Es sind drei besondere Eigenschaften des Lichts, die Albert Einsteins wissenschaftliches Werk und seinen Ruhm begründeten. Lange umstritten war seine im Jahr 1905 aufgestellte Hypothese der Lichtquanten, aus denen Licht grundsätzlich bestehen sollte, denn das widersprach der gesicherten Wellennatur des Lichts als elektromagnetische Strahlung. Damit zählt er zwar zu den Begründern der Quantentheorie, die er aber zeitlebens nicht als vollständige Naturbeschreibung akzeptierte. Zunächst erfolgreicher war seine ebenfalls 1905 veröffentlichte Annahme, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts unabhängig vom Bewegungszustand der Lichtquelle oder des Beobachters immer denselben Wert besitzen sollte. Das führte ihn zu seiner Relativitätstheorie mit einer völlig neuen Sicht auf Raum und Zeit. Die 1919 nachgewiesene Lichtablenkung im Gravitationsfeld der Sonne, die eine Bestätigung seiner allgemeinen Relativitätstheorie war, machte ihn auch in der nichtwissenschaftlichen Welt berühmt.
Die Erfindung des Lasers im Jahr 1960 hat in Hollywood und Washington die kühnsten Ideen beflügelt, z.B. die Laserschwertkämpfe in der Star-Wars-Saga des Produzenten und Regisseurs George Lucas (1977) bzw. die Strategische Verteidigungsinitiative des US-Präsidenten Ronald Reagan (1983), u.A. zur Raketenabwehr mittels Laserstrahlen aus dem Weltall.
Weniger martialisch und spektakulär, aber dafür umso bedeutender und produktiver, wird der Laser in zahlreichen Arbeitsfeldern der Industrie, Medizin und Forschung eingesetzt. Obwohl anfangs der Laser als eine Lösung auf der Suche nach einem Problem bezeichnet wurde, wird er heutzutage routinemäßig verwendet, um z.B. Tätowierungen zu entfernen oder Fehlsichtigkeiten zu korrigieren, um Metalle oder andere Materialien präzise schneiden und schweißen, oder um viele Daten in kurzer Zeit übertragen und speichern zu können. Mit einem Laserstrahl lassen sich beispielsweise aber auch Zellen fangen, Atome kühlen, oder sogar hochpräzise Uhren realisieren. Mit der Erfindung des Lasers wurde nicht nur der Grundstein für einen Multi-Milliarden-Markt gelegt, sondern es eröffnen sich immer wieder neue und faszinierende Perspektiven durch die kleinsten oder die größten, die stabilsten oder die stärksten Laser. Wie im Bereich der Lasertechnologien bahnbrechende Entwicklungen ihren Weg in die Anwendung gefunden haben oder wahrscheinlich noch finden werden, soll in dem Vortrag an ausgewählten Beispielen aufgezeigt werden.
Seit der Antike liefert uns Licht bzw. elektromagnetische Strahlung faszinierende Einblicke in die Entstehung und Entwicklung des Universums.So zeigten uns jüngst der Planck-Satellit mit der kosmischen Hintergrundstrahlung das Universum kurz nach dem Urknall, das Weltraumteleskop Hubble Sterne von ihrer Entstehung bis zu ihrem Ende und das Chandra-Röntgenteleskop heiße kollidierende Gaswolken. Auch auf der Erde kommen wir dem Urknall immer näher mit großen Beschleunigern, deren Licht uns die Untersuchung immer kleinerer Strukturen und die Erzeugung von Materiezuständen erlaubt, wie sie sonst nur kurz nach dem Urknall existiert haben. Das Licht ist also auch in Kosmologie und Teilchenphysik eines unserer wichtigsten Hilfsmittel, selbst wenn wir unsere Augen durch modernste Hilfsmittel unterstützen müssen. Hierüber berichtet dieser Vortrag auf multimediale Weise.
Licht besteht aus einzelnen Teilchen, sogenannten Photonen. Das hat Albert Einstein mit seiner Erklärung des photoelektrischen Effekts 1905 festgestellt und dafür den Nobelpreis für Physik erhalten. Eine 60W Glühlampe, oder heute besser eine 7W LED-Lampe, strahlt die ungeheuer große Zahl von etwa 10 000 000 000 000 000 000 bzw. 1019 dieser Photonen pro Sekunde ab. Kein Wunder, dass wir Licht sehr leicht nachweisen können, z.B. mit einer Fotokamera, mit Photovoltaik-Platten oder dem menschlichen Auge.
Aber kann man mit diesen Geräten auch einzelne Photonen nachweisen, was für viele wissenschaftliche Untersuchungen erforderlich ist? Leider nein; selbst das menschliche Auge benötigt nach langer Adaption im Dunklen gleichzeitig mehrere Photonen, um ein Lichtsignal wahrzunehmen. Es gibt aber schon lange sogenannte Photomultiplier-Röhren, mit denen man einzelne Photonen mit hoher Effizienz nachweisen kann. Seit einiger Zeit kommen halbleiterbasierte sogenannte „Avalanche-Photodioden“ oder „Silizium-Photomultiplier“ mit noch höherer Effizienz hinzu.
