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Unsere Altvorderen umschrieben mit „optica" eine ganze Reihe recht unterschiedlicher Dinge oder Erscheinungen. So vermeldete das 1717 in dritter Auflage bei Joh. Fried. Gleditschens seel. Sohn in Leipzig erschienene „Curieuse und reale Natur-Kunst-Berg-Gewerck- und Handlungs-Lexikon", im engeren Sinne handele es sich bei der Optik um eine

„Wissenschaft, welche von allen sichtbaren Dingen handelt, sofern sie durch radios directos oder gerade Strahlen (die von ihnen gerades Wegs ohne vorhergehendes Zurückprallen oder Brechen in das Aug geworffen werden) sichtbar sind. Oder welche von demjenigen Sehen, das durch gerade Strahlen geschieht, und von allen darzugehörigen und dabey vorkommenden Dingen handelt".

Im gleichen Atemzug nennt der Herausgeber die „optica" aber auch eine „Gesichtskunde, durch welche man allerhand artige und zum Theil wunderbar scheinende Dinge den Augen vorstellen kann", das heißt, eine Wissenschaft, „welche von allen sichtbaren Dingen handelt, so fern sie sichtbar sind".

Zugleich waren „optica" aber auch „solche Artzneyen, welche wider die Augen-Gebrechen dienen". Und als zur Optik gehörige Instrumente werden aufgezählt „allerhand Perspektive (Fernrohre), Microscopia, Laternae Magicae, Spiegel und dergleichen". Soweit Gleditschens Repertoire.

Um 1900 unterschied man eine geometrische Optik, unterteilt in Dioptrik (Lichtbrechungslehre) und Katoptrik (Lichtspiegelungslehre). Alle mit der geometrischen Optik nicht zu deutenden Phänomene, von der Beugung über die Interferenz bis zur Polarisation, wurden unter dem Oberbegriff der physikalischen Optik zusammengefaßt.

Daneben gab es noch die praktische oder angewandte Optik, zuständig für Berechnung und Bau von optischen Instrumenten. Heute umfaßt die Optik einen weit größeren Bereich.

Meyers Enzyklopädisches Lexikon von 1976 definiert sie als „die Lehre vom Licht, d. h. von dem Teil der elektromagnetischen Strahlung bzw. des elektromagnetischen Spektrums, der mit dem Auge oder anderen Lichtempfängern wahrgenommen wird". Dabei befaßt sich die physikalische Optik mit dem Licht nebst angrenzenden Spektralbereichen, die physiologische Optik mit dem Vorgang des Sehens.

Zu den klassischen optischen Disziplinen, die sich in einer Vielzahl optischer Geräte von der Linse bis zum Fernrohr manifestieren, tritt aber noch die sogenannte moderne Optik mit den Ergebnissen der jüngsten wissenschaftlichen Forschung hinzu.

Dazu gehören vor allem die Glasfaseroptik, der ganze Bereich der Laser-Technik und die mit Hilfe von Laserstrahlen verwirklichte Holografie.

Optik im weiteren Sinn sind aber auch elektronen- und ionenoptische Verfahren mit dem Elektronenmikroskop als bekanntestem Anwendungsbeispiel. Und ebenso gehören hochspezialisierte Vorrichtungen wie das Radioteleskop, bei dem es nicht mehr um Licht, sondern um Radiofrequenzstrahlungen aus dem Weltraum geht, in diesen Gesamtzusammenhang, auch wenn weder die klassische noch die aktuelle Definition zutrifft.

Selbstredend sind auch Stand- und Laufbildkameras und Dia- oder Filmprojektoren aller Art optische Geräte. Ihnen ist in diesem Band ein eigenes Kapitel gewidmet, das über die Entwicklung von Fotografie und Kinematografie berichtet.

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„Es ist eine feine, von leuchtenden Körpern ausgeschleuderte Materie", sagte der englische Physiker und Mathematiker Sir Isaac Newton (1643-1727). „Jede Farbe des Spektrums schleudert ihre besondere Substanz aus, und alle pflanzen sich mit der gleichen Geschwindigkeit fort."

Newton, der hochverehrte „Physikpapst" des 17. Jahrhunderts, stellte 1665 bei seinen aufsehenerregenden optischen Experimenten fest, daß sich das Licht geradlinig fortbewegte, weil es scharfe Schatten warf.

Er folgerte daraus, daß das Licht aus feinen Körperchen (Partikeln) bestehen müsse, die sich von einem leuchtenden Objekt aus durch den Raum bewegten. Mit diesen elastischen Lichtteilchen erklärte er auch die Änderung der Ausbreitung bei der Brechung (etwa durch eine Linse) und Reflexion (zum Beispiel durch einen Spiegel).

