Wissenschaftsmagazin - Deutsche Physikalische Gesellschaft

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Licht spiele Wissenschaftsmagazin Licht und Laser-Physik Ohne das Licht der Sonne gäbe es kein Leben auf der Erde. Bäume und Blumen können Sonnenstr...

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Licht spiele Wissenschaftsmagazin

Licht und Laser-Physik Ohne das Licht der Sonne gäbe es kein Leben auf der Erde. Bäume und Blumen können Sonnenstrahlen einfangen und sie in Energie umwandeln. Das nennt man Photosynthese. Dadurch wachsen die Pflanzen. Dabei geben sie den für uns lebenswichtigen Sauerstoff ab. Die Sonne sieht für uns meistens gelb oder weiß aus. Doch in Wirklichkeit setzt sich ihr Licht aus allen Farben zusammen. Das erleben wir, wenn wir einen Regenbogen anschauen. Das Licht ist nicht wie die anderen Dinge, die wir kennen. Es bewegt sich wie eine Welle im Ozean. Man kann mit physikalischen Geräten aber auch winzige Teilchen erkennen. Diese Licht-Teilchen nennt man Photonen. Das Licht wird nie schneller oder langsamer. Es hat immer genau dieselbe Geschwindigkeit. Das hat der berühmte Physiker Albert Einstein herausgefunden. Die Lichtgeschwindigkeit beträgt etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde. Erst vor 130 Jahren ist die Glühbirne erfunden worden. Seitdem können die Menschen ihre Häuser und Städte künstlich beleuchten. Heute werden immer mehr LED-Lampen genutzt. Sie verbrauchen weniger Energie als Glühbirnen. Im Jahr 1960 wurde der Laser erfunden. Im Laserlicht schwingen alle Licht-Teilchen gleich. Der Laserstrahl sendet daher gebündeltes Licht. Dieser Strahl ist besonders stark und genau. Der Laser war eine wichtige Erfindung. Er spielt überall in unserem Leben eine große Rolle. Er schneidet Autoteile, er spielt DVDs ab, er misst auch die kleinsten Dinge sehr genau. Und die Ärzte nutzen ihn zum Operieren.

INHAL

Dies ist eine Zusammenfassung in „Leichter Sprache“.  Siehe auch www.leichtesprache.org

Mit Licht … leben

Licht im

Gleichtakt – der Laser Seite 14

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beleuchten

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beobachten 14

16

heilen

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messen & filmen

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kommunizieren

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IMPRESSUM HERAUSGEBER Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Deutsche Physikalische Gesellschaft e. V. (DPG) AUTOR Dr. Thomas Bührke

KONZEPT UND GESTALTUNG iserundschmidt GmbH (ius) Agentur für Wissenskommunikation (Verantwortlich: Ruben Düchting, Marleen Schwalm) [email protected] August 2015

WISSENSCHAFTLICHE BERATUNG Prof. Dr. Eberhard Wassermann REDAKTION Prof. Dr. Matthias Bartelmann, Dr. Axel Carl, Dr. Ralph Dieter, Ruben Düchting, Dr. Jens Kube, Prof. Dr. Arnulf Quadt

Die Highlights der Physik im Internet: www.physik-highlights.de

HINWEIS Einige Stellen im Heft verweisen auf interessante Video-Clips und Internetseiten. Wer sein Smartphone mit einem QR-Code-Scanner ausgestattet hat, kommt leicht auf die verknüpften Seiten. Für externe Inhalte sind die Urheber verantwortlich.

Mit Licht

leben

Ohne Licht kein Leben. Die Sonne versorgt unseren Planeten und seine Biosphäre mit Energie, sie hält ihn auf der richtigen Temperatur und erhellt unsere Umwelt. Aus physikalischer Sicht ist das Licht nur ein verschwindend kleiner Teil des weiten Spektrums elektromagnetischer Wellen.

Sommer, Sonnenschein und blauer Him­ mel – so sieht für uns ein schöner Tag aus. Das Licht der Sonne wandelt das Dunkel der Nacht in die Helle des Tages, es wärmt unseren Planeten und macht ihn wohnlich. Die Sonne erscheint uns in gelblich-wei­ ßem Licht, doch in Wirklichkeit setzt sich dieses aus allen Farben zusammen, wie uns beispielsweise ein Regenbogen vor Augen führt. Er entsteht, wenn das Son­ nenlicht Wassertröpfchen durchquert und darin in sein – wie Physiker sagen – Farb­ spektrum aufgespalten wird. Sonnenlicht ist der Treibstoff für das Le­ ben auf der Erde. Pflanzen, Algen und einige Bakteriengruppen sind in der Lage,

4

Das Farbspektrum

im gelben Licht und fallen zu den beiden „Enden“ hin ab. Planck fand heraus, dass dieses Gesetz universell ist und die In­ tensitätsverteilung in ihrer Form etwa der einer Glocke ähnelt. Diese Kurve hängt ausschließlich von der Temperatur eines strahlenden Körpers ab. Die Sonne be­ sitzt an der Oberfläche, wo das sichtbare Licht entsteht, eine Temperatur von et­ was mehr als 6000 Grad Celsius. Ist ein Körper, beispielsweise ein Stern, wesent­ lich heißer, so wird er am intensivsten im blauen Licht leuchten und uns auch so erscheinen. Ist er kühler, so strahlt er vor­ wiegend im roten Licht: die Glockenkurve verschiebt sich also.

Die in einem Regenbogen erkennbare Farbverteilung beginnt im Violetten und verläuft über Blau, Grün, Gelb zum Roten. Nach dem von Max Planck zu Beginn des 20. Jahrhunderts entdeckten Strahlungs­ gesetz sind diese Farbanteile nicht alle gleich intensiv. Sie besitzen ein Maximum

Das menschliche Auge ist optimal auf die Farbintensitätsverteilung des Sonnen­ lichts eingestellt. So ist es im gelb-grü­ nen Bereich, in dem die Sonne am hells­ ten strahlt, am empfindlichsten. Unser Farbsehsystem beruht auf drei Arten von Molekülen auf der Netzhaut, die jeweils

Sonnenstrahlung einzufangen und diese Energie in mehreren Schritten so umzuwan­ deln, dass sie am Ende organische Verbin­ dungen für ihr Wachstum herstellen. Bei den Pflanzen setzt diese Photosynthese den für uns lebenswichtigen Sauerstoff frei. Jedes Blatt ist ein kleines Biokraftwerk.

Weißes Licht von der Sonne

 Nicht jeder nimmt seine Umwelt wie ein Mensch wahr (links). Bienen können zum Beispiel UV-­Licht sehen (rechts), was ihnen die Orientierung erleichtert und bei der Nahrungssuche hilft. (Bild: Dr. Schmitt, Weinheim, uvir.eu)

1. Lichtbrechung

 Die Bildung eines Regenbogens: Das weiße Licht der Sonne wird in Regentropfen gebro­ chen und wie in einem Prisma in seine einzel­ nen Farben (also Wellenlängen) aufgespalten. Vom Boden aus ist von diesem Vorgang jeweils nur die Farbe mit dem passenden Austrittswin­ kel zu sehen – im Auge des Betrachters entsteht der charakteristische Farbverlauf. (Bild: ius)

Lichtspiegelung an der Rückseite des Regentropfens

2. Lichtbrechung

speziell von einer Farbe des Sonnenlichts angeregt werden. Die hierbei entstehen­ den Pulse werden über Nervenzellen ans Gehirn weiter geleitet und dort in ein Farb­ bild umgewandelt. Im Laufe der Evolution hat das Farbensehen zu ganz unterschied­ lichen Fähigkeiten geführt. So können viele Vögel und Bienen UV-Licht sehen, was sie bei der Nahrungssuche und der Orientierung nutzen. Wenn man das Sonnenlicht mit einem Fernrohr fokussiert und in einem Glaspris­ ma in seine Farben aufspaltet, erkennt man darin eine Vielzahl von schwarzen Linien. An diesen Stellen fehlt Licht.

Licht als Welle Eine Antwort liefert das berühmte Doppel­ spaltexperiment. Lässt man Licht durch zwei enge Spalte auf einen dahinter befindlichen Schirm fallen, so wird man dort nicht einfach nur zwei helle Licht­ streifen erkennen, sondern mehrere. Die­ ses Streifenmuster erklärt man mit der

Annahme, dass Licht eine Welle ist. Hin­ ter den beiden Spalten breiten sich zwei halbkreisförmige Wellen aus, die sich überlagern. Treffen auf dem Schirm ein Wellenberg und ein Tal zusammen, so he­ ben sie sich auf, und es ist dunkel. Wo sich zwei Berge oder Täler überlagern, ist es hell. Aber was schwingt bei dieser Welle?

 Schematischer Aufbau des Doppelspaltexperiments: Fällt Licht durch zwei Öffnungen auf einen Schirm, ist dort ein Streifenmuster zu sehen. Vor dem Schirm kommt es zu Über­ lagerungen der Lichtwellen. (Bild: ius)

Diese aufregende Entdeckung machte im März 1814 Joseph von Fraunhofer in Be­ nediktbeuern: Er erblickte „mit dem Fern­ rohr in diesem horizontal stehenden Far­ benbilde fast unzählig viele starke und schwache vertikale Linien.“ Erst 45 Jahre später erkannten Gustav Kirchhoff und Robert Bunsen in den Fraunhofer-Linien die Fingerabdrücke der chemischen Ele­ mente in der Sonnenatmosphäre. Sie ver­ schlucken das Licht an einer für sie charakteristischen Stelle im Spektrum. Physiker sprechen von Absorptionslinien. Sie ermöglichen es, die chemische Zu­ sammensetzung von Stoffen zu ermitteln. Für Astronomen ist Licht und insbeson­ dere das Spektrum die einzige Möglich­ keit, um etwas über die fernen Himmels­ körper zu erfahren. Was aber sind Licht und Farben aus physikalischer Sicht?  Wichtige Fraunhoferlinien im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums. Sie ermöglichen Rückschlüsse auf die Zusammensetzung und Temperatur von Sternen. (Bild: ius)

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Wellenlänge in nm

5

Das elektromagnetische Spektrum 380 nm Für Menschen sichtbares Spektrum (in Nanometern)

Wellenlängenbereich

Röntgenstrahlung

Gammastrahlung

Ultraviolettstrahlung

Infrarotstrahlung

Banknotenprüfgerät

Fernbedienung

Anwendung

Strahlentherapie Frequenz in Hz (Hertz)

1023

1022

1021

Röntgenbilder 1020

1019

1018

1017

1016

1014

Wellenlänge

in Meter (m) und Größenbeispiel

10-15 10-14 1 Femtometer (fm)

10-13

10-12 10-11 1 Pikometer (pm)

Atomkern

 Das elektromagnetische Spektrum mit seiner gängigen Einteilung. Auffällig: Nur ein Bruchteil der Wellenlängen kann vom Men­ schen wahrgenommen werden. (Bild: ius)

Die entscheidende Theorie hierfür lieferte der schottische Physiker James Clerk Maxwell vor 150 Jahren in seinem Werk über elektromagnetische Felder. Dem­ nach ist Licht eine Überlagerung von Wellen, in denen elektrische und mag­ netische Felder schwingen und sich mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzen. In dieser Theorie erklären sich auch die Farben auf einfache Weise: Vom ultra­ violetten zum roten Ende des Sonnen­ spektrums nimmt die Wellenlänge dieser elektromagnetischen Welle zu. Sie reicht etwa von 380 bis 780 Nanometer, wobei ein Nanometer ein Milliardstel Meter ist. Die Fraunhofer-Linien erklären sich dann auf folgende Weise: Wenn ein Atom Licht

6

10-10

Atom

aufnimmt, so springt ein Elektron von einem niedrigen in ein höheres Energie­ niveau. Laut Quantenphysik kann dieser Energiesprung nicht beliebige, sondern nur ganz spezielle Werte annehmen. Diese sind charakteristisch für jedes Elektron in dem Atom eines chemischen Elements.

