Auf die Idee, Licht und Wärme als dasselbe physikalische Phänomen anzusehen, waren die Naturforscher lange nicht gekommen. Erst Ende des 18. Jahrhunderts ersann der deutsch-britische Astronom Friedrich Wilhelm Herschel die entscheidenden Experimente. So kam er dem Infrarot auf die Spur.

AUF EINEN BLICK

Die Vermessung des Unsichtbaren

1. Licht und Wärmestrahlung sind nicht dasselbe Phänomen - zumindest ist das unsere Alltagserfahrung. Wir nehmen beide Strahlungsarten mit unterschiedlichen Sinnen wahr; zudem treten sie nicht immer gemeinsam auf.

2. Erst Friedrich Wilhelm Herschel (1738-1822) vermutete, dass Wärme aus »unsichtbarem Licht« bestehen könnte. Zur Prüfung dieser Hypothese entwickelte er Experimente weiter, die einst Isaac Newton ersonnen hatte.

3. Letztlich zog der deutsch-britische Astronom aus seinen Daten zwar die falschen Schlüsse. Dennoch erreichte er weit mehr, als »nur« die Infrarotstrahlung zu entdecken.

Friedrich Wilhelm Herschel hat die Infrarotstrahlung entdeckt - so steht es in den meisten Nachschlagewerken und Lehrbüchern der Physik. Doch das ist streng genommen nicht korrekt. Vor allem trivialisiert es die wirkliche Leistung des großen Astronomen. Diese ging über den Nachweis einer unsichtbaren Strahlung hinaus, denn Herschel fand mit seinen Experimenten auch die ersten belastbaren Hinweise darauf, dass Licht und infrarote Strahlung ein und dasselbe Phänomen sind - elektromagnetische Strahlung, wie wir heute wissen.

Das elektromagnetische Spektrum reicht von den Gammastrahlen, deren Wellenlängen kleiner sind als der Durchmesser von Atomen, bis hin zu Tausende von Kilometern langen Radiowellen. Von diesem gewaltigen Bereich kann das menschliche Auge nur einen winzigen Ausschnitt wahrnehmen, den Wellenlängenbereich von 0,4 bis 0,7 Mikrometern. Er hat sein Zentrum etwa dort, wo das Strahlungsspektrum der Sonne den höchsten Wert annimmt, die Sonne also ihre größte Leistung abstrahlt. Unsere Haut fühlt darüber hinaus noch einen zweiten Ausschnitt des Spektrums, die Wärmeoder Infrarotstrahlung. Deren Wellenlängen schließen an die längeren des optischen Lichts an und reichen bis zu einem Millimeter.

Zwei gewichtige Indizien aus unserer Alltagserfahrung sprechen allerdings dagegen, dass es sich bei Licht und Wärmestrahlung um dasselbe Phänomen handelt. Erstens empfangen wir die beiden Strahlungsarten mit unterschiedlichen Sinnen. Zweitens treten Licht und Infrarotstrahlung nicht immer gemeinsam auf: Die meisten Lichtquellen senden zwar auch Wärmestrahlung aus, aber nicht alle Wärmequellen leuchten. Ein vertrautes Beispiel ist ein elektrischer Grill, der zwar heiß ist, aber nicht heiß genug, um sichtbar zu glühen. Diese Unterschiede sind vermutlich der Grund dafür, dass Naturforscher trotz vieler Experimente jahrhundertelang keinen Zusammenhang zwischen Licht und Wärmestrahlung hergestellt haben.

Das gelang erst dem 1738 geborenen Friedrich Wilhelm - oder englisch: William - Herschel. Nachdem er 1757 vor französischen Truppen aus Hannover nach England geflohen war, arbeitete Herschel dort zunächst als Musiker, später aber als Astronom. Ab Mitte der 1770er Jahre konzentrierte er sich auf den Teleskopbau. Sein Interesse an der »strahlenden Wärme« erwachte durch seine Suche nach geeigneten Filtern für eine sichere Beobachtung der Sonne. Die aufschlussreichsten Informationen über Herschels Versuche finden sich in seinen Originalarbeiten. Er scheint viele Anmerkungen und Daten direkt aus den Laboraufzeichnungen in seine Publikationen übernommen zu haben, weshalb sie noch heute frisch und authentisch wirken. Nachdem er mit verschiedenen Kombinationen aus gefärbten und geschwärzten Gläsern experimentiert hatte, schrieb er in einer 1794 bei der britischen Royal Society eingereichten Arbeit über seine Erkenntnisse:

»Bemerkenswert erschien, dass ich Wärme empfand, aber wenig Licht hatte, wenn ich einige davon benutzte. Andere dagegen gaben mir viel Licht, aber kaum eine Wärmeempfindung.«

Diese Beobachtung führte Herschel zu dem Gedanken, dass »die Fähigkeit, Körper zu erwärmen, sehr unterschiedlich verteilt ist« unter den verschiedenen Farben. Und wenn sich ihr Vermögen unterscheidet, Körper zu erwärmen, so Herschel weiter, dann vielleicht auch ihr Vermögen, Körper zu beleuchten. Er vermutete, dass es eine bestimmte Farbe gäbe, bei der man am besten sehen könne - und eine andere Farbe, die maximal wärmt. Diese beiden Farben würden ihm helfen, einen optimalen Filter für die Sonnenbeobachtung zu finden.

