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Licht

  Prismenspaltendes Licht   Vergrößern Prismenspaltendes Licht

Licht ist elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge, die für die sichtbar ist Auge ( sichtbares Licht ) oder in einem technischen oder wissenschaftlichen Kontext elektromagnetische Strahlung jeder Wellenlänge. Das Elementarteilchen, das Licht definiert, ist das Photon . Die drei Grunddimensionen des Lichts (d. h. aller elektromagnetischen Strahlung) sind:

  • Intensität (oder Amplitude), die mit der menschlichen Wahrnehmung der Helligkeit des Lichts zusammenhängt,
  • Frequenz (oder Wellenlänge), die von Menschen als wahrgenommen wird Farbe des Lichts und
  • Polarisation (oder Schwingungswinkel), die unter normalen Umständen vom Menschen nur schwach wahrnehmbar ist.

Aufgrund des Welle-Teilchen-Dualismus von Angelegenheit , Licht weist gleichzeitig Eigenschaften von beiden auf Wellen und Partikel. Die genaue Natur des Lichts ist eine der Schlüsselfragen der Moderne Physik .



Sichtbare elektromagnetische Strahlung

Das sichtbare Spektrum ist der Teil des elektromagnetischen Spektrums, der für den Menschen sichtbar ist Auge , die als Balmer-Reihe bezeichnet wird. Elektromagnetische Strahlung in diesem Wellenlängenbereich wird sichtbares Licht oder einfach Licht genannt. Es gibt keine genauen Grenzen für das sichtbare Spektrum; Ein typisches menschliches Auge reagiert auf Wellenlängen von 400 bis 700 nm, obwohl manche Menschen möglicherweise Wellenlängen von 380 bis 780 nm wahrnehmen können. Ein lichtangepasstes Auge hat typischerweise seine maximale Empfindlichkeit bei etwa 555 nm, im grünen Bereich des optischen Spektrums (siehe: Leuchtkraftfunktion). Das Spektrum enthält jedoch nicht alle Farben, die das menschliche Auge und Gehirn unterscheiden können. Braun und Rosa fehlen zum Beispiel. Sehen Farbe zu verstehen warum.

Das optisches Spektrum umfasst nicht nur sichtbares Licht, sondern auch Infrarot und ultraviolett .

Lichtgeschwindigkeit

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt genau 299.792.458 Meter pro Sekunde (per Definition festgelegt). Obwohl einige Leute von der 'Lichtgeschwindigkeit' sprechen, ist das Wort Geschwindigkeit ist normalerweise für Vektorgrößen reserviert, die eine Richtung haben.

Die Lichtgeschwindigkeit wurde viele Male von vielen Physikern gemessen. Die beste frühe Messung in Europa stammt von Ole Rømer, einem dänischen Physiker, aus dem Jahr 1676. Durch die Beobachtung der Bewegungen des Jupiter und eines seiner Monde, Io, mit a Teleskop , und unter Hinweis auf Diskrepanzen in der scheinbaren Periode von Ios Umlaufbahn berechnete Rømer, dass Licht etwa 18 Minuten braucht, um den Durchmesser der Erdumlaufbahn zu durchqueren. Wenn er den Durchmesser der Umlaufbahn in Kilometern gekannt hätte (was er nicht tat), hätte er eine Geschwindigkeit von 227.000 Kilometern pro Sekunde (ungefähr 141.050 Meilen pro Sekunde) abgeleitet.

Die erste erfolgreiche Messung der Lichtgeschwindigkeit in Europa mit einem erdgebundenen Apparat wurde 1849 von Hippolyte Fizeau durchgeführt. Fizeau richtete einen Lichtstrahl auf einen mehrere tausend Meter entfernten Spiegel und platzierte ein rotierendes Zahnrad im Strahlengang von der Quelle zum Spiegel und wieder zurück. Bei einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit könnte der Strahl auf dem Hinweg durch eine Lücke im Rad und auf dem Rückweg die nächste Lücke passieren. Fizeau kannte den Abstand zum Spiegel, die Anzahl der Zähne am Rad und die Rotationsgeschwindigkeit und maß die Lichtgeschwindigkeit mit 313.000 Kilometern pro Sekunde.

