Das Prisma: weißes Licht zerlegen

Weißes Licht ist ein Gemisch. Das Prisma sortiert es, weil die Brechzahl des Glases für jede Farbe ein klein wenig anders ist: Violett wird am stärksten gebrochen, Rot am schwächsten. Das nennt man Dispersion, und das entstehende Farbband heißt Spektrum. Die entscheidende Frage lautet: Erzeugt das Prisma die Farben, oder legt es nur offen, was im Weiß schon steckt? Zwei Kontrollversuche beantworten sie eindeutig.

Hier lernt man das vielleicht wichtigste Denkmuster des Experimentierens überhaupt: Eine schöne Beobachtung (das Farbband!) hat zwei konkurrierende Erklärungen, und erst gezielt gebaute Kontrollversuche entscheiden zwischen ihnen. Newtons Doppelprobe von 1666 ist das historische Musterbeispiel. Nebenbei erklärt der Versuch den Regenbogen, die Farbsäume an billigen Linsen und das Schillern geschliffenen Glases.

Newton kaufte sein Prisma 1666 auf einem Jahrmarkt. Farbige Prismenbilder kannte man längst, hielt die Farben aber für Glas-Zauber. Newtons „experimentum crucis“ (die Doppelprobe dieser Anleitung) drehte die Beweislast um: Die Farben stecken im Licht. Aus dem Spektrum wurde später die Spektralanalyse; Fraunhofer fand 1814 dunkle Linien im Sonnenspektrum, der Beginn der Astrophysik.

Probe 1: Blende aus dem Spektrum nur das grüne Licht aus und schicke es durch das zweite Prisma. Probe 2: Sammle das komplette Spektrum mit der Sammellinse auf einen Fleck. Formuliere vorher, was jede der beiden Erklärungen jeweils vorhersagt.

Zwei Erklärungen, vier Vorhersagen:

Erklärung A („Das Glas färbt das Licht“): Dann müsste das zweite Prisma auch aus dem grünen Licht wieder ein Farbband machen, denn es färbt ja alles, was durchläuft. Und aus dem bunten Spektrum könnte keine Linse je Weiß zurückholen, denn das Weiß wäre beim Färben verloren gegangen.

Erklärung B („Das Licht ist ein Gemisch, das Prisma sortiert“): Dann ist die ausgeblendete Einzelfarbe bereits rein und lässt sich nicht weiter zerlegen. Das zweite Prisma kann sie nur noch ablenken. Und die Linse muss aus dem vollständigen Farbfächer wieder Weiß zusammensetzen können, denn Sortieren ist umkehrbar.

Die zwei Proben trennen die Erklärungen vollständig, weil jede Kombination der Ergebnisse genau eine widerlegt. Das macht den Versuch zum „experimentum crucis“, zum Kreuzungs-Experiment, an dem sich die Wege scheiden.

Schlitzblende auf einen schmalen Grünstreifen des Spektrums justieren; zweites Prisma dahinter in gleicher Orientierung; für Probe 2 die Blende entfernen und die Linse so stellen, dass der ganze Fächer sie füllt.

Zwei Zeilen: oben Spalt-Prisma-Blende-zweites Prisma-Schirm (grüner Fleck, nur versetzt); unten Spalt-Prisma-Linse-Schirm (weißer Fleck im Brennbereich).

Aufbau: Experimentierleuchte mit engem Spalt, Geradsichtprisma oder gleichseitiges Glasprisma auf Drehhalter, weißer Schirm, Schlitzblende zum Ausblenden einzelner Farben, zweites Prisma, Sammellinse (f ≈ 10 cm); abgedunkelter Raum.

Probe 1: Grünstreifen isolieren, zweites Prisma einsetzen, Schirmbild dahinter beschreiben; zur Kontrolle mit Rot wiederholen. Probe 2: Linse ins volle Spektrum, Schirm durch den Brennbereich schieben und die Farbfolge auf dem Fleck beobachten.

Erklärung A ist doppelt widerlegt: Das zweite Prisma hat aus Grün kein Farbband gemacht, denn es gab nichts zu färben. Und die Linse hat aus dem Fächer das Weiß zurückgeholt. Was sich durch bloßes Zusammenführen wiederherstellen lässt, war nie zerstört, nur auseinandergelegt. Beide Proben sprechen dieselbe Sprache: Die Farben stecken im Licht; das Prisma ist ein Sortierer, kein Färber. Weißes Licht ist das vollständige Gemisch aller Spektralfarben.

Das Nebenergebnis der Rot-Kontrolle: Rot wurde vom zweiten Prisma schwächer abgelenkt als Grün. Jede Spektralfarbe trägt also ihre eigene, feste Brechzahl mit sich. Genau deshalb funktionierte die Sortierung im ersten Prisma, und deshalb bleibt eine sortierte Farbe unter jeder weiteren Brechung stabil. „Rein“ heißt hier: eine Brechzahl, keine Mischung.

Warum dieses Denkmuster größer ist als die Optik: Newtons Aufbau ist das Urbild des Kontrollversuchs. Nicht die schönste Beobachtung entscheidet, sondern die gezielt gebaute Situation, in der konkurrierende Erklärungen Verschiedenes vorhersagen. Dieses Muster (erst die Vorhersagen beider Erklärungen aufschreiben, dann den trennenden Versuch bauen) kehrt in jedem guten Experiment wieder, vom Bimetallstreifen mit seiner Heizseiten- gegen Material-These bis zur modernen Forschung.

Einzelfarben sind unzerlegbar, das vereinigte Spektrum ist wieder weiß. Beide Proben widerlegen die Färbe-These: Das Prisma sortiert das im weißen Licht steckende Farbgemisch. Newtons experimentum crucis, im Klassenraum wiederholt.

Die Beweiskraft hängt an der Reinheit der Proben: