Eine blendende Idee

Der Laser bezieht seine Stärke aus reiner Quantenphysik. „Es ist mir ein prächtiges Licht über die Absorption und Emission von Strahlung aufgegangen, [es ist] alles ganz quantisch“, schrieb Albert Einstein 1916 begeistert seinem Freund Emile Besso. Einstein legte damals die theoretischen Grundlagen für den Laser, allerdings ohne dessen Erfindung voraus zu ahnen. Schon 1905 hatte er anhand des Fotoeffekts gezeigt, dass Licht und Materie ihre Energie nur in festen Paketen austauschen können. Beim Energieaustausch mit Materie verhält sich Licht also wie Teilchen – diese Energiequanten heißen Photonen. Sonst zeigt Licht meist den Charakter einer Welle. Dieser Welle-Teilchen-Dualismus zeichnet alle Objekte der Quantenwelt aus.

Auch Atome können Licht nur in „Energieportionen“ aufnehmen (absorbieren) oder abgeben (emittieren). 1913 entwickelte der dänische Physiker Niels Bohr ein Atommodell, das dieses Verhalten erstmals schlüssig erklären konnte: Die Elektronen rasen auf festgelegten Bahnen um den Atomkern. Trifft Licht auf das Atom, dann kann ein Elektron ein Photon absorbieren und mit dessen Energie auf eine höhere Bahn springen. Umgekehrt kann es auch in niedrigere Bahnen fallen. Dabei sendet es die frei werdende Energie wieder als Photon aus, das Atom leuchtet.

Das Entscheidende am Bohrschen Atommodell war die „Quantisierung“ der Elektronenbahnen. Sie bilden eine Energieleiter mit festen Sprossen, dazwischen gibt es keine Bahnen. Die Elektronen können nur auf dieser Leiter in Quantensprüngen auf und absteigen. Die Energie der absorbierten oder emittierten Lichtquanten muss dabei zu den Sprossenabständen passen. Die Energie eines Photons drückt sich in seiner Wellenlänge oder Frequenz aus, also in seiner Farbe. Jede Atomsorte hat eine eigene Energieleiter, deren Quantensprünge charakteristischen Lichtfarben entsprechen. Die heutige Quantenphysik verwendet zwar modernere Atommodelle. Sie haben aber wie Bohrs erstes Modell Quantenzustände mit festen Energien.

Wenn eine „klassische“ Lichtquelle wie die Sonne oder eine Glühbirne leuchtet, dann produziert sie einen optischen Brei aus vielen Lichtfrequenzen, Richtungen und „Polarisationen“. Mit Polarisation bezeichnen Physiker die Schwingungsrichtung des Lichtfeldes. Verschiedene Atomsorten mit unterschiedlichen Quantenübergängen emittieren Photonen vieler Frequenzen, also Energien oder Farben. Zudem strahlen die Atome ihre Photonen auch noch völlig unkoordiniert ab. Das Resultat ist ein perfektes Chaos mit einer breiten Farbmischung, die ein nahezu weißes Licht ergibt.