Um seine Hypothesen zu überprüfen, baute Herschel ein Instrument, mit dem er die Stärke von Strahlung bei verschiedenen Wellenlängen messen konnte. Dessen drei Komponenten waren ein Prisma, durch welches das aus einem Südfenster einfallende Licht in seine Farben zerlegt wurde und auf den Messtisch fiel; ein Stück Karton mit einem Schlitz, der jeweils nur Licht einer Farbe hindurchließ; und Quecksilberthermometer, deren Kolben geschwärzt waren, damit sie die Strahlung besser absorbierten. Im Jahr 1800 waren Thermometer allerdings noch keine alltäglichen Gegenstände. Herschel besaß nur ein einziges und musste sich zwei weitere von einem Kollegen ausleihen. Eines davon platzierte er im Licht, die zwei anderen als Kontrollinstrumente abseits im Dunkeln. Denn er wusste, dass es »Ursachen gibt, die verschieden wirken« und die Gleichgewichtstemperatur der Thermometer beeinflussen; heute würden wir sagen: Wärmeleitung und Konvektion. Durch die Vergleichsmessungen wollte er diese Ursachen ausschalten und quantitativ die Erwärmung allein durch die Strahlung erfassen.

An einem sonnigen Tag führte Herschel schließlich seine Messungen durch. Es war kühl im Raum - das Vergleichsthermometer zeigte eine Temperatur von 43,5 Grad Fahrenheit, das sind 6,4 Grad Celsius. Der Forscher ging systematisch vor und platzierte das Messthermometer nacheinander in allen Farbbändern. Vor jeder Ablesung wartete er zehn Minuten ab, damit sich ein Gleichgewicht einstellen konnte. Rotes Licht lieferte durchschnittlich zusätzliche 3,8 Grad Celsius, Grün 1,8 und Violett 1,1. Herschel sah seine Hypothese bestätigt:

»Damit ist bewiesen, dass die Fähigkeit der prismatischen Farben zur Erwärmung weit davon entfernt ist, gleichmäßig verteilt zu sein, und die roten Strahlen sind in dieser Hinsicht besonders bedeutend.«

Herschel hätte zufrieden sein können, doch seine Neugier war geweckt
Als Nächstes wollte Herschel herausfinden, bei welcher Farbe die Beleuchtungsstärke maximal ist. Durch ein Mikroskop mit 27-facher Vergrößerung betrachtete er dazu eine Vielzahl kleiner Objekte. Anhand der Helligkeit und Klarheit des wahrgenommenen Bildes beurteilte er dann die herrschende Bestrahlungs- oder Beleuchtungsstärke (illumination oder illuminating power) und auch die Auflösung, die er Unterscheidbarkeit (distinctness) nannte. Hinsichtlich Letzterer kam er zu keinem endgültigen Schluss, wohl aber hinsichtlich der Bestrahlungsstärke:

»Das Maximum der Beleuchtung liegt im kräftigsten Gelb oder schwächsten Grün. Das Grün selbst ist nahezu ebenso hell wie Gelb, aber vom vollen tiefen Grün aus fällt die Stärke der Beleuchtung sehr merklich ab.«

Gelbgrün liegt nahe bei der Wellenlänge, bei der die Bestrahlungsstärke der Sonne ihr Maximum besitzt, und ist zugleich genau derjenige Ausschnitt des Spektrums, in dem die Empfindlichkeit des menschlichen Auges am größten ist. Herschel hätte sich mit diesen Ergebnissen zufriedengeben und einen optimalen Sonnenfilter entwickeln können. Doch seine Neugier war geweckt. Zwar hatte er seine Hypothese bestätigt, dass die Erwärmung von der Farbe abhängt. Aber anders als von ihm erwartet, stieß er nicht auf ein Maximum, sondern auf einen Trend: Die Temperaturen stiegen vom blauen zum roten Ende des Spektrums immer weiter an. Es drängte Herschel, diesen Trend weiterzuverfolgen. Konnte es sein, dass das Maximum außerhalb des sichtbaren Bereichs lag? Dann müsste die Erwärmung eine andere Ursache haben als das Licht. Herschel verwendete den Ausdruck »unsichtbares Licht«, wobei ihm dieser Widerspruch in sich durchaus bewusst war:

