Ultraschneller Tauchgang in die Atome

Attosekunden-Blitze erkunden den Quantenkosmos

Thorsten Naeser

• Publisher: Wiley-VCH
• Year: 2013
• ISBN:
  9783527659784
• Edition: 1
• Topic: Ciencias físicas
• Subtopic: Física atómica y molecular

Als es Wissenschaftlern an der Technischen Universität Wien im Jahr 2001 zum ersten Mal gelang, Lichtblitze zu produzieren, die nur noch Attosekunden dauern, bedeutete dies den Beginn einer neuen Disziplin in den Naturwissenschaften: Die Attosekundenphysik war geboren! Jetzt sollte es möglich sein,
Elektronen zu fotografieren und damit dem Mikrokosmos einige seiner am strengsten gehüteten Geheimnisse zu entreißen. Denn was im Inneren der Elektronenhülle von Atomen vor sich geht, war bis dahin experimentell nicht zu beobachten. Mit ultrakurzen Lichtblitzen, die nur wenige Milliardstel einer milliardstel Sekunde dauern, begann man einzutauchen in eine fremdartige, von der Quantenmechanik bestimmte Welt. Spektakuläre Bilder aus dem Inneren von Atomen entstanden. Erstmals konnte man beobachten wie sich Elektronen
– etwa nach einer Anregung durch Licht – bewegen. Die Attosekundenphysik ist eine junge Wissenschaft mit dem Potential, viele weiße Flecken auf der Landkarte des Mikrokosmos mit Farbe zu füllen.
Ultraschneller Tauchgang in die Atome erzählt die Geschichte der Attosekundenphysik. Aufbauend auf den Grundlagen der Quantenmechanik und Laserphysik erklärt das Buch, wie Elektronen fotografiert werden, und schildert – anschaulich für an Naturwissenschaften Interessierte – zahlreiche Erkenntnisse, die
uns die Attosekundenphysik bis heute eingebracht hat. Wohin wird der Weg der Erkundung dieser Quantenteilchen führen?

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Die Erforschung des Lichts – eine Reise durch die Zeit

»Ich bin ein Teil des Teils, der anfangs alles war,

ein Teil der Finsternis, die sich das Licht gebar,

das stolze Licht, das nun der Mutter Nacht

den alten Rang, den Raum ihr streitig macht.«

Mephistopheles zu Faust, Johann Wolfgang von Goethe.

Das Lebenselixier des blauen Planeten

Im Jahr 1953 gelang Harold Urey und Stanley Miller an der Universität Chicago ein bahnbrechendes Experiment. Die beiden Chemiker simulierten die Bedingungen, wie sie auf der Erde vor rund 4,5 Milliarden Jahren geherrscht haben müssen. Der Blaue Planet war gerade im Entstehen. Für heutige Verhältnisse herrschten damals unwirtliche Bedingungen. Es gab keinen Sauerstoff in der Atmosphäre, orkanartige Stürme trieben meterhohe Wellen über gewaltige Urozeane. In vielen Regionen tobten permanent heftige Gewitter.

Jene Urozeane und die dazugehörige Atmosphäre stellten Harold Urey und Stanley Miller in einem Glaskolbensystem in ihrem Labor nach. In einem Kolben erhitzten die Chemiker Wasser und Ammoniak. In einem zweiten mixten die Chemiker Methan, Wasserstoff und Kohlenstoffmonoxid zu einer künstlichen Atmosphäre zusammen. Diese setzten die Forscher über Elektroden heftigen »Gewittern« aus. Das Experiment war ein geschlossener Kreislauf. Durch die elektrischen Entladungen entstanden aus den Gasen wasserlösliche Verbindungen. Durch Kühlen kondensierten sie und wurden dann wieder in den »Urozean«-Glaskolben geleitet. Dazu setzten die beiden Chemiker die Glaskolben-Anordnung permanent ultravioletter Strahlung aus.

Nach einigen Tagen war es soweit und die Sensation perfekt. In dem Reagenzglas bildeten sich erste organische Verbindungen. Die beiden Forscher entdeckten einfache Moleküle, darunter Aminosäuren und Zucker, die als Bausteine des Lebens gelten.

