Korpuskeltheorie

Grundidee und heutige Einordnung

Die Korpuskeltheorie, auch Emissionstheorie oder ballistische Lichttheorie, beschreibt Licht als Strom kleinster Teilchen, der Korpuskeln. Nach ihr werden diese Teilchen von leuchtenden Körpern mit großer Geschwindigkeit geradlinig ausgesandt. Entscheidend ist ihre Vorhersage zur Geschwindigkeit: Bewegt sich die Lichtquelle, soll sich ihre Geschwindigkeit nach der Galilei-Transformation zur Emissionsgeschwindigkeit addieren. Die Lichtgeschwindigkeit wäre daher von der Geschwindigkeit der Quelle abhängig.

Die Theorie erklärte die geradlinige Ausbreitung und die Reflexion des Lichts. Für Farben nahm sie verschieden große Lichtteilchen an. Schwierigkeiten bereiteten aber Beugung, Brechung an Grenzflächen und teilweise Reflexion. Moderne Photonen sind zwar Lichtquanten mit Masse Null und Licht besitzt auch Teilcheneigenschaften. Das bedeutet jedoch nicht, dass die klassische Emissionstheorie gültig ist: Ihre grundlegende Vorhersage der quellenabhängigen Lichtgeschwindigkeit wurde vielfach widerlegt, und sie wurde nie vollständig ausgearbeitet.

Frühe Theorie und Ablösung durch das Wellenmodell

Isaac Newton und weitere Forscher vertraten Korpuskeltheorien. Newtons Modell setzte sich zunächst gegen die von Christiaan Huygens 1690 begründete Wellentheorie durch. Für die Brechung nahm die Korpuskeltheorie an, dass Lichtteilchen an der Grenze zweier unterschiedlich „dichter“ transparenter Stoffe verschieden stark angezogen werden und deshalb ihre Richtung plötzlich ändern. Daraus folgte die falsche Annahme, Licht müsse sich in einem optisch dichteren Medium schneller ausbreiten. Nach 1820 wurde gezeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit dort kleiner ist als etwa im Vakuum; der Ausdruck „optisch dichter“ blieb dennoch erhalten.

Thomas Young (1800), Augustin Jean Fresnel (1816) und James Clerk Maxwell (1864) überwanden Newtons Modell. Beugung, besonders der Poisson-Fleck, und Brechung ließen sich mit der Wellentheorie einfacher erklären; die Korpuskeltheorie benötigte dafür Hilfshypothesen. Auch die gleiche Lichtgeschwindigkeit verschiedener Farben sprach für das Wellenmodell. Als entscheidend galt Léon Foucaults Drehspiegelmessung von 1850: In Wasser war die Lichtgeschwindigkeit kleiner als in Luft, entgegen der Korpuskeltheorie.

Aus der Teilchenvorstellung folgerten John Michell (1783) und unabhängig Pierre-Simon Laplace (1796), dass es so massereiche Sterne geben könnte, dass Licht ihnen nicht entkommt: eine Frühform des Schwarzen Lochs. Johann Georg von Soldner berechnete 1801, veröffentlicht 1804, für die Ablenkung eines Lichtstrahls an der Sonne 0,84″. Dies ist nur im Rahmen der Newtonschen Gravitation korrekt. Die allgemeine Relativitätstheorie berücksichtigt die Raumzeitkrümmung und verdoppelt diesen Wert, wie Albert Einstein berechnete; diese Vorhersage wurde vielfach bestätigt.

Emissionstheorien im 20. Jahrhundert

Emissionstheorien nehmen gewöhnlich an, dass Licht sich mit Lichtgeschwindigkeit relativ zur Lichtquelle ausbreitet. Die stationäre Äthertheorie nahm dagegen eine konstante Ausbreitung relativ zum Äther an. In der Emissionstheorie sind daher nur Relativbewegungen von Quelle und Empfänger für Dopplereffekt und Aberration wichtig. Für den Dopplereffekt wird angegeben: f_E = f_Q(1 ± v/c).

Albert Einstein formulierte 1905 für den photoelektrischen Effekt die Lichtquantenhypothese: Licht sei ein Strom von „in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen, und nur als Ganze absorbiert und erzeugt werden können“. Vier Monate später begründete er die Spezielle Relativitätstheorie (SRT) mit dem Relativitätsprinzip und dem Postulat der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit. Vor 1905 hatte Einstein selbst eine Emissionstheorie erwogen, sie aber wegen ihrer Unverträglichkeit mit der Elektrodynamik verworfen.

Vorgeschlagen wurden mehrere Varianten: Walter Ritz (1908) ließ die ursprüngliche Quelle auch nach Reflexion maßgeblich bleiben; Richard C. Tolman (1910) betrachtete jeden reflektierenden Körper als neue Quelle; Stewart (1911) bezog sich auf die Geschwindigkeit des Spiegelbilds der ursprünglichen Quelle. Fox (1965) ergänzte Ritz und Tolman um Extinktion, also Absorption, Streuung und Emission im durchquerten Medium. Für sichtbares Licht in Luft setzte er eine Extinktionslänge von nur 0,2 cm an. Keine dieser Varianten war vollständig ausgearbeitet.

1909 folgerte Einstein aus dem Planckschen Gesetz der Wärmestrahlung, dass Strahlung zugleich Wellen- und Korpuskelcharakter haben müsse. Damit gilt er als Urheber des Welle-Teilchen-Dualismus. In den 1930er Jahren wurde die Quantenelektrodynamik entwickelt, die als eine der am besten bestätigten physikalischen Theorien gilt.

Messprinzip und Michelson-Morley-Experiment

Experimente prüfen die Quellenabhängigkeit meist mit c′ = c ± kv. Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit, v die Quellengeschwindigkeit, c′ die gemessene Geschwindigkeit und k das Maß der Quellenabhängigkeit. k = 0 bedeutet keine Abhängigkeit wie in der SRT; k = 1 bedeutet vollständige Abhängigkeit. Gemessen wird k ∼ 0.

Emissionstheorie und SRT sagen beide ein Nullresultat voraus, wenn Quelle und Empfänger im selben Inertialsystem ruhen. Deshalb ist das negative Ergebnis des Michelson-Morley-Experiments mit einer stationären Lichtquelle auch mit Emissionstheorien vereinbar. Bei einem Interferometer mit Armlänge D = ct beträgt die Laufzeit für Hin- und Rückweg in beiden Richtungen T = 2D/c.

Nach Galilei-Transformation hat das Licht im längs gerichteten Arm die Geschwindigkeiten c + v und c − v. Dennoch ergibt sich T = (D + vt)/(c + v) + (D − vt)/(c − v) = 2D/c. Auch quer zur Bewegung folgt mit dem Satz des Pythagoras T = 2√((D² + (vt)²)/(c² + v²)) = 2D/c. Nach der Emissionstheorie bleibt die Laufzeit somit in allen Inertialsystemen gleich. Nach Tolman würde beim Ritz-Modell mit Sonnen- oder Sternenlicht jedoch ein positives Ergebnis erwartet.

Astronomische und terrestrische Widerlegungen

Bei Doppelsternen müsste eine einfache Emissionstheorie die beobachteten Umlaufbahnen verzerren: Je nach Bewegungsrichtung würden Lichtsignale mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten ausgesandt, sodass die Sterne scheinbar nicht mehr den Keplerschen Gesetzen folgen. Daniel Frost Comstock (1910) und besonders Willem de Sitter (1913) fanden keine solche Verzerrung und erhielten k < 2·10⁻³. Das Extinktionsmodell von Fox könnte diesen Einwand durch Wechselwirkung mit praktisch relativ zur Erde ruhendem interstellarem Staub umgehen. Brecher untersuchte 1977 jedoch Röntgenstrahlung von Doppelsternen, die kaum mit Staub wechselwirkt, und fand ebenfalls keine Verzerrungen: k < 2·10⁻⁹.

Hans Thirring wies 1924 zudem darauf hin, dass ein von einem sich thermisch bewegenden Sonnenatom ausgesandter Wellenzug nach der ballistischen Hypothese stark verzerrt würde. Die Existenz eines sichtbaren Sonnenspektrums mit scharfen Spektrallinien widerspricht deshalb der konsequenten ballistischen Hypothese.

Terrestrische Flugzeitmessungen mit Gammastrahlen ergaben ebenfalls keine Quellenabhängigkeit: Sadeh (1963) verglich entgegengesetzt laufende Gammastrahlen aus Positron-Annihilation, Alväger et al. (1963) Gammastrahlen ruhender und bewegter Quellen. Filippas und Fox (1964) berücksichtigten Extinktion besonders und verwendeten Gammastrahlen aus dem Zerfall von π⁰-Mesonen; auch dies änderte das Ergebnis nicht. Alväger et al. (1964) untersuchten π⁰-Mesonen mit 99,9 % der Lichtgeschwindigkeit und erhielten k = (−3 ± 13)·10⁻⁵. Messungen mit Neutrinos aus zerfallenden, annähernd lichtschnellen Mesonen vermeiden Extinktion praktisch vollständig; terrestrisch gilt k ≤ 10⁻⁶.

Interferometrie und weitere Befunde

Emissionstheorien widersprechen dem Sagnac-Effekt. Bei einem rotierenden Interferometer ist der Weg für einen Strahl länger und für den anderen kürzer. Dies setzt voraus, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht von der Quellengeschwindigkeit abhängt; der Effekt tritt auch im Vakuum auf und kann daher nicht durch Extinktion erklärt werden.

Albert A. Michelson (1913) und Quirino Majorana (1918/9) fanden mit bewegten Quellen und Spiegeln in Luft keine Quellenabhängigkeit. Beckmann und Mandics (1965) schlossen im Hochvakuum k kleiner als 0,09 aus. Babcock et al. (1964) brachten rotierende Glasplatten in ein statisches Vakuum-Interferometer. Eine Addition von Platten- und Lichtgeschwindigkeit hätte Interferenzstreifen verschieben müssen, doch das Ergebnis war negativ. Nur Ritz’ ursprüngliche Variante wäre damit vereinbar, sie besitzt aber keine Extinktion und widerspricht daher anderen Versuchen.

Auch Zeitdilatation, etwa in Ives-Stilwell-Experimenten oder bei bewegten Teilchen, widerlegt die absolute Zeit und Galilei-Transformation der Emissionstheorien und bestätigt die Lorentz-Transformation. Tests der relativistischen Energie-Impuls-Beziehung widersprechen außerdem der galileischen Geschwindigkeitsaddition und der Newtonschen Impulsbeziehung. Maxwellsche Elektrodynamik, SRT und die daraus weiterentwickelte Quantenelektrodynamik bestätigen dagegen mit hoher Präzision die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Quelle.