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Licht [1]

[510] Licht, die Ursache der Sichtbarkeit der Gegenstände; Körper, die selbsttätig L. aussenden, wie die Sonne, Fixsterne, Flammen, glühende feste Körper, nennt man Selbstleuchter oder Lichtquellen. Nichtleuchtende Körper können nur gesehen werden, indem sie L. zerstreut zurücksenden (s. Diffusion, S. 3), das ihnen von Selbstleuchtern zugeschickt worden. Durchsichtige Körper lassen das L. durch sich hindurchgehen, undurchsichtige halten es auf. Es gibt übrigens weder vollkommen durchsichtige, noch vollkommen undurchsichtige Substanzen; selbst die undurchsichtigsten aller Körper, die Metalle, lassen als sehr dünne Blättchen etwas L. durch. Das L. pflanzt sich in einem gleichartigen Mittel von einem leuchtenden Punkt aus in geraden Linien fort, die man Lichtstrahlen nennt. Seine Fortpflanzungsgeschwindigkeit ist so ungeheuer groß, daß es die größten irdischen Entfernungen, auf welche Signale reichen, fast augenblicklich durchläuft. Der dänische Astronom Olaf Römer ermittelte 1676 die Geschwindigkeit durch Beobachtung himmlicher Lichtsignale. Der Planet Jupiter wird von vier Monden umkreist, die bei jedem ihrer Umläufe, indem sie in den von dem Planeten hinter sich geworfenen Schatten treten, eine Verfinsterung erleiden. Bei dem ersten (dem Jupiter nächsten) Mond beträgt die Zeit zwischen je zwei aufeinander folgenden Verfinsterungen 42 Stunden 28 Minuten und 36 Sekunden. Römer fand nun, daß, wenn die Erde ihre größte Entfernung vom Jupiter erreicht hat, die Verfinsterung um 16 Min. und 36 Sek. später gesehen wird, als sie nach der Berechnung hätte eintreten sollen, wenn die Erde in ihrer geringsten Entfernung vom Jupiter geblieben wäre. Diese Verspätung kann aber nichts andres sein als die Zeit, die das von dem Jupitermond im Augenblick vor seiner Verfinsterung ausgesandte L. gebraucht hat zum Durchlaufen der Strecke, um welche die Erde in ihrer entferntesten Lage vom Jupiter weiter absteht als in ihrer nächsten Lage. Da diese Strecke gleich dem Durchmesser der Erdbahn ist, also ungefähr 299 Mill. km beträgt und in 996 Sek. durchlaufen wird, ergibt sich, daß das L. in 1 Sek. etwa 300,000 km zurücklegt. Die nämliche Zahl leitete Bradley 50 Jahre später aus der Aberration (s. d.) des Lichtes der Fixsterne ab. Durch ein sehr sinnreiches Verfahren hat Fizeau und später Cornu die Geschwindigkeit des Lichtes auch bei irdischen Lichtquellen gemessen. Läßt man nämlich durch eine der Lücken am Umfang eines gezahnten Rades einen Lichtstrahl genau senkrecht auf einen entfernten Spiegel fallen, so kehrt er auf dem nämlichen Weg zurück und gelangt, wenn das Rad in Ruhe ist, durch dieselbe Lücke zum Auge des Beobachters. Versetzt man nun das Rad in immer raschere Umdrehung, so kann man es dahin bringen, daß in der Zeit, die das L. brauchte, um den Weg vom Rad bis zum Spiegel und wieder zurück zu durchlaufen, das Rad sich um eine Zahnbreite weiter gedreht hat, sonach das zurückgekehrte L. von dem Zahn, der nun an die Stelle der Lücke getreten ist, aufgefangen und für den Beobachter unsichtbar wird. Auch aus diesen Versuchen ergab sich die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichtes zu 300,000 km. Ein Lichtstrahl durchläuft also in einer Sekunde eine Strecke, die 7¹/₂mal so groß ist als der Umfang der Erde (40,000 km). Die Fixsterne sind so ungeheuer weit entfernt, daß ihr L. ungeachtet seiner großen Geschwindigkeit Jahre braucht, um zu uns zu gelangen; würde der Sirius in diesem Augenblick erlöschen, so würden wir ihn noch 14 Jahre lang am Himmel glänzen sehen, denn so lange würde sein letzter Lichtstrahl unterwegs sein, bis er unser Auge erreichte. Man sagt, die Entfernung beträgt 14 Lichtjahre. Die Erscheinungen, die wir am Fixsternhimmel wahrnehmen, sind also nicht gleichzeitig, sondern gehören mehr oder minder langer Vergangenheit an.

