Lichtgeschwindigkeit
Als Lichtgeschwindigkeit (Formelzeichen c von lat. celeritas: ?Schnelligkeit?) bezeichnet man eine Naturkonstante, die die physikalische Wirklichkeit maßgeblich bestimmt, in der Physik eine zentrale Rolle spielt und deren Entdeckung weitreichende Konsequenzen für die physikalische Weltsicht und unser Verständnis von Raum und Zeit hat. Sie ist nach Einsteins Relativitätstheorie die maximal erreichbare Geschwindigkeit, nicht nur von Licht, sondern auch von jeder anderen Form der Energie, Information oder Wirkung.Wenn in der Physik der Begriff ?Lichtgeschwindigkeit? verwendet wird, ist in der Regel die Konstante gemeint, die mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit identisch ist. Sie wurde nach der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts und anderer elektromagnetischer_Wellen im Vakuum benannt, an der sie nach vielen historisch erfolglosen Versuchen erstmals von Ole Rømer im Jahr 1676 erfolgreich nachgewiesen und geschätzt wurde. Aber erst Einstein erkannte, dass diese Geschwindigkeit ein bedeutendes physikalisches Merkmal des Universums ist. Sie beträgt exakt 299.792.458 Meter pro Sekunde und ist anhand der Definition des Meters im SI-System festgelegt. Heute werden zwei weitere masselose Teilchen angenommen, die sich mit dieser Geschwindigkeit bewegen. Teilchen, die sich schneller als diese Konstante fortpflanzen, werden vom Standardmodell der Physik ausgeschlossen.
Eng mit diesem Begriff ist auch ein weiteres von Einstein erklärtes Phänomen verbunden, das man als Konstanz der Vakuumlichtgeschwindigkeit bezeichnet. Hierunter versteht man, dass die Geschwindigkeit von Lichtstrahlen im Vakuum unabhängig von der eigenen Geschwindigkeit eines beliebigen Beobachters immer die selbe ist. Kein Beobachter kann ein Bezugssystem wählen, aus dem heraus das Licht einen anderen Geschwindigkeitswert annimmt. Die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum ist in der Relativitätstheorie ein objektiver Wert, der nicht vom Beobachter abhängt. Andere Angaben wie Zeit, Frequenz des Lichts oder die Masse von Teilchen, die vom Licht oder dem Beobachter passiert werden, sind hingegen relativ und können nur über die Beobachtungsbedingungen richtig angegeben werden. Zudem sind einige ungewöhnliche kosmologische_Phänomene mit der Beschleunigung von massetragenden Teilchen auf Geschwindigkeiten knapp unterhalb dieser Konstante erklärbar.
Vakuumlichtgeschwindigkeit
Lichtstrahlen nehmen nicht immer den Wert dieser Konstante an und können sich in Materie mit geringerer Geschwindigkeit fortpflanzen. Man spricht dann von der allgemeinen Lichtgeschwindigkeit. Dieser Effekt geht auf Wechselwirkungen der Lichtquanten mit der Materie zurück, die einige Zeit dauern. Die Lichtquanten nehmen zwischen zwei Wechselwirkungen jedoch immer den Geschwindigkeitswert der Konstante an.
Als Vakuumlichtgeschwindigkeit oder spezielle Lichtgeschwindigkeit bezeichnet man die Geschwindigkeit des Lichtes im Vakuum bzw. unter wechselwirkungsfreien Bedingungen. Hier kann sich der Lichtstrahl mit der selben Geschwindigkeit wie die Lichtquanten fortpflanzen. Die Lichtquanten legen keine ?Pausen? ein.
Maßangaben
Im Gegensatz zur allgemeinen Lichtgeschwindigkeit, die nicht konstant ist, nimmt die spezielle Vakuumlichtgeschwindigkeit den Wert der Konstante an, die auch nach ihr definiert wird. Aufgrund der Definition des Meters im SI-System ist der folgende Wert vereinbart:
:
:Für einfache Angaben wird oft der Näherungswert 300.000 km/s verwendet.
Der Wert der Vakuumlichtgeschwindigkeit im SI-System ist fest definiert. Er kann so für mathematische Berechnungen verwendet werden, ohne gemessen werden zu müssen.
Wegen des Zusammenhangs mit der elektrischen und magnetischen_Feldkonstante wurde der Wert der elektrischen Feldkonstante ebenfalls festgesetzt:
:,
wobei die magnetische Feldkonstante
:
durch die Definition der Einheit Ampere festgelegt wurde.
Da die früheren Definitionen des Meters im SI-System auf der Basis des Internationalen_Meterprototyps bzw. einer bestimmten Wellenlänge im Vergleich zur mit Atomuhren gemessenen Sekunde relativ ungenau waren, entschloss man sich, das Meter auf der Basis der Sekunde und der Vakuumlichtgeschwindigkeit neu zu definieren.