10-9 10-8 1 Nanometer (nm)

Molekül

10-7

Einzeller

10-6 10-5 1 Mikrometer (µm

Nadelspitze

zuspüren. Der Wellenlängenbereich zwi­ schen einem Millimeter und 300 Milli­ metern gehört den Mikrowellen, jenseits davon beginnt das Reich der Radiowel­ len. Auch bei kürzeren Wellenlängen setzt sich das Spektrum fort. Unterhalb des vi­ oletten Bereichs schließen sich zunächst das Ultraviolette (UV), dann der Röntgenund schließlich der Gammabereich an.

Das unermessliche Spektrum Das Spektrum setzt sich auf der einen Seite zu kleineren und auf der anderen zu größeren Wellenlängen hin fort. Jen­ seits der Farbe Rot schließt sich zu grö­ ßeren Wellenlägen das Infrarote an. Bei größeren Wellenlängen von 0,03 bis 1 Millimeter existieren die Terahertz-Wellen. Dank ihrer Fähigkeit, Materialien wie Kunststoff oder Kleidung durchdringen zu können, kommen an einigen Flug­ häfen Terahertz-Wellen in Körperscannern zum Einsatz, um verbotene Objekte auf­

Diese Strahlungsarten können wir mit un­ seren Augen nicht wahrnehmen, aber wir haben technische Geräte entwickelt, mit denen das möglich ist. Trickreich war die Entdeckung der Infra­ rotstrahlung durch Friedrich Wilhelm Her­ schel. Im Jahr 1800 spaltete er mit einem Prisma Sonnenlicht auf und brachte ne­ ben dem roten Ende ein Thermometer an. Als die Temperatur dort anstieg, schloss Herschel daraus, dass eine unsichtbare Form von Energie oder Strahlung wirksam

m)

500 nm

Terahertzstrahlung

600 nm

Mikrowellen

Radiowellen

Wechselströme

FM

Körperscanner 1012

10-4

UKW

Mikrowelle 1011

1010

10-3 10-2 1 Millimeter (mm)

780 nm

Radio 109

10-1

Fliege

sein müsse: die Infrarotstrahlung. Bereits ein Jahr später entdeckte der deutsche Physiker Johann Wilhelm Ritter die UVStrahlung, als diese Silberchloridpapier schwärzte. Spektakulär verlief vor allem die Entdeckung der Röntgenstrahlen oder X-Strahlen, wie sie anfangs genannt wurden. Am 22. Dezember 1895 führte Wilhelm Conrad Röntgen seinen staunen­ den Kollegen eine Aufnahme vor, welche die Hand seiner Frau zeigte, auf der die Knochen und der Ehering klar zu erken­ nen waren. Für diese bahnbrechende Ent­ deckung wurde Röntgen im Jahre 1901 mit dem erstmals vergebenen PhysikNobelpreis geehrt. Farbe und Wellenlänge stehen also in ei­ nem eindeutigen Zusammenhang. Es gibt eine weitere physikalische Größe, die mit ihnen verbunden ist: die Energie. Je klei­ ner die Wellenlänge, desto größer die Energie der Strahlung. Das ist zum Bei­

108

107

100 101 1 Meter (m)

Mensch

Stromtransport 106

102

105

104

103 104 1 Kilometer (km)

103

105

Hochhaus

spiel der Grund dafür, dass die ener­ giereiche UV-Strahlung Sonnenbrand ver­ ursacht. Der energiereichste Anteil UV-A kann sogar das Erbmolekül DNA schädi­ gen und Hautkrebs verursachen. Häufig verwenden Physiker nicht die Wel­ lenlänge zur Charakterisierung des Lichts, sondern dessen Frequenz. Das ist die An­ zahl der Schwingungen, welche die Licht­ welle pro Sekunde ausführt, und die ist genau umgekehrt proportional zur Wel­ lenlänge. Also: kleine Wellenlänge, große Frequenz und umgekehrt. Damit nimmt die Energie der Strahlung mit wachsen­ der Frequenz beziehungsweise abneh­ mender Wellenlänge zu. Man kann das elektromagnetische Spek­ trum auf Wellenlängen etwa zwischen ei­ nem Femtometer (10-15 Meter) und zehn­ tausend Kilometer (107 Meter) begrenzen. Diesen riesigen, 22 Größenordnungen

102

101

1

106 107 1 Megameter (Mm)

108

Mond

überdeckenden Bereich können wir ein­ mal in Gedanken mit einem Superprisma zerlegen, wie Fraunhofer es mit dem Son­ nenlicht tat. Angenommen, dieses Spek­ trum hätte eine Länge, die dem Abstand Erde-Mond entspricht, dann wäre der winzige Ausschnitt, den das menschliche Auge wahrnimmt, nicht größer als ein Tausendstel eines Atomdurchmessers. Dieses kleine „spektrale Fenster“ reicht aus, damit wir uns in der Natur zurecht­ finden können. Licht als Teilchen Bis zum Beginn des 20. Jahrhunderts war die Welt der Physiker in Ordnung, denn die Wellentheorie des Lichts konnte alles erklären. Wirklich alles? Nicht ganz. Der Physiker Heinrich Hertz und sein Mit­ arbeiter Wilhelm Hallwachs hatten 1886

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INFO  Das Hotel-Hochhaus Vdara in Las Vegas begünstigt durch das Zusammenspiel seiner verspiegelten Gebäudefront und ihrer gewölbten Form eine Bündelung des Son­ nenlichts. Zur Mittagszeit wurde bereits von Verbrennungen bei Poolbesuchern berichtet. (Bild: Kris1123, CC BY 3.0)

beobachtet, dass manche Metalle Elek­ tronen abgaben, wenn sie ihre Ober­ fläche mit Licht bestrahlten. Überra­ schenderweise waren die wegfliegenden Elektronen umso schneller, je kurzwelli­ ger das eingestrahlte Licht war. Nach der Wellentheorie erwartete man etwas an­ deres: Die kinetische Energie der Elektro­ nen sollte mit steigender Intensität des Lichts zunehmen. Je intensiver die Ein­ strahlung, desto schneller sollten die Elektronen herausfliegen. Stattdessen va­ riierte ihre Geschwindigkeit nun in Ab­ hängigkeit von der Farbe, also der Wel­ lenlänge beziehungsweise Frequenz des Lichts. Wie war das zu erklären?

Wenn Hochhäuser zu Brennspiegeln werden Als Martin Lindsay am 29. August 2013 zu seinem im Londoner Ban­ kenviertel geparkten Jaguar zurück­ kehrte, staunte er nicht schlecht: Ein Außenspiegel war geschmolzen, das Armaturenbrett war beschädigt. Aber nicht Vandalen waren Schuld, son­ dern ein nahe stehendes Hochhaus namens Walkie Talkie. Dessen voll verspiegelte und gewölbte Form hatte das Sonnenlicht am Boden extrem stark fokussiert. Reporter brutzelten auf dem Bürgersteig sogar Spiegeleier in der Pfanne. Seit Großbauten mit kurvig ge­ krümmten Glasfassaden architekto­ nisch möglich geworden sind, häufen sich Meldungen dieser Art. So wur­ den Badende im Swimmingpool zu Füßen des Vdara-Hotels in Las Vegas vor „Todesstrahlen“ gewarnt. Dieser Brennglaseffekt lässt sich im Computer modellieren und mit verkleinerten Modellen experimentell nachvollziehen. Physiker der FH Brandenburg fanden mit einem Modell 1:200 des Vdara-Hotels her­ aus, dass sich eine dünne schwarze Folie binnen Sekunden erhitzte und bei etwa 200 Grad Celsius zu schmel­ zen begann, ein rohes Ei begann nach zwei Minuten zu gerinnen.

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Albert Einstein veröffentlichte 1905 einen Lösungsvorschlag. Er nahm an, dass ein Lichtstrahl „aus einer endlichen Zahl von Energiequanten besteht.“ Kurz: Licht soll­ te ein Schwarm von Teilchen sein, die man später als Photonen bezeichnete. Die Energie eines Photons wächst mit der Frequenz. Diese Photonen können – wenn ihre Energie hoch genug ist – Elek­ tronen aus einem Metall herausschlagen. Mit dieser Hypothese konnte Einstein den bis dahin rätselhaften photoelektri­ schen Effekt erklären. Er war sich aber darüber im Klaren, dass die alte Wellen­

 Mit diesem Bild simulierten Forscher, wie die Tübinger Marktgasse aussähe, wenn sie mit 95 Prozent der Lichtgeschwindigkeit durchfahren werden würde. (Bild: Theoretische Astrophysik, Uni Tübingen / MPI für biologische Kybernetik)

theorie des Lichts nicht ganz falsch sein konnte. Er ahnte damals, dass „eine tief­ gehende Änderung unserer Anschauun­ gen vom Wesen und von der Konstitution des Lichts unerlässlich“ sein würde, um das Rätsel zu lösen. Nach der modernen Quantenphysik kann Licht in einem Expe­ riment als Welle und einem anderen als Teilchen auftreten. Man nennt dies den Welle-Teilchen-Dualismus. Einstein erhielt für seine revolutionäre Hypothese 1921 den Physik-Nobelpreis. Berühmt wurde er jedoch für die Speziel­ le Relativitätstheorie, und die hatte auch zentral mit Licht zu tun. Einstein postu­ lierte nämlich, dass das Licht immer die­ selbe Geschwindigkeit besitzt. Egal wie sich ein Messgerät relativ zu einem Licht­ strahl bewegt, stets wird es eine Ge­ schwindigkeit von knapp 300.000 Kilo­ meter pro Sekunde messen. Dieses überraschende Naturgesetz hat seltsame Konsequenzen. Die spektaku­ lärste ist die Zeitdehnung, wonach die Zeit in einem schnell bewegten System langsamer vergeht als in einem langsa­ men. Dieser Effekt macht sich allerdings erst nahe der Lichtgeschwindigkeit deut­ lich bemerkbar. In unserem Alltagsleben ist er unmerklich klein. Zum Glück für uns, denn andernfalls gäbe es kein ein­ heitliches Zeitsystem, und Termine ließen sich nur schwer vereinbaren. Es gibt jedoch eine Anwendung, die ohne Einstein nicht funktionieren würde: Die auf dem Satellitensystem GPS basieren­ den Navis in Autos und Smartphones. Sie funktionieren mit Atomuhren an Bord der Satelliten, die beständig Zeitsignale aus­ senden. Aus denen bestimmt der Emp­ fänger am Boden seinen Ort relativ zu den Satelliten, deren Positionen jederzeit bis auf etwa zwei Zentimeter genau be­ kannt sind.

