Erforschung des Lichts

Photonen klopfen ans Atom

Von Claus Kiefer
09.05.2022
, 21:11
Die Taten und Leiden des Lichts im modernen Labor für Photonik: Laserstrahlen auf einem Parcours zwischen Gläsern
Das Erbe eines kleinen Überhangs an Teilchen: Serge Haroche, Nobelpreisträger für Physik, erzählt eine Geschichte der Erforschung des Lichts.
ANZEIGE

Das Wissen über das Licht ist zu Beginn des siebzehnten Jahrhunderts im Wesentlichen noch das gleiche gewesen, wie es bereits von Ptolemäus zusammengefasst und dann von Alhazen ergänzt und weiterentwickelt worden war“, so der ungarische Wissenschaftshistoriker Károly Simonyi in seiner fulminanten „Kulturgeschichte der Physik“. Dass sich dies kurz darauf schlagartig ändern sollte, liegt vor allem an der Entdeckung des Fernrohrs, aber auch an der Entwicklung immer genauerer Uhren. Die Details dieser Geschichte erzählt Serge Haroche in seinem Buch. Der Autor ist Professor am Collège de France und der École normale supérieure (ENS) in Paris und hat als Experimentalphysiker selbst wesentliche Erkenntnis zur Natur des Lichtes beigetragen. Dafür wurde er 2012 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Natürlich geht es bei ihm in erster Linie um Licht als physikalisches Phänomen, doch ist es für Haroche auch als oft verwendete Metapher von Bedeutung, wie etwa in der französischen Rede vom Siè­cle des Lumières für die Epoche der Aufklärung. Und um Aufklärung ist es Ha­roche auch zu tun.

Bevor sich der Autor auf die Geschichte des Lichtes einlässt, gewährt er Einblicke in seinen eigenen Werdegang. Er werde jetzt immer häufiger gefragt, wie er dazu gekommen sei, sich mit der Erforschung des Lichtes im Labor zu beschäftigen, und auf derart erfolgreiche Weise. Wir erfahren, dass er in jungen Jahren sehr der Astronomie zugetan war und sich von mathematischen Strukturen begeistern ließ, etwa der merkwürdigen Zahl Pi, die in so unterschiedlichen Bereichen auftaucht wie Geometrie und Statistik. Doch wie so oft entscheidet der Zufall über die weiteren Lebenslinien.

ANZEIGE

Schrödingers berühmt-berüchtigte Katze

Als Physikstudent an der ENS in den Sechzigerjahren hatte er das Glück, Vorlesungen bei hervorragenden Lehrern und Forschern zu besuchen, die ihn mit den Arkana der Quantenphysik vertraut machten. Zu nennen ist vor allem Claude Cohen-Tannoudji, der für seine Verfahren zur Kühlung von Atomen durch Laserlicht 1997 den Nobelpreis erhalten sollte. Bei ihm wurde Haroche 1971 promoviert.

Serge Haroche: „Licht“. Eine Geschichte.
Serge Haroche: „Licht“. Eine Geschichte. Bild: Klett-Cotta Verlag

In der Tat war es der seit etwa 1960 verfügbare Laser, der die Forschung in der Arbeitsgruppe an der ENS vorantrieb. Das für die Funktion des Lasers wichtige optische Pumpen, das Anheben von Elektronen auf höhere Energieniveaus im Atom, hatten zwei Wissenschaftler der ENS, Alfred Kastler und Jean Brossel, in den Fünfzigerjahren entwickelt. Dafür erhielt Kastler 1966 den Nobelpreis, Brossel ging leer aus; die Geschichte der Nobelpreise ist immer auch eine Geschichte der Übergangenen. Anders als heute herrschte in den Labors zu jener Zeit eine große Freiheit, wie Haroche im Rückblick wehmütig feststellt. Die Leiter der Arbeitsgruppen konnten sich hauptsächlich um Forschung und Betreuung kümmern, statt sich mit Drittmitteleinwerbung zu plagen.