In dem Vortrag wird ein solcher Einzelphotonen-Detektor erklärt und live demonstriert. Im zweiten Teil des Vortrags wird erklärt, wie man mit diesen Detektoren Apparate für extrem schwache Lichtsignale baut. Dabei wird es um Experimente gehen, die Teilchen der ultrahochenergetischen Strahlung und Neutrinos von der Sonne nachweisen oder nach der mysteriösen dunklen Materie suchen. Ein weiteres Experiment untersucht mittels der Lichtsignale einzelner Photonen, wie sich Atome in extrem starken elektrischen und magnetischen Feldern verhalten. Auch in der medizinischen Bildgebung werden solche Einzelphotonen-Detektoren eingesetzt. Dort führt die höhere Empfindlichkeit moderner Photonendetektoren z.B. bei der Positronen-Emissions-Tomografie dazu, dass die Patienten einer geringeren radioaktiven Belastung ausgesetzt werden.
Wer kennt nicht die glitzernden Hologramme auf Kreditkarten und vielen Produkten? Wer hat nicht schon einmal die ausgefeilten Sicherheitshologramme des Personalausweises bewundert? Und spätestens seit „Star Wars“ ist die perfekte Illusion der dreidimensionalen „Wiederauferstehung“ einer Person vielen bekannt.
Die Faszination, mit Licht eine dreidimensionale Welt zu erschaffen, hält nun bereits seit fast sechzig Jahren an. Dabei hatte Dennis Gabor bei seiner Entwicklung der Holographie ganz anderes im Sinn: er wollte die Abbildung von Elektronenmikroskopen verbessern. Sein revolutionäres Verfahren wurde 1971 mit dem Nobelpreis geehrt. Damit hatte Gabor den Grundstein zu einem Verfahren gelegt, das heute nicht nur unseren Alltag bereichert und eine neue Kunstform geschaffen hat, sondern auch für die optische Technik von morgen von großer Bedeutung ist: die digitale Holographie, die holographische Datenspeicherung sowie neue technologische Entwicklungen wie die holographische Pinzette sind aktuelle Beispiele dafür.
Der Vortrag erklärt, wie die wirklichkeitsgetreue Abbildung von Gegenständen nach der Idee von Gabor möglich ist, lädt zum Ausprobieren der Wirkung von Hologrammen ein und zeigt eine Reihe von Beispielen für das breite Anwendungsfeld und das Potential der Holographie.
In diesem Vortrag wird die Entwicklung der von Röntgen so benannten X-Strahlen, die im deutschen Sprachraum Röntgenstrahlen genannt werden, aus dem Jahre 1895 bis hin zu modernsten Röntgenlasern an Hand von typischen Beispielen aus Wissenschaft und Alltag nachgezeichnet. Zu Beginn der Ära des Röntgenlichtes stand die Durchleuchtung des menschlichen Körpers im Zentrum des allgemeinen Interesses. Aber schon kurze Zeit nach der Entdeckung der Röntgenstrahlen wurden sie auch für die Forschung sehr bedeutsam, indem Wissenschaftler wie Max von Laue und Vater und Sohn Bragg ihre Beugung an geordneten Kristallen nachwiesen. Neben der somit eindeutigen Charakterisierung als elektromagnetische Wellen haben sie mit den Experimenten auch das heute immer aktueller werdende Gebiet der Röntgenstrukturanalyse eröffnet. Für die organische Chemie, die Strukturbiologie und die Materialforschung sind Röntgenstrahlen ein unentbehrliches Werkzeug geworden. Ebenso erfährt man aus der Röntgenspektroskopie die chemische Zusammensetzung von Materialien, was auf Mosley und Kai Siegbahn zurückgeht. Auch in der Astrophysik macht man sich mittels Röntgenteleskopen derzeit ein Bild von besonders energiereichen Objekten im Weltall.
Zusammen mit immer neuen wissenschaftlichen und praktischen Anwendungen wurden auch immer stärkere Lichtquellen für die Röntgenstrahlung entwickelt. Neben der klassischen Röhre von Wilhelm Conrad Röntgen, die quasi die Glühlampe der Röntgenwelt ist, haben seit den 50er Jahren insbesondere Synchrotron-Strahlungsquellen für ganz neue Erkenntnisse gesorgt. Die modernsten Synchrotrons in Europa, Japan, den USA und Deutschland haben millionenfach höhere Intensitäten als die Röntgenröhre, wenn auch nur für extrem kurze Zeitspannen. Die neueste Entwicklung sind sogenannte „Freie Elektronen-Laser“ im Röntgenbereich. Sie erzeugen noch kürzere Lichtimpulse als die Synchrotrons von nur wenigen millionstel einer milliardstel Sekunde, genannt Femtosekunde. Damit kann man extrem schnelle Prozesse untersuchen und dabei die Ordnung der beteiligten Materie erfahren. Pionier war hier eine Anlage in Hamburg. Die höchsten Photonenenergien mit diesen Freie Elektronen-Lasern von etwa 20 keV werden derzeit in Stanford in den USA und in Harima in Japan und ab dem nächsten Jahr in einer großen europäischen Anlage in Hamburg, dem X-FEL erzeugt.