Denkt man sich einen leuchtenden Punkt nacheinander von konzentrischen Kugelhüllen, von 1,2,3 ... m Halbmesser umschlossen, so verbreitet sich das von dem leuchtenden Punkt nach allen Richtungen ausstrahlende L. auf die Innenflächen dieser Hüllen, die sich wie die Quadrate ihrer Halbmesser, also wie[510] 1:4. 9 ..., verhalten. Diese Lichtmenge wird also, in diesem Verhältnis auf die Kugeln verteilt, geschwächt, woraus sich ergibt, das die physikalische Intensität der Erleuchtung, der die Helligkeitsempfindung allerdings keineswegs genau proportional ist, indem Verhältnis abnimmt, in dem das Quadrat der Entfernungen wächst. Die Beleuchtung einer Fläche ist am stärksten, wenn die Strahlen rechtwinklig einfallen. Die Fläche ab (s. Figur), auf welche die Strahlen unter dem Neigungswinkel α einfallen, erhält nicht mehr L. als die Fläche ac bei senkrechter Inzidenz. Es verhält sich aber ac:ab wie der Sinus des Winkels α zu 1. Die Beleuchtung bei schiefem Einfall der Strahlen verhält sich daher wie der Sinus des Neigungswinkels der Strahlen gegen die beleuchtete Fläche.

Beleuchtung bei schiefem und senkrechtem Einfall der Strahlen.

Man darf sich nicht etwa vorstellen, daß das L. aus Stoffteilchen bestehe, die von einem leuchtenden Körper mit der ungeheuern Geschwindigkeit von 300,000 km hinausgeschleudert werden; es gibt eine Menge von Lichterscheinungen, die dieser früher gehegten Anschauung (Emanations-, Emissions oder Korpuskulartheorie) geradezu widersprechen, speziell die sogen. Interferenzerscheinungen, die darauf beruhen, daß zwei Lichtstrahlen zusammengeleitet unter Umständen sich auslöschen, während nach der Emanationstheorie natürlich eine Verstärkung der Helligkeit eintreten müßte. Das L. verhält sich vielmehr wie eine Wellenbewegung (Undulations- oder Vibrationstheorie) und pflanzt sich von einem leuchtenden Körper aus in ähnlicher Art fort wie der Schall von einem tönenden Körper. Ein wesentlicher Unterschied vom Schall besteht indes darin, daß sich das L. auch durch den leeren Raum (Weltraum) fortzupflanzen vermag, woraus folgt, daß es nicht eine Wellenbewegung der Luft sein kann. Um die Fortpflanzung im Vakuum zu erklären, nimmt man an, daß dieses ein von der Luft verschiedenes seines Medium, den (Licht-) Äther enthält, der auf keine Weise beseitigt werden kann. Ein weiterer Unterschied vom Schall besteht darin, daß das L. unmöglich eine longitudinale Wellenbewegung (Aufeinanderfolge von Verdichtungen und Verdünnungen) sein kann, daß vielmehr, wie aus den Polarisationserscheinungen hervorgeht, die Schwingungen notwendig transversal sein, d.h. senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung erfolgen müssen. Das würde aber die weitere Annahme erforderlich machen, daß der Äther, das genannte äußerst seine Medium, ein elastischer fester Körper sei, da nur in festen Körpern solche Querschwingungen auftreten können. Erst in neuerer Zeit ist es gelungen, über diese Schwierigkeit hinwegzukommen durch Maxwells elektromagnetische Lichttheorie, der zufolge das L. überhaupt keine mechanische Wellenbewegung ist, sondern eine elektrische Strahlung (s. Elektrische Wellen), bestehend aus im Raume fortschreitenden, abwechselnd positiven und negativen elektrischen Feldern und dazwischen liegenden, dazu senkrechten, ebenfalls abwechselnd entgegengesetzt gerichteten Magnetfeldern. Durch die Erzitterung einer angeschlagenen Glocke wird die sie umgebende Luft erschüttert, die Erschütterung wird von Teilchen zu Teilchen weiter gegeben und pflanzt sich so als Schallwelle durch die Luft fort, ohne daß Luftteilchen oder gar Teilchen von dem Metall der Glocke in unser Ohr geworfen werden. In ähnlicher Weise befinden sich die elektrischen Ladungen (Elektronen) der kleinsten Teilchen (Moleküle) eines leuchtenden Körpers in zitternder oder schwingender Bewegung, nur daß ihre Schwingungen ungemein viel rascher erfolgen als die eines tönenden Körpers; diese Schwingungen werden als Lichtwellen mit jener ungeheuern Geschwindigkeit fortgepflanzt und erregen, die Gefühlsnerven unsrer Haut treffend, die Empfindung der Wärme, in unser Auge dringend und an die auf dessen Hintergrund ausgebreitete Netzhaut schlagend, die Empfindung der Helligkeit (s. Ausstrahlung von Wärme und Licht). Elektrische Schwingungen entstehen z. B. bei der Entladung eines elektrischen Kondensators, jedoch von so ungeheuer großer Wellenlänge, daß deren Messung im beschränkten Raum eines Zimmers unmöglich ist. Hertz gelang es (1887), die Anzahl der elektrischen Schwingungen bis 500 Mill. in der Sekunde zu steigern und so Wellen zu erhalten, deren Längen bequem gemessen werden konnten. Aus den Messungen ergab sich, daß die elektromagnetischen Wellen sich mit derselben Geschwindigkeit fortpflanzen wie das L. Ferner hat Hertz gezeigt, daß diese »Strahlen elektrischer Kraft«, an Spiegeln zurückgeworfen, durch Prismen gebrochen werden, Polarisationserscheinungen darbieten und überhaupt dieselben Gesetze befolgen wie die Lichtstrahlen. Hiermit war der Sieg der elektromagnetischen Lichttheorie entschieden.

