Zeichnung Mensch am Strand mit Wellen

Wellen­typen

Beobachten wir, wie die Sonne auf den Meereswellen glitzert, und hören wir das Rauschen der Brandung, nehmen wir drei verschiedene Wellen wahr: Wasserwellen, Schall und Licht. Sie sind Beispiele für physikalische Wellen und können verschiedenen Wellentypen zugeordnet werden.

Beschreibung einer Welle

Liegen wir auf einer Luftmatratze im Meer, spüren wir, wie sich an einem Ort Wellenberge mit Wellentälern abwechseln: Die Wasseroberfläche bewegt sich um eine Ruheposition auf und ab. Diese Schwingungen können unterschiedlich schnell sein. Auch können Wellenberge und -täler dabei unterschiedlich hoch bzw. tief sein und unterschiedlich eng zusammenliegen. Diese Merkmale sind allen physikalischen Wellen gemein und werden durch ihre jeweilige Frequenz, Amplitude und Wellenlänge beschrieben.

Mechanische Wellen

Schallwellen, Wasserwellen und Erdbebenwellen sind mechanische Wellen. Um sich auszubreiten, brauchen sie Materie (z. B. Luft, Wasser, die Erde), welche sie zum Schwingen bringen. Dadurch wird die Materie kurzfristig gestört und durch eine Rückholkraft, z. B. bei Wasserwellen die Schwerkraft, wieder ins Gleichgewicht gebracht. Die Störung breitet sich als Welle aus, weil jedes schwingende Materieteilchen seine Bewegung bzw. Energie auf seine benachbarten Teilchen überträgt.

Oberflächenwellen

Oberflächenwellen breiten sich entlang von Oberflächen aus, indem sie diese zum Schwingen bringen. Bei Wasserwellen wird die Wasseroberfläche aus dem Gleichgewicht gebracht. Wasserwellen werden meist durch Wind und Stürme ausgelöst und umfassen nur die oberen Bereiche der Wassersäule. Bei Tsunamis hingegen umfasst die «Oberfläche» die gesamte Wassersäule bis zum Grund. – Auch an der Erdoberfläche gibt es Oberflächenwellen. Bei Erdbeben sind diese in der Regel für die grössten Schäden verantwortlich.

Raumwellen

Wenn wir sprechen, entsteht eine Schallwelle, die sich in alle Raumrichtungen ausbreitet. Dadurch kann sie von Personen um uns herum gehört werden. Die Worte werden als Druckwelle übertragen, d. h. die Luft wird in Richtung der Schallausbreitung zusammengedrückt und gedehnt. Je stärker dieses Drücken und Dehnen ist, desto grösser ist die Amplitude der Schallwelle bzw. ihre Lautstärke. Und je schneller Druck und Dehnung aufeinanderfolgen, desto höher ist die Frequenz und damit der Ton. Unsere Ohren können nur in einem bestimmten Frequenzbereich hören: Darunterliegende Frequenzen nennen wir Infraschall, darüberliegende Ultraschall.

Druckwellen können sich nicht nur in der Luft, sondern auch in Flüssigkeiten und Festkörpern ausbreiten. Darum können wir auch im Wasser und durch Wände hindurch hören. Auch in der festen Erde gibt es Druckwellen. Eine solche ist die schnellste Erdbebenwelle, die P-Welle (P für engl. pressure; primary).

Während in Luft und Wasser nur Druckwellen möglich sind, gibt es in Festkörpern auch sogenannte Scherwellen. Hierbei schwingen die Teilchen ausschliesslich senkrecht zur Ausbreitungsrichtung – sie «scheren aus». Scherwellen entstehen bei einem Erdbeben gleichzeitig mit den Druckwellen und breiten sich ebenfalls in alle Raumrichtungen aus. Sie sind langsamer als die P-Wellen und die zweitschnellsten Erdbebewellen. Man nennt sie S-Wellen (S für engl. shear; secondary).

Elektro­magnet­ische Wellen

Bei elektromagnetischen Wellen wie Licht schwingen elektromagnetische Felder. Sie können sich in Materie und im Vakuum ausbreiten. Die Schwingungen werden ausgelöst durch beschleunigte geladene Teilchen (Protonen, Elektronen), welche die sie umgebenden elektromagnetischen Felder stören. Die Störung breitet sich als elektromagnetische Welle in alle Richtungen aus. Dabei schwingt die Welle senkrecht zur Ausbreitungsrichtung.