»Außerdem komme ich zu dem Schluss, dass das volle Rot noch nicht das Maximum der Wärme ist. Dieses liegt möglicherweise sogar ein wenig jenseits der sichtbaren Lichtbrechung. In diesem Fall bestünde die strahlende Wärme zumindest teilweise, wenn nicht sogar hauptsächlich aus, wenn mir der Ausdruck erlaubt ist, unsichtbarem Licht. Das bedeutet, aus Strahlen, die von der Sonne kommen, aber einen Impuls besitzen, der sie für das Sehvermögen ungeeignet macht.«

Der Begriff des Impulses ist dabei kein Vorgriff auf die Quantenphysik, sondern als Bezug auf Newtons Theorie des korpuskularen Lichts zu verstehen. Herschel wunderte sich allerdings weniger über die Existenz unsichtbarer Strahlen als darüber, dass diese sich so verhielten wie sichtbares Licht:

»Ich muss nun anmerken, dass meine vorgenannten Experimente ohne jeden Zweifel belegen, dass strahlende Wärme, ebenso wie Licht, ob es sich um dieselben oder verschiedene Agenzien handelt, sich nicht nur brechen lässt, sondern auch den Gesetzen der Dispersion folgt, die sich aus ihrer anderen Brechbarkeit ergeben.«

Wenn Licht und strahlende Wärme die gleichen optischen Eigenschaften besitzen, wenn sie sich bei ihrer Wechselwirkung mit Materie also gleich verhalten, könnte das ein Hinweis darauf sein, dass es sich bei beiden um ein und dasselbe Phänomen handelt?

»Muss uns das nicht zu der Vermutung führen, dass strahlende Wärme aus Lichtpartikeln besteht, deren Impulse in einem bestimmten Bereich liegen? Und dass dieser Bereich des Impulses auf beiden Seiten der Brechbarkeit etwas weiter reicht als der des Lichts?«

Diese Fragen beschäftigten Herschel für den Rest des Jahres. Er arbeitete schnell. Schon neun Tage nachdem er seine erste Arbeit geschrieben hatte und noch zehn Tage bevor er diese offiziell vorstellte, schickte er eine zweite, kürzere Arbeit an die Royal Society: »Experimente zur Brechbarkeit der unsichtbaren Strahlen der Sonne«. Dieser Titel war ein Echo auf das II. Theorem der II. Proposition in Newtons Werk »Opticks« von 1730: »Das Licht der Sonne besteht aus unterschiedlich brechbaren Strahlen.«

Herschel war von Newton stark beeinflusst. Auch dieser hatte ein Prisma in einem Fenster verwendet, um Farben auf eine Wand zu projizieren. Herschel übernahm seine qualitative Methode zur Betrachtung des Spektrums und machte aus ihr ein quantitatives Instrument. Durchaus zu Recht könnte er dabei das Gefühl gehabt haben, Newtons Arbeit fortzuführen, denn er dehnte das Konzept der unterschiedlichen Brechbarkeit von den Farben des sichtbaren Lichts auf die unsichtbare Strahlung aus.

Dazu modifizierte Herschel seinen Versuchsaufbau so, dass er auch die Temperatur in dem dunklen Bereich messen konnte, der jenseits der Farbe Rot lag. Er zog fünf parallele Linien, jeweils im Abstand von einem halben Zoll, wobei die erste genau am Rand des roten Lichts lag. Auf diesen Linien maß er die Temperatur und folgte so dem Aufwärtstrend bis zum Maximum und darüber hinaus. Man merkt Herschels zweiter Arbeit seine Begeisterung und sein Vertrauen in die Ergebnisse an. Bei der Beschreibung seiner Experimente trifft er nur wenige Feststellungen, die nicht verlässlich von den Daten gestützt werden. Trotzdem beschließt er die Arbeit mit einem auf philosophischen Überlegungen basierenden Argument:

»Wenn wir jene Strahlen, die Objekte beleuchten, Licht nennen, und jene Strahlen, die Körper erwärmen, als strahlende Wärme bezeichnen, dann könnte man fragen, ob sich das Wesen des Lichts von dem strahlender Wärme unterscheidet. Als Antwort darauf schlage ich vor, dass uns die Regeln des Philosophierens nicht gestatten, zwei unterschiedliche Gründe für solche Effekte zuzulassen, die sich mit einem einzigen erklären lassen.«

Ärgerte sich ein berühmter Autor über Konkurrenz durch einen Amateur?
Herschels Reputation als Astronom trug vermutlich dazu bei, dass die meisten Wissenschaftler seine Arbeiten positiv aufnahmen, aber keineswegs alle. Seine dritte Arbeit beginnt mit einer entschieden defensiven Bemerkung; offenbar war er zuvor von jemanden angegriffen worden, den er einen berühmten Autor nennt und der sich an dem Begriff »strahlende Wärme« gestoßen hatte. Bei dem Kritiker könnte es sich um John Leslie gehandelt haben, der als Autorität für das Phänomen Wärme galt und sich über das Eindringen eines »Amateurs« in sein Fachgebiet wohl ärgerte. In einem Brief, veröffentlicht in »A Journal of Natural Philosophy, Chemistry, and the Arts by William Nicholson«, schrieb Leslie:

»Es scheint, dass dieser fähige Astronom, als er seine neuen Untersuchungen aufnahm, weder Geräte verwendet hat, die der Feinheit des Untersuchungsgegenstands angemessen sind, noch sich gegen die zahlreichen und verborgenen Fehlerquellen geschützt hat. Ich fühle mich dazu berechtigt, mit größerer Überzeugung zu sprechen, da ich seit Langem meine Forschungen in die gleichen Kanäle ausgerichtet habe ­... ich zögere deshalb nicht, zu behaupten, dass Dr. Herschels Hauptaussagen auf trügerischen Beobachtungen beruhen ... und wie auch immer meine Empfindungen bezüglich seiner Schlussfolgerungen sein mögen, unterwerfe ich mit ruhiger Entschlossenheit und unparteilich die angeblichen Tatsachen der Prüfung durch Experimente. Als ein Photometer außerhalb des Spektrums platziert wurde ... war keinerlei Effekt wahrzunehmen.«

Wenn Leslies differenzielles Thermometer - von ihm als Photometer bezeichnet - tatsächlich keine Erwärmung jenseits des sichtbaren Lichts festgestellt hat, dann hat es sehr schlecht funktioniert. Von der Royal Society durchgeführte, unabhängige Experimente haben das später klar belegt. Um weiterer Kritik zuvorzukommen, sprach Herschel dennoch nicht mehr von »strahlender Wärme«, sondern von »den Strahlen, die Wärme hervorrufen«. Aber bereits mit seiner Verwendung des Strahlenbegriffs stand Herschel im Widerspruch zu konventionellen Überzeugungen über das Licht. Hinsichtlich dieses Punkts versuchte er, seine Kritiker mit einer Herausforderung zum Schweigen zu bringen:

»Ich muss außerdem anmerken, dass meine Verwendung des Begriffs Strahlen weder bedeutet, dass ich der Meinung jener Philosophen widerspreche noch diese unterstütze, die immer noch glauben, dass das Licht nicht als Strahlen von der Sonne zu uns kommt, sondern durch angenommene Schwingungen eines elastischen Äthers, der überall im Raum verteilt ist. Ich beanspruche lediglich für die Strahlen, die Wärme hervorrufen, dasselbe Privileg, das sie jenen zugestehen, die Objekte beleuchten.«

Die Kritik an seinen Arbeiten blieb nicht ohne Folgen. In der zweiten Hälfte von Herschels dritter und letzter Publikation zu diesem Thema verlagerte sich der Schwerpunkt von der Suche nach Ähnlichkeiten zwischen Licht und strahlender Wärme auf die Suche nach Unterschieden zwischen beiden Phänomenen. In dieser Arbeit zieht er eine Reihe von Vergleichen zwischen Licht und strahlender Wärme. Der erste betrifft die menschliche Sinneswahrnehmung beider Strahlungen. Die nächsten fünf befassen sich mit den um 1800 bekannten Wechselwirkungen zwischen Strahlung und Materie: Reflexion, Refraktion, »unterschiedliche Brechbarkeit« (Dispersion), Transmission durch lichtdurchlässige Körper und Streuung an rauen Oberflächen.

Herschel führte über 200 verschiedene Experimente durch, um die Eigenschaften von Licht und strahlender Wärme miteinander zu vergleichen. Neben Prismen und Quecksilberthermometern kamen Linsen, Spiegel und transparente Materialien in unterschiedlichen Konfigurationen zum Einsatz. Wieder und wieder bestätigte er, dass Licht und strahlende Wärme identische optische Eigenschaften besitzen.

Im letzten Teil der Arbeit wirft Herschel die Frage auf, ob strahlende Wärme, zumindest wenn sie ausreichend stark ist, einen optischen Sinneseindruck hervorrufen kann. Eine umfassende Antwort würde erklären, warum Licht und Wärme gewöhnlich gemeinsam auftreten, Wärme aber auch ohne Licht registriert werden kann. Mit seinem 18. Experiment belegte der Forscher immerhin zweifelsfrei, dass eine Erhöhung der Intensität infrarote Strahlung nicht sichtbar macht.