Die Ausbreitung des Lichtes ergibt sich aus den Gesetzen der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, erfolgt also in gleichmäßig beschaffenen Medien in geraden Strahlen; an der Grenze zweier Medien tritt, falls die Ausbreitungsgeschwindigkeit in beiden nicht zufällig dieselbe ist, Reflexion und Brechung, und zwar bei isotropen Medien so, daß reflektierter und gebrochener Strahl in der Einfallsebene liegen, d.h. der durch den einfallenden Strahl und das Einfallslot gelegten Ebene, und daß der Reflexionswinkel gleich dem Einfallswinkel, d.h. dem Winkel zwischen den beiden genannten Richtungen, der Brechungswinkel aber von demselben derart abweicht, daß das Verhältnis der Sinusse beider Winkel gleich dem Verhältnis der Ausbreitungsgeschwindigkeiten in beiden Medien ist (s. Reflexion, Brechung und Diffusion des Lichtes). Verwickelter sind die Verhältnisse bei anisotropen Medien (Kristallen), s. Doppelbrechung und Polarisation des Lichtes. In ungleichmäßigen Medien bilden sich krumme Lichtstrahlen.

Stehende Lichtwellen bilden sich nach Wiener, wenn Licht an einer spiegelnden Fläche reflektiert wird durch Interferenz der ankommenden und reflektierten Wellen. Sie lassen sich nachweisen auf einer äußerst dünnen, schief in das Strahlenbüschel gestellten Bromsilberschicht oder durch die Zenkerschen Blättchen (s. d.).

