(Lesezeit ca. 15 Minuten)

Was ist Schall, was ist Licht, und wie wärmt uns die Sonne?

Auch leicht fortgeschrittene Physik bleibt simpel und kann von jedermann verstanden werden, sobald man die Teilchenmechanik erkennt.

Ein Gegenstand trifft auf einen anderen Gegenstand. Es findet ein Stoss statt, eine Übertragung der Bewegungsenergie.  

Das Ergebnis richtet sich nach Masse, Geschwindigkeit, Auftreffwinkel und Oberflächenbeschaffenheit der beiden Gegenstände.

Bei einem Impuls auf sich berührende Teilchen ermöglichen Widerstand (Trägheit), Rückschlag und seitliche Berührungswinkel sowohl ein Verharren (mittlere orangene Kugel) als auch Bewegungen in die Gegenrichtung.

Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Wellen:

1. Wellen im Raum (elektromagnetische Wellen, z.B. Licht).
2. Wellen innerhalb von Ansammlungen von Atomen (Festkörpern, Flüssigkeiten, oder gesättigten Gasen), z.B. Wasserwellen, Hörschall und Festkörperwellen.

Damit sich Wellen verbreiten können, müssen sich Teilchen in einem festen oder gesättigten Verbund ständig anstossen. Die Impulsübertragungen finden analog zur obigen Darstellung statt.

3.1 Schallwellen

Bei einem im Verhältnis zur einzelnen Teilchenmasse starken Impuls entsteht innerhalb der Teilchen eine kurz anhaltende Massenbewegung. Eine Gitarrensaite bewegt Trillionen von Atomen der angrenzenden Luft.

• Die Teilchen selber bewegen sich dabei nur geringfügig hin und her. Sie bleiben vor Ort (siehe rot markiertes Teilchen).
• Innerhalb der Teilchen entsteht eine Verdichtung, gefolgt von einer Entspannung.
• Nicht die Teilchen sondern die Teilchenverdichtungen bewegen sich als Wellen durch den Raum.  

Quadrillionen (und mehr) Teilchen leiten die Bewegungen der Impulse mechanisch und mittels grundsätzlich geradlinigen Bewegungen weiter.

Von Bedeutung ist die Anzahl der Verdichtungsfronten pro Zeiteinheit. Diese Anzahl entspricht der Anzahl Saitenschwingungen pro Zeiteinheit (Frequenz).

• Die Frequenz erreicht unser Trommelfell und bringt es in Schwingung.
• Unser Hirn interpretiert diese Luftvibrationen.
• Wir hören, was sich in der Ferne ereignete. 

Was wir visuell als Welle kennen und bezeichnen unterscheidet sich vom allgemeinen Wellenbegriff der Physik.

Wellenberge und Wellentäler sind im Sprachgebrauch der eigentliche Inbegriff für Wellen. In der physikalischen Realität kommen sie eher selten vor. Oberflächenwellen bei Flüssigkeiten sind nur ein Nebeneffekt.

Innerhalb der Verdichtungsfront stossen die Teilchen sämtliche Nachbarteilchen an.

Gegen oben können Teilchen ausweichen, es entsteht ein Wellenberg.

Wo Impulsauslöser in allen Richtungen von Teilchen eines Mediums umgeben sind (was bei Schall und Licht die Regel ist), verbreiten sich die Impulsfronten grundsätzlich kugelförmig und ohne Wellenberge in sämtliche Richtungen.

Eine Schall- oder Lichtwelle ist eine impulsverursachte, sich grundsätzlich kugelförmig verbreitende Front von Verdichtungen innerhalb stationärer Teilchen, gefolgt von umstandsbedingten Entspannungen. Jede neue Welle (Verdichtungsfront) hat einen neuen Impuls als Ursache.

Linien eignen sich zur Darstellung der Ausbreitung von Wellen, zeigen allerdings nicht die Teilchenmechanik auf. 

In der dreidimensionalen Realität haben die Verdichtungsfronten nicht die Form einer Linie sondern die von Schalen. 

Da die Beugung der Kreislinien mit der Entfernung rasch und stark abnimmt, treffen die Verdichtungsfronten (Kugelflächensegmente bzw. Kreislinien) am Empfangsort als nahezu ebene Flächen ein. Zweidimensional betrachtet handelt es sich um Geraden.

Je nach Anordnung der Impulsverursachung (materielle Beschaffenheit, Form, Grösse und Bewegung) verändert sich die kugelförmige Ausbreitung.

Unverändert bleibt:

• die Frequenz 

• die Teilchen des Übertragungsmediums bleiben vor Ort

• die Ausbreitungsgeschwindigkeit, die abhängig ist von der Reaktions- und Weiterleitungsgeschwindigkeit der Teilchen eines Mediums. 
• • Die Fortbewegungsgeschwindigkeit von Wellen in einem Medium (Wasser, Luft, Raum) ist grundsätzlich konstant.
  • Verändern sich die Bedingungen (Zusammensetzung, Dichte, Temperatur, Tiefe/Umrandung), dann verändert sich auch die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Wellen.