Das rasante Tempo seiner späten Experimente führte möglicherweise dazu, dass er Zusammenhänge übersah oder falsch interpretierte - insbesondere, nachdem er begonnen hatte, nach Unterschieden Ausschau zu halten statt nach Ähnlichkeiten. Im Fall von Wärmestrahlung, so zeigte er in einem Versuch, ist die Brennweite einer Sammellinse länger als im Fall von Licht. Doch er bemerkte nicht, dass dieser Unterschied durch denselben Effekt der Dispersion verursacht wird, der auch bei einem Prisma auftritt.

Zu einer ähnlichen Fehlinterpretation kam Herschel bei einer Untersuchung der Streuung. Seine Experimente zeigten - völlig korrekt -, dass Licht stärker gestreut wird als Infrarotstrahlung. Er sah darin jedoch kein Indiz für die Abhängigkeit der Streuung von der Wellenlänge, sondern einen Hinweis darauf, dass Licht und Wärmestrahlung unterschiedlicher Natur sind.

Herschel war nur eingeschränkt in der Lage, seine Entdeckungen auch mathematisch zu beschreiben, denn er hatte die Wissenschaft erst spät für sich entdeckt. Ursprünglich Musiker und Komponist, interessierte er sich erst für Astronomie, als er den Hofstronomen Nevil Maskelyne kennen lernte. Weil ihm die Qualität der zeitgenössischen Fernrohre für die Beobachtung von Sternen und Planeten nicht ausreichte, begann er, selbst Spiegel zu schleifen und Teleskope zu bauen. Herschels Stärke war deshalb weniger die wissenschaftliche Einsicht in die Ursachen der Phänomene als vielmehr profunde Kenntnis der Optik, kombiniert mit handwerklichem Geschick bei der Herstellung von Instrumenten.

Seine am 6. November 1800 vorgestellte abschließende Arbeit zum Thema Wärmestrahlung enthält das erste Diagramm, das die spektrale Verteilung von sichtbarem Licht und infraroter Strahlung zeigt. Herschel bezeichnete die Kurven als »Spektrum der Beleuchtung« und »Spektrum der Wärme« (von infrarotem Licht sprach man erst ab den 1880er Jahren). Die vertikale Achse repräsentiert die gemessenen Temperaturen und die wahrgenommenen Helligkeiten. Um die Kurven vergleichbar zu machen, wählte er die Maßstäbe so, dass die Maxima beider Kurven die gleiche Höhe besaßen. Da Herschel das Konzept der Wellenlänge noch fehlte, trug er auf der horizontalen Achse die gemessenen Abstände seiner - mit Buchstaben bezeichneten - Messlinien ab. Im Gegensatz zur heute üblichen Konvention steigt dadurch die Wellenlänge im Diagramm von rechts nach links an.

Herschels Kurven sind das Werk von Vorstellungskraft, Erkenntnisfähigkeit und monatelanger mühsamer Arbeit - und völlig irreführend. Vermutlich war es ihre Form, die ihn schlussfolgern ließ, dass Licht und strahlende Wärme eben doch grundlegend verschiedene Phänomene sind:

»Die bloße Inaugenscheinnahme der beiden Kurven ... versetzt uns bereits in die Lage, zu erkennen, wie unterschiedlich das Prisma die Wärme erzeugenden Strahlen und jene, die Beleuchtung hervorrufen, über die Flächen ... unserer beiden Spektren verteilt! Diese Strahlen stimmen weder in ihrer mittleren Brechbarkeit noch in der Lage ihrer Maxima überein. Bei R, wo wir das meiste Licht haben, ist nur wenig Wärme; und bei S, wo wir die meiste Wärme haben, finden wir überhaupt kein Licht!«

Selbst heute ist es schwierig, Herschels Diagramm zu betrachten, ohne den Eindruck zu gewinnen, dass Licht und strahlende Wärme zwei grundverschiedene Arten von Strahlung sind. Die Kurven sind beide akkurat, aber sie zeigen Größen, die nahezu unabhängig voneinander sind und überhaupt nicht zusammen dargestellt werden dürften. Herschels Fehler lag nicht in seinen Daten, sondern in seiner Annahme, dass die beiden Kurven miteinander vergleichbar seien.

Um die Qualität von Herschels Spektren zu beurteilen, benötigen wir den Stand der Sonne am Ort und zur Zeit seiner Messungen. Herschel lebte damals in Slough in der Grafschaft Berkshire im Süden von England. Angaben über Datum und Uhrzeiten der Messungen finden sich in seinen Aufzeichnungen nicht, aber die Spektren stammen vermutlich von seinen ersten Experimenten Ende Februar oder Anfang März 1800. Slough liegt auf einer nördlichen Breite von 51,5 Grad, die Sonne stand demnach mittags in einer Höhe von etwa 61 Grad.