Seit 1983 ist demnach die SI-Basiseinheit Meter wie folgt festgelegt.
:1 Meter ist jene Strecke, die das Licht im Vakuum in 1 / 299.792.458 Sekunden zurücklegt.
Der ?krumme? Wert für die fest definierte Vakuumlichtgeschwindigkeit wurde gewählt, um die Abweichungen zum alten System möglichst gering zu halten, d. h. eine aus der Zeit errechnete Länge hat fast denselben Wert, der sich aus einem Vergleich mit dem Urmeter ergeben würde. Es ist dabei vollkommen unerheblich, ob eine Strecke (), eine Zeitspanne () oder die Vakuumlichtgeschwindigkeit () als Längenmaß verwendet werden, da diese drei Größen über die Formel
:
miteinander verknüpft sind. Mit Hilfe der Vakuumlichtgeschwindigkeit kann man so räumliche und zeitliche Größen ineinander überführen. Ein Lichtjahr ist beispielsweise die Strecke, die das Licht in einem irdischen Jahr zurücklegt: etwa 9,4605 Billionen Kilometer.
Konvention: SI-Zahlenwert
Während die Konstanz der Vakuumlichtgeschwindigkeit ein durch Messungen ermitteltes Naturgesetz ist (solange es nicht durch andere Messungen widerlegt wird), ist der durch das SI-System heute festgelegte Zahlenwert der Lichtgeschwindigkeit in Metern pro Sekunde eine zwar sinnvolle, aber trotzdem mehr oder weniger willkürlich vorgenommene Definition. Beide Tatsachen haben keinen direkten ursächlichen Zusammenhang und sollten daher unterschieden werden.
Die alte Definition des Meters war von der Lichtgeschwindigkeit sowie der Definition der Zeiteinheit Sekunde unabhängig. Dieses hatte zur Folge, dass neue, genauere Messungen der Vakuumlichtgeschwindigkeit in damaligen SI-Einheiten jeweils einen anderen Wert ergaben (z. B. zusätzliche Nachkommastellen).
Da die Lichtgeschwindigkeit in der aktuellen Definition des Meters implizit enthalten ist, kann sich der Zahlenwert der Vakuumlichtgeschwindigkeit, in heutigen SI-Einheiten gemessen, nicht mehr ändern, egal wie hoch die Messgenauigkeit gesteigert wird. Stattdessen führen genauere Messungen jetzt zu einer genaueren Definition der Länge eines Meters. Allerdings sind die zu erwartenden Abweichungen derart klein, dass die Unterschiede beider Definitionen im täglichen Leben keine Rolle spielen.
Eine Analogiebetrachtung zeigt die Unterschiede beider Definitionen deutlicher auf: Hierzu betrachtet man die früher gebräuchliche Längeneinheit ?Tagesreisen?. Dieses war die Strecke, die man bei einer Reise üblicherweise an einem Tag zurücklegen konnte (analog zur Länge eines Meters als Bruchteil der Entfernung, die das Licht im Vakuum in einer Sekunde zurücklegt). In geschwindigkeitsunabhängigen Einheiten, z. B. Kilometern, gemessen ? dieses entspricht der alten Meterdefinition ? wuchs die Länge einer Tagesreise im Lauf der Jahrhunderte an, denn zu Fuß war eine Tagesreise natürlich deutlich kürzer als mit einer Pferdekutsche oder gar mit dem Auto. Die übliche Reisegeschwindigkeit war also nicht konstant.
Analog zur heutigen Definition des Meters hängt die Definition der Längeneinheit ?Tagesreise? aber ebenfalls von der Geschwindigkeit ab. Obwohl sich die tatsächliche Reisegeschwindigkeit (im Gegensatz zur konstanten Lichtgeschwindigkeit) aber deutlich geändert hat, erhält man bei Angabe der Geschwindigkeit mit Hilfe von ?Tagesreisen? stets denselben Zahlenwert, nämlich genau eine ?Tagesreise? pro Tag. Salopp formuliert ist also ein Meter 1/299.792.458 der ?Sekundenreise? eines Lichtstrahls (auch Lichtsekunde genannt).
Lichtgeschwindigkeit in Materie
Bewegen sich Lichtstrahlen durch Materie (dielektrische Medien), nehmen sie nicht den Wert der Naturkonstante an, sondern sind langsamer (allgemeine Lichtgeschwindigkeit). Die Verzögerung hängt unter anderem von der Frequenz des Lichts ab (Dispersion). Die Lichtquanten selbst werden aber nicht langsamer, sondern wechselwirken nur mit der Materie, was etwas Zeit dauert. Nach jeder Wechselwirkung rasen sie wieder mit dem Geschwindigkeitswert der Konstante davon. Durch viele dieser Wechselwirkungen verlangsamt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtstrahls.
