Licht - Rolf Heilmann - E-Book

Licht E-Book

Rolf Heilmann

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Beschreibung

Was ist es, wie verhält es sich – und wozu kann man es nutzen? Schon früh begannen die Menschen, sich Gedanken über das Licht zu machen. Suchten Denker der Antike die Gesetze der Brechung und Reflexion von Strahlen, konstruierte man im Mittelalter optische Lesesteine als Sehhilfe. Jagten manche Wissenschaftler das Licht durch Raum und Zeit und sinnierten über seinen Charakter als Welle, Teilchen oder Quant, tüftelten andere an Glühlampen, Laser und LED. Physikprofessor Rolf Heilmann nimmt die Leser mit auf eine unterhaltsame Reise durch die Welt der Optik, Farben und Strahlen und endet bei der Dunklen Energie im Universum – und der Formbarkeit von Licht auf Erden. Eine packende Geschichte der Lichtforschung vom Urknall bis zur Photonik.

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Seitenzahl: 320

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Bildnachweis:

Alle Abbildungen aus dem Archiv des Autors

© für die Originalausgabe und das eBook:2013 F. A. Herbig Verlagsbuchhandlung GmbH, München

Alle Rechte vorbehalten

Umschlaggestaltung: Wolfgang Heinzel

eBook-Produktion: VerlagsService Dr. Helmut Neuberger & Karl Schaumann GmbH, Heimstetten

ISBN 978-3-7766-8161-1

www.herbig-verlag.de

Inhalt

Einleitung

Auf der Suche nach Erklärungen

Licht und Wissen

Gesetz ist Gesetz

Licht und Wissenschaft

Buntes Spiel

Licht und Farben

Im Bann des Fortschritts

Licht und Technik

Zurück auf Los

Lichtquanten

Ein harter Brocken

Licht und Kristalle

Heller Wahnsinn

Lichtverstärker

Mehr als haarscharf

Lichtmaße

Schneller als der Blitz

Licht und Information

Krumme Sache

Licht und die Relativitätstheorie

Galaktische Rätsel

Licht im Kosmos

Ausblick

Glossar

Danksagung

Literatur

Personen- und Sachverzeichnis

Für Krissi und Albi, die zwei Lichter in unserem Leben

Einleitung

Lohnt es sich, ein Buch zu lesen, das ausschließlich vom Licht handelt? Ist das Thema nicht zu alltäglich, zu langweilig? Entscheiden Sie selbst: Ohne Licht gäbe es kein Leben auf der Erde. Die Sonne, 150 Millionen Kilometer von uns entfernt, strahlt unvorstellbare Mengen von Licht aus. Und wir, auf unserem winzigen Planeten, empfangen nur etwa ein Milliardstel davon. Aber dieser verschwindend kleine Teil – er verändert alles!

Die Sonnenstrahlung erwärmt unsere Erde und die Luft, die uns umgibt. Sie schafft damit eine behagliche Heimat in den ansonsten meist eisigen Weiten des Weltalls.

Licht lässt Pflanzen leben. Die Photosynthese, dieser wichtigste biologisch-chemische Prozess auf der Erde, grenzt fast an ein Wunder: Mithilfe des Lichts stellen die Pflanzen aus Wasser und einfachem Kohlendioxid (das wir ununterbrochen ausatmen) Kohlenhydrate her. Diese Stoffe bilden nicht nur den größten Teil der organischen Substanz der Erde, sie sind auch Hauptbestandteil unserer Nahrung. Außerdem produzieren Pflanzen »nebenbei« den für uns lebenswichtigen Sauerstoff. Folglich ist die Lufthülle unserer Erde durch das Licht entstanden und wird in jedem Augenblick mithilfe von Licht erneuert.

Unser Klima, das Wetter, der Wind, die großen Bewegungen der Flüsse und Ozeane – all das wird vom Sonnenlicht bestimmt. Durch die Einstrahlung des Lichts verdunstet das Wasser. Es bilden sich Wolken, die sich immer mehr verdichten und schließlich als Regen oder Schnee wieder der Erde zurückgegeben werden. Das Wasser fließt den Meeren zu, und der gigantische Kreislauf beginnt von Neuem. Wenn wir am Ufer der breiten Flüsse stehen und die ungeheuren Wassermassen vorbeiströmen sehen, wenn wir dem Donnern der großen Wasserfälle zuhören, wenn wir uns Regen und Sturm aussetzen und ein Gewitter unmittelbar erleben, dann können wir die Macht des Sonnenlichts erahnen.