Die häufig angewandte graphische Darstellungsform einer Wellenlinie im Zusammenhang mit Schall und Licht kann zu einer falschen visuellen Vorstellung der tatsächlichen Bewegungsvorgänge führen. 

• Die Wellenlänge ist der geradlinige, räumliche Abstand zwischen den Teilchenverdichtungsfronten.

• Mit einer Wellengrafik auf einer Zeitachse kann z.B. die lokal zu- und abnehmende Teilchendichte und damit die lokale Impulsintensität dargestellt werden.

Wellenförmige oder schlängelnde Bewegungen kommen in der Realität ausserhalb von flexiblen Festkörpern (z.B. Saiten, Seile, Bänder, Membrane, Stäbe, Scheiben, Platten) und Oberflächen von Flüssigkeiten höchst unwahrscheinlich bis gar nicht vor.

Zudem existieren auch keine Einzelteilchen in untenstehender Form oder Bewegung.

Weitere graphische Darstellungen und symbolhafte Abbildungen, die nicht die eigentlichen mechanischen Bewegungen bei der Verbreitung von Schall und Licht wiedergeben:

Die Formulierung "Strahlen" kann ebenfalls eine falsche Vorstellung vermitteln, z.B. dass Parabolantennen Strahlen bündeln.

Mittels Parabolantennen werden als Wellen eintreffende Signale (Teilchenverdichtungsfronten) reflektiert und konzentriert. Dadurch werden schwache, eintreffende Impulse verstärkt und messbar.

Nahezu jeder Festkörper kann kurzzeitig in Schwingung gebracht werden.

Falls er von einem gesättigten Medium umgeben ist, werden dort Wellen verursacht (z.B. Luft- oder Wasserschall).

Je nach materieller Eigenschaft genügt ein einzelner Impuls, um ein andauerndes Schwingen zu erreichen,  oder es bedarf einer anhaltenden Serie von Impulsen. 

Schlagen, Zupfen und Reiben sind Möglichkeiten, um Gegenstände in Schwingung zu versetzen. Die schwingenden Körper verursachen im umliegenden Medium Wellen.

Geeignete Impulsfrequenzen, die mit der natürlichen Eigenschwingung des in Schwingung versetzten Systems übereinstimmen, führen zu immer stärker werdenden Auslenkungen.

Wellen entstehen auch in scheinbar starren Festkörpern, z.B. wenn man mit einem Hammer auf das Ende einer Eisenstange schlägt. Die Welle bewegt sich dann durch den Festkörper. Gleichzeitig werden die feinen Schwingungen zusätzlich an die umliegenden Luftpartikel abgegeben. 

Schallwellen entstehen auch ohne schwingenden Festkörper:

An Kanten bilden sich durch Wechsel der Luftströmung ebenfalls Impulsfrequenzen, z.B. bei Blockflöten und Querflöten, aber auch bei allgemeinen Windgeräuschen, z.B. wenn der Wind "um Häuserkanten pfeift" oder wenn man mit dem Mund Zisch- oder Pfeifgeräusche verursacht.

Bei Blasinstrumenten bestimmt die Länge der Luftsäule die Frequenz und damit die Tonhöhe.

Bei elektromagnetischen Wellen (z.B. Licht) verursachen z.B. Elektronensprünge die Impulse, die durch den Raum weitergegeben werden. 

Analog zu Schallwellen, die ein Ohr erreichen, erreichen diese Lichtwellen unsere Augen oder Messgeräte.

Unser Hirn bzw. Computer verarbeiten die Intensität und die Frequenzen der ursprünglichen Impulse.

Schall oder Licht bewegt sich demnach fort, breitet sich aus, ist aber kein sich fortbewegendes Ding. Es handelt sich um ein dynamisches Bewegungsmuster innerhalb der Einzelteilchen eines Mediums.  Wellen sind "sich fortbewegende Teilchenverdichtungsfronten" oder "räumliche Impulsfortpflanzungen" (bzw. "Verdichtungsfronten", "Impulsfronten" oder "Impulsreihen").

Zwischen Schall und Licht gibt es grundlegende Gemeinsamkeiten: 

• Die Unsichtbarkeit der Teilchen, die die Wellen weiterleiten (Luft und  Raum).

• Die Überlagerung von sich kreuzenden Wellen. Sich entgegenkommende, kreuzende Wellen halten sich nicht auf. Sie gehen durcheinander durch und addieren sich kurzzeitig.

• Die Ausbreitungsgeschwindigkeit innerhalb eines Mediums. Diese ist unter gleichbleibenden Bedingungen in Abhängigkeit von der Teilchenreaktionszeit konstant.