Ganz anderer Meinung war der niederländische Mathematiker, Physiker und Astronom Christiaan Huygens (1629-1695). Er stellte der Newtonschen Teilchenhypothese seine Undulationstheorie gegenüber. Nach Huygens war das Licht eine Wellenerscheinung in einem sehr feinen und elastischen Medium, das schon seit den Zeiten des Aristoteles als Äther bezeichnet wurde. In diesem Äther sollte sich das Licht wie Schallwellen (Longitudinalwellen) ausbreiten.

Zwei völlig verschiedene Theorien standen einander also gegenüber. Aber während des ganzen 18. Jahrhunderts gab man der Erklärung des großen Newton den Vorzug. Sein Prestige überwog, und die Wellentheorie wurde kaum beachtet.

Daran änderte auch das Eintreten des Schweizer Mathematikers Leonhard Euler (1707-1783) für die Wellentheorie nichts: „Der große Newton hat behauptet, daß die Sonnenstrahlen wirklich aus dem Körper der Sonne ausfließen, und daß äußerst feine Teilchen von ihr mit einer solchen unbegreiflichen Geschwindigkeit fortgeschleudert werden, daß sie in ungefähr acht Minuten zu uns gelangen."

Mit Vehemenz setzte sich Euler für die Wellentheorie ein, zuerst in seiner „Nova theoria lucis et colorum", später auch in den „Lettres ä une princesse allemande". Aber die Zeit war noch nicht reif. Newton behielt die Oberhand.

Zu Beginn des 19. Jahrhunderts griff in England der Physiker und Mediziner Thomas Young (1773-1829) die Kontroverse um die Lichttheorie auf. Es gelang ihm, die Beugung und die Interferenz nachzuweisen, ähnliche Erscheinungen, wie man sie vom Schall her bereits kannte.

Daraus schloß er, daß sich das Licht wellenförmig ausbreiten müsse, und es gelang ihm sogar, die Wellenlänge des sichtbaren Lichts abzuleiten. Im Gegensatz zu Huygens vertrat er die Ansicht, daß die Lichtschwingungen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung verlaufen (Transversalwellen), wie Wellen also, die sich im Wasser ausbreiten.

In Frankreich wurde der Physiker Augustin-Jean Fresnel (1788-1827) auf Youngs Arbeiten aufmerksam. Er stellte eine strenge mathematische Basis für die Wellentheorie auf. Fresnel bewies, daß Licht unter verschiedenen Winkeln gebrochen wurde. Die Wellentheorie setzte sich durch, aber noch immer war es dieser schwer definierbare, elastische Äther, der den Schwingungsvorgang erst möglich machte.

Es blieb dem schottischen Mathematiker und Physiker James Clerk Maxwell (1831-1879) vorbehalten, das Licht als elektromagnetische Strahlung bestimmter Wellenlängen zu interpretieren und damit die durch die Ätherhypothese entstandenen Schwierigkeiten zu beheben. Endlich schien der Streit, ob Licht eine Wellenoder eine Teilchenstrahlung sei, beigelegt zu sein.
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Aber zu Beginn des 20. Jahrhunderts entflammte die Diskussion erneut, und zwar durch die von Max Planck (1858-1947) und Albert Einstein (1879-1955) eingeführte Lichtquanten- oder Photonenhypothese. Tatsächlich gab es physikalische Erscheinungen, die nur mit der Photonentheorie erklärt werden konnten.

Licht ist also sowohl Welle als auch Teilchen, beides sind nur verschiedene „Projektionen" des Phänomens in die physikalische Welt - eine Erscheinung, die als Welle-Teilchen-Dualismus bezeichnet wird.

Beugungs- und Interferenzversuche an Licht lassen sich so mit der Wellentheorie beschreiben, während sich beispielsweise der Photoeffekt durch einen von Photonen gebildeten Teilchenstrahl erklären läßt.

Gewöhnliches weißes Licht ist ein Gemisch von Licht verschiedener Wellenlänge und damit verschiedener Farbe. Der einfachste Beweis dafür ist der Regenbogen.

Das Sonnenlicht wird in Wassertropfen gebrochen und in seine verschiedenen Farbkomponenten aufgespalten: Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau und Violett, wobei der rote Lichtanteil am wenigsten stark gebrochen wird und deshalb beim Hauptregenbogen immer außen liegt. Ein ganz einfacher physikalischer Vorgang, "möchte man meinen".

Aber es dauerte Jahrtausende, bis man halbwegs befriedigende Erklärungen für dieses Phänomen hatte. Und noch heute glauben die Forscher, daß sie noch nicht alle Geheimnisse des Regenbogens gelüftet haben.

Zur Berechnung der komplizierten Brechungsverhältnisse wurden schon Computer eingesetzt, um das Himmelsschauspiel zwischen Sonne und Regen zu entzaubern.