[Druck des Lichtes.] Die Kraftfäden eines elektrischen Feldes üben gegenseitig einen Druck auseinander aus (s. Elektrische Kraft). Dies gilt natürlich auch für die Kraftfäden der elektrischen sowie auch für die der magnetischen Felder, aus denen sich eine elektromagnetische Strahlung zusammensetzt (s. Elektrische [511] Wellen). Wie Maxwell (1873) nachgewiesen hat, ist der Gesamtdruck in Kilogrammen auf 1 qm gleich der Energie der Strahlung (s. Energie, S. 779) in Kilogrammetern auf 1 cbm. Naturgemäß gilt also dieser Satz auch für die Lichtstrahlung. Ohne weiteres kann man freilich den Druck nicht wahrnehmen, wohl aber, wenn die Strahlung absorbiert wird. Er erscheint dann als Druck auf den absorbierenden Körper, und zwar in voller Stärke, wenn dieser absolut schwarz ist und senkrecht zu den Strahlen steht. Die Energie in 1 cbm Sonnenlicht an der Grenze der Erdatmosphäre ist a. a. O. = 0,7. 10^-6 kg gesetzt. Dasselbe würde also einen Druck von 0,7. 10^-6 kg auf 1 qm ausüben oder 0,7. 10^-10 kg auf 1 qcm, annähernd 70 Billiontel Atmosphären. Die Messung so kleiner Drucke ist schwierig, gelang aber doch, und zwar zuerst Lebedew. Bei Anwendung einer Bogenlampe fand er einen Druck von 3,1. 10^-5 Dynen = 31,5 Billiontel kg auf 1 qcm in Übereinstimmung mit der gleichzeitig auf kalorimetrischem Wege gemessenen Energie der Strahlung auf 1 ccm. Der Druck ist unabhängig von der Wellenlänge des Lichtes und könnte dazu dienen, die Intensität der Strahlung zu messen, insbes. kann man aber daraus die Intensität der elektrischen und magnetischen Felder der Lichtstrahlung ableiten. Für das Sonnenlicht ergibt sich im obigen Fall ein Potentialgefälle von 9 Volt auf 1 cm und eine magnetische Feldstärke = ¹/₇ der Horizontalintensität des Erdmagnetismus im mittlern Deutschland. Der Gesamtdruck des Sonnenlichts auf die Erde wurde zu 300 Mill. kg berechnet, die somit von der Newtonschen Gravitationskraft, die freilich ganz unverhältnismäßig größer ist, bei genauer Berechnung der Erdbahn in Abzug zu bringen wären. Für sehr kleine Körperchen wird der Lichtdruck, weil er dem Querschnitt proportional ist, größer als die dem Volumen proportionale Gravitationskraft. Man erklärt hieraus die Abstoßung der Kometenschweife. Arrhenius nimmt an, daß auch seine elektrisch geladene Nebeltröpfchen aus der Sonnenatmosphäre durch den Lichtdruck ausgestoßen werden und Anlaß zu elektrischen Störungen (Nordlicht) auf der Erde geben.

[Wirkungen des Lichtes.] Viele Körper erfahren durch die Einwirkung des Lichtes eine bleibende Umwandlung ihrer Eigenschaften, eine Änderung ihrer chemischen Zusammensetzung. Unter dem Einfluß des Lichtes bleicht die Leinwand, das Wachs, verblassen viele Farben, bräunt sich das Tannenholz etc. Gleiche Raumteile Chlor und Wasserstoff vereinigen sich bei Einwirkung von Sonnenlicht (photochemische Induktion) unter Explosion zu Chlorwasserstoff. Chlor-, Brom-, Jodsilber werden durch L. geschwärzt, und hierauf beruht die Photographie. In den Pflanzenzellen wird das Sonnenlicht vom Chlorophyll verbraucht zur Spaltung der aus der Luft aufgenommenen Kohlensäure, zur Bildung organischer Substanz. Diese organische Substanz brauchen die Tiere zu ihrer Ernährung, und somit ist das organische Leben auf der Erde abhängig vom Sonnenlicht. Es gibt indes viele Organismen, die während ihres ganzen Lebens niemals von einem Lichtstrahl getroffen werden (vgl. Höhlenfauna und Höhlenflora), und auch nicht jede organische Substanz wird vom L. beeinflußt. Auf Muskelsubstanz übt weder natürliches noch künstliches L. eine Wirkung aus. Lichtstrahlen von besonders großer Intensität, wie sie z. B. durch Elektrizität erhalten werden, scheinen sich anders zu verhalten, wenigstens zeigt die Haut, wenn sie von solchen Lichtstrahlen, besonders ultravioletten, wie sie eine Quecksilberbogenlampe aus Quarz aussendet, getroffen wird, Geschwürsbildungen und nekrotische Prozesse (vgl. Lichttherapie).