 Gewaltige Sonneneruption im August 2012. Erhöhte Aktivitäten an der Oberfläche der Gaskugel lassen erahnen, welche Ener­ giemengen von ihr Sekunde für Sekunde abgestrahlt werden. (Bild: NASA/SDO/AIA)

INFO

 Boot vor aufgehender Sonne: 1872 schuf Monet sein berühmtes Gemälde „Impression – soleil levant“. Das Bild zeigt den morgend­ lichen Hafen der nordfranzösischen Stadt Le Havre. (Bild: wartburg.edu, CC0)

Hierbei muss man aber berücksichtigen, dass die Satellitenuhren anders gehen als die Uhren auf der Erde. Zum einen bewe­ gen sie sich mit den Satelliten schneller als eine Uhr am Boden. Dadurch vergeht die Zeit um etwa 7 Millionstel Sekunden pro Tag langsamer als auf der Erde. Es kommt jedoch ein weiterer Effekt zum Tra­ gen, den Einstein 1915 in seiner Allge­ meinen Relativitätstheorie beschrieb. In 20.000 Kilometern Abstand von der Erd­ oberfläche ist die Schwerkraft schwächer als am Boden. Deshalb vergeht die Zeit in den Satelliten schneller, und zwar um 46 Millionstel Sekunden pro Tag. Unter dem Strich laufen die Uhren an Bord also um 39 Millionstel Sekunden pro Tag schneller als auf der Erdoberfläche. Die GPS-Konst­ rukteure be­rücksichtigen diesen Zeit­ effekt. Sie stellen die Satellitenuhren so ein, dass diese am Boden um 39 Millions­ tel Sekunden pro Tag zu langsam laufen. Würde man die Uhren nicht entsprechend anpassen, so würden Navis täglich einen Fehler von 11 Kilometern aufweisen. Und das alles wegen der einen verblüf­ fenden Eigenschaft: der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit.

Licht im Impressionismus Mit Instrumenten lassen sich die physikalischen Eigenschaften des Lichts, wie Intensität oder Farbe, eindeutig messen. Die menschliche Wahrnehmung des Lichts ist hingegen subjektiv. Stimmungen und persönliche Eindrücke wie das Flirren der Luft bei großer Hitze prägen den Gesamteindruck. Dieses Phänomen hielten die Maler des Impressionismus in ihren Gemälden fest. Meist in freier Natur fingen sie den optischen Eindruck ihrer Motive ein. Farbe war wichtiger als zeichnerische Genauigkeit. Diese Art der Kunstrichtung erhielt ihren Namen von Claude Monets Gemälde Impression – soleil levant aus dem Jahre 1872 (Musée Marmottan, Paris).

9

Mit Licht

beleuchten Seit der Erfindung der Glühbirne vor rund 130 Jahren hat die künstliche Beleuchtung unserer Häuser und Städte immer größere Ausmaße angenommen. Leuchtdioden arbeiten sehr effizient und helfen, Energie zu sparen.

Noch findet man sie in den Haushalten, die alte Glühbirne, aber ihre Tage sind definitiv gezählt. Seite Ende 2012 dürfen sie nicht mehr verkauft werden. Damit geht eine Ära zu Ende, die mit Thomas Alva Edison im Jahre 1879 begonnen hat­ te. Glühbirnen setzen nur etwa vier Pro­ zent der Energie in Licht um. Der Rest geht in Form von Wärme verloren und heizt bestenfalls die Wohnung mit. Mo­ derne Energiesparlampen, Leuchtstoff­ röhren und vor allem Leuchtdioden (LED) sind wesentlich effizienter. Hintergrund dieses historischen Wechsels ist das Einsparen von wertvoller Energie. Rund ein Viertel des weltweiten Stromver­

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brauchs wird dazu verwendet, um Büros, Wohnzimmer und Straßen zu beleuchten. Der Wechsel auf effizientere Lichtquellen lohnt sich also – auch finanziell. Leuchtstoffröhren sind noch häufig in Gebrauch, weisen aber eine geringere Lichtausbeute auf als LEDs. Energiespar­ lampen „der ersten Generation“ enthal­ ten Schadstoffe wie Quecksilber. Deswe­ gen müssen sie speziell entsorgt werden. LEDs erzeugen Licht auf andere Art und Weise. Es handelt sich um Dioden, die aus zwei Lagen unterschiedlicher Halblei­ ter bestehen. Eine Lage enthält einen Überschuss an negativ geladenen Elek­

tronen und bildet einen n-Halbleiter. Der angrenzenden Schicht fehlen hingegen Elektronen, sie ist ein p-Halbleiter. Die­ sen Bereich im Halbleiter kann man sich so vorstellen, als befänden sich Löcher im „See der Elektronen“, die als effektive positive Ladungsträger durch das Atom­ gitter hüpfen. Zwischen der n- und der p-Schicht befindet sich ein sogenannter pn-Übergang, auch aktive Zone genannt. Sobald eine elek­ trische Spannung mit richtiger Polung an die Diode angelegt wird, wandern in die­ se Zone die negativen Elektronen von der n-Seite und die positiven Löcher von der p-Seite hinein. Treffen sie aufeinander, so vereinigen sie sich und setzen Energie frei. Bei Leuchtdioden entweicht diese Energie in Form von Licht. Es kann auch vorkom­ men, dass ein Teil der Energie beispiels­ weise in Schwingungen des Atomgitters

73 lm/W 64 lm/W

15 lm/W

12 lm/W 0,1 lm/W

Kerze

Glühlampe

Halogenlampe

Energiesparlampe

Leuchtdiode (LED)

 Gleiche Leistung, ungleiches Ergebnis: Die erzeugte Lichtausbeute (lm/W für Lumen pro Watt) konnte bei modernen Energiespar­ lampen im Vergleich zu herkömmlichen Lichtquellen signifikant gesteigert werden. (Bild: ius)

 Einmal jährlich werden Berliner Sehens­ würdigkeiten beim „Festival of Lights“ ins rechte Licht gesetzt. Durch aufwändige Projektion erfahren Wahrzeichen wie der Berliner Dom eine erstaunliche Verwandlung. (Bild: Thomas Wolf, CC BY-SA 3.0 DE)

p-Halbleiter

n-Halbleiter

 Aufbau einer LED. Am pn-Übergang kommt es zur Vereinigung von negativen Elektronen und positiven Löchern. Die freigesetzte Energie entweicht als Licht. (Bild: ius)

Verarmungszone Loch umgewandelt wird. Das verringert die Lichtausbeute. Forscher unternehmen des­ halb große Anstrengungen, aus jedem Watt an zugeführter elektrischer Leistung möglichst viel Licht herauszuholen.

Elektron

Rekombination

Photon

 Auch bei Lichtsignalanlagen wie dieser Verkehrs­ ampel kommen inzwischen vermehrt LEDs zum Einsatz. (Bild: Smuconla, CC BY 3.0)

Die frei werdende Energie stammt von Elektronen, die aus einem energiereicheren Bereich des Halbleiters in einen energieär­ meren springen. Physiker sprechen vom Leitungs- und Valenzband. Die Energiedif­ ferenz wird in Form von Lichtquanten frei. Die Farbe des Lichts hängt von der Höhe dieses Quantensprungs zwischen den bei­ den Energiebändern ab – und damit von dem Material des Halbleiters. LEDs bilden gewissermaßen die Umkehrung der Solar­ zelle: LEDs machen Licht aus Strom und Solarzellen Strom aus Licht. In den 1960er Jahren wurden die ersten Infrarotlicht emittierenden Leuchtdioden

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INFO  Die zentralistisch geprägte Ausrichtung von England und Frankreich wird auch bei Nacht deutlich: Wie zwei große Lichtkleckse heben sich die Metropolen London (oben links) und Paris deutlich von ihrer Umwelt ab. (Bild: ESA/NASA)

 40.000 Leuchtdioden setzen das Ars Electronica Center in Linz sechs Stunden täglich ins rechte Licht. Ein Vorgang, der nach Angaben der Betreiber dank energie­ sparender Technik nur 3000 Euro pro Jahr kostet. (Bild: karlroth.zenfolio.com)

aus Galliumarsenid entwickelt. Es folgten rote und gelb-grüne LEDs. Doch die Erzeu­ gung von blauem Licht wollte lange Zeit einfach nicht gelingen, weil die Forscher kein geeignetes Material fanden. Dann setzten die drei japanischen Forscher Isa­ mu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Na­ kamura auf Galliumnitrid. Das besaß zwar hoffnungsvolle physikalische Eigenschaf­ ten, aber fast alle Physiker waren der Mei­ nung, dass es sich nicht in geeigneter Form herstellen lässt. Doch mit unkonven­ tionellen Methoden gelang es den Japa­ nern. So verwendeten sie Saphir als Sub­ strat, auf dem sie einen Kristall aus Galliumnitrid wachsen ließen. Alle Kolle­ gen waren der Ansicht, dass sich Saphir dafür nicht eignen würde, doch zu Beginn der 1990er Jahre präsentierten sie die erste blaue LED. Für diese Leistung, mit der sie eine Revolution in der Beleuch­ tungstechnik einleiteten, wurden sie 2014 mit dem Physik-Nobelpreis geehrt.

kombinieren. Sie ergeben in der Mischung weiß. Diese Technik hat aber Nachteile, so erfordert sie eine aufwändige Betrieb­ selektronik, und wenn die LEDs unter­ schiedlich schnell altern, ändert sich der Farbeindruck des Lichts.

Lichtverschmutzung Goethe soll auf seinem Sterbebett gerufen haben: „Mehr Licht!“ Astro­ nomen warnen hingegen mit den Worten: „Weniger Licht!“ Grund ist die zunehmende Beleuchtung unserer Städte. Das Licht wird in der Atmosphäre gestreut und erhellt den Nachthimmel. Moderne Observatori­ en werden auch deswegen fern von der Zivilisation auf hohen Bergen errichtet. Mittlerweile hat das Problem der Lichtverschmutzung auch andere Bereiche erreicht. So schätzen Biologen, dass jährlich allein in Deutschland 150 Milliarden Nachtfal­ ter und andere Insekten im Lichte von Laternen verenden. Diese Tiere fehlen in der Nahrungskette. Künstli­ ches Nachtlicht bildet ebenso eine Gefahr für Zugvögel. Selbst Men­ schen kann die helle Nacht krank machen, wenn sie dadurch ihren Tag-Nacht-Rhythmus verlieren. Und wer nicht aus der Großstadt heraus­ kommt, hat noch nie die Milchstraße gesehen. UNESCO, Internationale Astronomische Union und die Internationale Beleuchtungskommis­ sion plädieren seit vielen Jahren dafür, beim Aufstellen von Straßen­ laternen darauf zu achten, dass diese möglichst wenig Licht in den Himmel abgeben.