Die Jahreszeit beeinflusst die Lage des Maximums der Bestrahlungsstärke. Im Sommer liegt es näher am Mittelpunkt des sichtbaren Bereichs, im Winter hingegen, wenn der Weg des Sonnenlichts durch die Atmosphäre länger ist, ver schiebt die atmosphärische Streuung das Maximum zum Roten hin. Mit Hilfe eines numerischen Modells können wir auf Basis dieser Daten das Spektrum der Sonnenstrahlung berechnen, das auf Herschels Prisma gefallen sein dürfte.

Hier stoßen wir auf die nächste Schwierigkeit: Um Herschels Messlinien in Wellenlängen umzurechnen, müssen wir die Dispersion des Prismas kennen. Herschel zeichnete zwar die Temperaturen äußerst genau auf, notierte aber nicht, welches seiner zahlreichen Prismen aus Kron- und Flintglas er verwendete. Die beste Anpassung an seine Daten lässt sich mit einem 60-Grad-Prisma aus Kronglas erzielen.

Herschel fehlte das Konzept der Wellenlänge
Im Vergleich zu dem so rekonstruierten Sonnenspektrum zeigt Herschels Kurve zum einen eine zu geringe Intensität im sichtbaren Bereich, zum anderen eine auffällige Verschiebung des Strahlungsmaximums aus dem sichtbaren in den infraroten Bereich. Ursache für die Diskrepanz dürfte die Nichtlinearität des Prismas sein, dessen Brechungsindex mit zunehmender Wellenlänge immer langsamer abnimmt. Dadurch fällt allmählich ein immer größerer Wellenlängenbereich auf jeden Zentimeter des Messtischs als bei kürzeren Wellenlängen. Heute können wir diese Nichtlinearität korrigieren. Herschel konnte das nicht, allein schon weil er das Konzept der Wellenlänge nicht kannte. Trotz dieser Widrigkeiten lieferten seine Messungen zwei revolutionäre Ergebnisse: Das von ihm ermittelte »Spektrum der Wärme« bestätigte seine erste Hypothese, nach der die Fähigkeit des Sonnenlichts, Körper zu erwärmen, nicht gleichmäßig über das Spektrum verteilt ist. Seine zweite Hypothese, wonach Licht und strahlende Wärme zwei Fassetten ein und desselben Phänomens sind, wird dadurch unterstützt, dass die Kurve vom sichtbaren in den unsichtbaren Bereich hinein stetig verläuft.

Wieso war nun die Darstellung seiner Daten so irreführend? Da Herschel ursprünglich auf der Suche nach einem idealen Sonnenfilter war, der maximale Lichtdurchlässigkeit mit minimaler Hitzeentwicklung kombinierte, lag es für ihn nahe, die Spektren der Beleuchtung und der Wärme im gleichen Diagramm aufzutragen. Aber obwohl seine Messung der Beleuchtung sehr akkurat war, zeigte sie nicht das, was er erwartet hatte. Herschel fehlte die heute selbstverständliche Erkenntnis, dass die Empfindlichkeit jedes Detektors - auch die des menschlichen Auges - nicht über den gesamten Messbereich hinweg konstant ist. Messinstrumente messen nämlich nicht den tatsächlichen Wert einer physikalischen Größe, sondern diesen Wert multipliziert mit ihrer Empfindlichkeit bei diesem Wert. Um vom Messergebnis auf den tatsächlichen Wert zu schließen, muss ein Experimentator daher die so genannte Empfindlichkeitskurve seines Instruments kennen.

Herschel ging dagegen davon aus, dass das von ihm gemessene Beleuchtungsspektrum die tatsächliche spektrale Verteilung des Sonnenlichts repräsentiert. Doch ganz unabhängig vom tatsächlichen Sonnenspektrum müssen Messungen mit bloßem Auge stets den Wert null ergeben, wenn sie außerhalb des Empfindlichkeitsbereichs des menschlichen Auges liegen. Innerhalb des Wahrnehmungsvermögens sind die Messungen dagegen das Produkt des Sonnenspektrums mit der jeweiligen Empfindlichkeit des Auges. Die Grafik oben zeigt, dass ein durch visuelle Beobachtung gemessenes Spektrum im Wesentlichen die Empfindlichkeitskurve des Auges und nicht den spektralen Verlauf des Sonnenlichts zeigt. So erklärt sich auch, dass er bei der Farbe Gelbgrün das Maximum des Spektrums ermittelte - genau dort, bei einer Wellenlänge von 0,555 Mikrometern, befindet sich nämlich das Empfindlichkeitsmaximum des Auges. Mehr noch: Herschel wäre zu exakt demselben Ergebnis gekommen, selbst wenn das Sonnenspektrum im optischen Bereich konstant verlaufen würde. Anders gesagt: Als er aus seiner Kurve den Schluss zog, dass das Licht nicht gleichmäßig über die Farben verteilt ist, traf er zwar eine korrekte Feststellung - aus seinen Daten folgte sie aber nicht.