Léon Foucault verwendete rotierende Spiegel, um 1862 einen Wert von 298.000 km/s (etwa 185.000 Meilen/s) zu erhalten. Albert A. Michelson führte von 1877 bis zu seinem Tod 1931 Experimente zur Lichtgeschwindigkeit durch. Er verfeinerte Foucaults Ergebnisse 1926 mit verbesserte Drehspiegel zur Messung der Zeit Es dauerte leicht, eine Hin- und Rückfahrt vom Mt. Wilson zum Mt. San Antonio in zu machen Kalifornien . Die genauen Messungen ergaben eine Geschwindigkeit von 186.285 mi/s (299.796 km/s [1.079.265.600 km/h]). Im täglichen Gebrauch werden die Zahlen auf 300.000 km/s und 186.000 Meilen/s gerundet)

Brechung

Alles Licht breitet sich mit endlicher Geschwindigkeit aus. Auch bewegte Beobachter messen immer den gleichen Wert von c , die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, wie c = 299.792.458 Meter pro Sekunde (186.282,397 Meilen pro Sekunde). Wenn Licht eine transparente Substanz wie Luft, Wasser oder Glas durchdringt, wird seine Geschwindigkeit verringert und es wird gebrochen. Die Verringerung der Lichtgeschwindigkeit in einem dichteren Material kann durch den Brechungsindex angegeben werden, n , die definiert ist als:

  n = \frac{c}{v} \;\!

Daher, n = 1 im Vakuum und n > 1 in der Angelegenheit.

Wenn ein Lichtstrahl aus dem Vakuum oder einem anderen Medium in ein Medium eintritt, behält er die gleiche Frequenz bei und ändert seine Wellenlänge. Wenn der einfallende Strahl nicht orthogonal zur Kante zwischen den Medien ist, ändert sich die Richtung des Strahls. Lichtbrechung durch Linsen wird verwendet, um Licht in Lupen, Brillen usw. zu fokussieren Kontaktlinsen , Mikroskope und Refraktoren.

Optik

Das Studium des Lichts und der Wechselwirkung von Licht und Angelegenheit wird als Optik bezeichnet. Die Beobachtung und Untersuchung optischer Phänomene wie z Regenbögen bietet viele Hinweise auf die Natur des Lichts und viel Freude.

Farbe und Wellenlänge

Die unterschiedlichen Wellenlängen werden vom menschlichen Auge erfasst und dann vom Auge interpretiert Gehirn als Farben, die von Rot bei den längsten Wellenlängen von etwa 700 nm bis Violett bei den kürzesten Wellenlängen von etwa 400 nm reichen. Die dazwischenliegenden Frequenzen werden als orange, gelb, grün und blau gesehen.

Die Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums, die unmittelbar außerhalb des Bereichs liegen, den das menschliche Auge wahrnehmen kann, werden als Wellenlängen bezeichnet ultraviolett (UV) am Ende der kurzen Wellenlänge (Hochfrequenz) und Infrarot (IR) am Ende der langen Wellenlänge (Niederfrequenz). Einige Tiere, wie z Bienen , können UV-Strahlung sehen, während andere, wie Grubenottern, Infrarotlicht sehen können.

UV-Strahlung wird normalerweise nicht direkt vom Menschen wahrgenommen, außer in einer sehr verzögerten Weise, da eine Überbelichtung der Haut mit UV-Licht Sonnenbrand oder Hautkrebs und eine Unterbelichtung verursachen kann Vitamin-D Mangel. Da UV jedoch eine Strahlung mit höherer Frequenz als sichtbares Licht ist, kann es sehr leicht dazu führen, dass Materialien im sichtbaren Licht fluoreszieren.

Kameras, die IR erkennen und in Licht umwandeln können, werden je nach Anwendung Nachtsichtkameras oder Infrarotkameras genannt. Diese unterscheiden sich von Bildverstärkerkameras, die nur das verfügbare sichtbare Licht verstärken.

Wenn intensive Strahlung (jeglicher Frequenz) in der Haut absorbiert wird, verursacht sie Heizung das kann man spüren. Da heiße Objekte starke Infrarotstrahlungsquellen sind, wird IR-Strahlung häufig mit dieser Empfindung in Verbindung gebracht. Jede intensive Strahlung, die in der Haut absorbiert werden kann, hat jedoch die gleiche Wirkung.

Messung von Licht

Die folgenden Größen und Einheiten werden verwendet, um die Menge oder „Helligkeit“ von Licht zu messen.

Menge Symbol JA Einheit Abk. Anmerkungen
Leuchtende Energie Q in Lumen Sekunde lm·s Einheiten werden manchmal Talbots genannt
Lichtstrom F Lumen (= cd · sr) lm auch genannt Leuchtkraft
Lichtintensität ich in Candela (= lm/sr) CD eine SI-Basiseinheit
Leuchtdichte L in Candela pro Quadratmeter cd/m zwei Einheiten werden manchmal Nissen genannt
Beleuchtungsstärke UND in Lux (= lm/m zwei ) Lux Wird für Lichteinfall auf eine Oberfläche verwendet
Lichtemission M in Lux (= lm/m zwei ) Lux Wird für Licht verwendet, das von einer Oberfläche emittiert wird
Lichtausbeute Lumen pro Watt lm/ W Verhältnis von Lichtstrom zu Strahlungsstrom; maximal möglich ist 683.002


Menge Symbol JA Einheit Abk. Anmerkungen
Strahlungsenergie Q Joule J Energie
Strahlungsfluss Phi Watt Im Strahlungsenergie pro Zeiteinheit, auch genannt Strahlkraft
Strahlende Intensität ich Watt pro Steradiant W·sr −1 Leistung pro Raumwinkeleinheit
Glanz L Watt pro Steradiant pro Quadratmeter W·sr −1 ·m −2 Leistung pro Einheit Raumwinkel pro Einheit projiziert Quellgebiet.

Manchmal verwirrend als 'Intensität' bezeichnet.

Bestrahlung UND Watt pro Quadratmeter W·m −2 Stromeinfall auf einer Oberfläche.

Manchmal verwirrend als „Intensität“ bezeichnet.

Ausstrahlung / Ausstrahlung M Watt pro Quadratmeter W·m −2 Leistung, die von einer Oberfläche abgegeben wird.

Manchmal verwirrend als 'Intensität' bezeichnet.

Spektrale Ausstrahlung L l
oder
L n
Watt pro Steradiant pro Meter 3 oder

Watt pro Steradiant pro Quadratmeter pro Hertz

W·sr −1 ·m −3
oder

W·sr −1 ·m −2 ·Hz −1

üblicherweise in W·sr gemessen −1 ·m −2 · nm −1
Spektrale Bestrahlungsstärke UND l
oder
UND n
Watt pro Meter 3 oder
Watt pro Quadratmeter pro Hertz
W·m −3
oder
W·m −2 ·Hz −1
üblicherweise in W·m gemessen −2 · nm −1


Licht kann auch charakterisiert werden durch:

  • Amplitude,
  • Farbe , Wellenlänge oder Frequenz und
  • Polarisation (oder Schwingungswinkel).

Theorien über Licht

Indische Theorien

Im alten Indien entwickelten die philosophischen Schulen von Samkhya und Vaisheshika um das 6.–5. Jahrhundert v. Chr. Lichttheorien. Laut der Samkhya-Schule ist Licht eines der fünf grundlegenden 'subtilen' Elemente ( Tanmatra ), aus denen die groben Elemente hervorgehen. Die Atomarität dieser Elemente wird nicht ausdrücklich erwähnt, und es scheint, dass sie tatsächlich als kontinuierlich angesehen wurden.

Andererseits gibt die Vaisheshika-Schule eine atomare Theorie der physischen Welt auf der nicht-atomaren Grundlage von Äther, Raum und Zeit. (Siehe Indischer Atomismus.) Das Grundlegende Atome sind die der Erde ( prthivı ), Wasser ( aufholen ), Feuer ( Dachziegel ) und Luft ( Vayu ), die nicht mit der gewöhnlichen Bedeutung dieser Begriffe verwechselt werden sollte. Diese Atome bilden binäre Moleküle, die sich weiter zu größeren Molekülen verbinden. Bewegung wird in Bezug auf die Bewegung der physischen Atome definiert, und es scheint, dass sie als nicht augenblicklich angesehen wird. Lichtstrahlen werden als Strom hoher Geschwindigkeit angesehen Dachziegel (Feuer) Atome. Die Lichtteilchen können je nach Geschwindigkeit und Anordnung unterschiedliche Eigenschaften aufweisen Dachziegel Atome. Um das erste Jahrhundert, die Vishnu Purana bezieht sich auf Sonnenlicht als die 'sieben Strahlen der Sonne'.

Später im Jahr 499 schlug Aryabhata vor, a heliozentrisch Sonnensystem von Gravitation in seinem Aryabhatiya , schrieb, dass die Planeten und die Mond haben kein eigenes Licht, sondern reflektieren das Licht der Sonne .

Die indischen Buddhisten, wie Dignāga in der 5. Jahrhundert und Dharmakirti im 7. Jahrhundert , entwickelte eine Art Atomismus, der eine Philosophie über die Realität darstellt, die aus atomaren Einheiten besteht, die momentane Licht- oder Energieblitze sind. Sie betrachteten Licht als eine atomare Einheit, die der Energie entspricht, ähnlich dem modernen Konzept von Photonen , obwohl sie auch alle Materie als aus diesen Licht-/Energieteilchen zusammengesetzt betrachteten.

Griechische und hellenistische Theorien

Im fünften Jahrhundert v. Chr. postulierte Empedokles, dass alles aus vier Elementen zusammengesetzt sei; Feuer, Luft, Erde und Wasser. Er glaubte, dass Aphrodite aus den vier Elementen das menschliche Auge gemacht hat und dass sie das Feuer im Auge angezündet hat, das aus dem Auge hervorstrahlt, das das Sehen ermöglicht. Wenn dem so wäre, dann könnte man nachts genauso gut sehen, also postulierte Empedokles eine Wechselwirkung zwischen Augenstrahlen und Strahlen einer Quelle wie der Sonne.

Um 300 v. Chr. Euklid schrieb Optik , in dem er die Eigenschaften des Lichts untersuchte. Euklid postulierte, dass sich Licht in geraden Linien fortbewegt, und er beschrieb die Reflexionsgesetze und untersuchte sie mathematisch. Er stellte in Frage, dass das Sehen das Ergebnis eines Strahls aus dem Auge ist, denn er fragt, wie man die Sterne sofort sieht, wenn man die Augen schließt und sie dann nachts öffnet. Wenn der Strahl des Auges unendlich schnell wandert, ist dies natürlich kein Problem.

55 v. Chr. schrieb Lucretius, ein Römer, der die Ideen früherer griechischer Atomisten weiterführte:

' Das Licht und die Hitze der Sonne; diese bestehen aus winzigen Atomen, die, wenn sie abgestoßen werden, ohne Zeitverlust quer durch den Luftzwischenraum in die durch den Stoß vorgegebene Richtung schießen. '- Über die Natur des Universums

Obwohl die Ansichten von Lucretius unserer heutigen Vorstellung von Licht bemerkenswert ähnlich sind, wurden sie nicht allgemein akzeptiert, und es wurde immer noch theoretisiert, dass Licht vom Auge ausgeht.

Ptolemäus (c. 2. Jahrhundert ) schrieb über die Lichtbrechung und entwickelte eine Theorie des Sehens, wonach Objekte durch Lichtstrahlen gesehen werden, die von den Augen ausgehen.

Optische Theorie

Der muslimische Wissenschaftler Abu Ali al-Hasan ibn al-Haytham (ca. 965-1040), im Westen auch als Alhazen bekannt, entwickelte eine weit gefasste Theorie, die das Sehen mithilfe von Geometrie und Anatomie , die besagt, dass jeder Punkt einer beleuchteten Fläche oder eines Objekts Lichtstrahlen in alle Richtungen ausstrahlt, aber dass von jedem Punkt nur ein Strahl gesehen werden kann, der senkrecht auf das Auge trifft. Die anderen Strahlen treffen in anderen Winkeln auf und werden nicht gesehen. Er erfand die Lochkamera, die ein umgekehrtes Bild erzeugt, und benutzte sie als Beispiel, um seine Argumentation zu untermauern. Dies widersprach Ptolemaios' Visionstheorie, dass Objekte durch Lichtstrahlen gesehen werden, die von den Augen ausgehen. Alhazen hielt Lichtstrahlen für Ströme winziger Partikel, die sich mit endlicher Geschwindigkeit fortbewegten. Er hat sich verbessert Ptolemäus 's Theorie der Lichtbrechung und entdeckte die Gesetze der Lichtbrechung.

Er führte auch die ersten Experimente zur Zerlegung des Lichts in seine Farbbestandteile durch. Sein Hauptwerk Kitab al-Manazir wurde übersetzt Latein in dem Mittelalter , sowie sein Buch über die Farben des Sonnenuntergangs. Er befasste sich ausführlich mit der Theorie verschiedener physikalischer Phänomene wie Schatten, Finsternisse, des Regenbogens. Er versuchte auch, das binokulare Sehen zu erklären, und gab eine korrekte Erklärung für die scheinbare Vergrößerung der Sonne und des Mondes, wenn sie sich dem Horizont nähern. Durch diese umfangreichen Forschungen zur Optik gilt Al-Haytham als Vater der modernen Optik.

Al-Haytham argumentierte auch richtig, dass wir Objekte sehen, weil die Lichtstrahlen der Sonne, von denen er glaubte, dass sie Ströme winziger Partikel sind, die sich in geraden Linien bewegen, von Objekten in unsere Augen reflektiert werden. Er verstand, dass sich Licht mit einer großen, aber endlichen Geschwindigkeit ausbreiten muss und dass die Brechung dadurch verursacht wird, dass die Geschwindigkeit in verschiedenen Substanzen unterschiedlich ist. Er studierte auch sphärische und parabolische Spiegel und verstand, wie die Brechung durch eine Linse es ermöglicht, Bilder zu fokussieren und zu vergrößern. Er verstand mathematisch, warum ein sphärischer Spiegel Aberration erzeugt.

Das 'Plenum'

René Descartes (1596-1650) hielt Licht für eine Störung des Lebens Plenum , die kontinuierliche Substanz, aus der das Universum besteht. 1637 veröffentlichte er eine Theorie der Lichtbrechung, die fälschlicherweise annahm, dass sich Licht in einem dichteren Medium schneller ausbreitet als in einem weniger dichten Medium. Descartes kam zu diesem Schluss in Analogie zum Verhalten von Klang Wellen. Obwohl Descarte in Bezug auf die relativen Geschwindigkeiten falsch lag, war er auf dem richtigen Weg, wenn er annahm, dass sich Licht wie eine Welle verhält, und zu dem Schluss kam, dass die Brechung durch die Lichtgeschwindigkeit in verschiedenen Medien erklärt werden könnte. Infolgedessen wird die Theorie von Descartes oft als Vorläufer der Wellentheorie des Lichts angesehen.

Teilchentheorie

Pierre Gassendi (1592-1655), ein Atomist, schlug eine Teilchentheorie des Lichts vor, die in den 1660er Jahren posthum veröffentlicht wurde. Isaac Newton studierte Gassendis Werk in jungen Jahren und zog seine Sichtweise der Theorie von Descartes vor Plenum . Er erklärte in seinem Hypothese des Lichts von 1675, dass Licht aus Korpuskeln (Materieteilchen) besteht, die von einer Quelle in alle Richtungen emittiert werden. Eines von Newtons Argumenten gegen die Wellennatur des Lichts war, dass sich Wellen bekanntermaßen um Hindernisse biegen, während sich Licht nur in geraden Linien fortbewegt. Er erklärte jedoch das Phänomen der Lichtbeugung (das von Francesco Grimaldi beobachtet worden war), indem er zuließ, dass ein Lichtteilchen eine lokalisierte Welle im Äther erzeugen könnte.

Newtons Theorie könnte verwendet werden, um die Reflexion von Licht vorherzusagen, konnte die Brechung jedoch nur erklären, indem fälschlicherweise angenommen wurde, dass Licht beim Eintritt in ein dichteres Medium beschleunigt wird, weil die Gravitation Zug war größer. Newton veröffentlichte die endgültige Version seiner Theorie in seinem Optik von 1704. Sein Ruf half der Teilchentheorie des Lichts, die Physik während der zu dominieren 18. Jahrhundert .

Wellentheorie

In den 1660er Jahren veröffentlichte Robert Hooke a Welle Theorie des Lichts. Christian Huygens erarbeitete 1678 seine eigene Wellentheorie des Lichts und veröffentlichte sie in seinem Abhandlung über Licht im Jahr 1690. Er schlug vor, dass Licht in alle Richtungen als eine Reihe von Wellen in einem Medium namens emittiert wird Leuchtender Äther . Da Wellen nicht von der Schwerkraft beeinflusst werden, wurde angenommen, dass sie beim Eintritt in ein dichteres Medium langsamer werden.

  Thomas Jung's sketch of the two-slit experiment showing the diffraction of light.  Young's experiments supported the theory that light consists of waves.   Vergrößern Thomas Youngs Skizze des Zweispaltexperiments, das die Lichtbeugung zeigt. Youngs Experimente unterstützten die Theorie, dass Licht aus Wellen besteht.

Die Wellentheorie sagte voraus, dass sich Lichtwellen gerne gegenseitig stören könnten Klang Wellen (wie in der 18. Jahrhundert von Thomas Young), und dieses Licht konnte polarisiert werden. Young zeigte durch ein Beugungsexperiment, dass sich Licht wie Wellen verhält. Das schlug er auch anders vor Farben wurden durch unterschiedliche Lichtwellenlängen verursacht und erklärten das Farbsehen durch dreifarbige Rezeptoren im Auge.

Ein weiterer Befürworter der Wellentheorie war Leonhard Euler . Er argumentierte Eine neue Theorie von Licht und Farben (1746) ließe sich diese Beugung leichter durch eine Wellentheorie erklären.

Später arbeitete Augustin-Jean Fresnel unabhängig seine eigene Wellentheorie des Lichts aus und präsentierte sie 1817 der Académie des Sciences. Simeon Denis Poisson fügte Fresnels mathematischer Arbeit hinzu, um ein überzeugendes Argument zugunsten der Wellentheorie zu liefern, das zum Umsturz beitrug Newtons Korpuskulartheorie.

Die Schwäche der Wellentheorie bestand darin, dass Lichtwellen wie Schallwellen ein Medium zur Übertragung benötigen würden. Eine hypothetische Substanz namens leuchtender Äther wurde vorgeschlagen, aber seine Existenz wurde im späten neunzehnten Jahrhundert durch das Michelson-Morley-Experiment stark in Frage gestellt.

Newtons Korpuskulartheorie implizierte, dass sich Licht in einem dichteren Medium schneller ausbreiten würde, während die Wellentheorie von Huygens und anderen das Gegenteil implizierte. Damals die Lichtgeschwindigkeit nicht genau genug gemessen werden konnte, um zu entscheiden, welche Theorie richtig war. Der erste, der eine ausreichend genaue Messung durchführte, war Léon Foucault im Jahr 1850. Sein Ergebnis stützte die Wellentheorie, und die klassische Teilchentheorie wurde endgültig aufgegeben.

Elektromagnetische Theorie

  Eine linear polarisierte Lichtwelle, die in der Zeit eingefroren ist und die zwei oszillierenden Lichtkomponenten zeigt; ein elektrisches Feld und ein magnetisches Feld senkrecht zueinander und zur Bewegungsrichtung (eine Transversalwelle).   Vergrößern Eine linear polarisierte Lichtwelle, die in der Zeit eingefroren ist und die zwei oszillierenden Lichtkomponenten zeigt; ein elektrisches Feld und ein Magnetfeld senkrecht zueinander und zur Bewegungsrichtung (eine Transversalwelle).