Die speziellen Wirkungen des Lichtes auf die verschiedenen Organismenformen sind wie bei allen Reizqualitäten je nach der spezifischen Eigenart der einzelnen Organismenform außerordentlich mannigfaltig. Manche Rhizopoden (Pelomyxa) werden durch Beleuchtung mit hellem Sonnenlicht zu starker kugeliger Zusammenziehung ihres Zellkörpers veranlaßt, manche Infusorien (Pleuronema) werden durch starke Beleuchtung zu plötzlichen heftigen Sprungbewegungen erregt. Bei vielen Tieren bewirken Lichtreize nicht bloß durch die Augen, sondern auch durch die Haut Bewegungen des Körpers. Die interessantesten Wirkungen des Lichtes auf die Bewegung aber sind die Erscheinungen des Heliotropismus oder der Phototaxis bei Protisten, Pflanzen und Tieren. Fällt nämlich das Licht einseitig auf gewisse lichtempfindliche Organismen, so bewegen sie sich entweder zur Lichtquelle hin oder von der Lichtquelle fort, seltener in einer transversalen Richtung zur Lichtquelle. Das Hinneigen der Pflanzen am Fenster nach der Lichtseite ist allgemein bekannt. Innerhalb der grünen Pflanzenzelle findet unter dem Einfluß der Beleuchtung eine Wanderung und Drehung der Chlorophyllkörper statt, die je nach der Intensität des Lichtes verschieden ist. Schwache Intensität hat häufig ein Hinbewegen zur Lichtquelle, stärkere ein Fortbewegen von der Lichtquelle zur Folge. So schwimmen z. B. die freibeweglichen Schwärmsporen vieler Algen oder auch viele freibewegliche Algen selber im Wasserglas, das in diffusem Tageslicht steht, zur Lichtseite hin, wenn es dagegen in direktem Sonnenlicht steht, von der Lichtquelle fort. Das Protoplasma der Netzhautpigmentzellen fließt im Dunkeln in den Zellkörper zurück, während es im hellen L. nach vorn zwischen die Stäbchen und Zapfen vorströmt. Bei dauernder Entziehung des Lichtes entfärben sich Floßkrebse, die Tast- und Geruchsorgane erreichen die dreifache Größe, während die Netzhautelemente und die optischen Nerven zunächst keine Veränderung erleiden, was mit der langen Erhaltung rudimentärer Organe übereinstimmt. An Fischen wurde eine Größenverringerung im Dunkeln festgestellt. Von den verschiedenen Arten der Lichtstrahlen sind für die Kohlensäurespaltung im Chlorophyll der Pflanzenzelle ganz hervorragend die roten, also die langwelligen Lichtstrahlen wirksam, viel schwächer die gelben und am schwächsten die blauen und violetten. Auf viele freibewegliche Organismen wirken am kräftigsten die kurzwelligen Lichtstrahlen, also die blauen und violetten Teile des Spektrums, ihre Wirksamkeit nimmt mit zunehmender Wellenlänge ab. Vgl. die Artikel »Ausstrahlung von Wärme, Licht und chemischen Strahlen« und »Lichtelektrische Erscheinungen«.

Vgl. J. Herschel, Treatise on light (Lond. 1828; deutsch, Stuttg. 1831); Lommel, Das Wesen des Lichts (Leipz. 1874); Pisko, L. und Farbe (2. Aufl., Münch. 1876); Tyndall, Das L. (deutsch, 2. Aufl., Braunschw. 1895); Stokes, Das L. (deutsch, Leipz. 1888); Volkmann, Vorlesungen über die Theorie des Lichts (das. 1891); Poincaré, Elektrizität und Optik (deutsch, Berl. 1892, 2 Bde.) und Die mathematische Theorie des Lichts (das. 1894); Helmholtz, Vorlesungen über die elektromagnetische Theorie des Lichts (Bd. 5 der »Vorlesungen über theoretische Physik«, hrsg. von König und Runge, Hamb. 1897); [512] Glazebrook, Das L. (deutsch, Berl. 1897); O. Lehmann, Elektrizität und L. (Braunschw. 1895); weitere Literatur s. Optik.