Das irreführende Aussehen der Kurven und die unterschiedlichen Sinnesempfindungen, die Licht und Wärme auslösen, gewannen bei Herschel schließlich die Oberhand über seine sorgfältig gesammelten Belege. Er kam zu dem Ergebnis, dass die beiden Strahlungen doch verschiedene Phänomene sein müssten. Wieder zog er philosophische Überlegungen heran, diesmal aber, um gegen seine eigenen ursprünglichen Gedanken zu argumentieren:

»Es scheint kein Brauch der Natur zu sein, ein und denselben Mechanismus für zwei unserer Sinne zu nutzen ... Sollten wir dann im Gegensatz dazu behaupten, dass der gleiche Mechanismus der Grund ist für solch unterschiedliche Sinneseindrücke wie die feinfühlige Empfindung des Sehens und die gröbste aller Affektionen, die den gröbsten Teilen unseres Körpers gemein ist, wenn sie Wärme ausgesetzt sind?«

Ein solches Argument würde heute allerdings niemand mehr gelten lassen, und vermutlich klang es bereits im Jahr 1800 schwach. Doch immerhin diente es dazu, die Suche zu einem Abschluss zu bringen.

Herschel selbst war sicherlich enttäuscht. Aber er hatte mehr erreicht, als ihm oder einem seiner Zeitgenossen bewusst war. Er hatte entdeckt, dass strahlende Wärme die gleichen optischen Eigenschaften besitzt wie Licht. Er hatte seine Hypothese bestätigt, dass das Vermögen von Strahlen, Objekte zu erwärmen, nicht gleichmäßig über das Spektrum verteilt ist. Und er hatte die erste Messung der spektralen Intensität vom sichtbaren in den unsichtbaren Bereich hinein durchgeführt und dabei festgestellt, dass es sich um eine glatte, stetige Kurve handelt.

Unser heutiges Verständnis der elektromagnetischen Strahlung nahm mit Herschels einfachen Messungen der Temperaturen im Sonnenlicht seinen Anfang, entwickelte sich durch die mathematische Beschreibung des Spektrums durch James Clerk Maxwell im Jahr 1861 weiter und kam 1900 durch Max Plancks Formulierung der Quantentheorie zum Abschluss. Auch wenn es Herschel nicht gelungen war, zu beweisen, dass Licht und strahlende Wärme ein und dasselbe Phänomen sind, lieferten seine Experimente doch starke Indizien und waren ein erster Baustein, auf dem andere Forscher aufbauen konnten.

DER AUTOR
Jack R. White arbeitete mehr als vier Jahrzehnte lang auf dem Gebiet der Infrarotradiometrie. Bis zu seiner Pensionierung leitete er eine Arbeitsgruppe für Infrarotmessungen des US-amerikanischen Verteidigungsministeriums. Jetzt ist er Berater für Datenanalyse in der Infrarotradiometrie.

QUELLEN
Barr, E.S.: Historical Survey of the Early Development of the Infrared Spectral Region. In: American Journal of Physics 28, S. 42-54, 1960
Dreyer, J.L.E. (Hg.): The Scientific Papers of Sir William Herschel. Royal Astronomical Society, London 1912
Holden, E.S.: Sir William Herschel, his Life and Works. W.H. Allen, London 1881
Lovell, D.J.: Herschel's Dilemma in the Interpretation of Thermal Radiation. In: Isis 59, S. 46-60, 1968

WEBLINK
http://tchester.org/znet/calculations/herschel/index.html
Caltech-Forscher T. Chester vollzog 1999 Herschels Experimente nach.

Diesen Artikel sowie weiterführende Informationen finden Sie im Internet: www.spektrum.de/artikel/1168629

© American Scientist

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Bildunterschriften der im Schattenblick nicht veröffentlichten Abbildungen der Originalpublikation:

Abb. S. 44:
Friedrich Wilhelm Herschel (hier ein Kupferstich von F. Müller nach Friedrich Rehberg, um 1820) war einer der herausragenden Astronomen seiner Zeit. Er entwickelte leistungsfähige Teleskope und entdeckte den Planeten Uranus sowie die Infrarotstrahlung. In England, wo er ab 1757 lebte, wurde er 1782 von Georg III. zum King's Astronomer ernannt.

