Man kennt ihn für die Relativitätstheorie, aber was Albert Einstein den Nobelpreis 1921 eingebracht hat, war die Lichtquantenhypothese, die er 1905 in dem Paper mit dem schönen Namen Über einen die Erzeugung und Verwandlung des Lichtes betreffenden heuristischen Gesichtspunkt, das Ergebnis seiner Doktorarbeit. Was war das Problem und wie hat Einstein es gelöst?
Einstein führt aus, dass sowohl der Aufbau von “Gasen und anderen ponderablen Körpern” durch Atome und Elektronen bestimmt ist, andererseits aber die Elektrodynamik, bestimmt durch die Maxwell-Gleichungen, durch unendlich ausgedehnte und nicht durch endliche Parameter festlegbare Felder bestimmt wird. Aber diese kontinuierliche Theorie des Lichtes konnte nicht alle Experimente erklären. Das berühmteste und anschauliche Beispiel ist der photoelektrische Effekt. Man stelle sich ein einfaches Experiment vor. Man nimmt z.B. eine Zinkplatte und bestrahlt sie mit ultraviolettem Licht. Dann wird man messen können, dass Elektronen aus der Platte austreten. Erhöht man die Intensität des Lichtes, nimmt die Anzahl an Elektronen zu. Nimmt man aber stattdessen rotes Licht, treten keine Elektronen aus, egal wie stark man die Lampe dreht.
Das war nicht plausibel nach der alten Lehre vom Licht als Welle. Wenn man doch mehr Energie reinsteckt beim roten Licht, müsste doch etwas passieren. Wieso passiert bei langen Wellenlängen (rot) nichts, dafür aber bei kürzeren?
Einstein baut auf die Quantentheorie von Max Planck auf, die 1900 und 1901 veröffentlicht worden ist. Planck hatte versucht, die vermeintlich letzte kleine Ungereimtheit zu klären, die zum Abschluss der Physik noch fehlte: die Schwarzkörperstrahlung. Planck konnte das Problem lösen, indem er sagte, nicht beliebige Energiewerte sind erlaubt, sondern Energie kann nur in bestimmten “Energiequanta” abgegeben werden.
Einstein ging jetzt darüber hinaus, er nahm das Konzept und zeigte, dass es nicht an das Problem der Schwarkörperstrahlung gebunden war. Sein bahnbrechender Vorschlag: Das Licht selbst bewegt sich in Form von Quanten fort, die unteilbar sind, und die Energie eines Quants ist abhängig von der Wellenlänge. Demnach hätte ein rotes Quant (diese bekamen später den Namen Photon) weniger Energie als ein blaues oder ultraviolettes. Und plötzlich konnte Einstein den Photoeffekt erklären – wenn ein Elektron nur ein Photon auf einmal absorbiert, dann reicht ein rotes Photon einfach nicht aus um ein Elektron aus der Platte zu hauen. Bei einem blauen Photon aber reicht die Energie immer – und so treten entsprechend mehr PhotonenElektronen aus, wenn man mehr Licht einstrahlen lässt. Nimmt man ultraviolette Photonen, bleibt sogar noch mehr Energie übrig, die in höherer kinetischer Energie des Elektrons nach dem Austritt resultiert.
Und so ist der faszinierende und irritierende Umstand gezeigt worden, dass Licht sowohl Wellen- wie auch Teilcheneigenschaften hat. Einstein bereits hat erkannt, dass es beides sein muss, und hat es so formuliert:
Es ist jedoch im Auge zu behalten, daß sich die optischen Beobachtungen auf zeitliche Mittelwerte, nicht aber auf Momentanwerte beziehen, und es ist trotz der vollständigen Bestätigung der Theorie der Beugung, Reflexion, Brechung, Dispersion etc. durch das Experimnt wohl denkbar, daß die mit kontinuierlichen Raumfunktionen operierende Theorie des Lichtes zu Widersprüchen mit der Erfahrung führt, wenn man sie auf die Erscheinungen der Lichterzeugung und Lichtverwandlung anwendet.
Happy Birthday, Albert!
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