Wärme ist Ausdruck von Energie, Licht ebenfalls. Wärme nimmt man über die Haut wahr, Licht über die Augen. Man kann Wärme mit Hilfe einer speziellen Kamera auch für die Augen sichtbar machen. Um die Wärme des Lichts auf der Haut zu spüren, braucht man nur sein Gesicht in die Sonne zu halten. Mit anderen Worten, bereits die Sinnesorgane bezeugen die Ähnlichkeit von Wärme und Licht. Allerdings braucht man für das „Sehen“ von Wärme ein Hilfsmittel. Außerdem gibt es „kaltes“ Licht, das die Haut nicht erwärmt. Das heißt, Wärme und Licht sind nicht identisch. Sie müssen also etwas Gemeinsames haben und etwas, in dem sie sich unterscheiden.

Ferdinand meinte, ich sollte jetzt Kaffee kochen. Dafür braucht man heißes Wasser beziehungsweise einen Wasserkocher. So ein Wasserkocher wird mit Strom betrieben. Strom, das sind Elektronen, die in die Heizplatte fließen und dort zur Erwärmung führen. Die Heizplatte wiederum erwärmt das Wasser, was nichts anderes heißt, als dass die Wassermoleküle ihre Bewegung intensivieren. Sie werden derart stark angeregt, dass sich Moleküle aus dem Verbund des Wassers lösen und in einen gasförmigen Zustand wechseln. Da sich die Heizplatte am Boden des Wasserkochers befindet, entsteht dort, das heißt am Boden des Wasserkochers, das Gas, der Wasserdampf. Er ist leichter als das Wasser und steigt nach oben. Dabei stoßen die Moleküle des Wasserdampfs die Wassermoleküle an. Das Wasser beginnt zu wackeln. Ein wenig noch, und schon kocht es. Ich kann den Kaffee aufgießen und mich wieder in aller Ruhe den Phänomenen von Wärme und Licht zuwenden. Beide sind Ausdruck von Energie, das heißt von Bewegung. Die Unterscheidung, ob man Energie als Wärme oder als Licht wahrnimmt, muss also irgendwie mit der Spezifik ihrer Bewegung zusammenhängen.

Ferdinand ließ mir aber keine Ruhe, denn narürlich entsprang seine Anregung zum Kaffeekochen nicht reiner Sorge um mein Wohlbefinden. Er wollte, dass ich darüber nachdachte, was beim Erhitzen des Wassers tatsächlich geschieht. Die Elektronen, die durch den elektrischen Strom zum Metall der Heizplatte gelangten, führten dazu, dass sich diese erhitzte. Ist das wirklich so? Wandern tatsächlich massenhaft Elektronen vom Stromkabel in die Heizplatte? Das würde ja bedeuten, dass sowohl die Strukturen im Stromkabel wie auch die in der Heizplatte ständig Elektronen aus ihrem Verbund entlassen und neue Elektronen einbauen müssten. Dieser ständige Wechsel könnte sich zu einem ziemlich instabilen Gerangel auswachsen, was ja niemand will, auch die Atome und Moleküle nicht. Daher wird es wohl eher so sein, dass den Elektronen mit dem, was wir als Strom bezeichnen, Energie, das heißt Bewegung, von außen zugeführt wird, die sie aber nicht brauchen können. Sie haben deshalb nichts Besseres im Sinn, als die empfangene Energie so schnell wie möglich weiterzugeben. Vereinfacht könnte man vielleicht sagen, ein Elektron schubst das nächste an und diese Bewegung pflanzt sich fort.

Sich massenhaft fortpflanzende Bewegungen nehmen häufig eine Wellenform an, was man im Wasser oder in der Luft sehr gut beobachten kann. Deren Bestandteile bewegen sich in Schwingungen, die sich zu Wellen vereinen. Wenn sich Elektronen in ähnlicher Weise ausbreiten, würde eine elektromagnetische Welle entstehen, so die Überlegung. Das Ganze hat jedoch einen Haken. Würden sich die Elektronen in Form von Schwingungen bewegen, müssten sie mit den Schwingungen zusätzliche Wege zurücklegen, die bei der Bestimmung ihrer Geschwindigkeit zu berücksichtigen wären. Analoges gilt für Photonen. Das heißt, wenn sich Elektronen oder Photonen mit Lichtgeschwindigkeit im Raum ausbreiten, dann wäre bei der Bestimmung ihrer Gesamtbewegung auch der Weg, den die Schwingungen beschreiben, zu berücksichtigen. Er wäre damit deutlich länger als der Weg, der mit der reinen Ausbreitung im Raum absolviert wird. Das würde jedoch bedeuten, dass die Gesamtgeschwindigkeit des Photons höher sein müsste als die Lichtgeschwindigkeit, die ja nur die Ausbreitung im Raum erfasst. Eine höhere Geschwindigkeit als die Lichtgeschwindigkeit gilt jedoch als ausgeschlossen. Nun haben wir ein Problem. Vielleicht ließe es sich lösen, wenn wir die Bewegung des Lichts als zusammengesetzte Bewegung, das heißt als zwei von einander unabhängige Bewegungen betrachteten. Da es sich aber bei der Ausbreitung und der Schwingung des Photons um Bewegungen ein und desselben Teilchens handelt, kann dieser Ansatz nicht greifen.

