Optische Physik und Astronomie: Von Galilei bis Newton

Optische Physik und die Entwicklung der wissenschaftlichen Methoden

Die Optik wurde von Galileo Galilei maßgeblich geprägt. Demokrit und Leukipp vertraten die Auffassung, dass das Sehen durch Atome erfolgt, die von Objekten ausgehen. Pythagoreer glaubten hingegen, dass die Augen einen Feuerstrahl aussenden, der Gegenstände erfasst.

Licht als Welle und Teilchen

Newton formulierte 1671 eine Korpuskulartheorie des Lichts, die Reflexion und Brechung erklärte. Huygens vertrat 1678 die Wellentheorie des Lichts und erklärte damit Beugung und Doppelbrechung. Young wies die Interferenz des Lichts nach, und Fresnel erklärte die Beugung von Lichtwellen.

Reflexion und Brechung

Trifft ein Lichtstrahl auf eine Grenzfläche, gilt das Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Reflexionswinkel. Beim Übergang in ein anderes Medium wird der Strahl nach dem Snelliusschen Brechungsgesetz gebrochen. Ab dem Grenzwinkel tritt die Totalreflexion auf.

Dispersion und Spektrum

Weißes Licht lässt sich durch Dispersion in seine Farben zerlegen. Monochromatisches Licht besteht aus einer einzigen Wellenlänge, polychromatisches Licht aus mehreren.

Interferenz, Beugung und Polarisation

Bei der Interferenz überlagern sich Wellen und erzeugen helle und dunkle Streifen. Beugung tritt auf, wenn Wellen auf Hindernisse treffen, deren Abmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge liegen. Nach dem Huygensschen Prinzip verhält sich jeder Punkt einer Wellenfront wie eine neue Elementarwelle. Bei der Polarisation schwingen die elektrischen und magnetischen Felder in einer bevorzugten Richtung. Man unterscheidet linear, zirkular und elliptisch polarisiertes Licht.

Photoelektrischer Effekt

1905 erklärte Einstein den photoelektrischen Effekt: Licht trifft auf eine Metallplatte und löst Elektronen aus. Damit wurde der Teilchencharakter des Lichts bestätigt.

Optische Instrumente

Das Mikroskop besteht aus zwei konvergenten Linsen (Objektiv und Okular) und erzeugt ein vergrößertes, umgekehrtes virtuelles Bild. Die Kamera nutzt Blende, Verschlusszeit und Objektiv, um ein scharfes Bild auf dem Sensor zu erzeugen. Das Auge besitzt eine Linse, deren Krümmung sich durch Akkommodation verändert.

Sehfehler

Bei Weitsichtigkeit (Hyperopie), Kurzsichtigkeit (Myopie), Presbyopie und Astigmatismus werden Brillengläser oder Kontaktlinsen eingesetzt, um das Bild korrekt auf der Netzhaut zu fokussieren.

Das geozentrische Weltbild des Aristoteles und Ptolemäus

Nach dem aristotelischen Modell war das Universum geozentrisch aufgebaut und in sphärische Regionen gegliedert: Erde, Wasser, Luft und Feuer unterhalb des Mondes sowie der ätherische Himmel mit dem fünften Element, der Quintessenz. Die Himmelsbewegungen galten als perfekt und kreisförmig.

Ptolemäus erklärte die scheinbare Rückwärtsbewegung der Planeten mit Epizykeln, also kreisförmigen Bahnen auf größeren Kreisbahnen. Trotz wachsender Komplexität blieb das Modell für Jahrhunderte bestimmend.

Kopernikus, Galilei und Kepler

Kopernikus stellte die Sonne ins Zentrum des Universums und erklärte damit die Bewegung der Planeten einfacher. Galileo Galilei beobachtete mit seinem Teleskop die Phasen der Venus, die Jupitermonde und Sonnenflecken. Er verteidigte das kopernikanische System und geriet dadurch in Konflikt mit der Kirche. 1632 veröffentlichte er seinen Dialog über das Weltsystem.

Die Keplerschen Gesetze

1. 1. Gesetz: Die Planeten bewegen sich auf elliptischen Bahnen, in deren einem Brennpunkt die Sonne steht (Perihel, Aphel).
2. 2. Gesetz: Der Radiusvektor von der Sonne zum Planeten überstreicht in gleichen Zeiten gleiche Flächen.
3. 3. Gesetz: Die Quadrate der Umlaufzeiten verhalten sich wie die Kuben der großen Halbachsen.

Newton und das Gravitationsgesetz

Isaac Newton, Schüler und später Professor an der Universität Cambridge, formulierte das Gravitationsgesetz: Zwei Körper ziehen sich mit einer Kraft an, die proportional zum Produkt ihrer Massen und umgekehrt proportional zum Quadrat ihres Abstands ist. Damit ließen sich Gezeiten, Planetenbahnen und die Abplattung der Erde erklären.

Gravitationsfeld und Potenzial

Die Feldstärke gibt die Kraft pro Masse an einem Punkt an. Gravitationskräfte sind konservativ, das heißt, die verrichtete Arbeit hängt nur vom Anfangs- und Endpunkt ab. Das Gravitationspotenzial beschreibt die potenzielle Energie pro Masseneinheit. Es gilt der Energieerhaltungssatz: Die Summe aus kinetischer und potenzieller Energie bleibt konstant.

Bahnen und Fluchtgeschwindigkeit

Je nach Gesamtenergie E bewegt sich ein Körper auf einer Kreisbahn (E<0, betragsmäßig gleich der halben potenziellen Energie), einer Ellipse (E<0, weniger kreisförmig), einer Parabel (E=0) oder einer Hyperbel (E>0). Die Fluchtgeschwindigkeit ist die Mindestgeschwindigkeit, mit der ein Körper dem Gravitationsfeld der Erde entkommt. Für einen Satelliten ist die Zentripetalkraft gleich der Gravitationskraft, wodurch er auf seiner Umlaufbahn gehalten wird.