Und in früheren Zeiten? Für eine nüchterne Erklärung gab es keine Grundlagen. Im alten Babylon sah man den Regenbogen als Schmuck der Liebesgöttin Ischtar an. Für die Araber stellte er eine überirdische Brücke dar, auf der die Seelen ihrer Verstorbenen ins Jenseits wanderten.

Die Germanen dachten praktischer und sehr menschlich. Für sie war der Regenbogen eine schimmernde Brücke, die sich ihre Götter bauten, wenn sie eine Vergnügungstour auf die Erde unternehmen wollten. Es blieb den alten Griechen vorbehalten, alle mythischen Verbrämungen im Zusammenhang mit dem Regenbogen über Bord zu werfen.

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Wahrscheinlich war der griechische Philosoph Anaximenes (um 570-um 500 v. Chr.) der erste, der den Regenbogen seines göttlichen Ursprungs beraubte und die Himmelserscheinung schlicht zur Naturerscheinung degradierte.

Mit Sicherheit aber vertrat sein Landsmann Aristoteles (384-322 v. Chr.) diese Ansicht. Der Philosoph stritt glattweg ab, daß die jungfräuliche, geflügelte Göttin des Regenbogens, Iris, als Götterbotin für diese Erscheinung verantwortlich zu machen war.

Er vertrat die Ansicht, daß der Regenbogen durch eine ungewöhnliche Spiegelung des Sonnenlichts auf den Wolken entstand. Diese Theorie des Aristoteles hatte lange Gültigkeit und wurde über lange Zeit nicht angezweifelt.

Merkwürdig ist die Tatsache, daß zwar bereits Seneca um 63 n. Chr. eine mit Wasser gefüllte Kugel beschreibt, die stark vergrößerte und das Licht konzentrierte, daß aber keine Nachrichten über Beobachtungen eines dabei auftretenden Spektrums vorliegen.

Der erste, der eine solche Schusterkugel ins Sonnenlicht gestellt hat, soll um 1300 der deutsche Mönch Dietrich (Theoderich) von Freiburg gewesen sein. Er soll den ersten künstlich erzeugten Regenbogen gesehen haben.

Damit war bewiesen, daß nicht Wolken, sondern Wassertropfen das Sonnenlicht zurückwarfen. Noch genauer wollte es der französische Philosoph und Mathematiker Rene Descartes (1596-1650) wissen. Auch er ging von einer runden, mit Wasser gefüllten Flasche aus und berechnete sogar genau die Ablenkungswinkel der Strahlen. Durch Galileis schlechte Erfahrungen mit dem Inquisitionsgericht vorsichtig geworden, veröffentlichte Descartes seine Forschungsergebnisse ohne Namensangabe.

Wie schon erwähnt, hatte auch Newton optische Experimente durchgeführt. Angeregt durch Keplers Veröffentlichung über die Optik und möglicherweise auch durch das anonym erschienene Buch von Descartes begann er 1666 Experimente mit einem Prisma.

Prismen wurden zur damaligen Zeit wegen der schönen Farbeffekte, die sie bei Lichteinfall hervorzauberten, als Spielzeug auf den Jahrmärkten verkauft. Ihre Wirkung war schon seit längerer Zeit bekannt, aber Newton war offenbar der erste, der sich über die Ursachen dieses Effektes Gedanken machte und sie planmäßig untersuchte.

Sein erster Versuch war denkbar einfach. Durch den Spalt eines Vorhangs (eine andere Quelle berichtet von einem Loch im Fensterladen) ließ er einen Sonnenstrahl ins abgedunkelte Zimmer fallen. Diesen Strahl lenkte er durch ein dreieckiges Glasprisma auf einen Schirm.

Dreierlei Dinge passierten. Einmal war der Lichtfleck auf dem Schirm nicht mehr weiß, sondern wies alle Farben des Regenbogens auf. Zum zweiten rückte der Lichtfleck auf eine andere Stelle, sobald Newton das Prisma in den Strahlengang schob. Und zu guter Letzt hatte der Lichtfleck nicht mehr die ursprüngliche Form, sondern es entstand ein farbiges Band.

Aus diesen Beobachtungen folgerte Newton, daß die einzelnen Arten von Licht beim Durchgang durch das Prisma verschieden stark gebrochen wurden, am wenigsten der rote Lichtanteil, am stärksten der violette. Und alle Versuche ergaben dieselben sieben Grundfarben.

Nun hätte man einwenden können, daß diese Farben im Prisma selbst erzeugt wurden. Aber Newton entkräftete von vornherein jeden diesbezüglichen Verdacht. Hinter das erste Prisma hielt er noch ein zweites in den Strahlengang, allerdings in umgekehrter Stellung, und auf dem Schirm erschien ein weißer Lichtfleck.

