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Von der geometrischen Optik
zur Entdeckung der Wellennatur des Lichts
Trotz vielfältiger Bemühungen, die bis in die Antike zurückreichen.
ist es Gelehrten und Wissenschaftlern bislang noch nicht gelungen,
eine allgemeingültige Theorie über die Natur des Lichts zu
entwerfen. Dabei erscheint uns das Licht als ein alltägliches
und zugleich lebensnotwendiges Naturphänomen, durch das überhaupt
erst die Sichtbarkeit der gegenständlichen Welt um uns herum
gewährleistet wird. Schließlich kann man sogar davon ausgehen,
dass uns das Licht sowohl den Ursprung als auch den Schlüssel
zur Wahrnehmung alles Sichtbaren liefert. Wie könnte uns die
Welt jemals in ihrer Farbenpracht vor Augen treten, wenn sie
nicht vom Licht erfüllt wäre? Und wie sollten wir überhaupt
einen auf Erkenntnis zielenden Zugang zur Natur finden können,
wenn uns der Weg dorthin nicht durch die erhellende Kraft
des Lichts gewiesen würde? Goethe, der diesen Fragen in zahlreichen
Studien nachgegangen ist. hat die besondere Bedeutung des
Lichts einmal auf poetische Weise in folgenden Versen zum
Ausdruck gebracht:
"Wär' nicht das Auge sonnenhaft.
Wie könnten wir das Licht erblicken?
Lebt' nicht in uns des Gottes eigene Kraft,
Wie könnt' uns Göttliches entzücken?"
Ähnlich wie Goethe waren bereits einige Gelehrte der Antike
bei ihren naturwissenschaftlichen Überlegungen von einer engen
Beziehung des wahrnehmenden Auges zur Natur des Lichts ausgegangen.
So soll beispielsweise der griechische Philosoph Epikur der
Meinung gewesen sein, dass das Sehen durch ein Ausströmen der
Bilder aus den Augen erfolge. Eine weitere Hypothese, die von
Hipparch vertreten wurde, war, dass die Quelle des Lichts in
den Augen liege, von wo aus sich Lichtstrahlen zu den äußeren
Gegenständen erstrecken würden. Platon dagegen behauptete, dass
das Licht nicht allein aus den Augen, sondern auch von den Gegenständen
bis auf eine gewisse Entfernung ausströme, so dass die beiderseitigen
Strahlen einander entgegenkommen und durch ihr Zusammentreffen
die Empfindung des Sehens erregt werde.
Die beiden Philosophen Chrysippus und Apollodorus wiederum vertraten
eine Auffassung, die sich auch bei Euklid wiederfindet. Bei
ihnen heißt es, das Sehen erfolge, indem das Licht zwischen
dem Auge und einem Gegenstand die Gestalt eines Kegels annehme,
dessen Spitze am Auge und dessen Grundfläche am Gegenstand sei.
 300
v. Chr. hat Euklid sich dann in seiner Schrift über die Optik
darum bemüht diese Überlegung in eine exakte mathematische Form
zu bringen. Hierauf gründete sich dann die Theorie einer geometrischen
Optik, die bis in das späte 17. Jahrhundert hinein das Denken
über die Natur des Lichts nachhaltig geprägt hat. Auf der Grundlage
jener geometrischen Optik gelangten die Gelehrten zu ~er Auffassung,
dass Licht sich strahlenförmig auf geradlinigen Bahnen im Raum
ausdehnen müsse (Abb. 1). Diese Denkweise wurde zusätzlich dadurch
bekräftigt, dass man überzeugt war, die Lichtstrahlen beispielsweise
der Sonne direkt sehen zu können, wenn das Sonnenlicht durch
Wolken hindurchfällt oder wenn es durch eine kleine Öffnung
in ein verdunkeltes Zimmer gelangt.
Gegen Ende des 17. Jahrhunderts verloren diese Vermutungen dann
allmählich ihre Gültigkeit, als mit der Emmissions- oder Korpuskeltheorie
und der Ondulations- oder Wellentheorie zwei einander widerstreitende
Auffassungen über die natürliche Beschaffenheit des Lichts aufkamen.
