With the kind permission of the Dean & Chapter of York Minster

Wussten Sie, dass ...

... Licht eine Doppelnatur hat?


Ohne Licht gäbe es wohl kaum Leben auf der Erde. Licht ist der Grund, warum eine Wiese grün und der Himmel blau erscheinen. Es lässt am Nachthimmel die Sterne leuchten und erhellt Vorgänge, die mit bloßem Auge überhaupt nicht sichtbar wären.

Vermutlich ist es der vielfältigen Ausprägung des Lichts zu verdanken, dass sich Menschen zu allen Zeiten damit beschäftigt haben. Doch bis in die Neuzeit war es weitgehend unklar, was Licht tatsächlich ist. Isaac Newton versuchte im 17. Jahr- hundert die Ausbreitung des Lichts durch die Bewegung von kleinen Teilchen zu erklären. Knapp 200 Jahre später fand der Brite George Bidell Airy die Erklärung, warum Sterne, durch ein Teleskop betrachtet, unscharf wirken. Airy bestätigte damit die damals vorherrschende Meinung, dass Licht sich wie eine Welle verhält. Von der unendlichen großen Lichtwelle, die ein Stern aussendet, wird durch den Durchmesser des optischen Systems – der Apertur – nur ein Teil aufgenommen, und deshalb erscheinen die Objekte auf der Bildebene als unscharf. So werden seither die meisten Beobachtungen durch die Wellennatur des Lichts erklärt. Doch nicht alle Phänomene lassen sich damit erklären. Albert Einstein postulierte deshalb 1905 erneut, dass Licht aus Teilchen, den sogenannten Photonen, besteht. Sie sind unteilbar und können nur als Ganzes erzeugt und absorbiert werden.

Nur zwei sich ergänzende Theorien können einen so offensichtlichen Widerspruch auflösen: Licht muss demnach gleichzeitig Welle und Teilchen sein. Die Quantenmechanik hat dafür ein einfaches Bild parat: Licht kommt als Teilchen zur Welt, lebt als Welle und stirbt schließlich wieder als Teilchen. Das heißt, eine Lichtquelle sendet Photonen aus. Das entspricht der „Geburt“ des Lichts. Licht „ lebt“ dann als Welle und wird dabei an der Apertur der Linse gebeugt. Am Detektor oder im Auge schließlich wird das Licht in elektrische Signale verwandelt. Dabei werden immer nur einzelne Photonen detektiert – Licht „stirbt“ wieder als Teilchen.

Dieser Gesetzmäßigkeit unterliegen alle optischen Systeme – nur normalerweise merkt man davon nicht viel, weil man meist sehr viele Photonen detektiert. Hat man jedoch wenige Photonen, so sieht man tatsächlich einzelne Lichtpunkte, die auf dem Detektor verstreut an verschiedenen Orten ankommen. Erst in diesem Streumuster der einzelnen Photonen erkennt man das wellenoptische Beugungsbild.

So bei der Mikrokopie: das Licht eines Fluoreszenzmoleküls wird an der Mikroskop-Apertur gebeugt. Rund 50.000 Photonen kann es aussenden, bis es schließlich „erlischt“. Man muss also mit sehr wenigen Photonen auskommen und kann beide Naturen des Lichts erkennen.


16. Mai 2012

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