Kinderuni Woraus besteht eigentlich Licht?
Saarbrücken · Auch weißes Licht besteht aus farbigen Bestandteilen. Die Physik-Professorin Elke Neu-Ruffing erklärt den Besuchern der Kinderuni, wie Wissenschaftler die kleinsten Lichtteilchen untersuchen.
Ob die Sonne scheint, ob wir die Deckenbeleuchtung einschalten oder eine Taschenlampe benutzen – Licht ist im Alltag allgegenwärtig. Aber was ist eigentlich Licht? Dieser Frage geht Elke Neu-Ruffing in ihrem Kinderuni-Vortrag „Woraus besteht Licht, wenn man ganz genau hinschaut“ nach.
„Auch wenn es uns nicht immer bewusst ist: Ohne Licht könnten wir nichts sehen und wahrscheinlich wäre alles Leben ohne das Licht unserer Sonne nicht möglich“, sagt die Junior-Professorin der Technischen Universität in Kaiserslautern.
Dass Licht Energie ist, wird an vielen Stellen deutlich: „Wenn wir uns in die Sonne legen, ist es nicht nur sehr hell, sondern uns wird auch warm – besonders, wenn man ein dunkles oder schwarzes T-Shirt anhat.“ Denn das nimmt die Energie des Sonnenlichts gut auf. Zudem kann man aus Licht Strom erzeugen. Anlagen dafür sieht man manchmal auf Hausdächern. „Aber auch Pflanzen nutzen die Energie des Lichts zum Wachsen“, erklärt die Wissenschaftlerin. Im Schatten wachsen Pflanzen meist nicht so gut wie im Sonnenlicht.
Und Licht hat weitere spannende Eigenschaften. Wer zum Beispiel das Licht einer Taschenlampe mit dem eines Lasers vergleicht, merkt schnell: Licht kann farbig oder weiß sein. Was man jedoch nicht auf den ersten Blick sieht: „Weißes Licht enthält alle Farben“, sagt die Physikerin. Die Farbmischung ist aber völlig anders, als bei normalen Wasserfarben. Wer die komplette Palette seiner Wasserfarben schon mal gemischt hat, der hat am Schluss einen Braunton erhalten. Beim Licht ergeben dagegen alle farbigen Bestandteile zusammen Weiß.
Wie hängt nun die Farbe des Lichts mit der Energie zusammen? „Die Farbe des Lichts bestimmt seine Energie“, erklärt die Forscherin. Blaues Licht hat zum Beispiel mehr Energie als rotes. Manche Prozesse funktionieren nur mit blauem Licht und nicht mit rotem – egal wie stark, also wie hell das rote Licht ist. Denn in blauem Licht ist die Energie in größeren Portionen enthalten. Elke Neu-Ruffing: „Diese Portionierung der Energie nennen wir Quantisierung.“ Man kann es sich auch so vorstellen, dass das Licht aus Lichtteilchen, den sogenannten Photonen besteht.“
Normalerweise falle diese „Portionierung“ der Energie nicht auf. Denn selbst aus einem Laser kommen unglaublich viele Lichtteilchen pro Sekunde raus: In einer Sekunde ungefähr 30 000 Mal so viele wie Menschen auf der Erde leben. Um Lichtteilchen sichtbar zu machen, muss man das Licht sehr schwach einstellen – so schwach, dass es mit bloßem Auge nicht mehr sichtbar ist.
Die Forscherin vergleicht das Abschwächen des Lichts mit dem Wasserstrahl aus einem Wasserhahn: Wenn der Wasserhahn aufgedreht ist, sind keine einzelnen Wassertropfen zu sehen, sondern nur ein Strahl. Ist der Hahn aber nahezu geschlossen, sind einzelne Tropfen erkennbar.
Um die Energie der Teilchen abzuschwächen, verwenden die Forscher sogenannte Graufilter, die ähnlich wie eine Sonnenbrille funktionieren. Werden mehrere solcher Filter benutzt, bleiben irgendwann nur etwa eine Million Lichtteilchen pro Sekunde übrig. Ab dann wird es für die Quantenphysik interessant. Und in dieser Welt der kleinsten Teilchen gelten zum Teil andere Gesetze als in unserer Alltagswelt.
Ist das Licht so schwach, dass ein Strahl nur eine Million Lichtteilchen in der Sekunde umfasst, lassen sich die einzelnen Teilchen sogar messen.
Um verlässlich einzelne Lichtteilchen zu bekommen, reicht es nicht, normales Licht stark abzuschwächen. Die Forscher bauen sich dafür spezielle Lichtquellen, die jedes Mal, wenn sie aufleuchten, nur ein einzelnes Lichtteilchen produzieren. „Das funktioniert, indem man zum Beispiel ein einzelnes Atom als Lichtquelle nutzt“,
erklärt Neu-Ruffing.
Weil es technisch aufwendig ist, mit einzelnen Atomen zu arbeiten, benutzen viele Forscher inzwischen auch winzige Kristalle, sogenannten Quantenpunkte. Sie erzeugen beim Leuchten auch einzelne Lichtteilchen. Eine weitere Möglichkeit, mit der sich die Forscherin beschäftigt, sind sogenannte Farbzentren in Kristallen. Ihr Leuchten besteht aus einzelnen Lichtteilchen.
Warum die Forscher einzelne Lichtteilchen so genau untersuchen, erklärt die Dozentin ebenfalls: „Ein Lichtteilchen lässt sich mit allen seinen Eigenschaften nicht einfach kopieren.“ Es lässt sich auch nicht teilen, da es die kleinste Einheit bildet, in der Licht vorkommt. Deshalb ist es möglich, mit Lichtteilchen Informationen sicher zu verschicken.