Neben vielen bahnbrechenden Erkenntnissen bewiesen die Experimente einmal mehr: Leben auf der Erde ist ohne Licht kaum vorstellbar. Die Strahlung der Sonne ist das Lebenselixier des blauen Planeten. Alle Energie, die wir Menschen verbrauchen, stammt letztendlich aus dem Sonnenlicht. Ob wir uns ernähren, Erdöl verbrennen oder Wasser- und Windkraft in Strom umwandeln – immer ist irgendwo die Sonne mit im Spiel. Licht ist pure Energie. Sie steht der Erde seit ihrer Entstehung zur Verfügung. Dabei unterlag die Einstrahlung auf der Erde unregelmäßigen Schwankungen. Insgesamt jedoch hat die Menge der eingestrahlten Energie über die Jahrmilliarden zugenommen. Doch die Natur störte das nicht; sie reagierte auf die Veränderungen und wusste die Strahlungsmenge aus dem Universum immer für sich zu nutzen.

Zwar wurde die Frage nach den Mechanismen der Entstehung des Lebens durch das Experiment von Urey und Miller nicht vollständig geklärt. Aber bis heute gilt der Versuch als ein wichtiger Meilenstein für die Erforschung des Ursprungs des Lebens. Auch heute noch geht man davon aus, dass sich damals unter extremen Umweltbedingungen aus Atomen, wie Kohlenstoff und Wasserstoff gepaart mit Stickstoffverbindungen, komplexere Moleküle bildeten. Daraus entwickelten sich Kleinstlebewesen, zu denen die heute ältesten bekannten Lebensformen, die Archaebakterien, gehören. Über die Jahrmilliarden sind daraus immer variantenreichere Formen des Lebens entstanden.

Und der Ideenreichtum der Natur ist ungebrochen. Er reicht so weit, dass wir bis heute bei Weitem nicht alle Varianten der Evolution kennen. Immer wieder entdeckt man neue Lebensformen in den Tiefen der Ozeane, in den verborgensten Winkeln der Regenwälder oder den Eiswüsten des Planeten. Aber auch die gemäßigten Breiten des Globus haben sicher noch lange nicht all ihre Geheimnisse preisgegeben.

Als der Mensch das Feuer zähmte – Interview mit Wil Roebroeks

Abb. 2 Wil Roebroeks. Foto: privat.

Wann lernten die Menschen das Feuer und damit auch das Licht zu kontrollieren? Diese Frage ist nicht restlos geklärt. Die Meinungen der Archäologen gehen weit auseinander. Wil Roebroeks, Professor für Archäologie des Paläolithikums an der Universität Leiden, gibt Auskunft über die Erforschung der Beziehung zwischen Mensch und Feuer.

Wann haben die Menschen Ihrer Meinung nach zum ersten Mal den Umgang mit dem Feuer beherrscht?

Roebroeks: Diese Frage wird nach wie vor heftig diskutiert. Die Meinungen gehen auseinander. Sie variieren in dem Zeitraum zwischen 1,8 Millionen Jahren und etwa 300 000 bis 400 000 Jahren vor heute. Meine Kollegin Paola Villa und ich selber tendieren zu dem jüngsten Zeitraum. Wir nehmen an, dass die ersten Menschen von Afrika nach Europa wanderten, ohne dass sie das Feuer bereits kontrollierten.

Wie lernten die Menschen den Umgang mit dem Feuer?

Roebroeks: Das ist natürlich reine Spekulation, darüber etwas zu sagen, aber wir müssen durchaus in Erwägung ziehen, dass die Menschen gerade in vulkanisch geprägten Regionen oft mit dem Feuer konfrontiert waren und dort den Umgang mit ihm lernten. Das dürfte zum Beispiel im afrikanischen Rift Valley und im Afar-Dreieck der Fall gewesen sein. Studien auf Java haben auch gezeigt, dass tropische Waldbrände Lehrmeister für den Gebrauch von Feuer von Homo erectus gewesen sein könnten. Das Leben in feuerreichen Gebieten könnte den gelegentlichen Gebrauch von Feuer begünstigt haben, aber archäologisch nachweisbar ist das kaum.

Wie kann man den Gebrauch von Feuer nachweisen, wenn er mehrere 100 000 Jahre zurückliegt?

Roebroeks: Wir können den Gebrauch von Feuer vor mehr als 250 000 Jahren bei den Neandertalern an mehreren Hundert Feuerstellen nachweisen. Dort wird ersichtlich, dass sie zum Beispiel ihre Jagdbeute mit Hilfe von Feuer zubereiteten. Man findet immer wieder verbrannte Knochenstücke oder Holzkohle. Allerdings muss man bei solchen Funden aufpassen, dass man sie in den richtigen Kontext stellt, denn solche Überreste können auch durch natürliche Brände entstanden sein.