12

Will man LEDs für Beleuchtung im Alltag anwenden, benötigt man natürlich wei­ ßes Licht. Das lässt sich jedoch mit einer LED nicht direkt produzieren. Man muss dafür Tricks anwenden. Eine Möglichkeit besteht darin, drei LEDs in den Farben Rot, Blau und Grün zu

Heute wird weißes Licht überwiegend mit einem anderen Verfahren erzeugt. Hierfür  Regenbogen-Effekt in umgekehrter Rich­ tung: Überlagert man Lichtstrahler der Farben Rot, Blau und Grün erscheint die Schnitt­ menge in Weiß. Viele LEDs machen sich die Regeln dieser „additiven Farbmischung“ zunutze, indem sie gelbes und blaues Licht mischen. (Bild: ius)

Kühlkörper

3

4 7 mm

Stromzufuhr

Blaues Licht Wellenlänge 450 nm

LED-Chip Leuchtstoff

Weißes Licht Gelbes Licht Wellenlänge 560 nm

 Bei der Lumineszenzkonversion kommt eine blaue LED zum Einsatz, die von einem gelben Leuchtstoff umgeben ist. Fließt Strom, regt ein Teil des blauen Lichts den Leuchtstoff zum Leuchten an, während der andere Teil unverändert durch die Leuchtstoffschicht dringt. Durch additive Farbmischung (s. 12) entsteht weißes Licht. (Bild: ius)

nutzt man, dass die beiden Komplemen­ tärfarben Blau und Gelb sich zu weiß mi­ schen. In der Praxis fällt das Licht einer blauen LED in der Plastikkapsel auf ein teilweise transparentes Konvertermaterial, das dadurch angeregt nun gelbes Licht aussendet. Durch Streuung und Farbmi­ schung entsteht weißes Licht. Diese Tech­ nik entwickelte 1995 ein Forscherteam um Jürgen Schneider vom Fraunhofer-In­ stitut für Angewandte Festkörperphysik. Zeitgleich und unabhängig kam Shuji Na­ kamura auf dieselbe Idee. Mit einer idealen Lichtausbeute weißer LEDs von über 150 Lumen pro Watt ist heute im Vergleich zur klassischen Glüh­ lampe eine Energieeinsparung von bis zu 80 Prozent möglich. Lumen ist die inter­ nationale Einheit für den Lichtstrom oder die Lichtmenge. Außerdem besitzen LEDs eine sehr hohe Lebensdauer. Das prädes­ tiniert die leuchtenden Halbleiter für alle möglichen Anwendungen, zum Beispiel im Auto. Ingenieure forschen unter ande­ rem an intelligenten Scheinwerfern. Setzt man diese aus vielen kleinen LED-Birn­ chen zusammen, so können diese einzeln angesteuert werden. Das ermöglicht es, dass das Scheinwerferlicht selektiv und aktuell bestimmte Bereiche am Straßen­ rand wie Schilder oder Passanten aus­ leuchtet. Licht aus Kunststoff Völlig andere Möglichkeiten für Beleuch­ tungstechnik und Lichtdesign eröffnen zukünftig organische Leuchtdioden, kurz OLED genannt. Sie bestehen im Wesent­ lichen aus einem organischen Halbleiter­ material, einem phosphoreszierenden

INFO

 100 bis 200 Meter Wassertiefe ist das Revier des Schwarzanglers, der mit seinem markanten Leuchtorgan Beutetiere anlockt. (Bild: Sven Tränkner, Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum)

Stoff, der bei Anschluss an eine elek­ trische Gleichspannung leuchtet. Licht aus Kunststoff gewissermaßen. LEDs sind kleine Halbleiter-Bauelemente und werden deshalb als Punktstrahler bezeichnet. OLEDs sind hingegen ausge­ dehnte Flächenstrahler. Die aktiven, orga­ nischen und größtenteils transparenten Schichten sind mit weniger als einem Tausendstel Millimeter extrem dünn und lassen sich auf Kunststofffolien aufbrin­ gen. Ein komplettes OLED-Beleuchtungs­ system kann deshalb ultraflach, transpa­ rent und biegsam sein und zudem eine große Fläche abdecken. Da OLEDs auch so hergestellt werden können, dass sie im ausgeschalteten Zustand durchsichtig sind, ließen sie sich in Fenstergläser in­ tegrieren. Im ausgeschalteten Zustand erlauben sie den Blick nach draußen, eingeschaltet leuchten sie in allen ge­ wünschten Farben und verhindern gleich­ zeitig den Blick ins Wohnungsinnere. Mit diesen Eigenschaften sind der Phantasie von Designern kaum noch Grenzen ge­ setzt. Allerdings bedarf es hier noch erheb­licher Forschung. Insbesondere die Lichtaus­ beute und die Haltbarkeit der leuchten­ den Folien müssen noch verbessert wer­ den. Bislang findet man sie vor allem in Displays einiger Smartphones. Sie besit­ zen einen stärkeren Kontrast und reagie­ ren schneller als LED-Displays.

Lebende Laternen Die Natur hat manche Pflanzen und Tiere mit eigenen Lampen ausge­ stattet. Damit können sie Beute an­locken, ihre Umgebung erhellen oder auch kommunizieren. Biolumineszenz, oft auch kaltes Licht genannt, basiert auf chemischen Reaktionen. Meistens nimmt ein Bio­ molekül molekularen Sauerstoff auf. Das neue Molekül gibt Kohlendioxid ab und sendet dabei Licht aus. Am häufigsten tritt die Biolumi­ neszenz bei Fischen auf. Auffällige Bei­spiele sind die Angler- und ­Taschenlampenfische. Allerdings besitzen sie gar keine körpereigenen Lampen, sondern sie leben in einer Symbiose mit Leuchtbakterien, die das Licht erzeugen. Manche Fische können ihre Lampen sogar verdun­ keln, indem sie das Lichtorgan nach innen drehen, oder eine Art Lid darüber ziehen. Bei Glühwürmchen und Glühkäfern erzeugen hingegen körpereigene Zellen das Licht.

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Laser-Scanner tasten ihre Umgebung mit Lichtpul­ sen ab und registrieren deren Reflexion an Oberflächen. Dadurch lassen sich sehr exakt Entfernungen bestimmen und dreidimensionale Abbilder wie hier von der Bremer Altstadt erstellen. (Bild: Measurement in Motion)

Lichtlawine im Spiegelkabinett Im August 1916 kam Einstein auf einen folgenreichen Gedanken. Wenn ein Photon mit passender Energie auf ein Atom trifft, springt ein Elektron auf eine ener­ giereichere „Bahn“. Den Vorgang nennt man Absorpti­ on. Das Atom befindet sich danach in einem angereg­ ten Zustand. Fällt das Elektron wieder auf das energetisch tiefer liegende Niveau herunter, wird ein Photon abgegeben. Diesen Vorgang nennt man spon­ tane Emission. Doch dieses Herunterfallen geschieht nicht nur spon­ tan. Es ist unter bestimmten Bedingungen auch mög­ lich, dass ein Photon in einem angeregten Atom das Elektron vom höheren Energieniveau gezielt in den Grundzustand „zurückschubst“, und zwar genau dann, wenn die Energie des anregenden Photons exakt so groß ist wie die Energie, die das gebundene Elektron bei seinem Quantensprung abgeben soll. Das nennt man stimulierte Emission. Hierbei wird ein zweites Photon frei, das mit dem auslösenden Photon im Takt schwingt. Die beiden Photonen können nun zwei weitere Atome zur Emission stimulieren und so weiter. Es entsteht eine Lawine aus Photonen, die alle diesel­ be Energie besitzen. Das austretende Licht ist deshalb einfarbig, anders gesagt: Das Licht schwingt aus­ schließlich mit einer Wellenlänge. Damit dieser Pro­ zess funktioniert, müssen sich immer ausreichend viele Atome im angeregten Zustand befinden. Physiker sagen, sie werden in diesen Zustand gepumpt. Dies geschieht auf unterschiedliche Weise, beispielsweise mit elektrischen Entladungen, Blitzlampen oder einem anderen Laser. Man kann dieses Experiment in unterschiedlichen Materialien ausführen. Der Erfinder des Lasers, Theo­ dore Maiman, nutzte 1960 einen länglichen Rubin, dessen beide Enden er verspiegelte. Dadurch laufen die Photonen wie in einem Spiegelkabinett hin und her und verstärken sich immer weiter. Ist einer der beiden Spiegel teilweise für Licht durchlässig, so kann das im Innern erzeugte, im Gleichtakt schwingende Laserlicht in Form eines gebündelten Strahls austreten.

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Das unterschätzte Universalgenie Anfangs galt der Laser als „Erfindung auf der Suche nach einer Anwendung“. Heute ist er im Alltag, der Industrie und Forschung unverzichtbar. Er schweißt, poliert und schneidet Werkstücke, spielt CDs und DVDs ab, scannt Barcodes ein, ist präzises Messinstrument in der Forschung und vieles mehr.

Licht im Gleichtakt –

der Laser

Beim Laserschneiden von Metallblechen fallen keine zusätzlichen Werkzeugkosten und Rüstzeiten an – die Produktion kann schnell an den Bedarf angepasst werden. (Bild: Fraunhofer IWS Dresden)

Spiegel

Spiegel Laser-Medium

Laser-Strahl undurchlässig für Licht

teildurchlässig für Licht Pump-Prozess

Spektakuläre Lasershow von den Dächern des Marina Bay Sands, einem Hotelresort in Singapur. (Bild: Chandrahadi Junarto, CC BY-NCND 2.0)

Prag Tschechische Republik

Szeged Ungarn

Magurele Rumänien

Das extreme Laser-Trio

Mit Laserlicht machen Wissenschaftler des Deut­ schen Zentrums für Luft- und Raumfahrt Luftströ­ mungen an den Flügeln eines Passagierjets sichtbar. Die Erkenntnisse helfen, zukünftige Tragflächen für langsamere und leisere Anflüge zu optimieren. (Bild: DLR, CC BY 3.0)

In östlichen Ländern der Europäischen Union entstehen zurzeit Laserzentren der Superlative, die unter dem gemeinsamen Namen European Extreme Light Infra­ structure (ELI) auftreten. Drei Zentren sind bereits geplant, ein viertes soll später hinzukommen. Sie haben unterschiedli­ che, sich ergänzende wissenschaftliche Ziele:  Prag, Tschechische Republik: Femtosekunden-Laserpulse höchster Intensität für Grundlagenforschung und Anwendungen.  Szeged, Ungarn: Attosekunden-Laserpulse zur Unter­ suchung elektronischer Vorgänge in Atomen und Molekülen.  Magurele, Rumänien: Erzeugung von Gammastrahlung mit Lasern zum Studium von Atomkernen. Neben Fragen der Grundlagenforschung soll ELI auch den Weg für neue Anwendun­ gen von Superlasern bereiten, beispiels­ weise für kompakte Beschleuniger in der Tumortherapie. Am Projekt sind etwa 40 Forschungseinrichtungen und Universitä­ ten aus 13 EU-Staaten beteiligt. Als europäisches Forschungszentrum wird ELI Forschenden in und außerhalb Europas zur Verfügung stehen.

Der Laserresonator: Die über einen Pump-­Prozess ( ­Kasten links) im Laser­medium erzeugten Photonen (wellen­­för­ mige Pfeile) werden durch Reflek­ tion zwischen zwei Spiegeln verstärkt. Durch den teiltranspa­ renten Spiegel ver­lässt schließlich ein gebündelter Strahl mit sehr reiner Lichtfarbe und im Gleich­ takt schwingenden Photonen den Laser. (Bild: ius)

Kurz – kürzer – am kürzesten Mit ultrakurzen Laserpulsen lassen sich Vorgänge im Innern eines Atoms untersuchen. Der Weltrekord der kürzesten Pulse liegt bei etwa 50 Attosekunden, wobei eine Attosekunde der Milliardste Teil einer Milliardstel Sekunde ist. Diese Zeitdauer verhält sich zu einer Sekunde wie eine Sekunde zum Alter des Universums von 13,7 Milliarden Jahren. In diesem kurzen Zeitraum vollführt eine Welle des sichtbaren Lichts gerade einmal ein Tausendstel einer Schwingung. Damit eine Welle überhaupt sinnvoll definiert ist, muss sie mindestens eine Schwingung ausgeführt haben. Das ist innerhalb einer Attosekunde nur bei Wellen im extremen ultravioletten oder Röntgenlicht der Fall, weswegen Attosekundenpulse in diesen Spektral­bereichen erzeugt werden. Das wird zukünftig in dem Röntgenlicht-Freie-Elektronenlaser XFEL möglich sein, der zurzeit in Hamburg entsteht.

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Mit Licht

beobachten Wer zum ersten Mal mit einem Mikroskop die Tierwelt in einem Wassertropfen entdeckt oder mit einem Fernrohr Berge und Täler auf dem Mond erkundet, wird diese Momente wohl nie vergessen. Heutige Mikroskope und Teleskope können unvergleichlich viel mehr. Insbesondere nutzen sie die Möglichkeiten, das Licht in seine spektralen Anteile zu zerlegen. Mit trickreichen Techniken lassen sich sogar physikalische Grenzen umgehen.

