektrischen und magnetischen Feldern ist, die sich wie eine Wasserwelle durch den Raum bewegen. 1900 stellte Max Planck das Postulat auf, dass die elektromagnetische Strahlung (Abbildung 1) nur in Paketen von einer bestimmten Grösse abgegeben werden kann, die er Quanten nannte.
Abbildung 1 (Elektromagnetisches Spektrum (Quelle:www.wikipedia.org)
Diese Teilchentheorie des Lichtes, die uns ermöglicht, mit modernen Lichtmessgeräten (Photomultipliern) Photonen zu messen, benutzte im Jahre 1905 Albert Einstein, um den Photoeffekt zu erklären: Licht erzeugt einen elektrischen Strom. Für diese Entdeckung wurde ihm 1922 nachträglich für das Jahr 1921 der Nobelpreis in Physik verliehen. Eine praktische Anwendung dieses Photoeffektes finden wir beispielsweise bei automatischen Fahrstuhltüren. Ein Lichtstrahl läuft quer über die Fahrstuhltür und trifft auf eine Metallfläche. Dadurch fliesst ein elektrischer Strom, der dazu führt, dass sich die Türe schliesst. Wird der Lichtstrahl jedoch durch eine eintretende Person unterbrochen, fliesst kein Strom mehr und deshalb bleibt die Tür offen. Auf dieser Basis wurde die moderne Lichtmesstechnik so verfeinert, dass einzelne Photonen gemessen werden konnten. Mit den oben erwähnten Photomultipliern ist es möglich, das Licht einer Kerze in 20 km Entfernung nachzuweisen.
Die elektromagnetische Strahlung auf unserer Erde
Wir sind uns nicht bewusst, dass wir in einen Ozean voller elektromagnetischer Energie eingetaucht sind. Wie in Abbildung 1 angegeben umfasst die elektromagnetische Strahlung, die aus dem Weltraum und von der Sonne Richtung Erde kommt alle Frequenzen von der sehr kurzwelligen kosmischen Strahlung, über die Röntgenstrahlung, UV-Strahlung, sichtbares Licht, Infrarot, Radio- bis zu den langwelligen Frequenzen. Ein grosser Teil der Erdatmosphäre absorbiert diese Strahlung und erreicht die Erdoberfläche nicht. So ist bekannt, das die Ozonschicht in der Stratosphäre praktisch vollständig die kurzwellige Ultraviolett-Strahlung absorbiert. Es ist wichtig, dass diese energiereiche UV-Strahlung nicht bis zur Erdoberfläche durchdringen kann oder nur noch in sehr abgeschwächter Form im Ultraviolett-B Bereich, denn diese Strahlung bewirkt Änderungen im Erbmaterial der Lebewesen. Diese Absorptionsbande ist ein Gegenstück zum atmosphärischen Fenster im Bereich des sichtbaren Lichtes, wo die Sonneneinstrahlung nur wenig absorbiert wird und daher bis zur Erdoberfläche vordringen kann. Weitere atmosphärische Fenster befinden sich in der Infrarotregion und im Bereich der Radiofrequenzstrahlung.