1845, Michael Faraday entdeckten, dass der Polarisationswinkel eines Lichtstrahls beim Durchgang durch ein polarisierendes Material geändert werden kann durch a magnetisch Feld, ein Effekt, der heute als Faraday-Rotation bekannt ist. Dies war der erste Beweis dafür, dass Licht mit Elektromagnetismus zusammenhängt. Faraday schlug 1847 vor, Licht sei eine hochfrequente elektromagnetische Schwingung, die sich auch ohne ein Medium wie den Äther ausbreiten könne.

Faradays Arbeit inspiriert James Clerk Maxwell elektromagnetische Strahlung und Licht zu untersuchen. Maxwell entdeckte, dass sich selbstausbreitende elektromagnetische Wellen mit einer konstanten Geschwindigkeit durch den Raum bewegen würden, die zufällig der zuvor gemessenen Lichtgeschwindigkeit entsprach. Daraus schloss Maxwell, dass Licht eine Form elektromagnetischer Strahlung sei: Er stellte dieses Ergebnis erstmals 1862 in Über physikalische Kraftlinien . 1873 veröffentlichte er Eine Abhandlung über Elektrizität und Magnetismus , die eine vollständige mathematische Beschreibung des Verhaltens elektrischer und magnetischer Felder enthielt, noch bekannt als Maxwellsche Gleichungen . Bald darauf bestätigte Heinrich Hertz die Maxwellsche Theorie experimentell durch Erzeugen und Nachweisen Radio Wellen im Labor und demonstrieren, dass sich diese Wellen genau wie sichtbares Licht verhalten und Eigenschaften wie Reflexion, Brechung, Beugung und Interferenz aufweisen. Die Theorie von Maxwell und die Experimente von Hertz führten direkt zur Entwicklung von modernem Radio, Radar, Fernsehen, elektromagnetischer Bildgebung und drahtloser Kommunikation.

Die spezielle Relativitätstheorie

Die Wellentheorie war äußerst erfolgreich bei der Erklärung fast aller optischen und elektromagnetischen Phänomene und war ein großer Triumph der Physik des 19. Jahrhunderts. Bis zum Ende des neunzehnten Jahrhunderts blieben jedoch eine Handvoll experimenteller Anomalien übrig, die nicht durch die Wellentheorie erklärt werden konnten oder in direktem Widerspruch zu ihr standen. Eine dieser Anomalien betraf eine Kontroverse über die Lichtgeschwindigkeit. Die durch die Maxwellschen Gleichungen vorhergesagte und durch das Michelson-Morley-Experiment bestätigte konstante Lichtgeschwindigkeit widersprach den seit 1996 unbestrittenen mechanischen Bewegungsgesetzen Galileo , die besagte, dass alle Geschwindigkeiten relativ zur Geschwindigkeit des Beobachters waren. 1905, Albert Einstein löste dieses Paradoxon durch Überarbeitung Newtons Bewegungsgesetze zur Erklärung der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Einstein formulierte seine Ideen in seiner speziellen Relativitätstheorie, die das Verständnis der Menschheit von Raum und Raum radikal veränderte Zeit . Einstein demonstrierte auch eine bisher unbekannte grundlegende Äquivalenz zwischen Energie und Masse mit seiner berühmten Gleichung

  E = mc^2 \,

wo UND ist Energie, m ist Masse, und c ist der Lichtgeschwindigkeit .

Teilchentheorie neu interpretiert

Eine weitere experimentelle Anomalie war der photoelektrische Effekt, durch den Licht, das auf eine Metalloberfläche trifft, Elektronen von der Oberfläche ausstößt, wodurch ein elektrischer Strom über eine angelegte Spannung fließt. Experimentelle Messungen zeigten, dass die Energie der einzelnen ausgestoßenen Elektronen proportional zu der war Frequenz , eher als das Intensität , des Lichts. Außerdem würde unterhalb einer bestimmten Mindestfrequenz, die vom jeweiligen Metall abhängt, unabhängig von der Intensität kein Strom fließen. Diese Beobachtungen widersprachen eindeutig der Wellentheorie, und jahrelang suchten Physiker vergeblich nach einer Erklärung. 1905 löste Einstein auch dieses Rätsel, diesmal indem er die Teilchentheorie des Lichts wiederbelebte, um den beobachteten Effekt zu erklären. Aufgrund der überwiegenden Beweislage zugunsten der Wellentheorie stießen Einsteins Ideen jedoch bei etablierten Physikern zunächst auf große Skepsis. Aber schließlich würde Einsteins Erklärung des photoelektrischen Effekts triumphieren, und er bildete schließlich die Grundlage für den Welle-Teilchen-Dualismus und vieles mehr Quantenmechanik .