Zum Biologieunterricht gehört es, dass die Schüler und Schülerinnen mit einem Mikroskop Details eines Fliegenauges un­ tersuchen oder am Beispiel einer Zwiebel den Grundbauplan von Pflanzenzellen zu verstehen lernen. Diese schon seit Jahr­ hunderten verwendete Form des Lichtmi­ kroskops hat nichts von ihrer Faszination verloren. Heutige Laborinstrumente se­ hen allerdings ganz anders aus. Sie sind auf Forschungsbereiche wie Biologie, Medizin, Materialanalyse oder Halbleiter­ technologie spezialisiert, mit Digitalka­ meras und Bildschirmen bestückt, und individuelle Software erleichtert die Inter­

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pretation der Messdaten, ja macht sie un­ ter Umständen erst möglich. Dafür gibt es sogar schon Apps für Smartphones und Tablets. Für eine Vielzahl von Aufgaben gibt es Lösungen: Undurchsichtige Stoffe werden von oben angestrahlt, sehr dünne Objek­ te durchleuchtet man. Unabhängig von der Qualität der Optik setzt jedoch ein physikalisches Gesetz eine Grenze in dem Erkennen von Details. Ihre Ursache ist die Welleneigenschaft des Lichts. Wie der deut­ sche Physiker Ernst Abbe, der den größten Teil seines Lebens in Jena wirkte, 1873 he­

rausfand, kann die Auflösung eines opti­ schen Mikroskops nie nennenswert über die halbe Wellenlänge des Lichts hinausge­ hen. Für blaues Licht bedeutet das: Alles, was kleiner als etwa 200 Nanometer, ent­ sprechend einem Fünftausendstel Milli­ meter, ist, lässt sich nicht mehr detailliert erkennen. Das ist zwar immer noch rund 300-mal weniger als die Dicke eines Haa­ res, dennoch fühlten sich einige Physiker angespornt, diese Grenze zu überwinden, um noch kleinere Details sichtbar zu machen. In den 1990er Jahren begannen sie mit Entwicklungen, die in dem sogenannten STED-Mikroskop mündeten (STED steht für Stimulated Emission Depletion). Hierfür wurde Stefan Hell, Direktor am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen, zusammen mit zwei amerikanischen Forschern 2014 mit dem Chemie-Nobelpreis geehrt.

Detektor STED-Objektiv

Teildurchlässige Spiegel

Laser Abregung

Laser Anregung

Bei Hells Technik werden zunächst Mole­ küle, die sich zum Beispiel im Inneren einer Zelle befinden können, mit einem Farbstoff versehen. Nun wird die Zelle mit einem sehr scharf gebündelten Laser­ strahl abgerastert. Trifft der Strahl auf ei­ nes der Farbstoffmoleküle, so leuchtet es wie ein winziges Lämpchen auf. Auf diese Weise entsteht Punkt für Punkt ein Bild. Allerdings unterliegt diese Abbildung im­ mer noch der Abbe-Grenze: Alle Lämp­ chen, die weniger als 200 Nanometer von­ einander getrennt sind, verschwimmen zu einem Fleck. Jetzt kommt der Trick: Kurz nach der Leuchtanregung mit dem Laser­  Durch bezahlbare Lichtmikroskope können auch Schüler und Amateurforscher von den Möglichkeiten der optischen Technologien profitieren. Laborinstrumente versprechen hingegen weit komplexere Einsatzgebiete. (Bild: Pavel L Photo and Video, Shutterstock)  Der Nordamerika-Nebel, eine Wolke aus kosmischem Staub und Gas. Die linke Aufnah­ me zeigt ein Bild, wie es beim Blick durch ein optisches Teleskop entsteht. In der InfrarotAufnahme rechts werden Strukturen und Sterne sichtbar, die beim „normalen“ Betrach­ ten verborgen geblieben wären. (Bild: NASA)

Anregungslicht-Spot

Effektiver Überlagerung Fluoreszenz-Spot

 STED-Mikroskopie: Ein Anregungslichtpuls (grün) wird von einem Abregungslichtpuls (rot) überlappt. Der molekülgroße Bereich im Inneren dieses Kreises wird von einem Detektor erfasst. Wiederholt man diesen Vorgang anhand eines Rasters, entstehen äußerst genaue Abbilder der Nanowelt. (Bild: ius)

puls schaltet ein zweiter, ringförmiger Laserstrahl alle Farbstoffmoleküle in der Umgebung des leuchtenden Moleküls aus. Hierzu muss die Wellenlänge des La­ serstrahls genau so eingestellt sein, dass die Elektronen aus dem höheren Energie­ niveau auf das untere Grundniveau zu­ rückfallen. Die Information über den prä­ zisen Ort der noch leuchtenden Moleküle liefert die Position des Laserstrahls, die sich bis auf wenige Nanometer genau be­ stimmen lässt. Anschließend werden die Rasterpunkte am Computer zu einem lichtmikroskopischen Bild zusammenge­ setzt, das nur wenige Nanometer kleine Strukturen scharf abbildet und damit weit unter dem Abbe'schen Limit liegt. Hells STED-Mikroskop wird insbesonde­ re zur Untersuchung von Strukturen und biophysikalischen Vorgängen in Zellen eingesetzt. Blicke in unermessliche Weiten Mit Mikroskopen erforscht man den Mi­ krokosmos, mit Teleskopen den Makro­ kosmos. In den vergangenen 50 Jahren haben Astronomen Techniken entwickelt,

 Zwei-Farben-STED-Aufnahme des Hirn­ tumors Glioblastom – grün das Protein Clathrin, rot das Proteinββ-Tubulin (rechts). Das linke Bild ist mit einem Standard­ mikroskop erzeugt. (Bild: Max-Planck-Institut für bio­physikalische Chemie)

mit denen sie den gesamten Bereich des elektromagnetischen Spektrums vom Ra­ dio- bis zum Gammabereich abdecken. Jeder Wellenlängenbereich lässt das Uni­ versum im wahrsten Sinne des Wortes in einem anderen Licht erscheinen: Im In­ frarotbereich blicken Astronomen ins In­ nere von Staubwolken, wo neue Sterne und Planeten entstehen, im energierei­ chen Röntgenbereich offenbaren sich die heißesten Objekte wie die Gaswolken ex­ plodierter Sterne.

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sees, so gäbe es keine Unebenheiten von mehr als einem Hundertstel Millimeter. Derzeit ist eine neue Generation von op­ tischen Riesenteleskopen im Bau. Das größte entsteht auf einem hohen Berg in den chilenischen Anden. Dieses Extreme­ ly Large Telescope der Europäischen Süd­ sternwarte ESO wird einen Hauptspiegel mit 39 Metern Durchmesser erhalten, der jedoch aus fast 800 sechseckigen Ele­ menten zusammengesetzt sein wird. Ein solcher Gigant lässt sich nicht am Stück fertigen.

 Für den Aufbau optischer Pinzetten sind normalerweise teure Gerätschaften erforderlich. Forscher der Universität Osnabrück bewiesen aber im Rahmen ihres Projekts „LEGO Photo­ nics“, dass sich einige Teile kostensparend durch die weltbekannten Bausteine ersetzen lassen. (Bild: Imlau research group)

INFO

Lichtpinzetten Licht besitzt keine Ruhemasse, dennoch überträgt es auf den Körper einen Impuls. Das macht man sich bei der optischen Pinzette zu Nutze. Hier zieht ein stark fokussierter Laserstrahl Nano- und Mikropartikel zum Brennpunkt hin. Weiterentwick­ lungen wie die holografische opti­ sche Pinzette ermöglichen es, Hun­ derte von verschiedenen Objekten zu fangen und zu bewegen. So lassen sich lebende Zellen einfangen und ungestört mit einem Mikroskop untersuchen.

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 Eine Aufgabe des Röntgenteleskops XMM-­Newton ist das Erforschen von Anfang und Ende eines Sternenlebens. Das Welt­ raumobservatorium der ESA ist bereits seit 1999 im All; ursprünglich war seine Mission nur bis 2005 geplant. (Bild: ESA)

Gewaltige Spiegel sammeln im Innern der Teleskope die Strahlung und fokussieren sie auf einen Detektor, zum Beispiel eine Kamera. Je größer der Spiegel, desto mehr Licht sammelt das Gerät und desto lichtschwächere Himmelskörper lassen sich nachweisen. Dafür muss die Ober­ fläche extrem genau poliert sein. Sie darf nicht mehr als rund ein Zehntel der Beobachtungswellenlänge von der Ideal­ form abweichen. Im Bereich des sicht­ baren Lichts sind das einige zehn Nanometer, entsprechend einige Hun­ derttausendstel Millimeter, während die Parabolantennen von Radioteleskopen nur bis auf einige Millimeter oder Zenti­ meter genau geformt sein müssen. Je kleiner die Wellenlänge ist, desto hö­ her sind die Ansprüche an die Genauig­ keit. Röntgenteleskope stehen in dieser Hinsicht an der Spitze. Hier kommt noch erschwerend hinzu, dass diese ener­ giereiche Strahlung Spiegeloberflächen durchdringt. Eine optische Abbildung ist nur möglich, wenn die Strahlen in sehr flachem Winkel auf eine Metalloberfläche treffen. Dies erinnert an das Verhalten ei­ nes glatten Steins, der über eine Wasser­ oberfläche hüpft, wenn man ihn sehr flach wirft. Die genauesten jemals hergestellten Spie­ gel arbeiten in den Weltraum-Röntgen­ teleskopen XMM-Newton der Europäi­ schen Weltraumorganisation ESA sowie in Chandra der NASA. Auf der Oberfläche sind Unebenheiten durchschnittlich nicht höher als wenige Zehnmillionstel Millimeter. Ver­ größert man einen der XMM-Spiegel in Ge­ danken etwa auf die Größe des Boden­

Doch die beste Teleskopoptik nützt nur wenig, wenn die Sicht durch die Atmo­ sphäre getrübt ist. Selbst unter besten Bedingungen nehmen wir mit bloßem Auge ein Flimmern der Sterne wahr. Dies beruht darauf, dass die Luft ständig in Bewegung ist und das Sternenlicht auf dem Weg zum Erdboden wegen der auf­ tretenden Dichteschwankungen mehrfach gebrochen wird. Astronomen haben eine geniale Technik erfunden, mit der sich dieses bis dahin als unüberwindbar geltende Problem wir­ kungsvoll umgehen lässt: die adaptive Optik. Bevor das vom Hauptspiegel re­ flektierte Licht in den Detektor gelangt, wird es von einem sogenannten Wellen­ frontanalysator einer Prüfung unterzo­ gen. Er stellt fest, auf welche Weise die Lichtwelle beim Weg durch die Atmo­ sphäre verbogen wurde. Diese Informati­ on geht an die adaptive Optik. Sie be­ steht aus vielen kleinen Druckelementen auf der Rückseite eines dünnen, flexiblen Spiegels. Diese verbiegen dessen Ober­  In Chile soll 2024 das Extremly Large Telescope (in dieser Illustration ohne Kuppel) der Europäischen Südsternwarte in Betrieb ge­ hen. Es wird mit 39 Metern Durchmesser zu diesem Zeitpunkt das größte Teleskop der Erde sein. (Bild: ESO, CC BY 4.0)

fläche computergesteuert mehrere hun­ dert Mal pro Sekunde genau so, dass die verbogene Lichtwelle nach der Reflexion wieder nahezu eben ist. Erst dann ge­ langt sie in den Detektor, wo ein nahezu perfektes Bild entsteht. Allerdings benötigt der Wellenfrontanaly­ sator einen ausreichend hellen Stern im Blickfeld. Ist dies nicht der Fall, behelfen sich die Astronomen an einigen Observa­ torien wie dem Very Large Telescope der ESO mit einem künstlichen Stern. Sie er­ zeugen ihn mit einem Laser, den sie par­ allel zur Beobachtungsrichtung in den Himmel schießen. In etwa 90 Kilometern Höhe regt er Natriumatome zum Leuch­ ten an, die so einen kleinen hellen Fleck bilden: den künstlichen Referenzstern für die adaptive Optik. Man kann ein Teleskop durchaus mit ei­ nem Auge vergleichen. Dann entsprechen der Sammelspiegel der Linse und die De­ tektoren der Netzhaut. Letztere werden gerne vergessen, wenn man nur über die großen Spiegel redet, aber letztlich sor­ gen sie dafür, das Licht der Sterne und Galaxien zu empfangen und so „aufzube­ reiten“, dass die Astronomen ihm die ver­ borgenen Informationen entlocken kön­ nen. Hierfür verwenden sie CCD-Chips, wie sie auch in Digitalkameras stecken. Astronomische CCDs besitzen jedoch eine wesentlich bessere Qualität und registrie­ ren abhängig von der Wellenlänge des Lichts über 90 Prozent der ankommenden Photonen. Fotografische Filme kamen nur auf 5 bis 10 Prozent.

 Schematischer Aufbau einer adaptiven Optik. Durch ständiges Korrigieren der Spiegeloberfläche wird erreicht, dass das Bild ferner Sterne trotz mehrfacher Brechung in der Atmosphäre unverfälscht auf den Detektor trifft. (Bild: ius)

Gestörtes Licht, erzeugt durch die Erdatmosphäre

Teleskop

Observatorium

Strahlteiler

Deformierbarer Spiegel

Korrigiertes Licht vom Planeten

EchtzeitComputer

Hochauflösende Kamera

Wellenfrontsensor

INFO

 Das Very Large Telescope (hier mit drei kleineren und vier großen Teleskopen) und die Wege, auf denen die Informationen zum interferometrischen Labor in der Mitte des Komplexes (Stern) übertragen werden. (Bild: ESO)

Neben Kameras sind Spektrografen die wichtigsten Teleskopinstrumente. So wie Joseph von Fraunhofer vor 200 Jahren das Sonnenlicht in seine Spektralfarben zerlegte, analysieren heute noch Astrono­ men das Licht der Sterne. Aktuelles Bei­ spiel: der Multi Unit Spectroscopic Explo­ rer MUSE am Very Large Telescope. Dieses sieben Tonnen schwere, aus Optik, Mecha­ nik und Elektronik bestehende Meister­ werk fertigt nicht nur Bilder an, sondern liefert gleichzeitig für jeden Detektor-Pixel ein Spektrum. MUSE sammelt bei jeder Aufnahme um die 90.000 Spektren und zeichnet somit unglaublich detaillierte Karten von der chemischen Zusammen­ setzung, der Bewegung und anderen Ei­ genschaften des beobachteten Himmels­ körpers auf. Fraunhofer würde staunen.

Vereint beobachten Je größer der Sammelspiegel eines Teleskops ist, desto kleinere Details lassen sich mit ihm wahrnehmen. Es ist auch möglich, mit zwei Teleskopen gleichzeitig einen Himmelskörper anzuvisieren. Führt man die beiden Strahlengänge in einem Fokus zusammen, so entspricht die Auflösung eines solchen Interferometers der eines Einzelspiegels mit dem Durchmesser, entsprechend dem Abstand der beiden Spiegel. Die Überlagerung der Lichtwellen muss bis auf ein Tausendstel Millimeter genau erfolgen. Beim Very Large Telescope der ESO in Chile lassen sich sogar vier Acht-Meter- und vier 1,8-Meter-Teleskope zu einem Interferometer zusammenschalten. Die Auflö­ sung entspricht dann der eines 120-Meter-Teleskops, mit dem sich theoretisch die beiden Scheinwerfer eines Autos auf dem Mond unterscheiden ließen. Astronomen nutzen diese Technik zum Beispiel, um möglichst kleine Details in fernen Galaxien zu entdecken.

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Mit Licht

heilen

Ein feiner, intensiver Laserstrahl kann zum Skalpell werden und Hautmale entfernen oder Augenleiden heilen, Hirnforschern ist er ein willkommenes Präzisionswerkzeug. Licht kann uns unter Umständen aber auch schaden.

Tattoos sind weit verbreitet. Doch was man als Jugendlicher cool fand, gefällt ei­ nem im fortgeschrittenen Alter vielleicht nicht mehr. Was dann? Das Mittel der Wahl ist der Laser. Der erwärmt die beim Täto­ wieren in die Haut eingebrachten Farbpig­ mente bis sie verdampfen. Eine Narben­ bildung ist allerdings nicht ausgeschlossen. Feuermale, Besenreiser und Blutschwäm­ me sind unschöne Hautveränderungen, die sich ebenfalls mit Laserlicht ent­ fernen lassen. Der auftreffende Strahl schneidet hierbei nicht das Gewebe weg, sondern er erwärmt es sehr stark. Als Folge davon gerinnen die Eiweißbestand­ teile der Zellen und sterben ab.

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Die Behandlung solcher Feuermale ge­ hörte zu den ersten Anwendungen des Lasers in der Medizin. Seitdem hat sich dessen scharfer Strahl in vielen Berei­ chen der Medizin etabliert, wobei die Wahl der Intensität, Wellenlänge und Pulslänge des Strahls genau auf die je­ weilige Anwendung zugeschnitten ist: Der Zahnarzt greift anstelle des nervtö­ tenden Bohrers zum gepulsten Infrarotla­ ser, um Karies zu entfernen, der Chirurg setzt einen energiereichen CO2-Laser als Skalpell an, um ganz feine Schnitte aus­ zuführen. Der Vorteil: Blutgefäße werden direkt verschlossen, die Wunden bluten nicht. Auch in der Krebstherapie kommen Laser hin und wieder zum Einsatz.

Während der Laser in diesen Bereichen bislang nur sporadisch eingesetzt wird, ist er in der Augenheilkunde nicht mehr wegzudenken. Der erste Einsatz bestand darin, eine abgelöste Netzhaut durch Koagulation am Augenhintergrund wieder zu befestigen. Hierbei wird die Netzhaut um bereits abgelöste Gebiete herum ver­ schweißt (koaguliert), wodurch sich dort Narbengewebe bildet. Dies beugt einer weiteren Ablösung der Netzhaut vor. Ein wahrer Helfer in der Not ist der Laser beim Grauen Star, einer Trübung der Augenlinse. Bei der Operation wird die natürliche Linse mit einem Laserstrahl zertrümmert, abgesaugt und durch eine Kunstlinse ersetzt. Dieser Eingriff erfolgt allein in Deutschland etwa 800.000-mal pro Jahr. Eine andere Domäne ist das Behandeln von Kurz- oder Weitsichtigkeit. Dieses

INFO  Das Auge im Fokus der Technik. In der Medizin profitiert besonders unser Sinnesor­ gan von den Fortschritten der Lasertechnik. (Bild: Santiago Cornejo, Fotolia)

 Ozon-Messungen vom September 2014 zeigen das aktuelle Ausmaß des Ozonlochs (dunkelblau) über der Antarktis. (Bild: DLR, CC BY 3.0)

Problem geht mit einer zu starken bezie­ hungsweise zu schwachen Wölbung der Hornhaut einher. Da ungefähr zwei Drittel der Lichtbrechung beim Übergang des Lichts von der Luft in die Hornhaut und nur ein Drittel in der Linse selbst erfolgt,

lassen sich diese Fehlsichtigkeiten mit einer Hornhautbearbeitung korrigieren. Genauer gesagt, wird zur Korrektur der Kurzsichtigkeit die Hornhaut in der Mitte abgeflacht, bei Weitsichtigkeit angeho­ ben. Mit einem hochpräzisen Femtose­ kunden-Laser geht dies mit einer Genau­ igkeit von weniger als einem halben Mikrometer bei Abtragtiefen von unge­ fähr hundert Mikrometern.

Normalsichtigkeit Linse Hornhaut

Gehirnzellen mit Licht steuern

Licht

Ein Protein namens Kanalrhodopsin in der Membran der Zellen von Grünalgen bewirkt, dass diese auf Licht reagieren. Fällt blaues Licht ein, öffnet sich ein Io­ nenkanal, und positiv geladene Atome (Ionen) strömen in die Zelle hinein. Ein ähnlicher Mechanismus lässt auch Ge­ hirnzellen feuern. Bringt man nun – so die Idee – das Kanalrhodopsin gezielt in Gehirnzellen von Säugetieren ein, so las­ sen sich diese mit Licht steuern. Das ge­ lang tatsächlich mit einer gentechnischen Methode, wobei die Forscher den Algen nicht die Ionenkanäle selbst entnehmen, sondern nur deren genetische Bauanlei­ tung auf die Nervenzellen der Säugetiere übertragen. Damit war das neue For­ schungsgebiet der Optogenetik geboren.

Netzhaut Brennpunkt (Ort des schärfsten Sehens) auf der Netzhaut

Korrektur Kurzsichtigkeit Laser flacht die Hornhaut mittig ab, um Kurzsichtigkeit zu korrigieren

Brennpunkt vor der Laserkorrektur: vor der Netzhaut

Brennpunkt nach der Laserkorrektur: auf Netzhaut

Korrektur Weitsichtigkeit Laser dünnt die Hornhaut außen ab, um Weitsichtigkeit zu korrigieren

So hat man zum Beispiel Gehirnzellen von Mäusen lichtempfindlich gemacht und kann diese ganz gezielt mit Laserlicht an­ regen. Damit lassen sich Vorgänge wie Ge­ dächtnisbildung und Lernprozesse unter­ suchen. Zukünftig soll die optogenetische Forschung helfen, Nervensystemerkran­ kungen wie Alzheimer und Parkinson bes­ ser zu verstehen und heilen zu können.

Wenn der natürliche Filter fehlt Licht kann Moleküle verändern und zerstören. Diese Eigenschaft macht man sich in manchen medizinischen Anwendungen des Lasers zu Nutze. Aber diese Eigenschaft kann auch negative Folgen haben. So sendet die Sonne energiereiches UV-Licht aus, welches das menschliche Erbgut, die DNA, schädigt und zu Hautkrebs führen kann. In einem Höhenbereich von 20 bis 25 Kilome­ tern beschützen uns jedoch Ozon­ moleküle, indem sie diese Strahlung verschlucken. Deswegen ist ein Abbau der Ozonschicht, verursacht vor allem durch Fluorchlorkohlen­ wasserstoffe (FCKW), für uns Men­ schen sehr gefährlich. Ein weltweites Abkommen hat die Emission der FCKW in die Atmosphäre 1987 im Rahmen des Montreal-Abkommens verboten. Diese Substanzen bleiben jedoch viele Jahrzehnte in der Luft aktiv, so dass sich die Ozonschicht vermutlich erst bis Mitte des 21. Jahrhunderts erholen und das Ozonloch über der Antarktis schlie­ ßen wird.

