inhalt4 10 14 18Quantensprünge4 Das schönste Experiment aller Zeiten10 Quantensprünge14 Die Wellenrevolution18 Quantenindustrie24 Die Wissenschaft <strong>der</strong> Rätsel24herausgeberDeutsche <strong>Physik</strong>alischeGesellschaft e.V. (DPG)Bundesministerium fürBildung und ForschungautorWolfgang RIchterWissenschaftliche BeratungProf. Dr. Eberhard F. Wassermanninformationen zum inhaltDeutsche <strong>Physik</strong>alische Gesellschaft e.V.PressestelleBonner Talweg 853113 BonnTel. (0228) 55 525 - 18Fax (0228) 55 525 - 19presse@dpg-physik.dekonzept, redaktion und gestaltungiserundschmidtKreativagentur für PublicRelations GmbHBonn – Bad Honnef – Berlin(Verantwortlich: Timo Meyer, Marleen Schwalm)September 2008Bildquellen (v.l.n.r.): Schrollum, Flickr.com;BIPM photo; Florian Lo<strong>der</strong> © Uni Augsburg;© Santanu Vasant, Flickr.com; PhotoDisc;Titel: Max Planck (Bild: Archiv <strong>der</strong> Max-Planck-Gesellschaft, Berlin-Dahlem)
Regenbogen über Hinterbichl in Osttirol(Bild: Schrollum, Flickr.com) Ein Prisma fächert hier weißes Licht indas gesamte Farbspektrum auf. Ein Nebel ausWasserdampf macht die Farben sichtbar. (Bild:Frank Luerweg / Uni Bonn) Wer hier ganz genau hinsieht,erkennt unter dem Hauptregenbogendie überzähligen Bögen.Ihre Entstehung lässt sich nurmit den Welleneigenschaftendes Lichts erklären. (Bild: _setev,Flickr.com)4Das schönsteExperiment aller Zeiten Weg eines Lichtstrahls durcheinen Regentropfen (Grafik: ius)5Ein einfacher Versuch offenbart die Magie<strong>der</strong> Quantenphysik beson<strong>der</strong>s eindrucksvoll.Die Idee für das Experiment stammt aus<strong>der</strong> Zeit, als die Wissenschaftler dem Geheimnisdes Regenbogens auf die Spur kamen.Was haben Mariah Carey, Johnny Cashund Bushido gemeinsam? Alle drei habennicht nur die Liebe besungen – son<strong>der</strong>nauch den Regenbogen. Kaum eine Naturerscheinunghat Musiker und Poeten soinspiriert wie das Farbenspiel, das entsteht,wenn Sonne und Regen zusammentreffen.Auch die Wissenschaft hat dasPhänomen über Jahrhun<strong>der</strong>te beschäftigt.So entzündete sich an den Farben desRegenbogens <strong>der</strong> historische Streit, obLicht nun aus Teilchen o<strong>der</strong> Wellen besteht.Und Anfang des 19. Jahrhun<strong>der</strong>tswurde ein junger, vielseitig begabter Eng-län<strong>der</strong> vom Regenbogen zu einem Versuchangeregt, <strong>der</strong> 160 Jahre später zum zentralenExperiment <strong>der</strong> Quantenmechanik werdensollte. 2002 kam dieser Versuch sogarin die Charts: Englische <strong>Physik</strong>er wähltenihn in einer Umfrage zum schönsten Experimentaller Zeiten.Die Geschichte dieses Experiments beginntschon im Jahr 1300, als sich <strong>der</strong> MönchDietrich aus Freiberg in Sachsen Gedankenüber die Entstehung des Regenbogensmachte. Er war <strong>der</strong> erste, <strong>der</strong> – fast –auf die richtige Lösung kam: Fällt Licht von<strong>der</strong> Sonne auf einen kugelförmigen Regentropfen,wird zwar ein großer Anteil am glitzerndenTropfen sofort reflektiert, ein Teildes Lichts tritt jedoch in den Tropfen ein.Bei diesem Übergang vom dünneren ElementLuft in das dichtere Element Wasserwerden die Lichtstrahlen „gebrochen“ – dasheißt, zur Tropfenmitte hin abgelenkt. EinTeil dieses gebrochenen Lichts wird danachan <strong>der</strong> hinteren runden Innenwand desTropfens reflektiert. Beim