Die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der Optik sind schon seit alters her bekannt. Zum Beispiel wurde das Gesetz von der geradlinigen Ausbreitung und Reflexion des Lichtes erstmals im Jahre 430 v. Chr. formuliert. Aristoteles und Ptolemäus untersuchten 350 v. Chr. die Lichtbrechung. Die ersten Vorstellungen zur Natur des Lichtes entstanden bei den alten Griechen und den Ägyptern. Diese Vorstellungen erfuhren im Laufe der Entwicklung und unter dem Einfluß wichtiger Entdeckungen (zum Beispiel Parabolspiegel (13. Jahrhundert), Mikroskop (16. Jahrhundert), Fernrohr (17. Jahrhundert)) ihre Fortsetzung und Transformation. Ende des 17. Jahrhunderts entstanden auf der Grundlage der jahrhundertealten Erfahrungen zwei Theorien des Lichtes: die Korpuskulartheorie (I. Newton) und die Wellentheorie des Lichtes (R. Hooke und C. Huygens).
Die grundlegenden Gesetzmäßigkeiten der Optik sind schon seit alters her bekannt. Zum Beispiel wurde das Gesetz von der geradlinigen Ausbreitung und Reflexion des Lichtes erstmals im Jahre 430 v. Chr. formuliert. Aristoteles und Ptolemäus untersuchten 350 v. Chr. die Lichtbrechung. Die ersten Vorstellungen zur Natur des Lichtes entstanden bei den alten Griechen und den Ägyptern. Diese Vorstellungen erfuhren im Laufe der Entwicklung und unter dem Einfluß wichtiger Entdeckungen (zum Beispiel Parabolspiegel (13. Jahrhundert), Mikroskop (16. Jahrhundert), Fernrohr (17. Jahrhundert)) ihre Fortsetzung und Transformation. Ende des 17. Jahrhunderts entstanden auf der Grundlage der jahrhundertealten Erfahrungen zwei Theorien des Lichtes: die Korpuskulartheorie (I. Newton) und die Wellentheorie des Lichtes (R. Hooke und C. Huygens).
Es ist eine Erfahrung des täglichen Lebens: Licht breitet sich geradlinig aus und hinter beleuchteten Gegenständen gibt es Schatten. Beim genaueren Hinsehen kann man aber auch im Schattenbereich Licht finden. Das hatte bereits Leonardo da Vinci im 15. Jahrhundert entdeckt und es wurde von Grimaldi 1665 erstmals näher beschrieben. Diese Beobachtungen standen im klaren Widerspruch zur damals akzeptierten Korpuskulartheorie des Lichts und führten 1690 schließlich zur Wellentheorie von Huygens mit dem Modell der Elementarwellen, siehe auch erstes Kapitel in diesem Buch. Fresnel verbesserte Anfang des 19. Jahrhunderts die Elementarwellentheorie.
Die Optik ist die Lehre vom Licht, seiner Ausbreitung, dem Aufbau optischer Instrumente und allen den Erscheinungen, die mit dem Auge wahrgenommen werden können. Heute wird zwischen der klassischen Optik und der Quantenoptik unterschieden. In der klassischen Optik wird das Licht als Welle verstanden. Seit Beginn dieses Jahrhunderts sind allerdings viele Experimente durchgeführt worden, deren Deutung nicht im Rahmen der Wellentheorie möglich ist. Zur Erklärung muß angenommen werden, daß das Licht sich wie ein Teilchen, als Korpuskel, dem sogenannten Lichtquant, verhält. Dieses Bild ist immer dann anzuwenden, wenn Licht mit Materie in Wechselwirkung tritt, also zum Beispiel bei der Absorption und Emission, aber auch bei der Streuung von Licht.
AuszugInterferenz und Beugung sind typische Welleneigenschaften. Wir haben sie schon bei der Besprechung mechanischer Wellen kennen gelernt; denken wir z.B. an die stehenden Wellen bei Musikinstrumenten, die durch Interferenz zweier gegenläufiger Wellen zustande kommen oder an die Überlagerung zweier sich radial von benachbarten Punkten ausbreitenden Wasserwellen. Auch die Beugung von Schallwellen kennen wir von Kindesbeinen an, denn Schall nehmen wir auch dann wahr, wenn sich etwa die Schallquelle hinter einer Hausecke befindet: Schall geht „um die Ecke“. Das liegt daran, dass die Wellenlänge von Schallwellen vergleichbar ist mit den Abmessungen von Hindernissen im täglichen Leben. Interferenz und Beugung von Lichtwellen machen sich wegen ihrer um Größenordnungen kleineren Wellenlängen nur in Sonderfällen bemerkbar, zumal das Licht der meisten Lichtquellen aus unterschiedlichen Wellenlängen besteht. Ein Beispiel sind die auf Interferenzen beruhenden „Farben dünner Blättchen“, die bei dünnen Ölhäuten oder Seifenblasen zu beobachten sind. Das Auftreten von Interferenzen setzt in der Regel (nahezu) monochromatisches Licht voraus, das Licht muss kohärent sein. Im Folgenden soll dieser Begriff genauer gefasst werden. Anschließend werden typische Interferenzphänomene besprochen. Der zweite Teil behandelt Beugungserscheinungen. Interferenz bzw. Beugung bestimmen das geometrische Auflösungsvermögen optischer Instrumente. Auf ihnen beruhen weiter die Wirkungsweise der Spektralapparate und andere Anwendungen.
Das grundlegende Verständnis von Licht einerseits und massebehafteten Teilchen andererseits beruht auf dem Welle-Teilchen Dualismus. Dieser Dualismus besagt, daß auf der einen Seite das Licht, das dem Kenner der klassischen Physik nur in der Form einer elektromagnetischen Welle begegnet, je nach den äußeren Beobachtungsbedingungen auch wie ein örtlich konzentriertes Teilchen erscheinen kann, und umgekehrt, daß ein korpuskulares, massebehaftetes Teilchen auch Welleneigenschaften besitzt, die aber nur bei geeigneten Versuchsbedingungen in Erscheinung treten. Die historisch wichtigsten experimentellen Nachweise zu diesem Phänomen haben wir in Kapitel 1 dargelegt. Es zeigt sich, daß diese Eigenschaften keine sich widersprechende Erscheinungsformen von Licht bzw. Teilchen sind, sondern daß man sie als zwei sich ergänzende Charakteristika verstehen muß in dem Sinne, daß bei Auftreten der Teilcheneigenschaften die Beschreibung als Welle keinen physikalischen Sinn ergibt und umgekehrt, daß im Fall des Nachweises der Welleneigenschaft das Korpuskelbild zu Widersprüchen führt.
ZusammenfassungDer geniale Forscher, Vater der Biologie, Aristoteles, bemerkte, daß das Vorgehen der Tiere die Erreichung eines bestimmten Zwecks zum Ziel hat. Die Schwalbe baut ihr Nest, um sich und ihre Jungen zu beschützen. Nach Aristoteles sind solche Zwecke die Ursachen gewisser Tätigkeiten, also gerade das Gegenteil unseres üblichen Begriffes von Ursache und Folge. Der griechische Philosoph sah eine Schwierigkeit in der Voraussetzung, daß das Nachher auf das Vorher wirkt, doch rettete er sich durch trübe Mutmaßungen über die Formen, die lebende Organismen in sich tragen. Die katholische Kirche hat jedoch die Aristotelische Teleologie oder die Lehre von der Zweckmäßigkeit übernommen. So lehrte auch der große Scholastiker Thomas von Aquin, daß das Schicksal des Menschen durch Gottes Willen im voraus bestimmt, prädestiniert ist, und demzufolge wird sich der Sterbliche derart verhalten, daß das vorbestimmte Ende erreicht wird. Diese Prädestination konnte natürlich auch auf strenge Bestimmtheit zurückgeführt werden. Denn wenn das Endziel bestimmt ist, ist auch jeder Schritt zwischen Entstehung und Tod bestimmt, und jeder nächste Schritt kann als Folge des vorangegangenen Schrittes, der vorangegangenen Ursache betrachtet werden. Bei Erklärung der Determiniertheit ist das Dilemma illusorisch, ob jenes früher oder jenes später als Ursache auftritt. Ebenso illusorisch ist es, sagt Heisenberg, den Determinismus auf die Weise zu definieren, daß das, was geschehen ist, auch geschehen muβte. Das, was einmal geschehen ist, ist für immer vergangen, und wie soll dann festgestellt werden, ob es geschehen mußte oder nicht? Die Scholastik stellte das Kriterium der Determiniertheit jedenfalls in Gottes Auge, das alles sieht, die Vergangenheit, die Gegenwart und die Zukunft. Jemanden muß es geben, der die Welt betrachtend künftige und vergangene Ereignisse aussagen kann. Indem man Gott absetzte, wurde dies der Genius von Newtons Mechanik. Nach den Gesetzen der klassischen Mechanik und aufgrund der Kenntnis der Kräfte konnten die Bewegungen der Planeten und Atome für alle Zeiten errechnet werden; sowohl Zukunft als Vergangenheit wären einem solchen mathematischen Genie offenbar. Nachdem Newtons Schüler auffällige astronomische Erscheinungen vorausgesagt hatten, wurde das Vorhersagen zum Wesen der Wissenschaft überhaupt.
ZusammenfassungIn der geometrischen Optik werden die Welleneigenschaften des Lichtes fast völlig außer acht gelassen. Die Deutung einer Gruppe von optischen Erscheinungen ist jedoch nur mit der Wellentheorie möglich. Es handelt sich um die Interferenz des Lichtes, die je nach der Art des Zusammentreffens zweier Wellenzüge zu deren gegenseitiger Verstärkung oder Auslöschung führt (S. 187). Das Zustandekommen derartiger Versuche ist jedoch an gewisse Voraussetzungen geknüpft. Es müssen sich nämlich zwei Wellenzüge von gleicher Frequenz so überlagern, daß ihre Schwingungsphasen stets die gleiche Differenz gegeneinander haben. Dies ist z. B. bei dem auf Bild 14.11 dargestellten Versuch erfüllt, weil jede der beiden Wellen ein einziges, in sich zusammenhängendes System bildet. Man nennt es in diesem Fall kohärent.