Will man bei der These von der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts als höchste mögliche Geschwindigkeit bleiben, muss man also eine andere Erklärung finden. Wir wissen, dass die Bewegungen von Elektronen und Photonen eine Frequenz besitzen, also zyklisch sind. Außer durch Schwingungen kann dieses Kriterium auch durch Drehungen um sich selbst, durch einen Spin, erfüllt werden. Die Drehbewegung hätte den Charme, dass mit ihr kein zusätzlicher Weg zurückgelegt wird. Wird dem Elektron von außen Energie zugeführt, dann wird es beschleunigt, das heißt, die Frequenz seines Spins erhöht sich. Da das Elektron Bestandteil einer Struktur ist, eines Atoms zum Beispiel, würde diese zusätzliche Energie nur stören, vielleicht sogar die Stabilität des Atoms oder Moleküls in Frage stellen. Deshalb versucht das Elektron, die überschüssige Energie schnell weiterzugeben. Diese Weitergabe ist jedoch davon abhängig, dass es genügend andere frei bewegliche Elektronen gibt, die die Bewegungen aufnehmen können. Was passiert, wenn solche Elektronen nicht vorhanden sind? Nicht viel. Legt man zum Beispiel einen elektrischen Strom an eine Keramikmanschette, dann sind praktisch keine frei beweglichen Elektronen, die die Drehbewegung in ausreichender Dichte weitergeben könnten, verfügbar. Nichts passiert, kein Strom nirgends. Außerdem besteht die Möglichkeit, dass das Material, welches die Energie aufnimmt, diese nicht in der gleichen Geschwindigkeit abgeben kann, wie es sie aufnehmen muss. Man könnte dies als Widerstand gegen die Weiterleitung der Energie bezeichnen. In dem aufnehmenden Material verbleibt auf diese Weise ein Energieüberschuss, der in Form von Photonen beziehungsweise als Wärme den Weg nach außen sucht. Auf diese Weise bringt auch die Heizplatte des Wasserkochers das Wasser zum Sieden.

An dieser Stelle müssen wir auf den Unterschied von Licht und Wärme zurückkommen. Beide beruhen auf der Wahrnehmung von Photonen, einmal über die Augen und das andere mal über die Haut. Beide Sinnesorgane können nur Photonen mit bestimmten Frequenzen registrieren. In den Frequenzbereichen, die sie wahrnehmen, gibt es Überschneidungen und Bereiche, die nur einem von beiden vorbehalten sind. Licht, das wir sehen, kann zum Beispiel gleichzeitig wärmen, muss es aber nicht. Es gibt auch „kaltes“ Licht, das kein Wärmegefühl verursacht, das die Wärmesensoren unserer Haut nicht anspringen lässt. Eine Wärmebildkamera wiederum wandelt die Wärmestrahlung, die unsere Augen nicht registrieren können, in sichtbares Licht um. Die strahlenden Objekte können damit aus der Distanz wahrgenommen werden, wozu unsere Haut nur sehr begrenzt in der Lage ist. Damit unsere Haut überhaupt Unterschiede in der Wärme von Objekten aus der Distanz wahrnehmen kann, muss deren Energie schon in großer Intensität bei ihr ankommen. Einen gut geheizten Kachelofen können wir immerhin aus einiger Entfernung spüren.

Was geschieht eigentlich, wenn wir einen Raum beheizen? Nehmen wir als Beispiel eine mit warmem Wasser betriebene Heizungsanlage. Das Wasser wird mit einem Brenner erwärmt. Die Elektronen der Wassermoleküle nehmen die Energie auf und verstärken ihre Bewegungen. Nun wird das Wasser durch die Heizungsanlage gepumpt und erhält die Chance, überschüssige Energie an die Heizungsrohre und Heizkörper abzugeben. Auch die Heizkörper wollen die Energie wieder loswerden und geben sie an die Luft ab. Nur leider, die Luft ist träge. Ehe sie die Energie im Raum verbreitet, können Stunden vergehen. Und dann steigt die warme Luft auch noch nach oben, wo wir uns doch höchst selten aufhalten. Hauptsache die Fliegen an der Decke haben es schön warm. Wieso wärmt aber die Sonne selbst bei frostigen Temperaturen mein Gesicht, während die Heizung Stunden braucht, ehe die Wärme bei mir ankommt? Auch ein Kachelofen wärmt mich, so dass ich den Pullover ausziehen kann, obwohl das Thermometer, das etwas abgeschirmt neben mir liegt, schlappe 15° C anzeigt.