Austritt ausdem Tropfen wird das reflektierte Lichtschließlich dann noch einmal gebrochen.Diese Vorgänge bewirken, dass die Lichtstrahlengebündelt werden und gemeinsamin einem bestimmten Winkelbereich(etwa 40 bis 42 Grad) den Wassertropfenverlassen. Hat man also die tiefstehendeSonne im Rücken und eine ausreichendgroße Regenwand vor sich, sind es die Regentropfenauf einem Kreisbogen um 42Grad, die ihr gebündeltes Licht genau indas Auge des Beobachters schicken. Denäusseren Nebenregenbogen mit umgekehrterFarbfolge, <strong>der</strong> manchmal zusätzlichzu beobachten ist, deutete Dietrichebenfalls richtig mit doppelter Reflexioninnerhalb des Tropfens. Warum jede <strong>der</strong>Regenbogen-Farben aber unter einem etwasan<strong>der</strong>en Winkel den Tropfen verlässt unddeshalb einen eigenen Kreisbogen bildet,konnte Dietrich nicht erklären.Es dauerte mehr als 300 Jahre, bis RenéDescartes 1637 den Verlauf <strong>der</strong> Lichtstrahlenmathematisch exakt beschreibenkonnte. Und erst 1666 konnte Isaac Newtondie physikalischen Hintergründe <strong>der</strong>Farbzerlegung des Lichts durch Brechungrichtig deuten. Er erkannte, dass das weißeLicht <strong>der</strong> Sonne aus vielen Farben zusammengesetztist. In diese farbigen Bestandteile,sein Spektrum, kann es durch einPrisma o<strong>der</strong> eben einen Regentropfen aufgespaltenwerden: Je nach Farbe wird dasLicht beim Eintritt in den Tropfen etwasan<strong>der</strong>s gebrochen und tritt deshalb auchunter einem etwas an<strong>der</strong>en Winkel ausdem Tropfen wie<strong>der</strong> aus. So erscheint fürjede Farbe ein eigener Kreisbogen auf <strong>der</strong>Regenwand.Die Brechung brachte Newton zu <strong>der</strong> Überzeugung,dass Licht aus „atomähnlichen“Teilchen bestehe – er nannte sie „Korpuskeln“.Denn wenn verschieden farbigesLicht unterschiedlich gebrochen wird, musses je nach Farbe unterschiedliche physikalischeEigenschaften besitzen. Da liegt esnah anzunehmen, dass die Ursache dafüreinfach unterschiedlich große Lichtteilchensind. Der Hollän<strong>der</strong> Christiaan Huygenswar allerdings ganz an<strong>der</strong>er Ansicht: Erhatte um 1650 eine Theorie ausgearbeitet,nach <strong>der</strong> sich Licht wellenförmig ausbreitet.Die parallelen Lichtstrahlen <strong>der</strong> Sonnewerden in diesem Bild zu einer breitenWellenfront, ähnlich wie die parallelenWellen <strong>der</strong> Meeresbrandung. Mit diesemAnsatz ließ sich nicht nur die Brechungvon Licht erklären, son<strong>der</strong>n zusätzlich aucherstmals die Beugung, also die Ausbreitungdes Lichts hinter einem Hin<strong>der</strong>nis.Newtons Einfluss und seine halsstarrigeAbneigung gegen Kritik waren aber sogroß, dass für die nächsten hun<strong>der</strong>t JahreHuygens’ Theorie kaum Anhänger fand.Erst als sich <strong>der</strong> junge Arzt, Sprachforscherund <strong>Physik</strong>er Thomas Young Anfang des19. Jahrhun<strong>der</strong>ts intensiv mit dem Regenbogenbeschäftigte, kam wie<strong>der</strong> Bewegungin den Welle-Teilchen-Disput. Youngmachte sich Gedanken über die so genanntenüberzähligen Bögen, die man bei gutenBedingungen direkt unterhalb eines Regenbogenserkennen kann. Sie sind ebenfallsfarbig, aber wesentlich blasser als <strong>der</strong>eigentliche Bogen – und können nicht mitNewtons Theorie erklärt werden.
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