Einfžhrung i n die Astrophysik Teil 1

214 KAPITEL 4. THERMODYNAMIK: TEMPERATUR
Robert Hooke (1635 - 1703) erklärt Licht als transversale Welle. Er schreibt 1665 in ’Micrographia’,
daß seine Theorie ist ’capable of explicating all the phenomena of colors, but of all that are in
the world.’
Christian Huygens (1629 - 1695) begründet die Wellentheorie des Lichts, niedergelegt in ’Traité de
la lumière’, Paris (1690). (In Anerkennung der früheren Ideen von Pardies und Hooke). Damit
das Licht sich in einem Medium fortpflanzen kann, führte Huygens den elastischen Äther ein.
Über die Entstehung der Farben schweigt er sich aus. Das nach ihm benannte Prinzip wurde von
Kirchhoff 1882 streng mathematisch gefasst.
Isaac Newton (1643 - 1727) erkärt dagegen Licht als Korpuskel (welche von Materie angezogen
werden und findet dementsprechen keine befriedigende Lösung für die Beugung). Er zerlegt
1672 als erster weißes Licht in Farben mit Hilfe eines Prismas und er schreibt 1672 (in Phil.
Trans. 6, 3075)
’. . . that light itself is a heterogeneous mixture of differently refrangible rays.’
Nach Newton sollte (wegen der Anziehung) die Lichtgeschwindigkeit im Medium größer sein
als in Luft. Er nahm an, daß die Farben durch die Größe der Korpuskel bewirkt werde: der roten
Farbe entsprachen die größten Teilchen, der gelben Farbe mittlere und schließlich der blauen die
kleinsten Teilchen.
• ANMERKUNG (DUALISMUS WELLE - KORPUSKEL HISTORISCH)
Mit seiner Theorie stellt Newton sich ganz bewusst gegen Hooke und Huygens. Vom damaligen Standpunkt aus betrachtet
waren beide unbefriedigend: Huygens konnte die Farben, Newton die ihm bereits bekannte Interferenz und Beugung nicht
erklären.
Trotz beeindruckender Arbeiten von Arago, Malus, Young und Fresnel zur Wellennatur des Lichts, blieb die Newtonsche
Vorstellung (begründet durch seine Autorität auf dem Gebiet der Gravitation) vorherrschend unter den Physikern.
Das experimentum crucis konnte erst 1850 durchgeführt werden, als Fizeau und Foucault erstmals die Wellengeschwindigkeit
des Lichts in Materie messen konnten. Sie fanden v < c. Damit war gezeigt, daß die Newtonsche Vorstellung falsch
war. Michelson (1852 -1931) konnte mit einer verbesserten Foucaultschen Versuchsanordnung sogar die Dispersion der
Lichtgeschwindigkeit (in Schwefelkohlenstoff) bestimmen.
Da man sich die Ausbreitung von Licht im Vakuum nicht vorstellen konnte und da die Fresnelsche Deutung der Polarisation
transversale Lichtwellen forderte, wurde ein hypothetischer elastischer Äther eingeführt, in dem solche Wellen sich
ausbreiten konnten. Maxwell begründete bereits (mithilfe dieses elastischen Äthers) 1860 seine Lichttheorie. Diese etwas
absurde Vorstellung wurde endgültig erst durch den Versuch von Michelson 1881 ad acta gelegt. Bis dahin versuchte man,
die Eigenschaften des Äthers experimentell zu finden und mathematisch zu formulieren.
Die Arbeiten von Hertz zeigten dann experimentell die Richtigkeit der Maxwellschen Theorie und das gesamte Gebiet der
optischen Erscheinungen wurde damit Teil der Elektrodynamik. Hertz und Heaviside zeigten dann aber, daß ein elastischer
Äther unnötig ist zur Ausbreitung der Wellen, Vakuum genügt. Vakuum bedeutet dabei, daß das elektromagnetische Feld
kontinuierlich ist wie der Raum, in dem es existiert.
Lorentz (Minkowski, Poincaré) und insbesondere Einstein entdeckten dann ein zusätzliches Phänomen der Maxwellschen
Theorie: die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Experimentell wurde dies von Michelson bestätigt. Zusammen mit Morley
findet er (seit 1881 in immer wieder verbesserten Experimenten), daß im Vakuum die Lichtgeschwindigkeit unabhängig
von der (Erd)Bewegung ist.
Neben den integralen Parametern Leuchtkraft und Temperatur sind diskrete Werte im Spektrum wichtig
(der Fingerabdruck kosmischer Objekte). Das Plancksche Strahlungsgesetz ist streng nur für den
idealen schwarzen Körper gültig und damit auf realistische Körper nur näherungsweise anwendbar.
Insbesondere zeigen Sterne eine markante Abweichung von diesem Verhalten, da sie ein Linienspektrum
besitzen. Die Kenntnis von der Existenz von Linien im Spektrum der Sonne reicht bis an den
Anfang des 19. Jahrhunderts (Fraunhofer) zurück.
Frequenz (Energie), Breite (Temperatur und Dichte der Umgebung) und Intensität (Häufigkeit und
Dichte des Elements) verschiedener Linien erlauben es, ein detailliertes Bild von den Verhältnissen der
Umkehrschicht zu erhalten.