Nehmen wir noch einmal den Wasserkocher zur Hilfe. Beim Wasserkocher hatten wir gesehen, wie die Heizplatte die aufgenommene Energie so schnell wie möglich wieder abgeben wollte. Das Wasser war ihr Opfer, das zum Kochen gebracht wurde. Wie ist das mit der Wärme der Sonne? Bei der Sonnenstrahlung, die ihren Weg durch das Weltall findet, sind Stoffe, über die die Energie weitergeleitet werden könnte, nicht vorhanden. Auch die Strahlungswärme des Ofens nimmt ihren Weg offenbar nicht über die Luft, denn seine Strahlung wirkt beinahe unabhängig von deren Temperatur. Da haben wir es. Es muss einen Unterschied zwischen der Wärmestrahlung und der Weiterleitung von Wärme über andere Stoffe geben. Bei der Strahlung wird die Energie offensichtlich nicht über unzählige Stationen weitergeleitet, die Energie wird vielmehr auf direktem Wege an einen zufällig den Weg kreuzenden Empfänger abgegeben. Im Weltraum ist die Gefahr solcher Zusammenstöße relativ gering, weshalb große Mengen von Photonen die Erde erreichen. Die Menge ist jedenfalls groß genug, dass trotz der Absorption durch die Atmosphäre genügend von ihnen meine Haut erwärmen. Nicht alle Dinge, die mit Photonen beglückt werden, können deren zusätzliche Energie brauchen. Sie wollen diese möglichst schnell wieder loswerden. Weiße Pigmente, zum Beispiel, reflektieren Licht besonders intensiv, das heißt, sie geben die aufgenommene Energie sofort wieder ab, indem sie selbst Photonen emittieren. Andere Stoffe sind nicht so zimperlich und nehmen die ankommend Strahlungsenergie vollständig in sich auf. Wir nehmen sie als schwarz wahr. Wieder andere gehen selektiv vor. Sie absorbieren beziehungsweise reflektieren Energie jeweils in ausgewählten Frequenzbereichen. Diese Unterschiede der Stoffe im Umgang mit ankommender Lichtenergie offenbart sich uns in einer Vielfalt von Farben.

Die Sonne setzt sehr viel Energie frei, die sie in Form von Photonen durch das All schickt. Aber nicht nur die Sonne spendet Energie. Auch die Erde mit allem, was darauf ist, strahlt Energie in den Weltraum ab. In kalten und klaren Nächten merkt man dies besonders, wobei man auch feststellt, dass nicht alle Stoffe in gleicher Weise Energie abgeben. Stoffe, die sich nur langsam erwärmen, halten die Wärme auch längere Zeit. So kühlen Gegenstände aus Metall oder Glas stärker aus als die Luft oder der Erdboden. Autofahrer wissen, dass in solchen Nächten Feuchtigkeit am Auto kondensiert und manchmal sogar gefriert, obwohl auf dem Boden kein Eis zu sehen ist. Ist der Himmel bedeckt, wirken die Wolken als Isolierschicht, die die schnelle Auskühlung der Erde und der Autos darauf verhindert. Warum strahlt die Erde überhaupt Wärme ab? Die Ursache dafür ist wohl in dem allgemeinen Bestreben der Stoffe nach Ausgleich der Energieniveaus zu suchen.Dieses Bestreben zielt eine Erhöhung der Stabilität der Strukturen. Da das Energieniveau der Erde im Vergleich zum „kalten“ Weltraum hoch ist, strahlt sie Energie ab. Wir Erdenbewohner sind jedoch durch mindestens zwei Faktoren begünstigt. Erstens haben wir mit der Sonne einen freigiebigen und nahezu unerschöpflichen Energiespender in unserer Nähe und zweitens reguliert die Atmosphäre der Erde den Energieaustausch, so dass uns die Sonne am Tage nicht verbrennt und die Nacht uns nicht erfrieren lässt. Dieser energetische Vorteil war es, der die Entstehung von Leben ermöglichte. Wird die Isolierschicht jedoch verdichtet, sei es durch Vulkanasche oder durch Abgase, dann kann es ungemütlich werden. Vulkanasche absorbiert die Photonen der Sonne und es wird kalt, Abgase behindern das Abstrahlen von Energie, so dass der Erde warm wird.

Bild: meinpaket.de

zuletzt geändert: 02.06.2019