Veröffentlicht auf youtube: Wieviel wiegt das Licht?
(07.12.2021)
Transkript:
Wieviel wiegt das Licht? Besteht Licht aus Lichtteilchen, die eine Masse haben oder ist Licht elektromagnetische Strahlung ohne Masse?
In diesem Beitrag geht es um das Licht und um die gewichtige Frage, ob die Photonen, – die Lichtteilchen.- etwas wiegen und wenn ja, wieviel.
Hallo und herzlich willkommen zu Romejo, schön dass Du neugierig bist.
Für die Physiker ist die Frage, ob Licht eine Masse hat, schnell beantwortet mit der Erklärung: E=mc2 =hf. Das leuchtet nicht jedem sofort ein. Und frägt man gezielt, welche Masse die Lichtteilchen bei Lichtgeschwindigkeit haben, werden die Antworten oft komplex.
Für uns Nicht-Physiker ist durch die Formel sowieso ein Fragezeichen mehr in der Welt. Aber auch wir können uns die Frage beantworten, ob Licht eine Masse hat. Klar können wir dazu nicht einen Sack Licht auf die Rathauswage legen und diese ablesen, auf diese Idee würden nur die Schildbürger gekommen sein.
Wir haben im Allgemeinen ein gutes Gefühl, wie viel etwas wiegt, ein Liter Wasser wiegt ungefähr ein Kilogramm. Genauer stimmt das für Wasser mit einer Temperatur von 4°Celsius auf Meereshöhe, Wasser bei Zimmertemperatur ist ca. 5 Gramm leichter, aber so genau geht’s hier nicht. Bei den meisten Dingen, die um uns herum sind, können wir gut einschätzen was sie wiegen. Bei Licht, das uns oft umgibt, gelingt uns das nicht, Licht scheint gewichtlos zu sein.
Um zu beantworten, ob Licht ein Gewicht hat, können wir uns zunächst erinnern, was mit Gewicht überhaupt gemeint ist und was es mit der Masse zu tun hat. Um unser eigenes Körpergewicht zu bestimmen, stellen wir uns einfach auf die Waage und lesen diese ab. Würden wir mit unserer Waage auf den Mond fliegen, und uns dort wiegen, würden wir ein geringeres Gewicht ablesen, obwohl unsere Masse gleichgeblieben ist. Und wir wären die ersten Nichtamerikaner auf dem Mond. Die Erklärung des Gewichtsunterschiedes ist simpel, zwei Massen ziehen sich gegenseitig an und weil die Erde mehr Masse hat als der Mond, ist die Kraft, mit der wir angezogen werden auf der Erde grösser als auf dem kleineren Mond.
So weit so simpel, hilft uns die Erkenntnis beim Licht? Bei der Beantwortung, ob Licht eine Masse hat oder nicht? Licht kann redensartlich irgendwo drauf fallen, aber es ist noch nie irgendwo scheppernd heruntergefallen. Allerdings gibt es so große Massen im All, deren Anziehung so groß ist, dass sich Licht nicht mehr davon wegbewegen kann, die sogenannten schwarzen Löcher. Hier verhalten sich die Photonen, die Lichtteilchen so, als hätten Sie tatsächlich eine Masse. Der Astrophysiker Reinhard Genzel hat so ein schwarzes Loch in den 90ern gefunden, da wo alle anderen auch schon oft hingesehen hatten und Mangels Licht nichts gesehen hatten, mitten in der Milchstrasse, es heisst Sagittarius A liegt im Sternbild des Wassermanns und hat vermutlich 4,3 Millionen Sonnenmassen. Ein massereiches schwarzes Loch, von dem sich Licht nicht mehr wegbewegen kann. 2020 erhielt Genzel für seine Beobachtungen den Physik Nobelpreis.
Licht bewegt sich immer mit Lichtgeschwindigkeit, die Photonen sausen mit exakt 299.792.458 m/s durch Vakuum. Das ist reichlich schnell und deshalb wird Lichtgeschwindigkeit in Formeln mit c für celeritas
abgekürtzt, das ist Lateinisch und heißt Schnelligkeit. Trifft Licht auf Materie, so kann es gestreut, reflektiert, gebrochen und verlangsamt oder absorbiert werden.
Das Problem was Licht ist, ist ja nicht neu, schon der antike Pythagoras hat sich damit auseinandergesetzt, wobei er noch glaubte, dass die Augen einen Sehstrahl aussenden würde, der dann reflektiert würde. Hätte er recht gehabt, könnten Menschen auch im Dunkeln sehen. Der großartige Galileo Galilei, der entdeckte, dass die Planeten um die Sonne kreisen, ist noch daran gescheitert, die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht zu bestimmen. Isaac Newton, dessen Nachname zur physikalischen SI-Krafteinheit wurde, versuchte mit seiner Korpuskel-theorie, die Ausbreitung des Lichts durch die Bewegung von kleinen Teilchen zu erklären. Damit konnte man zwar die Reflexion verstehen, nicht jedoch manche anderen optischen Phänomene, wie die Beugung, bei der es sich eindeutig um ein Wellenphänomen handelt.
Das ruiniert nun auch unsere Überlegung von vorhin, dass Licht Masse haben müsste, damit es von schwarzen Löchern verschluckt werden kann oder von Sternen großer Masse, wie unserer Sonne abgelenkt wird, – was sich aber doch beobachten lässt.
Um die Verwirrung perfekt zu machen, erbrachte Michael Faraday, nachdem der Faraday-Käfig benannt ist, auch noch den Nachweis, dass Licht und Magnetismus zwei miteinander verbundene physikalische Phänomene sind.
James Clerk Maxwell, der die Grundgleichunen der Elektrodynamik formuliert hat, erkannte, dass es sich bei Licht, wegen der Übereinstimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit um elektro-magnetische Wellen handeln muss. Also keine Masse, einfach nur elektromagnetische Wellen. Damals glaubte man noch, dass sich diese Wellen sich im sog. Äther ausbreiten würden, einem Medium, dass das Universum ausfüllt. Die elektromagnetische Lichttheorie hatte jedoch einen entscheidenden Haken, man konnte diesen Äther in dem sich die Wellen ausbreiten nie finden!
Handelt es sich bei Licht nun um Lichtteilchen, mit einer Masse oder um elektromagnetische Wellen ohne Masse? Für Beides gibt es Anhaltspunkte, aber schließen sie nicht gegenseitig aus?
Wir tappen immer noch im Dunkeln, ob Licht eine Masse hat. Zeit, dass wir unsere Letzten beiden Joker ziehen, Max Plank und Albert Einstein und deren Quantenhypothese.
Kernpunkt dieser Hypothese ist der Welle-Teilchen-Dualismus, der das Licht nun nicht mehr ausschließlich als Welle oder ausschließlich als Teilchen beschreibt, sondern als Quantenobjekt. Als solches vereint es Eigenschaften von Welle und von Teilchen, ohne das eine oder das andere zu sein. Daraus entstand Anfang des 20. Jahrhunderts die Quantenphysik und später die Quantenelektrodynamik, die bis heute unser Verständnis von der Natur des Lichts darstellt. Die Quantenelektrodynamik ist heute eine der an den genauesten experimentell überprüften Theorien der Physik, also durch Versuche bestätigt.
Auf dieses sowohl als auch hätten wir auch selbst kommen können, aber nun – Masse ja oder nein?
Licht als Lichtteilchen betrachtet, bezieht seine Masseeigenschaft aus der Energie, nicht aus Materie. Licht hat eine Masse. Die Masse des Lichts wird durch seine Energie bestimmt. Je mehr Energie Licht hat, je grösser ist seine Masseeigenschaft. Die Energie des Lichts erkennt man an seiner Frequenz. Das Spektrum reicht vom Gamma- und Röntgenbereich bis zu Mikrowellen und Radiowellenbereich, dazwischen liegt das für uns sichtbare Licht. Den Energiegehalt des sichtbaren Lichts nehmen wir als unterscheidbare Farben war, vom energiereichen blauen Licht bis zum energieärmeren roten Licht. Unterschiedlich farbiges Licht hat eine unterschiedliche Frequenz und damit unterschiedliche Energie und damit unterschiedliche Masse. Bewiesen ist dies durch Beobachtungen des Lichts im Gravitationsfeld von Planeten.
Licht ist zu schnell, um es einfach auf die Waage zu stellen, seine Masse lässt sich jedoch zuverlässig berechnen aufgrund seiner Energie.
Ich hoffe dieser Beitrag hat ein wenig Licht ins Dunkel gebracht, alle Quellenangaben und Weiterführendes wie immer im Abspann und auf Romejo.com
Vielen Dank für’s Zusehen. Sei helle und bleib neugierig.
Quelle und Weiterführend:
https://simbad.u-strasbg.fr/simbad/sim-id?NbIdent=1&Ident=Sgr+A%2A
https://www.sueddeutsche.de/muenchen/physik-nobelpreis-reinhard-genzel-portrait-1.5056950
Die Beleuchtung mit künstlichem Licht. In: licht.de (Hrsg.): licht.wissen. Nr. 01. Frankfurt 2016, ISBN 978-3-945220-03-0, S. 8.
Bergmann-Schaefer Lehrbuch der Experimentalphysik, 10. Auflage, Seite 906
Michael Faraday: Experimental Researches in Electricity. Nineteenth Series. In: Philosophical Transactions of the Royal Society. Band 136, 1846, S. 1–20, doi:10.1098/rstl.1846.0001.
James Clerk Maxwell: A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field. In: Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Nr. 155, 1865, S. 459–512.
Richard P. Feynman: QED. Die seltsame Theorie des Lichts und der Materie. Piper-Verlag, München u. a. 1988, ISBN 3-492-03103-X
- Scharf: Finite Quantum Electrodynamics. The Causal Approach. 2. Auflage. Springer. Berlin u. a. 1995, ISBN 3-540-60142-2