Die erste dieser beiden Theorien, die von Isaac Newton (1643-1727)
vertreten wurde, bleibt jedoch noch weitgehend der geometrischen
Optik verhaftet. Sie besagt, dass es sich bei Lichtstrahlen
eigentlich um winzige, rasch fliegende Korpuskeln oder Partikelchen
handelt, die Geschossen vergleichbar, von einer Lichtquelle
ausgehend, auf geradlinig verlaufenden Bahnen durch den Raum
katapultiert werden. Treffen diese Partikelchen hierbei auf
ein Hindernis, so prallen sie wie Billardkugeln von diesem ab
und verändern entsprechend die Richtung ihrer Flugbahn.
Dieser Behauptung Newtons trat Christian Huygens (1629-1695)
mit einer vollkommen neuen Erkenntnis entgegen, die er 1690
in seiner Schrift "Tractatus de lumini" (Abhandlung über das
Licht) dargelegt hat. Ebenso wie der Schall, so meinte Huygens,
müsste auch das Licht als ein Wellenphänomen verstanden werden.
Die geometrische Optik vernachlässigend, legte er der räumlichen
Ausdehnung des Lichts einen wellenförmigen Bewegungsverlauf
zugrunde. Zugleich führte er damit die besondere Erscheinungsform
des Lichts auf ein allgemeingültiges Prinzip zurück, dessen
Gültigkeit sich über Schall- und Lichtwellen hinausgehend, auf
sämtliche in der Natur vorkommenden Wellenphänomene erstreckt.
Diesem Prinzip zufolge pflanzen Wellen, gleich welcher Art,
die von einem Erregungszentrum ausgehen, sich in alle Richtungen
des Raumes fort.
Allerdings vermochte Huygens sich mit dieser Erkenntnis nicht
gegenüber der damals hochgeachteten Autorität Newtons zu behaupten,
weshalb zunächst ein weiteres Jahrhundert verstrich, bis die
Welle Theorie des Lichts dann schließlich doch den Sieg davontrug.
Jedoch bedurfte es hierzu noch der Entdeckung zweier optischer
Phänomene, deren Auftreten einzig mit Hilfe der Wellentheorie
zu erklären ist.
Elektromagnetische
Schwingungen
In dem Huygens davon ausging, dass das Licht sich in ähnlicher
Weise fortpflanzt wie der Schall, war er auf ein Phänomen gestoßen,
welches eigentlich die Richtigkeit seiner Überlegungen hätte
in Frage stellen müssen. Denn während Schallwellen sich im luftleeren
Raum nicht fortpflanzen können, bleibt die Fortpflanzung des
Lichts hiervon unbeeinträchtigt. Um aber dennoch an seiner Theorie
festhalten zu können, nahm Huygens zur Lösung dieses Problems
hypothetisch die Existenz eines Stoffes an, den er als Lichtäther
bezeichnete. Diesem Stoff sprach er die Fähigkeit zu, dass er
alle Materie durchdringen, sich in den ungeheuren Weiten des
Weltraumes ausbreiten und sogar jeden "leeren" Raum
noch erfüllen könne.
Obwohl zwar mittlerweile erwiesen ist, dass es zur Fortpflanzung
von Lichtwellen keines derartigen Stoffes bedarf, spricht man
bisweilen auch heute noch davon, dass Wellen durch den Äther
geschickt werden, wenn z.B. von Rundfunksendungen die Rede ist.
Dennoch wurde die mechanische Äther-Theorie bereits im Jahre
1864 von dem schottischen Mathematiker Clerk Maxwell (1831-1879)
widerlegt, indem er das Licht als ein elektromagnetisches Phänomen
darstellte. Seitdem wird das sichtbare Licht als ein relativ
schmaler Bereich aus einem weiten Spektrum elektromagnetischer
Schwingungen definiert. Da aber alle elektromagnetischen Wellen
sich mit der sogenannten Lichtgeschwindigkeit von ca. 300000
km/s fortpflanzen, einzelne Wellen jedoch über ein unterschiedliches
Maß an Energie verfügen, müssen sich zwangsläufig entsprechend
unterschiedlich lange Wellenzüge ergeben.
