Laser dank Einstein

Ein roter Laserstrahl (Foto: fotojog/iStock)

Vor 100 Jahren war Albert Einstein mit seiner Beschreibung des Kosmos beschäftigt, die heute als Allgemeine Relativitätstheorie gefeiert wird. Sein neues Weltbild ließ eine vierdimensionale Raumzeit erkennen, die durch Materie gekrümmt wird. Das bleibt zwar bis heute schwer vorstellbar, konnte und kann aber die Bewegungen erklären, die als Folge der Schwerkraft eintreten. Als Einsteins Gedanken in kosmische Weiten schweiften, fiel sein Blick auch auf die Atome. Da kam ihm eine Idee, von der Menschen bis heute auf mannigfaltige Weise im Alltag profitieren. Sie handelt vom Licht.

Ihm sei "ein prächtiges Licht" aufgegangen, schrieb Einstein 1916 einem Freund. Und das meinte der große Mann punktgenau. Einstein hatte sich bei seinen kosmischen Abenteuern auch die Frage gestellt, wie Sterne das viele Licht aussenden, das auf der Erde eintrifft und registriert wird. Genau wollte er wissen, wie die Atome der Sterne oder wie Atome überhaupt ihr Licht aussenden. Während er darüber nachsann, gelang ihm "die verblüffend einfache Ableitung" eines Gesetzes, das die Lichtaussendung (Emission) von festen Körpern regelt. Einstein legte diese Ableitung in einer Arbeit mit dem Titel "Strahlungsemission und Absorption nach der Quantentheorie" vor. Auch wenn diese Formulierung eher langweilig klingt, so finden sich in dem dazugehörigen Text höchst aufregende Ideen, obwohl es noch Jahrzehnte dauern sollte, bis man Einsteins Vorschläge in die praktische Tat umsetzte.

In der zitierten Arbeit von 1916 unterscheidet Einstein zwei Formen der Emission von Licht durch Atome, die er als spontan und als stimuliert bezeichnet. Bei dem spontanen Geschehen befindet sich ein Atom in einem angeregten Zustand. Es gibt seine zusätzliche Energie durch einen Quantensprung in den Grundzustand frei, und zwar in Form von Licht. Soweit so gut und damals seit ein paar Jahren allgemein bekannt, ohne dass jemand sagen konnte, was ein Atom dazu bringt, den Lichtsprung auszuführen.

Wie Einstein den Laser erdachte

Einstein nahm den einst noch neuen Gedanken ernst, dass es sich um einen statistischen Vorgang handelt. Dem konnte er einen zweiten an die Seite stellen, nämlich die stimulierte Emission, die oben schon ihren Namen bekommen hat. Wenn ein angeregtes Atom, so hielt Einstein in seiner Theorie fest, mit genau der Lichtenergie ausgestattet wird, die es abzugeben hat, dann sorgt deren Eintreffen dafür, dass es zu einer Emission kommt, zu einer stimulierten Emission eben.

Aus einem anregenden Lichtteilchen sind zwei geworden, und es ist Einsteins Aufmerksamkeit nicht entgangen, dass dann, wenn genügend angeregte Atome anzutreffen waren, auch aus zwei Lichtteilchen vier, aus vier acht, aus acht sechzehn und immer so weiter immer mehr werden können, bis sich dabei ein veritabler Lichtstrahl gebildet hatte. Einstein sah vor seinem geistigen Auge, was heute "Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung" heißt. Jeder kennt es bei seinem englischen Namen. Dann heißt es "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" oder abgekürzt: Laser.

Auch Gelehrte brauchen Zeit, Physik zu verstehen

Wer sich in der Geschichte etwas auskennt, wird jetzt fragen, wieso eine theoretische Idee von 1916 erst 1960 ihre praktischen Früchte trug. Denn erst am 16. Mai 1960 gelang es dem amerikanischen Physiker Theodor Maiman einem Rubinkristall ein rotes Lichtbündel zu entlocken, der als erster Laserstrahl berühmt geworden ist.

Einsteins Idee der stimulierten Emission aus dem Jahre 1916 hat allein deshalb bis 1960 warten müssen, um als Laserlicht realisiert zu werden, weil auch Gelehrte Zeit brauchen, um schwierige Physik zu verstehen. Es dauerte, bis die damals neue Quantentheorie im Lehrbuch jedem Studenten zugänglich wurde. Überdies verzögerten die Weltkriege den Vorgang. Auch gab es ein echtes Problem mit Einsteins Idee, bei der angeregte Atome über die spontane Emission hinaus zur Lichtaussendung stimuliert werden können. Das Problem bestand darin, möglichst alle Atome aus ihrem Grundzustand in ihren angeregten Zustand zu bringen und dann dort auch festzuhalten, bis die Stimulation erfolgte. Wie das gehen könnte, ist erst Charles H. Townes um 1950 eingefallen, allerdings nur für ein System, das Mikrowellen aussendet.

Townes hat das Prinzip für den Maser – das M steht für Mikrowellen – eines Morgens beim Spaziergang in einem Park entdeckt. Der Physiker arbeitete mit Ammoniak, einem Molekül, das durch Schwingungen Mikrowellen produzieren kann. Der Forscher fand heraus, wie man das angeregte Ammoniak vom dem Molekül im Grundzustand trennen kann. Wenn dann die angeregten Ammoniak-Moleküle stimuliert würden, sollten sie in der Lage sein, einen engen und starken Mikrowellenstrahl zu produzieren – was sie auch taten. Townes sprach von der "Microwave Amplification by stimulated Emission of Radiation" – also von einem Maser. Danach konnte das Prinzip des Masers auch auf den optischen Bereich übertragen werden. Das heißt heute Laser und funktioniert etwa abends, wenn ich meine CDs höre und die Musik aus der Stille kommt. Einstein ist wahrlich ein prächtiges Licht aufgegangen.

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