Wie reist Licht?

Die Frage, wie Licht durch den Weltraum reist, ist eines der ewigen Geheimnisse der Physik. In modernen Erklärungen ist es ein Wellenphänomen, das kein Medium braucht, um sich auszubreiten. Nach der Quantentheorie verhält es sich unter Umständen auch wie eine Ansammlung von Teilchen. Für die meisten makroskopischen Zwecke kann sein Verhalten jedoch beschrieben werden, indem man es als Welle behandelt und die Prinzipien der Wellenmechanik anwendet, um seine Bewegung zu beschreiben.

Mitte des 19. Jahrhunderts stellte der schottische Physiker James Clerk Maxwell fest, dass Licht eine Form elektromagnetischer Energie ist, die sich in Wellen ausbreitet. Die Frage, wie dies in Abwesenheit eines Mediums gelingt, erklärt sich aus der Natur elektromagnetischer Schwingungen. Wenn ein geladenes Teilchen schwingt, erzeugt es eine elektrische Schwingung, die automatisch eine magnetische induziert – Physiker visualisieren diese Schwingungen oft in senkrechten Ebenen. Die gepaarten Schwingungen breiten sich von der Quelle nach außen aus; außer dem elektromagnetischen Feld, das das Universum durchdringt, ist kein Medium erforderlich, um sie zu leiten.

Wenn eine elektromagnetische Quelle Licht erzeugt, breitet sich das Licht als eine Reihe konzentrischer Kugeln aus, die entsprechend der Schwingung der Quelle beabstandet sind. Licht nimmt immer den kürzesten Weg zwischen Quelle und Ziel. Eine Linie, die senkrecht zu den Wellenfronten von der Quelle zum Ziel gezogen wird, wird als Strahl bezeichnet. Weit von der Quelle entfernt degenerieren sphärische Wellenfronten in eine Reihe paralleler Linien, die sich in Richtung des Strahls bewegen. Ihr Abstand definiert die Wellenlänge des Lichts, und die Anzahl solcher Linien, die einen bestimmten Punkt in einer bestimmten Zeiteinheit passieren, definiert die Frequenz.

Die Frequenz, mit der eine Lichtquelle schwingt, bestimmt die Frequenz – und Wellenlänge – der resultierenden Strahlung. Dies beeinflusst direkt die Energie des Wellenpakets – oder des Wellenstoßes, der sich als Einheit bewegt – gemäß einer Beziehung, die der Physiker Max Planck Anfang des 20. Wenn das Licht sichtbar ist, bestimmt die Schwingungsfrequenz die Farbe. Die Lichtgeschwindigkeit wird jedoch von der Schwingungsfrequenz nicht beeinflusst. Im Vakuum sind es immer 299.792 Kilometer pro Sekunde (186.282 Meilen pro Sekunde), ein Wert, der mit bezeichnet wird der Buchstabe "c." Nach Einsteins Relativitätstheorie reist nichts im Universum schneller als diese.

Licht breitet sich in einem Medium langsamer aus als in einem Vakuum, und die Geschwindigkeit ist proportional zur Dichte des Mediums. Diese Geschwindigkeitsvariation bewirkt, dass sich das Licht an der Grenzfläche zweier Medien biegt – ein Phänomen, das Brechung genannt wird. Der Krümmungswinkel hängt von den Dichten der beiden Medien und der Wellenlänge des einfallenden Lichts ab. Wenn auf ein transparentes Medium einfallendes Licht aus Wellenfronten unterschiedlicher Wellenlänge besteht, biegt sich jede Wellenfront in einem anderen Winkel, und das Ergebnis ist ein Regenbogen.