Während beispielsweise energiearme Radiowellen relativ langwelliger
Natur sind, bewegen sich energiestarke Röntgen- bzw. Gammastrahlen
entsprechend kurzwelliger durch den Raum. Für das menschliche
Auge sind jedoch allein elektromagnetische Schwingungen als
Licht sichtbar, die sich mit Wellenlängen zwischen 400 und 750
nm (1 Nanometer = 1 millionstel Millimeter) ausdehnen.
Die Ermittlung der spezifischen Wellenlängen erfolgt durch die
Entfernungsbestimmung der beiden höchsten Punkte zweier aufeinanderfolgender
Wellenberge. Anders als bei der mechanischen Fortbewegung von
Wasserwellen handelt es sich jedoch, wie bereits erwähnt, bei
Lichtwellen um ein elektro-magnetisches Phänomen, weshalb die
Bezeichnung Welle nur eine verbildlichte Annäherung an das darstellen
kann, was sich an einzelnen Punkten im Bewegungsablauf des Lichts
tatsächlich ereignet.
Während Licht sich im Raum ausdehnt, erzeugt es an jedem Punkt
seiner Bewegungsrichtung elektromagnetische Felder von unterschiedlicher
Intensität. Die Stärke dieser Felder unterliegt im Verlauf der
Bewegung gewissen Schwankungen, woraus sich die graphische Darstellung
einer sinusförmig verlaufenden Wellenbewegung ableiten lässt.
Somit bringt eine Bestimmung entsprechender Wellenlängen hauptsächlich
zum Ausdruck, welch starken Intensitätsschwankungen die elektromagnetischen
Felder an einzelnen Punkten des Lichtweges ausgesetzt sind.
Aus der Regelmäßigkeit dieser Schwankungen kann dann wiederum
der wellenförmige Verlauf des Lichts abgeleitet werden.
Die Punkte, an denen die stärksten elektromagnetischen Felder
entstehen, werden als Amplituden bezeichnet. Sie sind mit den
höchsten Erhebungen der Wellenberge identisch. Da das Licht
sich kontinuierlich mit einer Geschwindigkeit von 300000 km/s
fortbewegt, braucht man theoretisch also nur den zeitlichen
Abstand zweier aufeinanderfolgender Amplituden zu messen, um
die Strecke bestimmen zu können, die das Licht in der Zwischenzeit
zurückgelegt hat. Auf diese Weise lassen sich annähernd genau
die unterschiedlichen Wellenlängen des Lichts ermitteln.
Farbige
Lichtwellen
Obwohl gewöhnliches Licht, wie es etwa von der Sonne oder einer
Glühlampe erzeugt wird, in der Regel weiß in Erscheinung tritt,
sind darin dennoch viele verschiedene (Licht-)Farben enthalten.
Beobachtet man beispielsweise weißes Lieht, wie es durch ein
Prisma hindurchfällt, so kann man feststellen, dass dabei Lichtschatten
in den Farben rot, orange, grün, gelb, indigoblau und violett
entstehen. Einem ähnlichen Phänomen begegnet man ferner in der
Natur, wenn am Himmel ein Regenbogen zu sehen ist, der sich
aus den gleichen Farben zusammensetzt. Verfolgt man diesen Prozess
in umgekehrter Richtung, so ist es möglich, mit den unterschiedlichen
Farben des Regenbogens wiederum weißes Licht zu erzeugen. Dabei
benötigt man nicht einmal sämtliche der eben erwähnten Farben,
so dass bereits mit rotem, grünem und blauem Licht weißes Licht
hervorgerufen werden kann. Somit handelt es sich also bei weißem
Licht um ein Mischlicht, welches in verschiedenfarbige Bereiche
bzw. Spektren zerlegbar ist. Versuche dieser Art wurden erstmals
von Newton durchgeführt und in seinem 1704 erschienenen Buch
über die Optik dargelegt.
Gegen Anfang des 20. Jahrhunderts, also etwa 200 Jahre später,
fanden Physiker wie etwa der Däne Niels Bohr und der Deutsche
Arnold Sommerfeld heraus, dass sich farbiges Licht auf unterschiedlichen
Spektrallinien mit einer jeweils spezifischen Wellenlänge bewegt.