• Die Frequenz (Anzahl Schwingungen pro Sekunde) und die Wellenlänge stehen wegen der konstanten Fortbewegungsgeschwindigkeit in einem direkten Verhältnis. Daher können sie gegenseitig umgerechnet werden:

• Beim Hören und Sehen ist für den Signalempfänger die Frequenz (Anzahl Impulse pro Sekunde) von vorrangiger Wichtigkeit. 
  Unterwasserschall ist im Vergleich zu Luftschall ca. 5 Mal schneller. So verlängert sich die Wellenlänge im Wasser um das 5-fache. Wichtig für das Ohr ist allerdings die Frequenz, die Anzahl ausgesandter bzw. eintreffender Impulse pro Sekunde. Diese bleibt beim Übertritt von einem Medium in das andere grundsätzlich die selbe.
  Obwohl für den Signalempfänger die Frequenz oft von übergeordneter Wichtigkeit ist, wird zur Beschreibung von Wellen häufig die Wellenlänge verwendet.

• Sowohl bei Schall wie auch bei Licht gibt es für unsere Ohren bzw. Augen viele nicht wahrnehmbare niedrige und hohe Frequenzen. Wir hören und sehen nur einen kleinen Teil der möglichen Anzahl Wellen pro Sekunde. 

Ohren nehmen Bewegungsmuster (Vibrationen) innerhalb der Luft oder beim Tauchen innerhalb von Wasser wahr.

Augen nehmen Bewegungsmuster (Vibrationen) innerhalb des Raums wahr.

Auch die Nerven in der Haut nehmen elektromagnetische Wellen wahr: geeignete Frequenzen (z.B. im Mikrowellen oder Infrarotbereich) bringen die Moleküle innerhalb der Haut in Bewegung. Die Nerven registrieren Wärme.

Unterschiede zwischen Schall- und Lichtwellen (= elektromagnetische Wellen):

• Das Medium:
• • Schall verbreitet sich durch Atome und/oder Moleküle.
  • Elektromagnetische Wellen (Licht und andere Frequenzen) verbreiten sich durch Raum.
    Raum ist nicht "Nichts". Genauso wie unsichtbare Luft real ist, ist auch der unsichtbare Raum ein reales Medium. Andernfalls könnten wir keine leuchtenden oder beleuchteten Himmelskörper sehen (mehr dazu in den späteren Kapiteln).

• Die Geschwindigkeit:
  Elektromagnetische Wellen sind mit knapp 300'000 km/s beinahe eine Million Mal schneller als Luftschall  (ca. 1/3 km/s)
• • ca. 200'000 Mal schneller als Unterwasserschall (ca. 1.5 km/s)
  • ca. 50'000 Mal schneller als durch Stahl vermittelter Schall (knapp 6 km/s)
  • ca. 16'600 Mal schneller als durch Diamanten vermittelter Schall (ca. 18 km/s, eine der höchsten Schallverbreitungsgeschwindigkeiten).

• Die Reaktionsfähigkeit:
  Raum kann ca. eine Billiarde Mal mehr Impulse pro Sekunde aufnehmen bzw. weiterleiten als Materie
• • Schall bis maximal 10¹³/sec
  • Elektromagnetische Wellen bis zu 2.42*10²⁸/sec (Wissensstand 2021)
    Raum ist demnach wesentlich feingliedriger und reaktionsschneller als Luft oder feste Materie (mehr dazu in den späteren Kapiteln).

• Magnetische, seitliche Effekte:

• • Schallwellen sind Longitudinalwellen: die Stösse zwischen den Teilchen breiten sich grundsätzlich gradlinig aus. Seitliches Auftreffen führt zu seitlicher Weiterleitung der Impulse. Magnetische Effekte zwischen den unterschiedlich geladenen Teilchenkomponenten (Elektronen und Protonen bzw. Quarks) haben keine signifikante Auswirkung.

Der Raum muss demnach aus unterschiedlich geladenen Teilchenkompositionen bestehen, die sich drehen und so zusätzlich eine magnetische Wirkung in sämtliche Richtungen verursachen können (mehr dazu  in den späteren Kapiteln). 

Transversalwellen kommen ausschliesslich in Festkörpern vor. In Gasen oder Flüssigkeiten würden die seitlichen Auswirkungen verpuffen.

Raum hat daher zwingend Festkörpereigenschaften (mehr dazu  in den  späteren Kapiteln).

Das menschliche Vorstellungsvermögen gelangt hier sehr rasch an Grenzen, genauso das technische Abbildungsvermögen. Falls der zentrale Würfel in der obigen Abbildung einen sich ausbreitenden Impuls eines Elektronensprungs zweidimensional darstellt, wie muss man sich dann die sekündlich Abermilliarden von sich eng nebeneinander ereignenden Elektronensprüngen und deren dreidimensionale, kugelförmige Ausbreitung mit gegenseitiger Auswirkung vorstellen? Es scheint weder vorstellbar noch abbildbar. Wir können einzig die Konsequenzen feststellen.

Lichtbrechung im Prisma

Folgende, häufig gebräuchlichen Abbildungen für elektromagnetische Wellen sind schematisch. Sie können eine stark verfälschte visuelle Vorstellung der Mechanik bzw. der realen Verbreitung von Wellen bewirken.

Tatsächlich finden diese Prozesse in kleinsten Abständen über- und nebeneinander statt, wobei auch diese Abbildung nicht die Mechanik sondern nur ein Schema wiedergibt: