Nicht so schnell, Licht!

Photonen sind ziemlich schnell. Als masselose Elementarteilchen müssen sie sich immer mit Lichtgeschwindigkeit fortpflanzen. Das ist eine Konsequenz der Relativitätstheorie, die sich immer wieder experimentell bewährt. Andererseits bewegt sich Licht bekanntlich in Luft und Festkörpern langsamer als im Vakuum. Das ist das Prinzip von Linse, Prisma und allen anderen optischen Geräten, die in Durchsicht betrieben werden. In diesem Artikel möchte ich Ihnen die langsame Geschwindigkeit von Licht in Medien erklären. Die Photonen werden nicht langsamer, sie wechselwirken nur mit Masse-behafteter Materie.

Links im Bild habe ich die Wellengleichungen einmal hingeschrieben, wobei das ε0 schon durch ε, das μ0 durch μ ersetzt wurde. Wenn Sie sich mit Differentialgleichungen, insbesondere mit der Wellengleichung, etwas auskennen, können Sie die Gleichung leicht nachvollziehen, wenn nicht, müssen Sie mir glauben: Es kommt heraus, dass das elektromagnetische Feld eine Welle bildet, die sich mit einer Geschwindigkeit fortpflanzt, die um so geringer ist, je stärker das Vakuum-Feld durch die atomare Polarisation verstärkt wird.

Die Analyse dieser Gleichungen zeigt also, dass Materie das Licht nicht abbremst, indem es das Fortkommen der Photonen behindert, sondern indem sie die gegenseitige Induktion von elektrischem und magnetischem Feld beeinflusst. Schwingt die Polarisation der Materie mit dem elektrischen Feld mit, so wird die Geschwindigkeit der Welle verringert. Schwingt die Polarisation gegen das Feld, so ist die die Welle sogar schneller als Licht im Vakuum3. Letzteres ist für Wellen der Fall, deren Frequenz höher ist als die Resonanzfrequenz. Für Röntgenstrahlung ist das die Regel.

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