An einigen Stellen können wir aber auch zeigen, dass die Neandertaler mit Feuer Werkzeuge hergestellt haben. In einigen Fällen produzierten sie sogar Klebstoff, was ein komplizierter Prozess war, bei dem die Neandertaler sicher Kontrolle über das Feuer und die damit verbundene richtige Temperatureinstellung benötigten.

Wo liegen die ältesten von Menschen benutzten Feuerstellen in Europa?

Roebroeks: Mit zu den ältesten Feuerstellen in Europa gehört zum Beispiel »Beeches Pit« in Großbritannien. Dort gibt es Nachweise, dass vor 400 000 Jahren, im Mittleren Pleistozän, mit Feuer gearbeitet wurde.

Licht aus Korpuskeln

Es mag heute etwas seltsam anmuten, einen der größten Naturforscher des 17. Jahrhunderts als Philosophen zu bezeichnen. Doch zu einer Zeit, in der Theologie, Naturwissenschaft und Philosophie noch nicht durch klare Richtlinien getrennt waren, war es durchaus üblich, einen Gelehrten wie Isaac Newton als Philosophen zu bezeichnen. Und in der Tat: Neben harten Zahlen und Fakten finden sich in Newtons Werken nicht selten tief philosophische Gedankengänge.

Zeittafel 1 Im Zeitraffer: Vom Feuer bis zur himmlischen Kathedrale.

Vor 1,5 Millionen Jahren	Der Mensch lernt das Feuer kennen und allmählich für sich zu nutzen.
Rund 10 000 v. Chr.	Kienspäne dienen als Lichtquellen. Kienspäne sind harzreiche Holzstücke. Sie gelten als die ältesten bekannten Grubenbeleuchtungen in Mitteleuropa und wurden bis ins 19. Jahrhundert verwendet.
Ab 3000 v. Chr.	In Mesopotamien und Ägypten benutzen die Menschen Bronzespiegel. Die Spiegel dienten oft als Grabbeigaben.
5. Jhd. v. Chr.	Griechische Philosophen und Gelehrte schreiben ihre Naturbeobachtungen auf. Dabei spielen Licht und Optik eine wichtige Rolle. So schreibt zum Beispiel Euklid (360–280 v. Chr.) in seiner »Optika«, dass Licht in geraden Linien reist. Er beschreibt die Gesetze der Reflexion. Er glaubt, dass Licht aus den Augen austritt und Objekte beleuchtet.
5. Jhd. v. Chr.	Römer und Griechen nutzen einfache Linsen als Brenngläser.
Um 1000 n. Chr.	Der Mathematiker und Astronom Alhazen (965–1040) veröffentlicht sein Werk »Opticae Thesaurus«. Darin beschreibt er zahlreiche optische Experimente. Alhazen erkannte die Bedeutung der Linse im Auge und widerlegte die Sehstrahlen-Theorie von Euklid. Er erkannte über die Beobachtung des Mondes auch, dass Lichtbrechung in der Luft stattfinden muss.
11. und 12. Jhd n. Chr.	In Europa entstehen gotische Kathedralen. Das Licht spielt dabei eine zentrale Rolle. Die Gotteshäuser sind in Rubinrot, Saphirblau, Smaragdgrün oder Gold getaucht. Farbe bedeutet Sieg des Lichts über die Finsternis: Gott ist Licht. Zentrales Element der Kirchen ist die Fensterrose, die vorwiegend nach Westen ausgerichtet wird. Die untergehende Sonne bringt das Lichtrad zu seiner größten Strahlkraft.

Heute gilt Newton vor allem als Begründer der klassischen Mechanik. Der englische Adelige konnte sich aber auch große Meriten bei der Erforschung des Lichts auf die Fahnen schreiben. Im Jahr 1669 übernahm Newton den prestigereichen Lukasischen Lehrstuhl für Mathematik am Trinity College in Cambridge (England). Neben der Mathematik lehrte Newton dort aber auch Optik. Denn Newtons Interesse galt schon länger den Phänomenen rund um das Licht. Er hatte bereits seine Antrittsvorlesung über die Theorie der Farben gehalten. Das lag insofern nahe, als dass man damals davon ausging, dass der Kosmos nach strikten mathematischen Grundsätzen angelegt sei.