Je stärker sich die Beschleunigung des Teilchens ändert, desto grösser ist die Schwingung des Feldes und desto grösser ist die Amplitude der Welle. Beim sichtbaren Licht bedeutet dies, dass es heller ist. Je schneller sich die Beschleunigung des Teilchens ändert, desto schneller ist die Schwingung des Feldes und desto höher ist die Frequenz der Welle. Beim sichtbaren Licht bedeutet dies eine andere Farbe. Der gesamte Frequenzbereich der elektromagnetischen Wellen wird als elektromagnetisches Spektrum bezeichnet.

Auch wir selbst strahlen ständig elektromagnetische Wellen in Form von Wärme (Infrarotstrahlung) ab. Diese entsteht, weil in unserem Körper geladene Teilchen vibrieren. Je wärmer etwas ist, desto schneller vibrieren die Teilchen und desto höher ist die Frequenz der abgestrahlten elektromagnetischen Wellen. Die Wärme eines Materials ist sichtbar, sobald dieses so heiss ist, dass ein Teil der entstehenden Strahlung im für uns sichtbaren Bereich liegt – es glüht.

Strahlung

Der Begriff Strahlung wird bei den elektromagnetischen Wellen für hochfrequente und daher energiereiche Wellen wie Röntgen- und Gammastrahlung benutzt. Es gibt aber auch Teilchenstrahlung, bei welcher Energie durch Teilchen (Materie) transportiert wird. Dazu zählen radioaktive Alpha- und Betastrahlung sowie kosmische Strahlung. Doch ob Welle oder Teilchen: Strahlung mit mehr Energie als ultraviolette bzw. UV-Strahlung ist ionisierend, d. h. sie kann Elektronen aus Atomen herausschlagen und daher für Lebewesen schädlich sein.

Welle-Teilchen-Dualismus

Bei der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen wird – wie bei allen Wellen – Energie transportiert. Entsprechend ist die Energie lückenlos überall dort verteilt, wo die Welle sich ausbreitet. Experimente haben jedoch gezeigt, dass sich die Energie elektromagnetischer Wellen auch wie Teilchen verhält und aus einzelnen masselosen Energiepaketen besteht (Lichtteilchen bzw. Photonen). Dies bedeutet, dass die Energie nicht lückenlos verteilt ist, sondern nur dort anzutreffen ist, wo ein Photon ist. Tatsächlich ist beides gleichzeitig der Fall: Die Energie ist sowohl lückenlos verteilt als auch in Photonen gebündelt.

Ebenso können sich Materieteilchen wie Wellen verhalten: Im Alltag machen wir die Erfahrung, dass Objekte, die ja aus Teilchen aufgebaut sind, klar begrenzt sind und somit auch ihre Energie. In Experimenten beobachtet man allerdings, dass die Energie gleichzeitig auch lückenlos verteilt ist – wie bei einer Welle.

Welle ist also immer auch Teilchen und Teilchen immer auch Welle. Dieser Welle- Teilchen-Dualismus bildet die Grundlage der Quantenphysik. Diese beschreibt die Realität zwar mathematisch sehr genau, aber die anschaulichen Begriffe wie Welle und Teilchen stossen hierbei an ihre Grenzen.

Gravitations­wellen

Gravitationswellen dehnen und stauchen das All. Das heisst, sie lassen die Raumzeit – also den dreidimensionalen Raum und die Zeit – schwingen. Dabei werden kurzfristig Objekte wie Planeten verformt und deren Abstand zueinander verändert. Gravitationswellen entstehen, wenn Massen beschleunigt werden wie z. B. bei der Kollision von schwarzen Löchern: Je schneller die Massen umeinander rotieren und sich dabei näher kommen, desto höher ist die Frequenz der Gravitationswellen und desto schneller wechseln sich Stauchen und Dehnen ab. Je grösser die Massen sind, desto grösser ist die Amplitude der Wellen und desto stärker ist die Verformung der Raumzeit. Gravitationswellen haben typischerweise sehr grosse Wellenlängen. – Auch wir lösen mit unseren Bewegungen Gravitationswellen aus. Diese sind aber so winzig, dass sie nicht gemessen werden können.