Demzufolge verfügt also jede (Licht-)Farbe über eine genau zu
bestimmende Wellenlänge innerhalb des sichtbaren Bereichs des
elektromagnetischen Spektrums, welcher sich von ungefähr 750mm
für rotes Licht bis 400 nm für violettes Licht erstreckt. Die
Wellenlängen aller anderen Farben bewegen sich entsprechend
in dem Bereich dazwischen, während das weiße Mischlicht sich
aus der Summe dieser unterschiedlichen Wellenlängen zusammensetzt.
Interferenz
Die Wellennatur des Lichts ist im wesentlichen durch zwei besondere
Eigenschafen gekennzeichnet, deren Entdeckung entscheidend zur
Bestätigung der Wellentheorie des Lichts beigetragen hat. Es
handelt sich dabei um die optischen Phänomene der Interferenz
und der Beugung.
Als erste dieser beiden Eigenschaften wurde im Jahre 1807 das
Phänomen der Interferenz oder Überlagerung zweier Lichtwellen
von dem englischen Wissenschaftler Thomas Young (1773-1829)
in einem Experiment nachgewiesen und begründet.
Zu diesem Zweck hatte Young einen Sonnenlichtstrahl in zwei
gleiche Strahlen geteilt, indem er ihn parallel durch zwei Lochblenden
in einen verdunkelten Raum hineinfallen ließ. Unter bestimmten
physikalischen Bedingungen wirken diese beiden Lochblenden dann
selbst wiederum als sogenannte sekundäre Lichtquellen, deren
Lichtwellen sich nahezu identisch in einer Richtung fortpflanzen.
In einem entsprechenden Abstand kommt es dabei zu einer Überlagerung
beider Wellen, wodurch schließlich das Phänomen der Interferenz
hervorgerufen wird. Young entdeckte, dass an der Stelle, wo
beide Wellen sich überlappen, einregelmäßiges Muster aus hellen
und dunklen Streifen entsteht. Obwohl dort gewissermaßen die
doppelte Menge Licht vorhanden sein müsste, schien es doch,
als sei in den dunklen Streifen ein Teil des Lichts gänzlich
ausgelöscht worden, während sich in den hellen Streifen die
Energie des Lichts erhöht hatte.
Theoretisch ist diese Entdeckung Youngs wie folgt zu erklären
(wobei zu berücksichtigen ist dass zur Durchführung des Experiments
besondere Lichtverhältnisse unbedingt erforderlich sind): Hätte
Young sich beispielsweise anstatt der beiden Lochblenden zweier
gesonderter Lichtquellen bedient, so hätte er nicht jene hellen
und dunklen Streifen, sondern nur eine gleichmäßig ausgeleuchtete
Fläche beobachten können. Youngs Experiment hingegen basiert
im wesentlichen darauf, dass zunächst das Licht einer Lichtquelle
in zwei gleiche Wellenzüge geteilt und anschließend wieder zur
Überlagerung gebracht wird.
Um nachvollziehen zu können, was dabei geschieht, stelle man
sich der Einfachheit halber zwei sinusförmig verlaufende Wellenzüge
mit gleicher Bewegungsrichtung vor. Ihre Wellenlänge ist identisch,
und handelte es sich bei ihnen tatsächlich um Lichtwellen, dann
würde das Licht einfarbig in Erscheinung treten.
Das Verhältnis, in dem beide Wellen sich zueinander im Raum
bewegen, läßt sich als zeitlich konstante Phasenbeziehung beschreiben.
Ihre Schwingungen können entweder in Phase, d.h. in genauem
Gleichtakt, oder aber phasenverschoben, in einem entsprechenden
zeitlichen Abstand zueinander verlaufen.
