Die Vermessung des Universums: Wie die Physik von morgen den letzten Geheimnissen auf der Spur ist (German Edition)

Beschreibung des Lichts. Obwohl die geometrische Optik offensichtlich nur näherungsweise gilt, ist sie trotzdem eine gute Beschreibung für eine Welle mit einer Wellenlänge, die klein genug ist, so dass Interferenzeffekte vernachlässigbar sind und das Licht als linienförmiger Strahl behandelt werden kann. Mit anderen Worten, die geometrische Optik ist eine effektive Theorie, die in einem begrenzten Bereich gültig ist.
    Das bedeutet nicht, dass wir jede Idee, die jemals entwickelt wurde, beibehalten. Manchmal werden Ideen einfach als falsch erwiesen. Euklids ursprüngliche Beschreibung des Lichts, die im ersten Jahrtausend in der islamischen Welt von Al-Kindi wiederbelebt wurde und behauptete, dass das Licht aus unseren Augen hervorströmt, war ein solches Beispiel. Obwohl andere, wie z.B. der persische Mathematiker Ibn Sahl, Phänomene wie die Brechung auf der Grundlage dieser falschen Prämisse richtig beschrieben, war Euklids und Al-Kindis Theorie – die der Naturwissenschaft und modernen wissenschaftlichen Methoden vorausgeht – einfach nicht korrekt. Sie wurde von künftigen Theorien nicht aufgenommen, sondern einfach aufgegeben.
    Newton sah einen anderen Aspekt der Theorie des Lichts nicht vorher. Er hatte eine »korpuskulare« Theorie des Lichts entwickelt, die mit der Wellentheorie des Lichts, die 1664 von seinem Rivalen Robert Hooke und 1690 von Christian Huygens entwickelt worden war, im Widerspruch stand. Die Auseinandersetzung zwischen ihnen hielt lange Zeit an. Im 19. Jahrhundert maßen Thomas Young und Augustin-Jean Fresnel die Interferenz des Lichts und lieferten dadurch einen eindeutigen Beweis dafür, dass das Licht die Eigenschaften einer Welle hat.
    Spätere Entwicklungen in der Quantentheorie zeigten, dass Newton in einem bestimmten Sinne ebenfalls recht hatte. Die Quantenmechanik sagt uns nun, dass das Licht tatsächlich aus einzelnen Teilchen besteht, die Photonen genannt werden und die für die Vermittlung der elektromagnetischen Kraft verantwortlich sind. Aber die moderne Theorie der Photonen beruht auf Lichtquanten, den einzelnen Teilchen, aus denen das Licht besteht und die eine bemerkenswerte Eigenschaft haben. Sogar ein einzelnes Lichtteilchen verhält sich wie eine Welle. Diese Welle gibt die Wahrscheinlichkeitsamplitude dafür an, dass sich ein einzelnes Photon in irgendeiner bestimmten Region des Raums nachweisen lässt (siehe Abbildung 5).

Abb. 5: Geometrische Optik und Wellen waren die Vorläufer unserer modernen Auffassung des Lichts und gelten unter entsprechenden Bedingungen immer noch.
    Newtons korspuskulare Theorie reproduziert zwar Ergebnisse aus der Optik. Trotzdem sind Newtons Korpuskeln, die keine Wellennatur aufweisen, nicht dasselbe wie Photonen. Soweit wir wissen, ist die Theorie der Photonen die grundlegendste und korrekte Beschreibung des Lichts, das aus Teilchen besteht, die auch eine Wellenbeschreibung erfüllen können. Die Quantenmechanik ist der Ausdruck unserer gegenwärtig grundlegendsten Beschreibung dessen, was Licht ist und wie es sich verhält. Sie ist in den Grundsätzen korrekt und hat sich bewährt.
    Die Quantenmechanik ist jetzt in viel stärkerem Maße ein Gebiet, das sich an der Grenze der Forschung befindet, als die Optik. Wenn man auch weiterhin über die moderne Naturwissenschaft mit den Mitteln der Optik nachdenkt, dann in erster Linie über neue Effekte, die nur durch die Quantenmechanik möglich sind. Obwohl die moderne Naturwissenschaft eine Disziplin der Quantenoptik umfasst, die die quantenmechanischen Eigenschaften des Lichts untersucht, treibt sie die Wissenschaft der klassischen Optik nicht mehr voran. Laser beruhen ebenso auf Quantenmechanik wie Lichtdetektoren, z.B. Sekundärelektronenvervielfacher und fotovoltaische Zellen, die Sonnenlicht in Elektrizität umwandeln.
    Die moderne Elementarteilchenphysik umfasst auch die Theorie der Quantenelektrodynamik (QED), die Richard Feynman und andere entwickelt haben und die nicht nur die Quantenmechanik, sondern auch die spezielle Relativitätstheorie einschließt. Mit Hilfe von QED untersuchen wir einzelne Teilchen, darunter Photonen – Lichtpartikel –, sowie Elektronen und andere Teilchen, die eine elektrische Ladung haben. Wir können die Häufigkeit verstehen, mit der solche Teilchen miteinander wechselwirken und mit der sie erzeugt und zerstört werden können. QED ist eine der Theorien, die in der Elementarteilchenphysik ständig verwendet werden. Außerdem hat sie die am