Im Jahr 2013 wurde Peter Hegemann (Humboldt-Universität Berlin) zusammen mit fünf weiteren Wissenschaftlern für diese Forschung, welche die Fachzeit­ schrift Science 2010 zum Durchbruch des Jahrzehnts erklärt hatte, mit dem renom­ mierten „Brain Prize“ ausgezeichnet.  Entfernung eines Muttermals mit einem medizinischen Laser. (Bild: mkrberlin, Shutterstock)

Brennpunkt nach der Laserkorrektur: auf der Netzhaut

Brennpunkt vor der Laserkorrektur: hinter der Netzhaut

 Beim Augenlasern wird durch Korrekturen an der Hornhaut der Fokus der Lichtstrahlen, die auf die Linse treffen, zurück auf die Netzhaut verschoben – der Patient sieht wieder scharf. (Bild: ius)

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Mit Licht

messen & filmen Licht ist als Messgerät ein Allrounder: Forscher untersuchen damit die Atmosphäre und strömende Flüssigkeiten ebenso wie den „Paartanz“ von Elektronen im Atom oder Details der Photosynthese. Ultrazeitlupenfilme aus dem Nanokosmos sind der derzeitige Hit. Viele kennen die Situation: Das Wohnzim­ mer muss renoviert und dafür zuvor ver­ messen werden. Aber dann passiert's: Der Zollstock ist zu kurz, er passt nicht in die Nische und biegt sich immer durch. Mit Licht geht das heutzutage viel einfacher und genauer. Ein Gerät sendet einen ge­ pulsten Laserstrahl aus, der wird an der Wand reflektiert und kehrt zum Gerät zu­ rück. Aus der verstrichenen Zeit und der bekannten Lichtgeschwindigkeit berech­ net das Instrument die Entfernung. Solche Laserzollstöcke sind bis auf etwa drei Mil­ limeter genau. Da Licht in einer Sekunde 300.000 Kilometer zurücklegt, muss das Instrument die Zeitspanne auf den beein­ druckenden Wert von einer Hundertmilli­ ardstel Sekunde genau bestimmen.

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Das Prinzip dieses Alltagsgerätes findet sich in einer Vielzahl physikalischer Expe­ rimente wieder. Das Besondere an dieser Methode ist das berührungslose Messen, bei dem die Forscher den Untersuchungs­ gegenstand nicht verändern. Das zeichnet den Laser in der Atmosphären- und Klima­ forschung aus, zum Beispiel in der Um­ weltforschungsstation Schneefernerhaus. Von dieser in 2650 Metern Höhe knapp unterhalb des Gipfels der Zugspitze gele­ genen Forschungsstation aus haben Wis­ senschaftler einen freien Blick in die At­ mosphäre. Mit einer Vielzahl von Geräten werden hier täglich die Konzentrationen von Schwebstoffen (Aerosolen) sowie rund 40 Substanzen gemessen, darunter

die Treibhausgase Wasserdampf, Kohlen­ dioxid und Methan sowie Ozon, Stickoxi­ de und der Ozonkiller FCKW. Ein wichtiges Instrument ist ein soge­ nanntes LiDAR, was für Light Detection And Ranging steht. Ein solches Instru­ ment schießt parallel zwei gepulste La­ serstrahlen in den Himmel. Die Wellen­ längen sind so gewählt, dass die des einen Strahls von der Molekülsorte, die man messen möchte, absorbiert wird und die des anderen nicht. Nehmen wir als Beispiel Kohlendioxid (CO2). Ein Teleskop registriert das von den Molekülen rück­ gestreute Licht. Bei der Wellenlänge des einen Strahls verschlucken die CO2-Mole­ küle das Licht teilweise, so dass dieser zurückgestreute Teil im Detektor dunkler erscheint als der des anderen Strahls. Ein Computer berechnet aus dem Vergleich der beiden Signale die Konzentration des Kohlendioxids. Die Höhe ergibt sich – wie

 Dank Messraten von mehr als einer Million 3D-Punkten pro Sekunde bietet LiDAR zahlrei­ che Einsatzmöglichkeiten zur Erfassung der Umgebung. Dadurch lassen sich digitale räum­liche Karten erstellen, die unter anderem für zukünftige selbstfahrende Autos eine Rolle spielen können. (Bild: IKG, Leibniz Universität Hannover)

beim Laserzollstock – aus der Laufzeit der Laserpulse. Das Gerät im Schneeferner­ haus ist so empfindlich, dass es sogar als Folge von Waldbränden in Kanada erhöhte Rußkonzentrationen feststellen konnte.

KH

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Friedrich W. Herschel spaltet mit einem Prisma das Licht der Sonne und entdeckt dabei die Infrarotstrahlung.

Johann W. Ritter entdeckt die Ultraviolett-Strahlung, als ihm auffällt, dass diese Silberchloridpapier schwarz färbt.

Joseph von Fraunhofer beobachtet und systematisiert dunkle Bereiche im Sonnenspektrum – die Fraunhoferlinien.

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Die Situation ist bekannt: Aus einem Hahn fließt Wasser gleichmäßig heraus. Dreht man ihn weiter auf, so fängt das Wasser irgendwann an zu sprudeln – es wird turbulent. Die Ursachen für das plötzliche Umschlagen ins Chaos sind noch längst nicht ausreichend verstan­ den. Sie sind aber unerwünscht, zum Bei­ spiel beim Transport von Öl durch Pipe­  In Wasserrohren können Turbulenzen (hier in Falschfarben gekennzeichnet) schon an kleinen Unebenheiten der Rohrwand entste­ hen. In dieser Simulation teilt sich ein solcher „Wirbelfleck“ in zwei. (Bild: MPI, Marc Avila)

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Chaos und Turbulenzen In der Atmosphäre spielen Turbulenzen eine sehr große Rolle, vor allem bei der klimatisch wichtigen Wolkenbildung. Theoretisch lassen sie sich allerdings nur schwer beschreiben, Experimente sind deshalb umso wichtiger. Das gilt auch für Vorgänge auf kleineren Skalen, wie sie im Alltag auftauchen.

G

UV

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 Eine Auswahl berühmter Physiker, die sich in den vergangenen 200 Jahren um die Erforschung des elektro­magnetischen Spektrums verdient gemacht haben. In den blauen Kästchen ist die Seitenzahl zu finden, auf der sie in diesem Heft (erstmals) erwähnt werden. (Grafik: ius)

lines oder von Wasser durch städtische Versorgungsrohre. Turbulente Verwirbe­ lungen verschlingen hierbei oft mehr als zehnmal so viel Pumpenergie wie eine gleichförmige, laminare Strömung dersel­ ben Geschwindigkeit.

und fügen ihr winzige Teilchen bei, die ein Laser hell aufleuchten lässt. Das erlaubt es, mit Hochgeschwindigkeitskameras die Entwicklung von Turbulenzen zu verfolgen. Dabei fanden Forscher unter anderem heraus, dass ab einer bestimmten Strö­

Mit modernster Technik gehen Physiker am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen diesem Phänomen nach. Sie lassen eine Flüssig­ keit durch eine lange Glasröhre fließen

 Bis 1992 war das Schneefernerhaus Deutschlands höchstgelegenes Luxushotel. Nach dessen Aus wurde die Anlage umgebaut und beherbergt seit 1999 die gleichnamige Forschungsstation. (Bild: ESA)

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ee-Rb Rb

1859 1859

Cs Cs

Gustav Gustav Kirchhof, Kirchhof, Robert Robert Bunsen Bunsen deuten deuten die die FraunhoferFraunhoferLinien Linien und und schließen schließen daraus darausauf aufdie diechechemischen mischenElemente Elemente der der Sonnenatmosphäre. Sonnenatmosphäre.   Seite Seite

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1873 1873

1886 1886

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Ernst Ernst Abbe Abbe erkennt, erkennt, dass dass die die Auflösung Auflösung optischer optischer Mikroskope Mikroskope nie nie über über die die halbe halbe Wellenlänge Wellenlänge des desLichts Lichtssteigen steigenkann. kann.

Heinrich Heinrich R. R. Hertz, Hertz, Wilhelm Wilhelm Hallwachs Hallwachs beobachten, beobachten, dass dass manche manche Metalle Metalle ElekElektronen tronen abgeben, abgeben, wenn wenn ihre ihre Oberfläche Oberfläche mit mit Licht Licht bestrahlt bestrahlt wird. wird.

Max MaxPlanck Planck leitet leitet das das nach nach ihm ihm benannte benannteStrahlungsStrahlungsgesetz gesetz her, her,VorausVoraussetzung setzungfür fürdie diespätere spätere Quantenphysik. Quantenphysik.

Albert Albert Einstein Einstein definiert definiert Licht Licht als als eine eine endliche endliche Zahl Zahl von von Energiequanten Energiequanten und und erweitert erweitert damit damit die die Wellentheorie. Wellentheorie.

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1910  Bildquellen Physiker Seite 23 bis 25: Hecht Collection, Weizmann Institute of Science (beide AIP) / Nobel Media, A. Mahmoud / Bernd Schuller, MPI für biophysikalische Chemie (CC BY–SA 3.0) / Fraunhofer–Institut für Angewandte Festkörperphysik / Gemeinfreie Bilder

1865 1865

1879 1879

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James James Clerk ClerkMaxwell Maxwell definiert definiertLicht Lichtals alsÜberÜberlagerung lagerungvon von Wellen Wellen und underkennt, erkennt,dass dassseine seine Farbe Farbedurch durchdie dieWellenWellenlänge länge bestimmt bestimmt wird. wird.

Thomas Thomas Alva Alva Edison Edison entwickelt entwickelt und und proproduziert duziert die die ersten ersten dauerhaft dauerhaft funktionsfunktionstüchtigen tüchtigenund und wirtschaftlichen wirtschaftlichen Glühlampen. Glühlampen.

Wilhelm Wilhelm C. C. Röntgen Röntgen entdeckt entdeckt im im kurzwelligen kurzwelligen Bereich Bereich des des elektromagnetielektromagnetischen schen Spektrums Spektrums die die Röntgenstrahlen. Röntgenstrahlen.

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mungsgeschwindigkeit Wirbel punktuell entstehen und sich wieder auflösen. Erst wenn sich im zeitlichen Mittel mehr Wir­ bel bilden als zerfallen, wird die gesamte Strömung turbulent. Fügt man der Flüs­ sigkeit geeignete Stoffe wie Polyacrylamid zu, lassen sich Turbulenzen vermeiden. Betreiber von Pipelines mengen dem Öl eine winzige Menge Polyacrylamid bei und verringern so die Reibungsverluste um 80 Prozent. Mit Lasern kann man zu noch weit klei­ neren Dimensionen vorstoßen und Vor­ gänge in Atomen „sichtbar“ machen. Das geschieht in sogenannten Anregungs-­ Abfrage-Experimenten, auch Pump-ProbeExperimente genannt. Dabei wird ein Atom mit einem ultrakurzen Laserpuls

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beschossen und eines oder mehrere Elektronen angeregt. Mit einem zweiten, verzögerten Laserpuls wird das nun ver­ änderte Atom „abgefragt“, indem man zum Beispiel untersucht, ob das Atom den Strahl bei einer bestimmten Wellen­ länge verschluckt oder nicht. Variiert man die Verzögerungszeit zwi­ schen Anregungs- und Abfrage-Puls und misst für jede Verzögerung den Zustand des Atoms, so erhält man eine Art Film der im Atom ablaufenden Vorgänge. Die­ se sind rasend schnell, weswegen für die Einblicke in den Mikrokosmos die schnellsten Laser nötig sind. Auf diese Weise konnten Physiker zum Beispiel den „Tanz“ der beiden Elektronen in ei­ nem Heliumatom filmen: Sie springen im

Takt von einer Femtosekunde zwischen zwei Zuständen hin und her. Zum Ver­ gleich: Eine Femtosekunde (10-15 Sekun­ den) verhält sich zu einer Sekunde wie sieben Minuten zum Alter des Univer­ sums. Einblicke in die Nanowelt ermöglichen der am Deutschen Elektronen-Synchro­tron DESY in Hamburg beheimatete Röntgen­­ laser FLASH und PETRA III, die welt­weit intensivste Röntgenlichtquelle. PETRA III ist ein 2,3 Kilometer langer Ring, in dem Elektronen mit nahezu Lichtgeschwindig­ keit kreisen. An einigen Stellen durchque­ ren die Teilchen sogenannte Undulatoren. Das sind Abfolgen von starken Magneten mit abwechselnder Polarität. Sie zwingen die Elektronen auf rasante Slalombahnen. Dabei werden die Teilchen stark be­ schleunigt und senden in Flugrichtung gebündelte Röntgenstrahlung aus – wie winzige Scheinwerfer. Das Röntgenlicht schießt in kurzen Pulsen aus dem Be­ schleuniger heraus. Der Strahl ist bis zu 5000-mal feiner als ein menschliches Haar und ermöglicht er­ staunliche Untersuchungen. So entdeck­ ten Physiker damit Details der Photo­ synthese, beobachteten live, wie bestimmte Biomoleküle in einer Zellmembran agieren und welche

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Theodore Theodore Maiman Maiman erfindet erfindet den den Laser, Laser, in in dem demer ereine einestimulierte stimulierte Emission Emission in in einem einem beidseitig beidseitig verspiegelverspiegelten ten Rubin Rubin durchführt. durchführt.