Abb. S. 45:
Wollen wir die Welt im Infraroten betrachten, müssen wir die mit speziellen Kameras gewonnenen Bilder künstlich einfärben. Dann sehen wir die Wärmeverteilung der Objekte: Rot steht in dieser Aufnahme für wärmere Bereiche, Blau für kühlere. Dass sich Licht und Wärme auf dasselbe physikalische Phänomen zurückführen lassen könnten, war erstmals dem Astronomen Friedrich Wilhelm Herschel aufgefallen.

Abb. S. 46:
Das elektromagnetische Spektrum
Mit den Augen nehmen wir nur einen winzigen Ausschnitt aus dem elektromagnetischen Spektrum wahr. Die Wärme, die wir mit unserer Haut spüren, stammt teils ebenfalls aus diesem Wellenlängenbereich, vor allem aber aus dem infraroten Spektrum.

Abb. S. 47:
Erhitzen bis zur Sichtbarkeit (Diagramm)
Erst ab einer Temperatur von etwa 700 Grad Celsius (rote Linie) ist die Wärmestrahlung von Objekten auch im sichtbaren Spektralbereich so intensiv, dass das menschliche Auge sie wahrnimmt. Es gilt: Je höher die Temperatur eines Objekts, desto stärker ist die von ihm ausgehende Strahlung (die Kurve im Diagramm verschiebt sich nach oben) und desto niedrigere Wellenlängen tragen zu ihr bei (Kurve verschiebt sich nach links). Die spektrale Strahlungsstärke gibt die bei einer bestimmten Wellenlänge pro Fläche abgestrahlte Leistung an.

Abb. S. 48 oben:
Bei Herschels Experimenten fiel das von einem Prisma erzeugte Farbspektrum auf ein Stück Pappe mit einem Schlitz, der nur Licht einer einzigen Farbe hindurchließ. Ein Thermometer platzierte er im einfallenden Licht, zwei weitere als Kontrollinstrumente im Dunkeln. Durch Vergleich der Messungen fand er die relative Erwärmung gegenüber der Umgebungstemperatur heraus. (Grafik)

Abb. S. 48 unten:
Wie Herschel mit seinen Messungen belegte, ist die Fähigkeit des Lichts, Körper zu erwärmen, ungleichmäßig über das Spektrum verteilt. Den größten Wert vermutete er jenseits des roten Streifens auf seinem Messtisch. Das Diagramm zeigt seine originalen Temperaturmesswerte; die Wellenlängen wurden nachträglich ermittelt. (Diagramm)

Abb. S. 49 oben:
Nachdem er sein Experiment abgewandelt hatte, konnte Herschel seine Messungen auch in den unsichtbaren Bereich hinein ausdehnen. Wie er vermutete, steigt das Maß der Erwärmung des Thermometers vom sichtbaren in den unsichtbaren Bereich hinein stetig an und durchläuft schließlich ein Maximum. Um quantitative Ergebnisse zu erzielen, unterteilte der Forscher seinen Messtisch mit parallelen Linien. (historische Zeichnung)

Abb. S. 49 unten:
Herschels abschließende Veröffentlichung aus dem Jahr 1800 enthält dieses Diagramm des »Spektrums der Wärme« und des »Spektrums der Beleuchtung«. Die Wellenlänge nimmt darin von rechts nach links zu. Die Maßstäbe wählte der Forscher so, dass die Maxima beider Kurven dieselbe Höhe besaßen. (historisches Diagramm)

Abb. S. 50:
Herschel maß erstaunlich präzise. Das zeigt der Vergleich zwischen seinem in Wellenlängen umgerechneten »Spektrum der Wärme« und einem simulierten Sonnenspektrum, das mit plausiblen Annahmen über Beobachtungsort, -zeit und das verwendete Prisma erzeugt wurde. Allerdings ist sein Spektrum zu höheren Wellenlängen hin verschoben. Das liegt vor allem an der nichtlinearen Abhängigkeit des Brechungsindex von der Wellenlänge, von der Herschel noch nichts wusste. (Diagramm)

Abb. S. 51:
Das von Herschel gemessene »Spektrum der Beleuchtung« (schwarze, durchgezogene Linie) zeigt keinerlei Ähnlichkeit mit dem Sonnenspektrum (blau) im sichtbaren Bereich. Kein Wunder: Er hatte nicht berücksichtigt, dass die Empfindlichkeit jedes Detektors - auch des menschlichen Auges - vom Messbereich abhängt. Er maß also nicht das Sonnenspektrum selbst, sondern nur das Produkt (rot) aus Sonnenspektrum und Empfindlichkeitskurve des Auges (schwarz gestrichelt). Letztere dominiert dabei so stark, dass dieses Produkt praktisch identisch mit der Empfindlichkeitskurve selbst ist. (Diagramm)