Das Flüstern der Photonen - wissenschaft.de
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Das Flüstern der Photonen

Licht verrät alle Geheimnisse der Welt: Vom Glühwürmchen bis zum Urknall: Photonen erhellen zugleich die Natur des Mikro- und des Makrokosmos. Sie übertragen Energie und Informationen – und sie machen Leben erst möglich.

Einer der bekanntesten Sätze der Bibel steht gleich zu Beginn, im Schöpfungsbericht. Da wird die Erschaffung des ersten Tages geschildert. „Und Gott sprach: Es werde Licht! Und es ward Licht.“

Die Kosmologen wissen inzwischen: Nach dem Urknall mußten 300000 Jahre verge-hen, bis das Licht die Fesseln der Materie abstreifen konnte. Erst dann war die Temperatur des Universums so weit gesunken, daß die Atomkerne die bislang ungebändigten Elektronen an die Leine legten. Jetzt wurde das Weltall durchsichtig – und das Licht konnte ungehindert durch den jungen Kosmos rasen.

Bis heute durchflutet das schwache Nachglimmen des Feuerballstadiums den Raum: Als „kosmische Hintergrundstrahlung“ flüstern die von Albert Einstein „Photonen“ getauften, masselosen Lichtteilchen den Astrophysikern Geschichten von der Entstehung des Universums zu – als Echo vom Urknall. Auch über die Geburt des ersten Lichts vor vielleicht 15 Milliarden Jahren wissen die Forscher inzwischen Bescheid. Es entstand durch die Hitze des Urknalls und die Zerstrahlung von Materie und Antimaterie in den ersten Sekunden des Kosmos. Sogar die Zahl der Photonen im beobachtbaren Universum läßt sich abschätzen: rund 1089 – eine milliardemal mehr als die Anzahl der Atome.

Noch immer wird Licht neu geboren: durch Kernverschmelzung bei 10 bis 150 Millionen Grad im Inneren der Sterne. Von dort kann es aber nicht geradlinig herausfliegen, sondern wird – wie im jungen Universum – von wirbelnden Elektronen und Atomkernen ständig abgelenkt. So muß es sich in einem Jahrhunderttausende währenden Zickzackkurs den Weg zum Weltraum erkämpfen. Von der Oberfläche unserer Sonne benötigt das Licht bis zur Erde nur noch gut acht Minuten. Beim Sonnenbaden prasseln dann pro Sekunde zehn Billiarden Photonen auf jeden Quadratzentimeter Haut.

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Andere Teilchen des Sonnenwindes, hauptsächlich Elektronen und Protonen, sind 20 bis 50 Stunden unterwegs. Das irdische Magnetfeld schirmt sie zwar weitgehend ab – aber mitunter prallen doch einige auf die Atmosphäre. Dann sorgen sie – vor allem in hohen nördlichen und südlichen Breiten – für furiose Polarlichter. Deren blaue und violette Farben entstehen durch Anregung von Stickstoff-Atomen in der Luft, Grün stammt vom Sauerstoff. Auch bei den Planeten Jupiter und Saturn sind Polarlichter beobachtet worden.

Ohne Sonnenlicht könnten wir nicht existieren. Fast alles Leben auf der Erde hängt direkt oder indirekt davon ab. „Leben ist mittels des Lichts aus der Luft gewebt“, brachte das der Physiologe Jacob Moleshitt im 19. Jahrhundert poetisch zum Ausdruck. Dabei dachte er an die Photosynthese, bei der Sonnenenergie zum Aufbau energiereicher Kohlenhydrate verwendet wird. Pflanzen, Algen und manche Bakterien nähren sich buchstäblich von Sonnenlicht, das sie mit Hilfe lichtempfindlicher Antennenmoleküle einfangen: Sie sind Lichtfresser.

Doch Licht überträgt nicht nur Energie, es ist auch Informationsquelle. So berichtet es beispielsweise von der Materie, der es entspringt. Jedes chemische Element hinterläßt im Spektrum des abgestrahlten Lichts einen charakteristischen Fingerabdruck.

Längst hat sich die Spektralanalyse als wichtige Methode zur Identifikation und Untersuchung von Atomen und Molekülen etabliert. Dunkelgelbe Flammenfärbung weist zum Beispiel auf Natrium-Atome hin – etwa, wenn ein paar Kochsalz-Körnchen (Natriumchlorid) in die Flamme des Gasherds fallen.

