Optik

Zehn Jahre dauert es, bis die Raumsonde Rosetta am 12. November 2014 den Kometen Tschurjumow-Gerassimenko erreicht – 500 Millionen Kilometer von der Erde entfernt. Kometen sind vor allem bekannt für ihren charakteristischen Schweif. Doch diesmal interessieren sich die Wissenschaftler besonders für den eisigen Kometenkern:

Die von Max-Planck-Forschern entwickelte Spezialkamera an Bord der Sonde sendet spektakuläre Bilder zur Erde. Der Datenflug durchs All dauert dabei gerade einmal 28 Minuten und 20 Sekunden. Nie zuvor hat jemand solche Details gesehen. Selbst mit den besten Teleskopen wären sie von der Erde aus nicht zu erkennen.

Die Raumsonde Rosetta vor dem Kometen Tschurjumow-Gerassimenko (Collage)

Wo sind die Grenzen des Sehens? Der deutsche Physiker Ernst Abbe berechnet 1873, dass ein Lichtmikroskop nur Details zeigen kann, die mindestens eine halbe Wellenlänge des verwendeten Lichts voneinander entfernt sind. Physiker glauben daher lange, dass die Auflösung eines Lichtmikroskops nicht besser sein kann als 200 Nanometer.

Doch 1999 wird diese Grenze überschritten: Das von dem Göttinger Physiker Stefan Hell entwickelte STED-Mikroskop zeigt Details, die nur wenige Nanometer groß sind. Der Trick: Die winzigen Strukturen werden zum Leuchten gebracht – anschließend wird ein Teil des Lichts, das sie abstrahlen, mit einem zweiten, speziellen Lichtstrahl wieder abgeschaltet. Dies verhindert, dass sich nahe beieinanderliegende Strukturen gegenseitig überstrahlen.

Ein Nanometer sind 0,000000001 Meter. Damit ist das STED-Mikroskop um das zehn- bis hundertfache leistungsfähiger als ein klassisches Lichtmikroskop.
» Video: „STED – Lichtblicke in die Nanowelt“

Proteinstrukturen in einer Zelle unter dem STED-Mikroskop

Proteinstrukturen in einer Zelle mit einem konventionelles Mikroskop

Wie denken, fühlen und lernen wir? Diese Fragen lassen sich nur beantworten, wenn man Aufbau und Funktion des Gehirns genau versteht. Dazu ist es notwendig, einzelne Nervenzellen und ihre Aktivitäten sichtbar zu machen. Der Biophysiker Winfried Denk entwickelt Ende der 1980er Jahre das Lichtmikroskop weiter zum Zwei-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskop:

Ein Laser sendet Photonen, also Lichtteilchen, so in die Probe hinein, dass sie sich an einem genau definierten Punkt überlagern und verstärken. Auf diese Weise können die Forscher unter anderem circa einen Millimeter weit ins lebendige Hirngewebe hineinsehen und so das Gehirn direkt "bei der Arbeit" beobachten.

Gerade in der Hirnforschung bieten die neuen lichtmikroskopischen Verfahren große Möglichkeiten. Denn im Gegensatz zur Elektronenmikroskopie können mit ihnen lebende Zellen und Gewebe untersucht werden.

Lebende Netzhautzelle unter dem Zwei-Photonen-Fluoreszenz-Mikroskop

Ebola, Aids, Pocken, Masern, Grippe – viele gefährliche Krankheiten werden durch Viren übertragen. Dennoch dauert es lange, bis die Forscher diese Krankheitserreger identifizieren können. Der Grund: Viren sind winzig, viel kleiner als Bakterien. Unter dem klassischen Lichtmikroskop sind Viren nicht sichtbar.

Erst das Elektronenmikroskop, eine Erfindung des deutschen Physikers Ernst Ruska, erlaubt 1931 den Blick in die Nano-Welt. Anstelle von Licht verwendet Ruska kurzwellige Elektronenstrahlen. Zusammen mit seinem Bruder, dem Mediziner Helmut Ruska, kann der Physiker als Erster Viren genau beobachten und klassifizieren. 1986 erhält Ernst Ruska für seine Erfindung den Nobelpreis für Physik.

Moderne Elektronenmikroskope erreichen eine Auflösung von bis zu 0,1 Nanometer und ermöglichen Forschern zum Beispiel die genaue Untersuchung von Proteinen.

Ernst Ruska am Elektronenmikroskop, um 1955

Modernes Elektronenmikroskop

1846 entdeckt der Berliner Astronom Johann Gottfried Galle den Planeten Neptun. Das Fernrohr, das er dafür benutzt, ist das Beste vom Besten seiner Zeit. Es stammt aus der Werkstatt des bayerischen Optikers Joseph von Fraunhofer – nur er allein kann Anfang des 19. Jahrhunderts Linsen ohne Schlieren und Blasen in höchster Qualität herstellen.

Moderne Teleskope sind um ein Vielfaches leistungsfähiger: Das Very Large Telescope (VLT) beispielsweise, das aus vier großen miteinander verbundenen Teleskopen besteht, könnte selbst die Scheinwerfer eines Autos auf dem Mond noch als getrennte Lichtpunkte erkennen. Max-Planck-Wissenschaftler erforschen mit dem VLT derzeit das Schwarze Loch im Zentrum unserer Milchstraße.

Fast kann man die Sterne greifen am klaren Himmel über der Wüste

Das Very Large Telescope (VLT) in der chilenischen Atacama-Wüste