Damit war der Beweis erbracht, daß das weiße Licht lediglich eine Kombination der Spektralfarben darstellte. Im Jahr 1672 veröffentlichte Isaac Newton den ersten Bericht über seine Versuche. Obwohl sie leicht nachprüfbar waren, wurden seine Folgerungen von seinen Zeitgenossen kritisiert.
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Kaum ein Gebiet der Physik hat die wissenschaftlichen Geister aller Epochen so sehr in seinen Bann gezogen wie der Fragenkreis um das Licht. Und die ersten Fragen hatten schon die Griechen gestellt.

Die Optik war bei ihnen neben der Geometrie ein Zweig der exakten Wissenschaften, und die euklidische Geometrie war ein wichtiger Anstoß für die Erforschung der sich geradlinig fortpflanzenden Lichtstrahlen.

Es blieb nicht aus, daß man sich auch Gedanken über den Zusammenhang zwischen dem Licht und dem Sehvermögen des menschlichen Auges machte. Die Anhänger der Schule des Pythagoras erklärten das Sehen aus dem Feuer des leuchtenden menschlichen Auges.

Euklid lehrte, daß das Auge so etwas wie „Sehstrahlen" aussendet, die von den Objekten zurückgeworfen werden. Die Schüler des Demokrit hingegen gaben der Theorie den Vorzug, daß die beleuchteten Objekte winzige materielle Partikelchen von einer lichtähnlichen Substanz gegen das Auge hin aussandten.

Um die Wende des ersten Jahrtausends nach Christus betrat ein Mann die wissenschaftliche Bühne, dessen Entdeckungen auf dem Gebiet der Optik wesentlichen Einfluß auf ihre Gestalt als moderne Experimentalwissenschaft hatten.

Es war der arabische Physiker und Mathematiker Ibn al-Haytham (um 965- nach 1038), im Mittelalter Alhazen genannt. Alhazen war ein hervorragender Forscher, und manche Biographien bezeichnen ihn als bedeutendsten Physiker des Mittelalters.

Anders als seine Vorgänger erklärte er den Sehvorgang dadurch, daß Licht an den Gegenständen reflektiert wird und dann in die Augen fällt. Korrekt beschrieb er die Wirkungsweise der Linse durch die Krümmung der Linsenoberfläche. Sein besonderes Interesse galt der Reflexion und der Brechung des Lichts und der Nutzbarmachung dieser Erscheinungen bei Linsen und Hohlspiegeln.

Alle Beobachtungen stellte er auf die Grundlage selbstangestellter Experimente. Sein Hauptwerk „Kitab al Manazir" wurde bis zu Keplers Zeiten als Lehrbuch der Optik benutzt.

Kepler selbst baute in seiner „Dioptrik" auf Alhazens Lehre auf. Der große Astronom vermerkte völlig richtig, daß das ins Auge einfallende Licht durch die Linse des Auges auf der Netzhaut zu einem Bild geformt wird und das auftreffende Licht durch die Reizung der Netzhaut eine chemische Veränderung hervorruft. Er erklärte aber auch schon Kurz- und Weitsichtigkeit und das räumliche (stereoskopische) Sehen durch Zusammenwirken beider Augen.
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Einen großen sphärischen Kupferspiegel schliff der Mathematiker, Naturwissenschaftler und Technologe Ehrenfried Walther von Tschirnhaus (1651-1708) um das Jahr 1690 in Dresden. Tschirnhaus befaßte sich auch mit gläsernen Spiegeln und Linsen zur Erzeugung hoher Temperaturen.

Vor allem aber verwendete Tschirnhaus seinen Spiegel für die (früheste deutsche) Porzellanherstellung. Der häufig als Porzellanerfinder apostrophierte J. F. Böttger war sein Gehilfe.

Ebenfalls in Dresden arbeitete Andreas Gärtner (1684-1724), ein vielseitiger Mechaniker, den man dank seiner technischen Fähigkeiten den sächsischen Archimedes nannte. Gärtner, ein gelernter Tischler, verfertigte als Hofmechanikus und Modellmeister am sächsischen Hof riesige hölzerne Hohlspiegel mit Blattgoldbelag, mit deren Hilfe er Eier und Fische briet, Knochen und Muscheln verbrannte, das Kaminfeuer entzündete und Münzen zum Schmelzen brachte.

Im heißen Sommer brachte er ein Stück Eis in den Brennpunkt eines Spiegels und verspürte noch in einer Entfernung von 20 Schritten eine angenehme Kühle.

Übrigens bastelte Andreas Gärtner auch eine Reihe von Zerrspiegeln, wie sie heute noch auf Jahrmärkten üblich und beliebt sind. Brennspiegel spielen heute eine große Rolle als Scheinwerferspiegel und auf dem Gebiet der astronomischen Optik. Weniger verbreitet sind Wölbspiegel, deren Wirkung derjenigen von Zerstreuungslinsen gleichkommt.
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