Quantentheorie

Eine dritte Anomalie, die Ende des 19. Jahrhunderts auftauchte, betraf einen Widerspruch zwischen der Wellentheorie des Lichts und Messungen des elektromagnetischen Spektrums, das von thermischen Strahlern oder sogenannten Schwarzen Körpern emittiert wurde. Mit diesem Problem, das später als UV-Katastrophe bekannt wurde, kämpften Physiker viele Jahre erfolglos. In 1900, Max Planck entwickelte eine neue Theorie der Schwarzkörperstrahlung, die das beobachtete Spektrum korrekt erklärte. Plancks Theorie basierte auf der Idee, dass schwarze Körper Licht (und andere elektromagnetische Strahlung) nur als diskrete Bündel oder Pakete aussenden Energie . Diese Pakete wurden Quanten genannt, und das Lichtteilchen erhielt den Namen Photon , um mit anderen Partikeln zu korrespondieren, die um diese Zeit herum beschrieben wurden, wie z Elektron und Proton . Ein Photon hat eine Energie, UND , proportional zu seiner Frequenz, f , durch

  E = hf = \frac{hc}{\lambda} \,\!

wo h ist die Plancksche Konstante, l ist die Wellenlänge und c ist der Lichtgeschwindigkeit . Ebenso der Schwung p eines Photons ist auch proportional zu seiner Frequenz und umgekehrt proportional zu seiner Wellenlänge:

  p = { E \over c } = { hf \over c } = { h \over \lambda }.

In ihrer ursprünglichen Form erklärte diese Theorie nicht die gleichzeitige Wellen- und Teilchennatur des Lichts, obwohl Planck später an Theorien arbeiten sollte, die dies taten. 1918 erhielt Planck den Nobelpreis für Physik für seinen Anteil an der Begründung der Quantentheorie.

Welle-Teilchen-Dualität

Die moderne Theorie, die die Natur des Lichts erklärt, ist der Welle-Teilchen-Dualismus, beschrieben durch Albert Einstein in den frühen 1900er Jahren, basierend auf seiner Arbeit über den photoelektrischen Effekt und Plancks Ergebnisse. Einstein stellte fest, dass die Energie eines Photons proportional zu seiner Frequenz ist. Allgemeiner gesagt besagt die Theorie, dass alles sowohl eine Teilchennatur als auch eine Wellennatur hat, und dass verschiedene Experimente durchgeführt werden können, um das eine oder andere hervorzubringen. Die Teilchennatur ist leichter zu erkennen, wenn ein Objekt eine große Masse hat, daher dauerte es bis zu einem Experiment von Louis de Broglie im Jahr 1924, um zu erkennen, dass Elektronen auch Welle-Teilchen-Dualität aufweisen. Einstein erhielt 1921 den Nobelpreis für seine Arbeit mit dem Welle-Teilchen-Dualismus an Photonen, de Broglie folgte 1929 für seine Erweiterung auf andere Teilchen.

Quantenelektrodynamik

Die quantenmechanische Theorie des Lichts und der elektromagnetischen Strahlung entwickelte sich in den 1920er und 1930er Jahren weiter und gipfelte in den 1940er Jahren in der Entwicklung der Theorie der Quantenelektrodynamik oder QED. Diese sogenannte Quantenfeldtheorie gehört zu den umfassendsten und experimentell erfolgreichsten Theorien, die je formuliert wurden, um eine Reihe von Naturphänomenen zu erklären. QED wurde hauptsächlich von Physikern entwickelt Richard Feynmann , Freeman Dyson, Julian Schwinger und Sin-Itiro Tomonaga. Feynman, Schwinger und Tomonaga teilten sich 1965 den Nobelpreis für Physik für ihre Beiträge.