Zur Geschichte des Quantenäthers
Um die Biologie des Lichtes verstehen zu können, ist ein kurzer Abstecher in die Geschichte des Lichtes vor der Lichtquantentheorie und dessen Mediums, des Äthers, notwendig. Als Augustin Jean Fresnel (1788-1827) an der Wellentheorie des Lichts zu arbeiten begann, nannte er dieses Medium nach dem fünften Element von Aristoteles (384-322 v. Chr.) Äther. Aristoteles teilte die Schöpfung in eine irdische und in eine himmlische Welt. Die himmlische Welt ist nach Aristoteles die Welt des Äthers, während die irdische Welt jene der vier Elemente Erde, Wasser, Luft und Feuer ist. Aristoteles unterschied den Äther deutlich von der Materie der elementaren Welt wie auch von der immateriellen Welt. Der aristotelische Ätherbegriff ist somit deutlich der einer feinstofflichen Materie. 1881 versuchten Albert Abraham Michelson (1852-1931) unter Mitarbeit von Edward Morley (1838-1923), diesen Lichtäther nachzuweisen. Das immer wieder zitierte Experiment fand dann im Jahre 1887 statt. Der Ansatzpunkt für Albert Abraham Michelson und Edward Morley war, die Relativgeschwindigkeit, mit der sich die Erde durch den Äther bewegt, zu messen. Dabei stellten sich die Forscher die Auswirkungen des Ätherwindes auf die Lichtwellen mit folgendem Bild vor: Nach ihrer Ansicht müsste die Wirkung genauso sein, wie der Einfluss einer starken Strömung eines Flusses auf einen Schwimmer, der sich mit konstanter Geschwindigkeit zwischen zwei Punkten flussaufwärts oder flussabwärts bewegt. Durch die Strömung des Flusses wird der Schwimmer beim Flussaufwärtsschwimmen gebremst, beim Rückweg flussabwärts jedoch beschleunigt. Für dieses Experiment bauten die beiden Forscher ein äußerst genaues Messinstrument, ein so genanntes Interferometer. Die Geschwindigkeit des Lichtes wird wie beim Bild des Schwimmers im Fluss in zwei verschiedene Richtungen gemessen, einmal in Bewegungsrichtung der Erde und einmal senkrecht dazu. Das Licht, das sich in dieselbe Richtung bewegt wie die Erde, sollte schneller sein als das Licht senkrecht dazu. Doch so sorgfältig die beiden Forscher ihre Messungen auch ausführten, sie konnten keinen Unterschied in der Geschwindigkeit feststellen. Die Lichtgeschwindigkeit blieb konstant. Die Äthergeschwindigkeit war 0, so als würde der Ätherwind nicht existieren. Eine Relativbewegung zwischen Erde und Äther konnte mit diesem Experiment nicht nachgewiesen werden.
In der Physik ist die Meinung allgemein verbreitet, dass dieses Experiment die Äthertheorie widerlegte. Einstein wies in seiner speziellen Relativitätstheorie zudem darauf hin, dass die elektromagnetischen Felder kein Lichtäther benötigen. Er führte jedoch in einem Vortrag über „Äther und Relativitätstheorie“ im Jahre 1920 in Leiden aus, dass der Äther neu definiert werden müsse, da auch dem leeren Raum physikalische Eigenschaften zukommen. Die Quantenphysik zeigte nun auf, dass selbst im leeren Raum ohne jede Materie und Strahlung - wenn bei einer Temperatur am absoluten Nullpunkt (-273° C) nur ein Vakuum zurückbleibt - das elektromagnetische Feld noch in einem Zustand unaufhörlicher Aktivität sein muss und somit eine Nullpunktenergie besitzt. Das Unschärfeprinzip, entwickelt von Werner Heisenberg impliziert zudem, dass kein Teilchen je zur Ruhe kommt, sondern alle permanent in Bewegung sind. Das Vakuum ist also nicht tot und leer, sondern wird ständig gestört, ist erfüllt von fluktuierenden, virtuellen (nicht messbaren) Quantenfeldern. Mit diesem neuen Quantenäther zeigt sich, dass das substanzlose Energiemeer des Raumes nie Null ist und auch der leere Raum eines Atoms mit dieser Nullpunktsenergie gefüllt ist. Wie wichtig diese Energie schon im einfachsten Wasserstoffatom ist, kann mit folgendem Bild visualisiert werden: In der Mitte des Fussballfeldes liegt der Ball, der dem Kern des Atoms entspricht. 2000 mal kleiner bewegt sich ein Sandkorn beim Tor: Das Elektron. Der Rest des Spielfeldes ist mit dieser Nullpunktsenergie gefüllt. Diese Energie ist gewaltig. Der Physiker Archibald Wheeler berechnete sie in einem Kubikzentimeter leeren Raumes (Universität Texas, USA) auf 10^115 J - das ist mehr Energie, als die gesamte Materie des bekannten Universums enthält. Auch wenn andere Berechungen deutlich niedrigere Werte für die Energiedichte des Nullpunktfeldes im Vakuum ergaben, nämlich 10^95 J pro Kubikzentimeter, bedeutet dies immerhin noch, dass ein Wasserglas leeren Raumes genug Energie enthält, um einen Ozean wie den Atlantik zum Kochen zu bringen.
