QED: Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie (German Edition)

ertönt ein Klick von voller Lautstärke. Die Devise lautet: alles oder nichts. Klickt ein Multiplier, bleiben die anderen in diesem Augenblick stumm (außer in den seltenen Fällen, in denen zufällig zwei Photonen die Lichtquelle gleichzeitig verlassen). Eine Aufspaltung des Lichts in zwei »halbe Teilchen«, die verschiedene Ziele anlaufen, kommt nicht vor.
    Ich betone noch einmal, daß Licht in dieser Form – als Teilchen – auftritt. Es verhält sich genauso, wie sich Teilchen verhalten. Das müssen sich vornehmlich diejenigen unter Ihnen einprägen, die in der Schule vermutlich etwas vom Wellencharakter des Lichts erzählt bekamen. In Wirklichkeit aber ist das Verhalten des Lichts das von Teilchen.
    Nun könnten Sie einwenden, möglicherweise sei es ja nur der Photoelektronen-Vervielfacher, der Licht als Teilchen entdecke. Mitnichten: Alle Instrumente, die empfindlich genug sind, schwaches Licht aufzufangen, haben stets dasselbe entdeckt: Licht besteht aus Teilchen.
    Ich nehme an, daß Sie mit den Eigenschaften des Lichts im Alltag vertraut sind: Sie wissen, daß sich Licht geradlinig ausbreitet; daß es beim Übergang in Wasser gebrochen wird; daß Ein- und Ausfallswinkel gleich sind, wenn Licht an einer Grenzfläche wie einem Spiegel reflektiert wird; daß Licht in Farben zerlegt werden kann; daß auf einer Pfütze mit ein paar Öltropfen wunderschöne Farben entstehen; daß eine Sammellinse Licht bündelt und so weiter. Anhand dieser vertrauten Erscheinungen werde ich Ihnen das wahrhaft seltsame Verhalten des Lichts veranschaulichen; das heißt, ich werde Ihnen diese vertrauten Phänomene in Begriffen der Theorie der Quantenelektrodynamik erklären. Mit dem Exkurs über den Photo-Multiplier habe ich Ihnen schon eine wichtige Erscheinung illustriert, die Ihnen vorher vielleicht nicht geläufig war – nämlich daß Licht aus Partikeln besteht –, mit der Sie sich mittlerweile, wie ich hoffe, ebenfalls angefreundet haben!
    Sicher wissen Sie alle, daß Licht von einer Grenzfläche, zum Beispiel von Wasser, teilweise reflektiert wird. Schließlich gibt es romantische Gemälde, auf denen sich das Mondlicht in einem See spiegelt, zuhauf (und wer hätte sich nicht immer wieder gerade wegen des vom See zurückgeworfenen Mondscheins in Schwierigkeiten gebracht!). Wenn Sie ins Wasser schauen, können Sie (vornehmlich bei Tag) sehen, was sich unter der Oberfläche befindet, aber Sie sehen auch eine Reflexion an der Oberfläche. Oder nehmen wir Glas: Sie haben die Lampe im Zimmer angeknipst und werfen einen Blick zum Fenster hinaus, so sehen Sie tagsüber sowohl was draußen vor sich geht als auch eine schwache Reflexion der Lampe im Zimmer. Offensichtlich also wird das Licht von der Glasoberfläche teilweise zurückgeworfen.
    Ehe ich fortfahre, möchte ich Sie auf eine hier opportune Vereinfachung hinweisen, die ich später korrigieren werde: Wenn ich von dieser teilweisen Reflexion des Lichts durch Glas spreche, tue ich so, als würde das Licht lediglich an der Oberfläche des Glases zurückgeworfen. In Wirklichkeit ist eine Glasscheibe ein wahres Monster an Komplexität – Unmengen Elektronen wimmeln da herum. Ein auftreffendes Photon gerät nicht nur mit den Elektronen an der Oberfläche in Wechselwirkung, sondern überall im Glas. Photon und Elektronen vollführen eine Art Tanz, der schließlich dasselbe Ergebnis zeitigt, als hätte das Photon nur die Oberfläche getroffen. Aus diesem Grund möchte ich den Vorgang zunächst so vereinfacht betrachten und Ihnen erst später zeigen, was im Glas tatsächlich passiert, damit Sie begreifen, warum es im Endeffekt aufs selbe hinauskommt.
    Ich werde Ihnen nun ein Experiment beschreiben, das zu verblüffenden Ergebnissen führt. Bei diesem Versuch sollen von einer Lichtquelle (vgl. Abb. 2) einige Photonen derselben Farbe – sagen wir von rotem Licht – auf einen Glasblock emittiert werden. Ein Photoelektronen-Vervielfacher über dem Glas in A soll die an der Oberfläche reflektierten Photonen auffangen; ein im Glas selbst, in B, plazierter soll messen, wie viele Photonen die Oberfläche passieren. Wie wir diesen Photo-Multiplier ins Glas hineinpraktiziert haben, soll uns hier nicht weiter kümmern. Uns interessieren die Resultate des Experiments.

     
    Von 100 Photonen, die auf das Glas auftreffen, landen durchschnittlich 4 in A und 96 in B. In diesem Fall bedeutet »partielle Reflexion« also, daß 4 Prozent der Photonen an der Oberfläche des Glases