Gemäß der Differenzen, die in der Phasenbeziehung auftreten
können, ist eine Überlagerung der beiden Wellen in mehrfacher
Weise denkbar. Zum einen ist es möglich, dass Wellenberge und
Wellentäler der einen Welle mit Wellenbergen und Wellentälern
der anderen Welle zusammentreffen. In diesem Fall ergänzen sich
beide Wellen derartig, dass daraus eine neue Welle entsteht,
die über eine doppelt so hohe Energie verfügt. Diese Überlagerungssituationen
bezeichnet man auch als "konstruktive Interferenz". Konstruktiv
deshalb, da hierbei eine Verdopplung der Intensität des Lichts
eintritt.
Zum anderen ist es möglich, dass zwei phasenverschobene Wellen
aufeinandertreffen, d.h. Wellenberge der einen Welle überlagern
sich mit Wellentälern der anderen Welle und umgekehrt. In diesem
Fall kommt es allerdings nicht zu einer Steigerung, sondern
zu einer gänzlichen Auslöschung der ursprünglichen Lichtenergie.
Das Resultat ist ein Intensitätsverlust, weshalb diese Art der
Überlagerung auch als "destruktive Interferenz" bezeichnet wird.
Was also im ersten Fall an Energiezuwachs zu verzeichnen ist,
geht im anderen Fall im entsprechenden Maß verloren, so dass
durch das gleichmäßige Auftreten von konstruktiven und destruktiven
Interferenzen insgesamt ein bestimmtes energetisches Gleichgewicht
des Lichts wieder hergestellt wird. Zu beobachten ist das an
dem Phänomen der hellen und dunklen Streifen, die Young mit
seinem Interferenz-Experiment hervorgerufen hatte. Dabei entstehen
die hellen Streifen immer genau dort, wo sich konstruktive Interferenzen
ereignen, während in den dunklen Streifen die Energie des Lichts
durch das Auftreten destruktiver Interferenzen ausgelöscht wird.
Kohärenz
Interferenzphänomene wie sie vorangehend beschrieben wurden,
können nicht mit jeder beliebigen Lichtquelle erzeugt werden.
Vielmehr sind dafür Lichtquellen erforderlich, von denen Lichtstrahlen
mit gleicher Wellenlänge angeregt werden. Ist eine derartige
Voraussetzung nicht erfüllt, so kann mit der Zusammenführung
zweier Lichtstrahlen einzig eine gleichmäßige Ausleuchtung,
nicht aber die Entstehung eines Interferenzmusters erzielt werden.
Trotzdem handelt es sich bei der Interferenz aber um ein allgemeines
wellenoptisches Phänomen, das nicht nur auf experimentellem
Wege herbeigeführt, sondern auch als eine natürliche Erscheinung
auftreten kann. So werden etwa die sogenannten Newtonschen Ringe
in glasgerahmten Diapositiven ebenso durch Interferenzen hervorgerufen
wie die verschiedenfarbigen Schlieren, die oftmals auf der Oberfläche
von Seifenblasen oder auf ölverschmiertem Wasser zu beobachten
sind.
Natürliche Interferenzphänomene dieser Art kommen immer dann
zustande, wenn das im weißen Mischlicht enthaltene farbige Licht
gleicher Wellenlänge sich in bestimmten Situationen zu konstruktiven
Interferenzen überlagert. Auf diese Weise entstehen jeweils
einfarbige Streifensysteme, die gemeinsam ein regenbogenfarbiges
Muster ergeben.
Diese in der Natur auftretenden Interferenzmuster unterscheiden
sich jedoch von den experimentell herbeigeführten durch ein
hohes Maß an Unregelmäßigkeit. Will man jedoch ein regelmäßiges
Interferenzbild erzeugen, so bedarf es zunächst entsprechend
geordneter Lichtverhältnisse. Wodurch unterscheiden diese sich
aber von der Beschaffenheit des normalen weißen Lichtes wie
es etwa durch die Sonne oder von einer gewöhnlichen Glühbirne
erzeugt wird?
Zur Klärung dieser Frage ist es sinnvoll sich nochmals der wellenförmigen
Natur des Lichts zuzuwenden. Anders als Wasserwellen, die sich
einzig auf der Oberfläche eines Sees ausbreiten, schwingen die
elektromagnetischen Wellen des Lichts gewöhnlich in allen drei
Dimensionen des Raumes. Licht, das beispielsweise von einer
Glühbirne ausgeht, erfüllt sogleich den gesamten Raum mit Helligkeit.
Die einzelnen Lichtstrahlen sind dabei bestrebt, sich in allen
Richtungen zu verteilen. Hinzu kommt, dass dieser Vorgang sich
mit einer Vielzahl unterschiedlich langer Wellenzüge vollzieht.
Somit herrscht in einem hell erleuchteten Raum ein chaotisches
Gewirr von ungeordnet verlaufenden Wellenzügen. Zufällig zustande
kommende Interferenzen werden darin sogleich von dem herrschenden
Chaos derartig gestört, dass daraus kaum ein regelmäßiges Muster
ersichtlich wird.
Um aber dennoch mit Hilfe des Lichts, gezielt Interferenzen
bewirken zu können, ist es notwendig, das herrschende Wellenchaos
in geordnete Bahnen zu lenken. Dieser Vorgang hat in zwei Schritten
zu erfolgen.
Zum einen muss verhindert werden, dass die Lichtwellen den gesamten
Raum ausfüllen; zum anderen müssen aus dem Chaos Lichtwellen
mit gleicher Wellenlänge aussortiert werden, so dass schließlich
nur noch monochromatische, d.h. einfarbige Lichtwellen übrig
bleiben, welche sich mit gleich verlaufender Wellenbewegung
in genau einer Richtung fortpflanzen. Die besondere Beschaffenheit
dieses Lichts bezeichnet man als "Kohärenz". Die Eigenschaft
der Kohärenz kann aber noch in die Kategorien der räumlichen
und der zeitlichen Kohärenz unterteilt werden.
Als "räumlich kohärent" bezeichnet man Licht dann, wenn einzelne
Lichtwellen in gleicher Bewegungsrichtung und in ein und derselben
Ebene schwingen. Licht hingegen, das sich "zeitlich kohärent"
verhält, ist in der Regel streng monochromatisch. Es wird erzeugt,
indem mit Hilfe eines sogenannten Spektralfilters ein bestimmter
Wellenbereich aus dem sichtbaren Spektrum elektromagnetischer
Schwingungen herausgefiltert wird. Je schmaler dieser Spektralbereich
ist, desto größer ist auch die sogenannte "Kohärenzlänge" des
Lichts. Theoretisch müsste die Kohärenzlänge dementsprechend
bei streng einfarbigem Licht unendlich sein, was praktisch jedoch
kaum zu realisieren ist. Die Kohärenzlänge, die sich von wenigen
Millimetern bis zu mehreren Metern bzw. ins Unendliche erstrecken
kann, bezeichnet einen räumlichen Bereich, in dem es zu Interferenzen
zweier kohärenter Lichtwellen kommen kann.
Wenngleich es zwar mittels jeder normalen Lichtquelle durch
räumliche und spektrale Filterung möglich ist, Licht mit einem
bestimmten Kohärenzgrad zu erzeugen, ist das dabei gewonnene
Licht dennoch nur wenig geeignet, um damit Interferenzmuster
deutlich sichtbar hervortreten zu lassen. Begründen lässt sich
das durch den überaus hohen Intensitätsverlust des Lichts, der
in diesem Fall durch den Prozess der Filterung eintritt. Demgegenüber
ist es jedoch durch die Erfindung des Lasers möglich geworden,
kohärentes Licht von hoher Intensität und relativ großen Kohärenzlängen
künstlich zu erzeugen.
Beugung
Erste Beobachtungen des Beugungsphänomens, der anderen wesentlichen
Eigenschaft des Lichts, mit der sich die Wellenmuster desselben
belegen lässt, können bis in das Jahr 1665 zurückverfolgt werden,
als der Jesuitenpater Francesco Grimaldi (1613-1663) in einem
zwei Jahre nach seinem Tod erschienenen Buch über seltsame Ränder
von Schatten berichtete.
