Elektromagnetische Wellen & Licht

1865 schrieb James Clerk Maxwell die Gleichungen der Elektrizität und des Magnetismus nieder — und in ihnen steckte eine Folgerung, mit der niemand gerechnet hatte. Aus ihnen ergab sich, dass der leere Raum selbst Wellen tragen kann, und zwar mit einem einzigen, fest vorgegebenen Tempo. Als Maxwell es ausrechnete, kam die gemessene Lichtgeschwindigkeit heraus. Damit blieb nur ein Schluss: Das Licht ist selbst eine elektromagnetische Welle. Gut zwanzig Jahre später erzeugte Heinrich Hertz solche Wellen im Labor und fing sie wieder ein, bei Frequenzen weit unterhalb des Sichtbaren — den Radiowellen. Auf einen Schlag war das gesamte elektromagnetische Spektrum ein einziges Phänomen: Radiowellen, sichtbares Licht, Röntgen- und Gammastrahlung unterscheiden sich in nichts als der Wellenlänge.

Der Vorgang ist eine fortwährende Stabübergabe: Ein veränderliches elektrisches Feld ruft ein magnetisches hervor, das veränderliche magnetische wiederum ein elektrisches, und dieses Wechselspiel läuft mit Lichtgeschwindigkeit durch den leeren Raum davon. Einen Träger braucht es dafür nicht — das war der erste Schock, denn der unsichtbare Äther, ohne den das 19. Jahrhundert nicht auszukommen glaubte, erwies sich als überflüssig; es genügen die Felder. Der zweite, tiefere Gedanke braucht länger: Eine einzige Wellenfamilie, deren Mitglieder sich in nichts als der Wellenlänge unterscheiden, erstreckt sich über mehr als fünfzehn Größenordnungen und verhält sich an ihren beiden Enden so unähnlich, dass es Genie brauchte, um in ihr eines zu sehen. Radiowellen gehen durch Wände; Mikrowellen erwärmen Wasser; ein schmales Band nehmen wir als Farbe wahr; Röntgenstrahlen durchdringen Gewebe; Gammastrahlen zerschlagen Moleküle. Zusammengehalten werden sie von einem einzigen Satz Gleichungen; auseinander treibt sie allein die Art, wie die Welle an Materie ankoppelt — und an dieser Kopplung hängt praktisch alles, was sich mit dem Spektrum anfangen lässt. Die Energie einer Welle wächst mit ihrer Frequenz, deshalb ist dasselbe Feld bei der einen Wellenlänge behagliche Wärme und bei der anderen zellschädigende Strahlung. Die Materie ihrerseits antwortet nur dort, wo die Energie der Welle zu einem ihrer eigenen Energieabstände passt: Unsere Augen sind für genau das Band entstanden, das die Sonne am kräftigsten abstrahlt und dessen Energie gerade zu den Sehpigmenten der Netzhaut passt; der Mikrowellenherd arbeitet anders — sein Feld greift den elektrischen Dipol des Wassermoleküls und verdreht ihn, über ein breites Frequenzband hinweg statt bei einem einzigen besonderen Ton; die Röntgenstrukturanalyse kann Atome kartieren, weil ihre Wellenlänge ungefähr so groß ist wie deren Abstände. Beugung, Brechung, die Rötung des Lichts einer fliehenden Galaxie — alles folgt aus denselben Gleichungen. Ein einziges kompaktes Gesetz reicht von der Sonnenwärme auf der Haut bis zur Ablenkung des Sternenlichts um eine ferne Galaxie.