Lichtgeschwindigkeit

Die Lichtgeschwindigkeit c ist eine fundamentale Naturkonstante. Sie beschreibt die Ausbreitungsgeschwindigkeit nicht nur von Licht sondern von allen elektromagnetischen Wellen sowie von Gravitationswellen im Vakuum und beträgt 299.792.458 m/s. In materiellen Medien ist die Lichtgeschwindigkeit kleiner.

Diese Lichtgeschwindigkeit ist unabhängig von der Geschwindigkeit (Maxwellsche Gleichungen) und der relativen Bewegung (Relativitätsprinzip) des Beobachters. Aus diesen beiden Feststellungen folgerte Albert Einstein die komplette  Relativitätstheorie. Laut der Relativitätstheorie stellt die Lichtgeschwindigkeit eine unüberwindbare Geschwindigkeitsobergrenze für die Bewegung von Masse und für die Übertragung von Energie und Information im Universum dar. Masselose Teilchen (wie Photonen) bewegen sich stets mit und massebehaftete Teilchen (wie Protonen) unterhalb dieser Grenzgeschwindigkeit. In der  Speziellen Relativitätstheorie werden über die Lichtkonstante C Energie und Masse in der Äquivalenz E = mc² und Raum und Zeit zur Raumzeit verknüpft.

Das Sonnenlicht braucht ungefähr 8 Minuten und 17 Sekunden bis zur Erde.
Das Sonnenlicht braucht ungefähr 8 Minuten und 17 Sekunden bis zur Erde.

Geschichte

a. Endlichkeit und Unendlichkeit

Die Lichtgeschwindigkeit ist so hoch, dass das Entzünden eines Lichts augenscheinlich überall gleichzeitig wahrgenommen werden kann. Aber stimmt das wirklich? Die Frage, ob das Licht sich unendlich oder endlich schnell ausbreitet, beschäftigte bereits antike Philosophen. Empedokles glaubte, Licht sei etwas, das sich in Bewegung befände und daher Zeit brauche, um Entfernungen zurückzulegen. Aristoteles meinte dagegen, Licht komme von der bloßen Anwesenheit von Objekten her, sei aber nicht in Bewegung. Aufgrund seines Ansehens und Einflusses fand Aristoteles’ Theorie allgemeine Akzeptanz.

Zu Beginn des 17. Jahrhunderts glaubte der Astronom Johannes Kepler, dass die Lichtgeschwindigkeit zumindest im Vakuum unendlich sei, da der leere Raum für Licht kein Hindernis darstelle. Hier findet sich bereits die Idee, dass die Geschwindigkeit eines Lichtstrahls vom durchquerten Medium abhängig sein könnte. Francis Bacon argumentierte, dass das Licht nicht notwendig unendlich schnell sein müsse, sondern vielleicht nur schneller als wahrnehmbar. René Descartes ging von einer unendlich großen Lichtgeschwindigkeit aus.

Dem stehen um das Jahr 1700 die Theorien von Isaac Newton und Christiaan Huygens mit endlicher Lichtgeschwindigkeit gegenüber. Newton sah Licht als einen Strom von Teilchen an, während Huygens Licht als eine Welle deutete (siehe heute: Welle-Teilchen-Dualismus). Da es zu Huygens Zeit die erste Messung der Lichtgeschwindigkeit gab, die seiner Meinung nach viel zu hoch war, als dass Körper mit Masse diese erreichen könnten, schlug er mit dem Äther ein elastisches (weder sicht- noch messbares) Hintergrundmedium vor, das die Ausbreitung von Wellen gestatte, ähnlich dem Schall in der Luft.

b. Messung der Lichtgeschwindigkeit

Galileo Galilei versuchte um 1600 als Erster, die Geschwindigkeit des Lichts mit wissenschaftlichen Methoden zu messen, indem er sich und einen Gehilfen mit je einer Signallaterne auf zwei Hügel mit bekannter Entfernung postierte. Der Gehilfe sollte Galileis Signal unverzüglich zurückgeben. Mit einer vergleichbaren Methode hatte er bereits erfolgreich die Schallgeschwindigkeit bestimmt. Zu seinem Erstaunen verblieb nach Abzug der Reaktionszeit keine wiederholbar messbare Zeit. Dies änderte sich auch nicht, als die Distanz bis auf maximal mögliche Sichtweite der Laternen erhöht wurde. Galilei deutete das Ergebnis so, dass die Lichtgeschwindigkeit zwar endlich, aber dabei so hoch ist, dass sie experimentell nicht mehr bestimmt werden kann.

Die erste erfolgreiche Abschätzung der Lichtgeschwindigkeit gelang dem dänischen Astronomen Ole Rømer im Jahr 1676. Er untersuchte die Bewegung des Jupitermonds Io mit seinem Teleskop. Aus dem Ein- beziehungsweise Austreten aus Jupiters Schatten ließ sich die mittlere Umlaufzeit des Mondes zu etwa 42,5 Stunden ermitteln. Mit diesem Wert lässt sich der Zeitpunkt der Verfinsterung des Mondes vorhersagen. Doch Rømer bemerkte, dass die berechneten Werte nicht genau mit den Zeitpunkten des Ein- bzw. Austritts aus dem Schatten des Jupiters übereinstimmten: Im Laufe eines Jahres ging der Mond erst zunehmend vor, dann zunehmend nach. Rømer deutete diese Zeitverschiebung durch eine unterschiedliche Laufzeit des Lichtes abhängig vom jeweiligen Abstand zwischen Mond Io und der Erde. Er schloss daraus, dass das Licht sich nicht augenblicklich, sondern mit einer endlichen, aber sehr hohen Geschwindigkeit ausbreitet.

