Doch was ist Licht eigentlich? Seit jeher wird Licht für unterschiedliche Zwecke vereinnahmt und Gelehrte versuchen, seinem Wesen näherzukommen. Zwar haben wir inzwischen vieles über das Licht herausgefunden und es kommt in zahlreichen alltäglichen Anwendungen zum Einsatz. Dennoch bleiben fundamentale Fragen ungeklärt. Die Suche nach Antworten hat die moderne Physik geprägt. Und sie ist längst nicht abgeschlossen, denn das Wesen des Lichts bleibt rätselhaft.

Widersprüchliche Erklärungen

Im 17. Jahrhundert rückte die Frage, was Licht ist, in den Fokus der Aufmerksamkeit von Gelehrten. Ein maßgeblicher Beitrag kam vom englischen Universalgelehrten Isaac Newton, der 1675 die These aufstellte, wonach Licht aus kleinen Teilchen – Newton nannte sie Korpuskeln – besteht. Gegenteiliger Auffassung war der niederländische Astronom Christiaan Huygens, der seinerseits die These vertrat, dass es sich bei Licht um Wellen handelt, die sich ähnlich wie Schall oder Wasserwellen ausbreiten.

Das Unerfreuliche an dieser Kontroverse war, dass Newton und Huygens nicht nur verschiedene Modelle lieferten, um Licht zu beschreiben. Ihre Modelle widersprachen sich noch dazu in wesentlichen Punkten: Teilchen sind ihrem Wesen nach lokalisiert an einem bestimmten Ort. Wellen hingegen breiten sich im Raum aus und sind nie nur auf einen Ort begrenzt. Auch werden Teilchen und Wellen durch unterschiedliche physikalische Größen charakterisiert.

Die Benjamin-Franklin-Brücke in Philadelphia bei Sonnenuntergang, beleuchtet mit reflektierenden Lichtern auf der Wasseroberfläche. Die Skyline der Stadt ist im Hintergrund sichtbar.
Das optische Phänomen der Reflexion – wie hier sehr eindrücklich an der Spiegelung der Skyline von Philadelphia mit der Ben Franklin Bridge im Vordergrund zu sehen – lässt sich gut mit dem Teilchen-Modell von Licht erklären. Andere optische Effekte wie die Beugung sind wiederum besser mit dem Wellen-Modell von Licht kompatibel.
Überraschende Wendung

Im 19. Jahrhundert schien der Streit entschieden. Durch das Doppelspaltexperiment des englischen Naturforschers Thomas Young konnte die Wellennatur von Licht nachgewiesen werden. Später zeigte der schottische Physiker James Clerk Maxwell, dass Licht eine Schwingung des elektromagnetischen Feldes ist. Licht hatte damit seinen Platz im großen Ordnungsgefüge der Physik gefunden. Doch gerade als Wissenschafter dachten, das Wesen des Lichts ein für alle Mal aufgeklärt zu haben, wurde klar, dass alles ganz anders war.

Als Albert Einstein sechzehn Jahre alt war, zog ihn eine Frage in den Bann, die auf den ersten Blick etwas abwegig erscheint: Wie sieht ein Lichtstrahl aus, wenn man ihm mit Lichtgeschwindigkeit hinterherjagt? Einige Jahre später legte der Ausnahmephysiker zwei Arbeiten vor, die sich auf unterschiedliche Weise mit dem Wesen des Lichts befassten – die eine war ein wichtiger Grundstein für die frühe Quantenphysik, mit der anderen begründete er die Relativitätstheorie. Diese beiden Säulen der modernen Physik prägen unser Verständnis von Licht bis heute.

Ein Mann in einem grauen Anzug mit Krawatte sitzt vor einem dunklen Hintergrund. Die Aufnahme wirkt historisch und wurde nachträglich koloriert.
Im Jahr 1905 veröffentliche Albert Einstein zwei entscheidende Arbeiten, die am Beginn von Quantenphysik und Relativitätstheorie standen und völlig neue Perspektiven auf das Wesen von Licht warfen. Diese Aufnahme zeigt ihn etwa im Jahr 1932 und wurde nachträglich coloriert.
Welle und Teilchen zugleich

Gemäß der Quantenphysik handelt es sich bei Licht um Teilchen und Wellen zugleich. Ob das eine oder das andere mehr zutrifft, ergibt sich je nach Beobachtungssituation. Für diese Doppelnatur hat sich der Begriff Welle-Teilchen-Dualismus eingebürgert. In gewisser Hinsicht hatten also sowohl Newton als auch Huygens recht. Zu dieser Einsicht gelangte Einstein mit seiner Erklärung des Photoelektrischen Effekts im Jahr 1905, für die er später mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet wurde. Er ebnete damit den Weg für unser Verständnis von Lichtteilchen, genannt Photonen.