Sobald wir abends zu Hause die Deckenlampe anschalten, ist Licht wieder zu Licht geworden, denn im größten Teil der Energie, die wir täglich verbrauchen, hält sich Sonnenlicht verborgen. So nutzen Wasserkraftwerke die Energie der Flüsse, um elektrischen Strom zu erzeugen. Indem wir Erdöl und Erdgas, Benzin oder Kohle verbrennen, gewinnen wir die Energie zurück, die vor Jahrmillionen von der Sonne als Licht auf unsere Erde gekommen ist. Pflanzen haben es aufgenommen, gespeichert, sind abgestorben und versunken, um in den Tiefen der Erde zu dem zu werden, was wir heute als Energiequellen nutzen. Doch diese Ressourcen sind begrenzt. Etliche Zukunftsforscher sehen pessimistisch auf die zur Neige gehenden Vorräte. Jedoch scheint Rettung für unsere nach Energie hungernde Gesellschaft direkt von der Sonne zu kommen: Solarzellen oder solarthermische Kraftwerke können heute die Energie des Lichts in die so dringend benötigte Elektroenergie umwandeln. Möglicherweise lässt sich in einigen Jahrzehnten durch Kernfusion die Energie auf der Erde ähnlich erzeugen wie auf der Sonne. Dann gäbe es keine Energieengpässe mehr, und Kriege um Erdöl wären überflüssig.

Gab es früher zum Aufhellen der Dunkelheit nur das Feuer, so stehen uns heute viele Arten von künstlichem Licht zur Verfügung: die unzähligen verschiedenen Lampen, Leuchten, Scheinwerfer und Leuchtreklamen, Laserstrahlen, die Digitalanzeigen und Leuchtdioden an elektrischen Geräten, die Projektoren in Kinos oder Vortragsräumen, die Bildschirme der Computer, Fernseher und Handys. Überall wird scheinbar ohne Mühen Licht erzeugt. Echte Dunkelheit kennen wir kaum noch. Erst, wenn durch eine Störung der Strom ausfällt, bemerken wir die Bedeutung des künstlichen Lichts für uns.

Mittels Licht erkennen wir die Welt. Licht fällt auf Gegenstände, wird von ihnen zurückgeworfen und gelangt in unsere Augen. Dort werden in den lichtempfindlichen Zellen Stromimpulse erzeugt und zum Gehirn geleitet, das sie als Informationen verarbeitet. Wir erfassen dadurch nicht nur die Umrisse unserer Umgebung, sondern nehmen auch Farben wahr. Denn was wir als eine bestimmte Farbe sehen, ist Licht mit einer bestimmten Energie. Es wird vermutet, dass wir Menschen ungefähr zehn Millionen verschiedene Farben und Farbschattierungen unterscheiden können.

Licht bestimmt aber nicht nur, ob und wie wir sehen. Es legt auch fest, wie wir diese Welt empfinden: Im strahlenden Sonnenschein erscheint alles klar und frisch, Sonnenuntergänge stimmen uns romantisch, fehlendes Licht im Winter schlägt aufs Gemüt. Intensive Farben und Kontraste auf Gemälden oder Fotos beeinflussen unsere Gefühlswelt. Fotografie bedeutet, aus dem Griechischen übersetzt, »Zeichnen mit Licht«. Per Knopfdruck und meist vollautomatisch speichern wir mit dieser Technik nicht nur Unmengen an nüchternen Informationen, sondern auch Erinnerungen.

Doch Licht ist für uns nicht nur auf diese Weise ein Mittel zum Abbilden und zum Erfassen der Welt. Wir können mittlerweile auch Bilder von Dingen und Prozessen erzeugen, die unserem Sehsinn nicht unmittelbar zugänglich sind. Die Menschheit hat im Laufe der Jahrhunderte gelernt, Licht mit technischen Geräten anders und zum Teil auch besser aufzunehmen und zu analysieren, als das unsere Augen vermögen. So können wir im übertragenen Sinne sehen, »was die Welt im Innersten zusammenhält«. Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen erfahren über das Licht, das von materiellen Dingen ausgesandt, zurückgeworfen, verschluckt oder durchgelassen wird, wie diese aufgebaut sind. Dabei offenbart sich auch ein wichtiger Wesenszug der Naturwissenschaft: All das, was wir im Kleinen auf der Erde finden, unterliegt den gleichen Gesetzen wie die gigantischen Prozesse im Kosmos. So teilt uns das Licht mit, wie Sterne aufgebaut sind, welche Stoffe »da oben« vorkommen und welche extremen Bedingungen dort herrschen. Das Licht verrät uns, wie weit Sterne und Galaxien entfernt sind, wie sie sich bewegen und wie alt sie sind. Wir erfahren, wie groß das Weltall ist und wie es sich bis heute entwickelt hat.