Die erste irdische Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit gelang Armand Fizeau mit der Zahnradmethode. Er sandte 1849 Licht durch ein rotierendes Zahnrad auf einen mehrere Kilometer entfernten Spiegel, der es wieder zurück durch das Zahnrad reflektierte. Je nachdem, wie schnell sich das Zahnrad dreht, fällt das reflektierte Licht, das auf dem Hinweg eine Lücke des Zahnrads passiert hat, entweder auf einen Zahn, oder es gelangt wieder durch eine Lücke, und nur dann sieht man es. Fizeau kam damals auf einen um 5 % zu großen Wert. Léon Foucault verbesserte 1850 die Methode weiter, indem er mit der Drehspiegelmethode die Messstrecken deutlich verkürzte. Damit konnte er erstmals die Materialabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit nachweisen: Licht breitet sich in anderen Medien langsamer aus als in Luft. Foucault veröffentlichte sein Ergebnis 1862 und gab zu c zu 298.000 Kilometern pro Sekunde an.

Versuchsaufbau des Experiments von Fizeau
Versuchsaufbau des Experiments von Fizeau
Versuchsaufbau des Experiments von Foucault
Versuchsaufbau des Experiments von Foucault

c. Konstanz der Lichtgeschwindigkeit

James Bradley konnte mit seinen Untersuchungen zur Aberration von 1728 erstmals Aussagen über die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit treffen. Er beobachtete, dass die Aberration für alle Sterne in der gleichen Blickrichtung während eines Jahres in identischer Weise variiert. Daraus schloss er, dass die Geschwindigkeit, mit der Sternenlicht auf der Erde eintrifft, im Rahmen seiner Messgenauigkeit von etwa einem Prozent für alle Sterne gleich ist. Um zu klären, ob diese Eintreffgeschwindigkeit davon abhängt, ob sich die Erde auf einen Stern zu oder von ihm weg bewegt, reichte diese Messgenauigkeit nicht aus. Diese Frage untersuchte zuerst François Arago 1810 anhand der Messung des Ablenkwinkels von Sternenlicht in einem Glasprisma. Auch wenn Arago noch von der Korpuskulartheorie des Lichtes ausging, kann seine Messung als erster experimenteller Nachweis der Lichtkonstante betrachtet werden.

Albert A. Michelson und Edward W. Morley führten 1887 das bedeutsame  Michelson-Morley-Experiment zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Erde relativ zum Äther durch. Dazu wurde die Abhängigkeit der Lichtlaufzeiten vom Bewegungszustand des Äthers untersucht. Das Experiment ergab wider Erwarten stets die gleichen Laufzeiten. Das führte zu dem zunächst unbefriedigenden Ergebnis, dass das Äthersystem zwar als existent, aber unentdeckbar angenommen wurde. Albert Einstein löste diese unbefriedigende Situation, indem er die konventionellen Vorstellungen von Raum und Zeit sowie die Annahme eines Äthers aufgab und durch das Relativitätsprinzip sowie die Lichtkonstanz ersetzte

 

Schematischer Aufbau des Michelson-Morley-Experiments
Schematischer Aufbau des Michelson-Morley-Experiments

Bildurheber: nd (CC BY-SA 2.0 DE)

Mit dem Michelson-Morley-Experiment wurde zwar die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit für einen mit der Lichtquelle mitbewegten Beobachter bestätigt, jedoch keineswegs für einen nicht mit der Quelle mitbewegten Beobachter. Denn das Experiment kann auch mit einer Emissionstheorie erklärt werden, wonach die Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen lediglich konstant relativ zur Emissionsquelle ist. Jedoch würde eine Emissionstheorie eine völlige Reformulierung der Elektrodynamik erfordern, wogegen der große Erfolg von Maxwells Theorie sprach. Mittlerweile wurde die Emissionstheorie auch experimentell widerlegt. Die Lichtgeschwindigkeit ist also auch unabhängig von der relativen Bewegung immer konstant. Bzw: Licht überholt nicht Licht.

Auch wenn die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit vielfach nachgewiesen wurde, gibt es bis heute keine ausreichende Erklärung dafür, warum die Lichtgeschwindigkeit konstant ist und gerade diesen Wert hat. Die Schleifenquantengravitation diktiert, dass die Geschwindigkeit eines Photons nicht als Konstante definiert werden kann, sondern dass ihr Wert von der Photonfrequenz abhängt. Andere Theorien besagen, dass die Lichtgeschwindigkeit im frühen Universum nicht konstant war. Albrecht und Magueijo zeigen, dass die kosmologischen Evolutionsgleichungen zusammen mit einer variablen Lichtgeschwindigkeit die Probleme des Horizonts, der Flachheit und der kosmologische Konstante lösen können (siehe auch: variable Naturkonstanten?).

2. Überlichtgeschwindigkeit

àÜberlichtgeschwindigkeit

Stand: 2018

Kommentare: 3
  • #3

    WissensWert (Sonntag, 14 Oktober 2018 17:25)

    https://www.youtube.com/watch?v=dUAItGL4aik

  • #2

    WissensWert (Sonntag, 14 Oktober 2018 17:25)

    https://www.youtube.com/watch?v=Lq6CBBGIOg0

  • #1

    WissensWert (Sonntag, 14 Oktober 2018 17:22)

    https://www.youtube.com/watch?v=b5tW7x_Tmzk&feature=youtu.be


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