Grimaldi hatte bemerkt, dass kleine undurchsichtige Gegenstände,
die in gebündeltes Sonnenlicht gestellt werden, keinen scharfen
Schattenrand entstehen lassen. Statt einer klaren Schattengrenze
entdeckte er dabei einen allmählichen Übergang vom Hellen ins
Dunkle. Bisweilen erscheinen in jenen Randbereichen sogar abwechselnd
helle und dunkle Streifen oder Farberscheinungen.
Grimaldi benannte dieses Phänomen des Lichts nach dem lateinischen
Wort "diffractio". Newton, der diesen Vorgang später ebenfalls
entdeckte, bezeichnete ihn als "inflection", was ins Deutsche
mit "Beugung" übersetzt wird. Diese Bezeichnung deutet bereits
darauf hin, dass Lichtstrahlen sich offensichtlich nicht nur
geradlinig bewegen, sondern an den Rändern von Objekten aus
ihrer Richtung abgelenkt oder gebeugt werden.
Eigentlich hätten die Gegenstände, die Grimaldi ins Licht stellte,
gemäß der damals angenommenen strahlenförmig geradlinigen Ausdehnung
des Lichts, ein scharf umrissenes Schattenbild werfen müssen.
Anstatt dessen zeigte sich aber, dass entgegen der geometrischen
Optik immer auch ein Teil des Lichts in den Bereich des Schattens
hineinfällt. Damit stand fest, dass Licht sich, wenn auch nur
in geringem Grad, um einen Gegenstand herumbewegen kann. Wie
ist es aber möglich und in welchem Zusammenhang steht das mit
den lnterferenzmustern, die Grimaldi an den Schattenrändern
beobachtete?
Eine Lösung dieses Problems führte dann der Franzose Jean-Augustin
Fresnel (1788-1827) herbei. Bei seiner Deutung griff er auf
eine weitere Theorie Huygens zurück, die als Huygenssches Prinzip
bezeichnet wird. Diesem Prinzip entsprechend verhält sich jeder
schwingende Punkt in einer Wellenbewegung so, dass er wiederum
das Wellenzentrum für eine neu entstehende Welle bildet; d.h.
dass eine Welle aus sich heraus immer zugleich eine Vielzahl
neuer sogenannter Elementarwellen erzeugt.
Fresnel fand dann heraus, dass sich die Elementarwellen gegenseitig
durchdringen und durch das Auftreten destruktiver Interferenzen
teilweise auslöschen. Aus diesem Grund findet eine Fortpflanzung
der einzelnen Elementarwellen nur in einer Richtung statt, wobei
durch konstruktive Interferenzen eine fortschreitende Wellenfront
entsteht.
Trifft nun eine derartige Wellenfront einzelner Elementarwellen
auf ein Hindernis, so werden die Wellen, die sich dem Rand dieses
Hindernisses am nächsten befinden, nicht mehr durch destruktive
Interferenzen ausgelöscht, da sie sich nicht mehr mit anderen
Elementarwellen überlagern können. Sie breiten sich ungestört
in dem Raum hinter dem Hindernis aus. Zugleich führt das dazu,
dass sich die ursprünglichen Interferenzpositionen innerhalb
der Wellenfront verschieben. Dabei entsteht an den Rändern des
Hindernisses eine neue Wellenfront, die sich mit der ungehinderten
Wellenfront überlagert, wodurch die von Grimaldi beobachteten
Interferenzstreifen hervorgerufen werden.
Handelt es sich bei dem Hindernis beispielsweise um eine schmale
Spaltblende, so entsteht ein streifenförmiges Interferenzmuster.
Während bei einer winzigen Lochblende ein kreisförmiges, schießscheibenähnliches
Interferenzbild erscheint, welches nach seinem Entdecker auch
als "Fresnelsche Zonenplatte" bezeichnet wird.
Mit den Entdeckungen Fresnels, die sich einzig mit dem Huygensschen
Prinzip theoretisch begründen ließen, wurde schließlich der
endgültige Beweis für die Richtigkeit der Wellentheorie des
Lichts erbracht, die bis heute ihre Gültigkeit aufrechterhalten
hat, wenngleich ihr zwar mit der Quantentheorie des Lichts gegen
Anfang des 20. Jahrhunderts eine weitere Theorie gleichberechtigt
hinzugetreten ist. |