Licht überträgt Informationen. Wurden früher Nachrichten als Feuerzeichen von Berg zu Berg geschickt, so werden heute unsere E-Mails und Telefonate den längsten Teil ihres Weges über Glasfasern mit Licht übertragen. Das Internet ist ohne die Datenübermittlung per Licht nicht denkbar. Texte, Bilder, Filme und Musik lassen sich mit Licht auf CDs, DVDs oder Blu-Ray-Discs speichern und wiedergeben. Auf immer neuen Displays und Bildschirmen werden die Informationen sichtbar gemacht.

Mit Licht können aber nicht nur dünne Informationsspuren auf metallisierte Scheiben gebrannt werden. Licht ist mittlerweile zum Werkzeug geworden, mit dem sich dicke Stahlplatten schneiden oder verschweißen lassen. Dazu werden effektiv arbeitende Lichtverstärker verwendet, die unter dem Begriff »Laser« bekannt sind. Solch verstärktes, gebündeltes Licht kann aber auch Krebsgeschwüre abtöten, Hautkrankheiten beseitigen oder für Augenoperationen verwendet werden.

Mit Licht lässt sich außerdem sehr genau messen. So zeigen Laserstrahlen exakter als jede Messlatte, wie gerade Häuser, Brücken oder Tunnel gebaut werden müssen. Die Entfernungen zwischen Satelliten oder ganzen Kontinenten können mit Licht auf den Millimeter bestimmt werden. Die Laserimpulse, die dabei in die Luft geschossen werden, sind noch verhältnismäßig energiearm. Militärs versuchen hingegen, Lichtstrahlen so energiereich zu machen, dass damit viel schneller und effektiver geschossen werden kann als mit normaler Munition.

Licht bestimmt nicht nur unseren Lebensrhythmus durch den stetigen Wechsel zwischen Tag und Nacht, sondern legt auch den Lauf der Jahreszeiten fest. Die Sonne ist daher nicht nur die wichtigste Energiequelle, sondern auch der dominierende Zeitgeber für die Menschheit.

Die Bedeutung, die das Licht und seine Quellen für uns hat, spiegelt sich folglich schon seit Jahrtausenden in den Religionen wider. Bereits in den ältesten Hochkulturen der Erde nahmen Sonnengottheiten einen angemessenen Platz ein. So sahen im dritten Jahrtausend v. Chr. die Ägypter den Sonnengott Re als Weltherrscher an. Etwa zur gleichen Zeit wurde im Zweistromland von Euphrat und Tigris der mächtige Sonnengott Utu verehrt. Auch in Indien verband man die wichtigsten Naturkräfte mit dem Licht und fasste sie als Gottheiten auf: Surya, die Sonne; Ushas, die Morgenröte; Agni, das Feuer. Bei den alten Griechen war der jugendliche Helios der gewaltige Sonnengott. Das berühmte Orakel von Delphi war Apollon, dem Gott des Lichts, geweiht. Damit war das Licht auch mit dem Blick in die Zukunft verbunden. Und war es nicht der Sage nach Prometheus (auf Deutsch: der Vorausdenkende), der den Göttern das Feuer stahl, um es den Menschen als Licht- und Wärmequelle zu bringen? Auch in der christlichen Religion nimmt das Licht eine außerordentliche Position ein. Schon in der Schöpfungsgeschichte wird dies sehr eindrucksvoll und poetisch dargestellt: »Am Anfang schuf Gott Himmel und Erde. Und die Erde war wüst und leer, und es war finster auf der Tiefe; und der Geist Gottes schwebte auf dem Wasser. Und Gott sprach: Es werde Licht! Und es ward Licht. Und Gott sah, dass das Licht gut war.« Licht wird in der christlichen Tradition als eigentliches, ewiges Leben angesehen, als Inbegriff allen Heils. Auch später, im Neuen Testament, bleibt es als Gegenteil der Finsternis Symbol für das Göttliche.

Und dennoch: Trotz aller Bedeutung, die Licht zweifelsohne für die Menschen hat, ist die scheinbar einfache Frage »Was ist Licht?« alles andere als leicht zu beantworten. Über Jahrtausende haben sich Wissenschaftler, Philosophen, Theologen, Künstler und Techniker diese Frage gestellt. Die Antworten darauf waren vielfältig – und nie endgültig. Immer kamen neue Erkenntnisse, aber auch neue Rätsel hinzu.

Folgen wir nun also der Geschichte der Lichtforschung und schauen wir uns an, wie die Menschen lernten, das Licht zu verstehen, zu erzeugen, zu verändern und zu nutzen. Es lohnt sich. Denn nicht selten sind durch das Nachdenken über Licht neue »Weltbilder« entstanden, auf deren Grundlage die Welt verändert wurde.