Licht entsteht indes nicht nur durch das Verglühen von Materie bei hohen Temperaturen. Die Natur bringt auch kühlere Leuchterscheinungen zustande. Zum Beispiel die Fluoreszenz: Manche Atome oder Moleküle verschlucken Energie, werden dadurch in einen angeregten Zustand versetzt und geben diese Energie binnen einer Millionstelsekunde als Licht wieder ab. Auf diesem Prinzip basieren beispielsweise Fernsehbildschirme und Leuchtstoffröhren. Chemische Zusätze in Waschmitteln fluoreszieren im Ultraviolett des Tageslichts bläulich; dieses Blau addiert sich zum Gelb von Kalkresten und ergibt „strahlendes Weiß“.

Phosphoreszenz hingegen entsteht, wenn die Elektronen von Stoffen wie kupferdotiertem Zinksulfid durch Licht in einen dauerhaften höherenergetischen Zustand gebracht werden. Solche „Licht-Akkus“ können je nach Stoff und Temperatur viele Minuten bis Wochen lang Licht freisetzen. Sie sind zum Beispiel auf Zifferblättern von Uhren zu finden, neuerdings auch in Leuchtstäben ohne Batterien.

Immer noch rätselhaft ist die Lichterscheinung namens Sonolumineszenz. Sie läßt sich durch hochfrequente, gebündelte Schallwellen in Flüssigkeiten erzeugen. Erstaunlicherweise tritt dieses Licht in Blitzen auf, die millionenfach kürzer sind, als es aufgrund der Schallstruktur zu erwarten wäre.

Auch Lebewesen können auf kaltem Weg Licht erzeugen – ein Vorgang, der als Biolumineszenz bekannt ist. Er erfordert Energie und die katalytische Aktivität spezieller Enzyme, der Luciferasen. Sie oxidieren bestimmte Kohlenstoff-Verbindungen, die Luciferine, wobei ein bläuliches oder grünes Leuchten entsteht. Manche Insekten und Fische besitzen eigene Lichtzellen, die oft noch mit reflektierenden Kristallen ausgekleidet sind. Aus diesen Zellen scheint das Bioleuchten durch die Haut der Tiere. So können sie miteinander kommunizieren oder nahrhafte Tiere anlocken.

Krebse und Tintenfische in der Tiefsee speichern ihre Luciferine und Luciferasen in getrennten Drüsen unter der Haut. Bei Gefahr öffnen sie die Drüsen und stoßen leuchtende Wolken ins Wasser aus, die Freßfeinde verwirren.

Zahlreiche Würmer, Seesterne, Hohl- und Weichtiere sowie manche Fische sind eine Symbiose mit Bakterien eingegangen, die ihnen die Lichtarbeit abnehmen. Einige Leuchtbakterien wie Vibrio balticum und Bacterium phosphorescens leben allein im Wasser und erzeugen zu bestimmten Zeiten das roman-tische Meeresleuchten. Andere gedeihen auf totem Fleisch oder verrottendem Holz und bringen es zu gespenstischem Schimmern.

Der Mensch hat gelernt, sich die Biolumineszenz als Informationsquelle nutzbar zu machen. In Bakterien eingeschleuste, mit speziellen „Wahrnehmungsmolekülen“ gekoppelte Luciferase-Gene lassen sich als biologische Meßgeräte verwenden: Sie können etwa Umweltgifte in Gewässern melden.

Auch in der Natur hat die Biolumineszenz häufig Signalfunktion. Beispielsweise steht sie im Dienst der Partnerfindung. So funkeln Leuchtkäfer in warmen Juninächten im Liebesrausch: Die männlichen Insekten tanzen durch die Lüfte, während die als Glüh- oder Johanniswürmchen bekannten Weibchen erwartungsvoll im Gras hocken und mit leuchtendem Hinterteil zurückflirten.

Für manche Männchen der Gattung Photinus endet der Liebestanz allerdings tödlich. Denn Weibchen der Leuchtkäfer-Gattung Photuris imitieren die Flirtsignale der Photinus-Damen – und haben die hinters Licht geführten Photinus-Männchen zum Fressen gern.

Rüdiger Vaas

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