Im Jahr 1704 veröffentlichte Newton dann sein Hauptwerk über die Optik: »Opticks or a treatise of the reflections, refractions, inflections and colours of light«. Bereits 1666 hatte er weißes Licht mit Hilfe von Prismen in seine farbigen Bestandteile aufgespalten. Daraufhin stellt Newton seine »Korpuskeltheorie« auf. Er kommt zu dem Schluss, dass Licht aus unveränderlichen, atomähnlichen Lichtteilchen besteht. Der Eindruck von Farbe entsteht durch die unterschiedliche Größe der Korpuskel. Ebenso war Newton der Überzeugung, dass die Erwärmung von Gegenständen durch Licht, nicht nur durch bloße Druckwirkung zustande kommt, sondern es müsse zudem irgendeine Art von Bewegung vorhanden sein. Bei vielen seiner Zeitgenossen, stieß der große Naturforscher mit seinen Thesen auf erbitterten Widerstand. Man ging in der Regel davon aus, dass Licht nur aus Wellen besteht.

Ist die Lichtgeschwindigkeit endlich?

Ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts endlich oder unendlich? Diese Frage beschäftigte die Wissenschaft schon seit Jahrhunderten. Vor allem die Anhänger von Aristoteles plädierten dafür, dass die Lichtgeschwindigkeit unendlich groß sei.

Einen ersten schlagkräftigen Beweis für die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit, lieferte der dänische Astronom Ole Christensen Rømer (1644–1710). Als Beweis dienten ihm die Monde des Planeten Jupiter. Der italienische Mathematiker Giovanni Domenico Cassini hatte 1668 in Bologna aufgrund der Umlaufzeiten eine exakte Tabelle aufgestellt, wann sich die Jupitermonde verfinsterten. Je nachdem in welcher Entfernung die Erde zum Jupiter steht, verändert sich jedoch der Zeitpunkt, zu dem man die Verfinsterung von der Erde aus aufzeichnen kann. Je weiter die Erde vom Jupiter entfernt ist, desto später beobachtete man das Eintreten der Monde in den Jupiterschatten.

Aus dieser Tatsache schloss Ole Rømer, dass die Geschwindigkeit des Lichts endlich sein muss. In seinem Artikel »Démonstration touchant le mouvement de la lumière trouvé par M. Roemer de l’Académie des sciences« gab Rømer allerdings keine Geschwindigkeit an. Er schrieb lediglich, dass das Licht 22 Minuten benötigt, um einmalden Durchmesser der Erdbahn um die Sonne zurückzulegen (rund 300 Millionen Kilometer). Aus Rømers Beobachtungen wiederum errechnete der niederländische Astronom Christiaan Huygens im Jahr 1678 die Geschwindigkeit des Lichts mit 212 000 Kilometern pro Sekunde.

Elegante Lichtwellen

»Schließlich bleibt noch viel mehr über die Natur des Lichts zu erforschen übrig, als ich davon entdeckt zu haben glaube, und ich würde demjenigen zu grossem Danke verpflichtet sein, der meine hierhin mangelnden Erkenntnisse ergänzen könnte.«

Christiaan Huygens im Vorwort zu »Abhandlung über das Licht«.

Das Licht zu beherrschen ist seit vielen Jahrhunderten der Traum der Naturforscher. Wie man Licht mit Spiegeln umleitete, war schon mehrere Jahrtausende bekannt. Auch einfache Linsen waren schon lange in Gebrauch.

Doch erst richtig in Mode kamen Linsen und andere Optiken, wie etwa Fernrohre oder Mikroskope, zu Beginn des 17. Jahrhunderts. Man experimentierte viel, doch die Erfolge, das Licht zu kontrollieren, ließen erst einmal zu wünschen übrig.

Linsen und vor allem Teleskope waren auch die große Leidenschaft von Christiaan Huygens (1629–1695). Doch was der Niederländer durch seine gekauften Optiken beobachten konnte, stellte ihn nicht zufrieden. Die Abbildungsqualität war einfach zu schlecht. Huygens Ehrgeiz war geweckt, er ging das Problem neu an und beschäftigte sich erst einmal ausgiebig mit der Natur des Lichts. Danach machte er sich daran, neue Geräte zu entwickeln.

Um das Jahr 1650 bemerkte Huygens, dass man die Eigenschaften des Lichts erklären konnte, wenn man es analog zu Wellen im Wasser betrachtet. Daraufhin formulierte der Astronom das berühmte Huygenssche Prinzip, nach dem jeder Punkt auf einer sich vorwärts bewegenden Wellenfront selbst eine Quelle neuer Wellen ist. Aus diesem Prinzip entwickelte er die Wellentheorie des Lichts. Er schreibt in seiner »Abhandlung über das Lic...