ANZEIGE

Nach dieser autobiographischen Einleitung wendet sich der Autor in vier gut lesbaren Kapiteln der Geschichte des Lichtes zu. Natürlich begegnet man hier Galilei und Newton, Christiaan Huygens, Thomas Young, Augustin Fresnel, Michael Faraday und vielen anderen. Newton stellte sich das Licht als aus kleinen Teilchen bestehend vor, während Huygens von der Wellennatur des Lichtes ausging. Es erstaunt nicht, dass Newtons Autorität für die Dominanz der Teilchentheorie sorgte, was sich erst mit den Interferenzexperimenten Youngs zu Beginn des neunzehnten Jahrhunderts ändern sollte.

Ein Appell für die Freiheit der Grundlagenforschung

Höhepunkte dieser Geschichte sind Albert Einsteins Arbeiten zur Lichtquantenhypothese und zur Speziellen Relativitätstheorie. Die Lichtquanten von 1905 sind aber noch nicht die später sogenannten Photonen. Wie die in den Zwanzigerjahren des vorigen Jahrhunderts entwickelte Quantentheorie lehren sollte, verhalten sich Letztere nicht wie voneinander unabhängige klassische Teilchen, sondern, so Einstein, „hocken relativ häufiger zusammen“. Nach der modernen Sichtweise der Quantentheorie hat Licht (wie auch Materie) sowohl Teilchen- als auch Welleneigenschaften, und es hängt von den Umständen ab, welcher Aspekt überwiegt. Den „Merkwürdigkeiten“ der Quantentheorie widmet der Autor eine ausführliche Darstellung, wobei natürlich auch Schrödingers berühmt-berüchtigte Katze nicht fehlen darf, die in einem bizarren Zwischenzustand von lebendig und tot existiert.

ANZEIGE

Licht aus der Frühzeit des Kosmos ist in der 1965 entdeckten kosmischen Hintergrundstrahlung zu beobachten. Dass es im Universum überhaupt etwas anderes als Licht gibt, liegt an der fehlenden Symmetrie zwischen Teilchen und Antiteilchen, die für eine für unsere Existenz ausreichende Zahl an Teilchen sorgte. Andernfalls hätte man, so Hans Blumenberg einmal, „eine vom Standpunkt absoluter Aufklärung her überwältigende Situation: viel Licht, doch keine Welt, der es jemals hätte leuchten können“.

Kosmologie wird von Haroche jedoch nur gestreift. Sein Augenmerk gilt der Laborphysik und insbesondere den Ergebnissen der eigenen Arbeitsgruppe, die in den verbleibenden Kapiteln ausführlich und sorgfältig vorgestellt werden. Ohne solide Physikkenntnisse wird man diesen Teil zwar nicht durchweg genießen können, doch ist selbst dann wohl in jeder Zeile die Leidenschaft des Autors für seinen Gegenstand zu spüren. Haroche und seiner Gruppe ist es gelungen, „Schrödinger-Katzen“ mit einzelnen Photonen herzustellen und zu kontrollieren. Diese einzelnen Photonen können mittels Atomen untersucht werden und erlauben insbesondere, Licht in das Dunkel des Übergangs von Quanteneigenschaften zu klassischen Eigenschaften zu bringen, aber auch die Ganggenauigkeit von Uhren zu verbessern. Es ist diese Forschung, die vom Nobelpreiskomitee gewürdigt wurde. An den Schluss seiner Geschichte des Lichts hat Haroche einen flammenden Appell für die Freiheit der Grundlagenforschung und die Ideen der Aufklärung gestellt.

Serge Haroche: „Licht“. Eine Geschichte. Aus dem Französischen von Ursula Held. Klett-Cotta Verlag, Stuttgart 2022. 464 S., Abb., geb., 35 Euro.

Quelle: F.A.Z.
  Zur Startseite
Verlagsangebot
Verlagsangebot
Bildungsmarkt
Alles rund um das Thema Bildung
Sprachkurs
Verbessern Sie Ihr Englisch
Sprachkurs
Lernen Sie Französisch
EBook
E-Book-Reader im Test
Baufinanzierung
Erhalten Sie Ihren Bauzins in 3 Minuten
ANZEIGE