Hal Puthoff zeigte Mitte der achtziger Jahre in einem Artikel, der in Physical Review, einer der angesehensten physikalischen Fachzeitschriften, veröffentlicht wurde, dass der stabile Zustand der Materie nur existieren kann, wenn es eine dynamische Wechselwirkung zwischen den subatomaren Partikeln und dem Nullpunkt-Energiefeld gibt, das diese Partikel hervorbringt. Man kann sich diese Prozesse wie ein sprühende Gischt, die einen tosenden Wasserfall umgibt, vorstellen. Er zeigte ausserdem durch physikalische Berechnungen, dass die Fluktuationen der Wellen des Nullpunktfeldes die Bewegungen von subatomaren Partikeln antreiben und dass alle Bewegungen aller Elementarteilchen des Universums ihrerseits das Nullpunktfeld erzeugen, das sich über den gesamten Kosmos erstreckt. Das bedeutet, dass wir und die gesamte Materie des Universums durch die Wellen des Nullpunktfeldes mit den hintersten Winkeln des Kosmos verbunden sind.
Elektromagnetische Wechselwirkung mit Atomen und Molekülen
Wie schon erwähnt sind die Kleinstteilchen des Lichtes, die sogenannten Photonen, die Träger und Vermittler der elektromagnetischen Kraft. Diese Kraft wurde durch die Arbeiten des Amerikaners Murray Gell-Mann, Physiknobelpreisträger von 1969, erklärt und führte damit zum Standardmodell der Teilchenphysik, dem Quarkmodell. Die gesamte Materie ist aus den elementaren Fermionen, also Quarks (Untereinheiten des Atomkerns (Protonen, Neutronen)) und Leptonen (Elektronen (Atomhülle)), zusammengesetzt. Die Austauschteilchen in diesem Standardmodell für die fundamentalen Wechselwirkungen werden als Bosonen bezeichnet. Eines davon, das Photon vermittelt, wie oben beschrieben, den Elektromagnetismus, ist deshalb als Informationsträger der Materie anzusehen und auch für den Zusammenhalt zwischen den Bausteinen der Materie, den sogenannten Elementarteilchen, verantwortlich. Die wichtigste Einteilung der elektromagnetischen Strahlung beruht auf ihrer Interaktion mit Atomen und Molekülen. Die energiereichste, sogenannte ionisierende Strahlung verändert die Elektronenanzahl der Atomhülle und damit wird das Atom oder Molekül elektrisch geladen. Zu den ionisierenden Strahlen gehören neben der kosmischen Strahlung, alle radioaktiven Strahlen (Alpha-, Beta- und Gammastrahlung), die Röntgenstrahlung, sowie die Vakuum und UV-C Strahlung. Durch diese sogenannte Ionisierung bilden sich die „Radikale“, welche die Zellfunktionen der Lebewesen verändern, im schlimmsten Fall schädigen oder vernichten können. Uns allen ist der tödliche Effekt dieser Strahlung in hoher Dosis in den Atombomben von Hiroshima und Nagasaki in Erinnerung. Bei niederen Strahlungsdosen kennt man aber auch positive Effekte, denen wir beispielsweise bei radioaktiven Heilquellen begegnen.
Nur wenig Forschung wurde bis heute mit dem energieärmeren Rest des elektromagnetischen Spektrums, der sogenannten nichtionisierenden Strahlung betrieben. Es zeigt sich jedoch immer mehr, dass auch diese Strahlen bedeutsame Wirkungen auf die Zellfunktionen haben. Der Zellforscher Klaus Bayreuther zeigte beispielsweise, dass schwache elektromagnetische Felder die Alterung von Hautzellen beschleunigen. Aber auch der Einfluss des Mobilfunknetzes auf den Menschen ist nicht zu unterschätzen, wie der Physiker Gerard J. Hyland in einer Publikation im Jahre 2000 der medizinischen Zeitschrift „The Lancet“ aufwies.