Isamu Isamu Akasaki, Akasaki, Hiroshi Hiroshi Amano, Amano, Shuji Shuji Nakamura Nakamura läuten läuten mit mit der der Entwicklung Entwicklung der der blauen blauen LED LED eine eine Revolution Revolution in in der der BeleuchtungsBeleuchtungstechnik technikein. ein.

Stefan Stefan Hell Hell entwickelt entwickelt das dasSTEDSTEDMikroskop, Mikroskop, das das Bilder Bilder jenseits jenseitsder derAbbe'schen Abbe'schen Auflösungsgrenze Auflösungsgrenze ermöglicht. ermöglicht.

Jürgen Jürgen Schneider Schneider nutzt nutzt die dieTechnik Technik blauer blauer LEDs, LEDs, um um durch durch Streuung Streuung und und FarbFarbmischung mischung eine eine weiße weiße LED LED zu zu erzeugen. erzeugen.

Ada Ada Yonath Yonath entschlüsselt entschlüsselt mit mit Hilfe Hilfe der der RöntgenRöntgenstrukturanalyse strukturanalyse die die atomare atomareStruktur Struktur von von Ribosomen. Ribosomen.

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 Mit Hilfe von PETRA III erstellten Forscher vom Van Gogh-Gemälde „Heuschober an einem Regentag“ anhand einer mikrosko­ pisch kleinen Probe ein Tiefenprofil, das bei herkömmlichen Methoden ein Aufschneiden erfordert hätte. Der weiße Kreis ist die Entnahmestelle, die rechts oben im Detail zu sehen ist. Rechts unten: Aufnahme der Farbprobe. (Bild: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)

Materialien berühmte Maler verwendeten. Mit einer Zeitauflösung von 0,2 Milliards­ tel Sekunden konnten Forscher verfolgen, wie sich in einem Festkörper die Magne­ tisierungsrichtung änderte: Nanophysik in Superzeitlupe. Mit einem ähnlichen „Röntgenmikroskop“ gelang es der israe­ lischen Biologin Ada Yonath, die ato­mare Struktur von Ribosomen aufzuklären, wofür sie 2009 mit dem Nobelpreis für Chemie geehrt wurde. Die Zukunft leuchtet noch heller: Ein vom DESY-Gelände ausgehender, 3,4 Kilometer langer Beschleuniger na­ mens European XFEL soll in wenigen Jahren extrem energiereiches Laserlicht im Röntgenbereich mit Wellenlängen von 0,05 bis 6 Nanometern erzeugen. Mit seinen Laserblitzen werden Forscher im Nanokosmos Vorgänge mit einer „Belich­ tungszeit“ von weniger als einer Hundert­ billiardstel Sekunde untersuchen können.  Das Strahlrohr von PETRA III zwischen den Magneten eines Undulators (oben und unten). Durch Ablenkung im Magnetfeld können Teilchen auf annähernd Lichtge­ schwindigkeit beschleunigt werden. (Bild: DESY)

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Mit Licht

kommunizieren Die täglich um den Erdball rasende Datenmenge erhöht sich unaufhaltsam. Die Netze werden immer stärker belastet, die Energiekosten steigen. Dem effektiven Datenträger Licht gehört deshalb die Zukunft.

Eben noch schnell den Status von Melis­ sa checken, dann Franks E-Mail beant­ worten, bevor ich das neue Video meiner Lieblingsgruppe anschaue – so oder ähn­ lich geht es heute zu im Zeitalter der di­ gitalen Welt und der sozialen Medien. Alle Informationen müssen unverzüglich, schnell, zuverlässig und in technischer Topqualität verfügbar sein. Doch das glo­ bale Netz hat seinen Preis, und es droht an Grenzen zu stoßen. Kein Wunder, an­ gesichts schwindelerregender Zahlen. In jeder Minute werden rund 200 Millio­ nen E-Mails verschickt, Hunderttausende Fotos und Hunderte von Stunden Video­ material hochgeladen. Das kostet Ener­ gie. Große Serverfarmen fressen jährlich

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2,3 Millionen Megawattstunden Strom. Damit ließe sich eine Großstadt mit 200.000 Haushalten ein ganzes Jahr lang versorgen. Und ein Ende ist nicht abseh­ bar – im Gegenteil. Fachleute erwarten im Jahr 2020 ein 50-mal höheres Datenauf­ kommen als heute. Damit das Internet nicht zum Opfer des eigenen Erfolgs wird, suchen Forscher nach Möglichkeiten, die Übertragungs­ kapazität zu erhöhen und gleichzeitig den Energieverbrauch zu senken. Die Daten­ übertragung mit Licht bietet sich hier in vielen Bereichen an, denn die Frequenz – also die Schwingungszahl der Lichtwelle pro Zeiteinheit – von Laserlicht ist wesent­ lich höher als die von Funkwellen. Dement­

sprechend können mehr Informationen in der gleichen Zeit übertragen werden. Dies geschieht im Allgemeinen über Glasfasern. Optische Datenautobahnen gibt es schon lange, sie bilden heute das Rückgrat des weltweiten Informationsaustausches. Bereits 1986 wurde im Ärmelkanal das erste Glasfaser-Seekabel verlegt. Allein in Deutschland liegt ein Netz von Glasfa­ serkabeln mit mehr als 340.000 Kilome­ tern Länge im Boden, wobei jedes Kabel im Durchschnitt mindestens hundert Fa­ sern enthält. Mit Glasfasern können via Internet bis zu 200 Megabit pro Sekunde übertragen werden. In Testaufbauten las­ sen sich sogar bereits mehr als ein Tera­ bit, also 1000 Gigabit, pro Sekunde durch Glasfasern übertragen. Das entspricht der Kapazität von 40 Blu-ray Discs. Neue Datenautobahnen entstehen zudem im All. Satelliten für die Kommunikation

 Künstlerische Interpretation des globalen Aufkommens von Kurznachrichten. Die Kreise verbinden zwei Regionen, die durch Nachrichten und deren Beantwortung einen regen Datenaustausch pflegen. (Bild: Eric Fischer, CC BY 2.0)  2014 wurde zwischen dem in rund 700 Kilometern Höhe kreisenden Erdbeobach­ tungssatelliten Sentinel 1A (oben) und dem Kommunikationssatellit Alphasat I-XL in 36.000 Kilometern Höhe (unten) ein Daten­ transfer per Laser getestet. Die Technik verspricht in Zukunft eine 30-mal schnellere Informationsübertragung. (Bild: DLR)

oder für die Beobachtung der Erde und Atmosphäre produzieren immer mehr Da­ ten. Bisher war es möglich, durch höhere Funkfrequenzen und den Einsatz neuer Elektroniksysteme die Geschwindigkeit der Datenübertragung zu steigern. Dem sind jedoch aus physikalischen Gründen Grenzen gesetzt. Jetzt laufen erste Expe­ rimente, in denen Satelliten Daten per Laserlicht austauschen. Wissenschaftler und Ingenieure bereiten darüber hinaus Konzepte vor, mit denen wir im Alltag noch effektiver Informatio­ nen erhalten können. Warum nicht die uns ständig umgebenden Lichtquellen für die Datenübertragung nutzen? So könnte die Deckenbeleuchtung zu Hause, im Büro, im Flugzeug, in der Bahn oder auch in Produktionshallen zusätzliche Datenhighways eröffnen. Mit technischen Tricks wird so die han­ delsübliche LED zum Sender eines op­ tischen WLAN. Die digitale Information wird übertragen, indem ein Modulator die Leuchtdioden in schnellem Rhythmus ein- und ausschaltet. Dieses Flackern geht so schnell, dass es für das mensch­ liche Auge nicht wahrnehmbar ist. Der Datenfluss lässt sich erhöhen, indem das weiße Licht aus drei LEDs in den Grund­ farben Rot, Grün und Blau erzeugt wird. So stehen drei parallele optische Kanäle für den Datentransfer zur Verfügung. Mit dieser Visible Light Communication genannten Technik lassen sich schon jetzt Datenraten bis 1,25 Gigabit pro Se­ kunde erzielen. Das reicht problemlos für das Übertragen von Videos in HD-Quali­ tät. So könnten Passagiere im Flugzeug oder im Zug an ihrem Platz individuelle Programme empfangen. Aber hier zeigt sich auch ein Nachteil von Licht gegenüber Funk- und Radiowellen: Es kann keine Hindernisse durchqueren. Schon eine unachtsam bewegte Hand kann die optische Verbindung unterbre­ chen. Deswegen arbeiten Forscher der­

 Mit Visible Light Communication könnten in Zukunft Daten wie Internetseiten oder Filme ohne Beeinträchtigung der Beleuchtung von einer Lichtquelle zu einem Abspielgerät übertra­ gen werden. (Bild: kurhan, Shutterstock / ius)

zeit an Verfahren, damit die Verbindung anschließend wieder aufgenommen wird. Licht wird auch zukünftig in Wissenschaft und Technik eine zentrale Rolle spielen, zum Beispiel im Auto von morgen, das uns womöglich selbstständig fährt. Dafür muss der Bordcomputer die Umgebung des Fahrzeugs ständig beobachten und die Fahrsituation analysieren. Ingenieure experimentieren hierfür mit Geräten, die mit vielen Laserstrahlen die Umgebung abtasten und von ihr eine dreidimensio­ nale Karte erstellen. Ein ganz anderes Anwendungsfeld könnte sich in der Medizin eröffnen. So lassen

sich Teilchen wie Elektronen oder Proto­ nen mit intensiven Laserstrahlen beschleu­ nigen. Diese kompakte Technik könnte zukünftig große Beschleuniger durch die preiswertere Lasertechnik ersetzen, die für manche Arten der Strahlentherapie nötig sind. Licht hat für uns eine vielfältige Bedeu­ tung: Es wärmt unseren Planeten, das Sehen mit Licht ermöglicht uns die Orien­ tierung in der Umwelt. Wir erkunden mit Licht das Universum und den Mikrokos­ mos, wir heilen, vermessen und kommu­ nizieren mit Licht. Kein anderes physika­ lisches Phänomen ist für uns so universell nutzbar und bedeutend wie Licht.

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welt der

physik

Förderer

Inspiriert und begeistert durch den Erfolg des „Jahres der Physik 2000“ veranstalten das Bundesministerium für Bildung und Forschung und die Deutsche Physikalische Gesellschaft seit 2001 ein jährliches Physik­ festival: die „Highlights der Physik“. Das Festival zieht mit jährlich wechselnder Thematik von Stadt zu Stadt. Mitveranstalter sind stets orts­ansässige Institutionen. Die vorliegende Broschüre erscheint zu den „Highlights der Physik 2015: Lichtspiele“ (Jena, 22. – 26.09.2015). Infos: www.physik-highlights.de Medienpartner