Photonen sind in unserer Welt beinahe allgegenwärtig. Denn wo ist es denn schon richtig, richtig dunkel? Und dennoch bleiben Photonen rätselhaft, denn es handelt sich dabei um Teilchen mit ganz bemerkenswerten Eigenschaften, wie Einstein mit seiner Relativitätstheorie zeigen konnte. Sie haben keine Masse und bewegen sich mit der nach Einstein maximal zulässigen Höchstgeschwindigkeit von rund 300.000 Kilometern pro Sekunde. Aus diesem Grund steht für Photonen die Zeit still – genau das macht Einsteins Gedankenexperiment mit der Jagd nach dem Lichtstrahl so faszinierend und verwirrend zugleich.

Optischer Tisch mit rotem Laserstrahl und verschiedenen optischen Komponenten.
In der Quantenforschung mit Photonen wurde in Österreich Pionierarbeit geleistet.
Mit Photonen zum Nobelpreis

Photonen sind bis heute eine bevorzugte Spielwiese für die Quantenforschung. Viele der außergewöhnlichsten Phänomene der Quantenphysik wurden mit Photonen realisiert und erforscht, etwa Superposition und Verschränkung.

Auch der österreichische Physiker Anton Zeilinger setzte früh auf Photonen, obwohl er sich zunächst auf Neutronen spezialisiert hatte. Gemeinsam mit Michael Horne und Daniel Greenberger entwickelte Zeilinger die Idee einer Mehrteilchenverschränkung und wollte sie auch experimentell umsetzen. Mit Neutronen schien das nicht machbar und so entschied er sich, nachdem er 1990 an die Universität Innsbruck berufen worden war, mit Photonen zu arbeiten. Diese Entscheidung spielte keine unwesentliche Rolle dabei, dass er schließlich mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet wurde: Etliche der Arbeiten, die er in den darauffolgenden Jahren auf dem Gebiet der Quantenoptik publizierte, stehen inzwischen auf der Publikationsliste für die Nobelpreisbegründung.

Porträt von Anton Zeilinger.
Der österreichische Physiker Anton Zeilinger wurde 2022 mit dem Physiknobelpreis ausgezeichnet.
Alltägliche Anwendungen

Unser Wissen über Licht kommt heute in alltäglichen Anwendungen zum Einsatz – von LEDs in Bildschirmen bis Glasfaserkabeln und GPS, oder auch bei Laser-Augen-OPs, in Solarzellen und Gesichtserkennung gibt es zahlreiche technische Innovationen, die ohne Quantentheorie des Lichts undenkbar wären.

Gleichzeitig bleiben fundamentale Fragen über das Wesen von Licht nach wie vor ungeklärt: Ist der Welle-Teilchen-Dualismus tatsächlich der Weisheit letzter Schluss, um das Wesen von Licht aufzuklären? Eine Arbeit von Celso Villas-Boas und Kollegen, die im Frühjahr im Fachblatt Physical Review Letters erschienen ist, stellt den Welle-Teilchen-Dualismus infrage. Folgt man den Forschenden, lässt sich das Doppelspaltexperiment, das einst als Beweis für die Wellennatur von Licht in die Geschichte einging, auch durch das Teilchenmodell aufklären, wenn man "dunkle Zustände" von Photonen annimmt.

"Riesiges Durcheinander"

"Das war eine schockierende Erkenntnis. Irgendwie gibt es überall Photonen, aber in den dunklen Bereichen können sie den Detektor nicht anregen", sagt Gerhard Rempe vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, der an der Publikation beteiligt war, zum New Scientist. "Das hat viele unserer Vorstellungen davon, wie klassische Interferenz funktioniert, zunichte gemacht. Es brach ein riesiges Durcheinander aus."

Für eine umfassende Theorie des Lichts ist es zudem notwendig, Quantenphysik und Relativitätstheorie zusammenzuführen. Solange das größte Rätsel der modernen Physik ungelöst bleibt, tappen wir auch, wenn es um das Licht geht, bisweilen im Dunkeln. 

Ein rechteckiges Bild mit schwarzen vertikalen Rechtecken unten links und oben rechts, die auf fehlende Daten hinweisen. Eine junge Sternentstehungsregion ist mit dünnen orangefarbenen, roten und blauen Gas- und Staubschichten gefüllt. Die obere linke Ecke des Bildes ist größtenteils mit orangefarbenem Staub gefüllt, und innerhalb dieses orangefarbenen Staubs befinden sich mehrere kleine rote Gaswolken, die sich im gleichen Winkel von links oben nach rechts unten erstrecken. Die Mitte des Bildes ist größtenteils mit blauem Gas gefüllt. In der Mitte befindet sich ein besonders heller Stern, über und unter dem sich ein sanduhrförmiger Schatten befindet.