Anschaulich kann das mit der Geschwindigkeit einer langen Marschkolonne (Strahl) verglichen werden, deren Mitglieder (Quanten) beständig 5 km/h laufen, aber zu unterschiedlichen Zeitpunkten in kurze Gespräche (Wechselwirkung) mit umherstehenden Passanten (Materie) verwickelt werden, wobei sie stehen beiben. Die Geschwindigkeit eines einzelnen Marschierenden bleibt während seiner Bewegungsphasen konstant hoch, doch die Marschkolonne kommt insgesamt mit einer niedrigeren Geschwindigkeit voran.
Die Verzögerung von Lichtstrahlen lässt sich messen und berechnen.
Beschränkung der Geschwindigkeit
n ist ein Effekt der Dispersion.]]
Da nur im Vakuum Phasengeschwindigkeit und Gruppengeschwindigkeit übereinstimmen, weicht die Ausbreitungsgeschwindigkeit in anderen transparenten Medien von der Vakuumlichtgeschwindigkeit ab. In diesen Medien ist die Lichtgeschwindigkeit sowohl abhängig von den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Mediums (Extinktion) als auch von der Frequenz des Lichtes (Dispersion). Zusätzlich tritt in der Regel auch eine Dämpfung des Lichts auf, d. h. die Lichtintensität wird geringer. In der Teilcheninterpretation des Lichtes werden die Photonen ständig von den Atomen oder Molekülen des Materials absorbiert und anschließend wieder emittiert. Bei Dämpfung ist die Emission nicht vollständig.
Im Marschkolonnen-Vergleich könnte man die Dispersion so erklären, dass die Marschierenden verschieden schwer beladen sind (d.h. unterschiedliche Frequenzen haben), und je nach Beladung länger oder kürzer in den Gesprächen (Wechselwirkung) mit Passanten (Materie) verharren. Dadurch wird die mittlere Geschwindigkeit abhängig von der Beladung (Frequenz). Die unterschiedlich starke Richtungsänderung bei Brechung lässt sich in diesem vereinfachten Bild allerdings nicht erklären. Dämpfung bedeutet, dass einige der Marschierenden sich nicht aus dem Gespräch lösen können, so dass die Kolonne zahlenmäßig schwächer wird.
Im Vakuum ist der Zusammenhang zwischen der Lichtgeschwindigkeit und der elektrischen_Feldkonstante ?0 (Permittivität) und der magnetischen_Feldkonstante µ0 (Permeabilität) folgendermaßen gegeben:
:
In einem Medium werden die beiden Feldkonstanten jedoch von dem Material modifiziert. In der mathematischen Beschreibung äußert sich das durch die Multiplikation mit der so genannten relativen Permittivität ?r und der relativen Permeabilität µr. Sie stehen für die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Materials und sind materialabhängige Größen. Die Permittivität des Mediums ist nun ?0?r, die Permeabilität µ0µr. Für die Lichtgeschwindigkeit im Medium ergibt sich nun
:.
In bodennaher Luft ist die Lichtgeschwindigkeit etwa 0,29 Promille geringer als im Vakuum. In Wasser beziehungsweise Glas wird die Lichtgeschwindigkeit auf etwa 3/4 bzw. 2/3 der Vakuumlichtgeschwindigkeit reduziert. Die exakte Lichtgeschwindigkeit in Materie ist abhängig von der Wellenlänge des betrachteten Lichts.
Das Verhältnis der Geschwindigkeiten in Vakuum und Materie wird als Brechzahl des entsprechenden Mediums bezeichnet. Diese Gleichung wird auch maxwellsche Relation genannt.
:
Schneller als Licht in optisch dichten Medien
im Kern eines Triga-Reaktors]]
Die Vakuumlichtgeschwindigkeit ist gemäß der Relativitätstheorie nur die obere Geschwindigkeitsgrenze für jegliche Bewegung. Licht ist aber nicht immer so schnell, denn seine tatsächliche Geschwindigkeit hängt, wie bereits erwähnt, vom Medium ab, in dem es sich bewegt. Das Licht breitet sich umso langsamer aus, je größer die optische Dichte (bzw. Brechzahl, bzw. Dielektrizitätskonstante) des Mediums ist. Während die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum den Höchstwert von knapp 300.000 km/s besitzt, beträgt sie in Wasser rund 225.000 km/s. Bei sehr dichten optischen Gläsern liegt die Lichtgeschwindigkeit nur bei 160.000 km/s. Das bedeutet keinesfalls, dass die Photonen in einem optisch dichteren Medium (wie beispielsweise Wasser) auf 225.000 km/s abgebremst werden. Die Photonen treffen auf die Wassermoleküle und regen sie zum Schwingen an, wodurch nach einer sehr kurzen Zeitverzögerung die Atome ihrerseits wieder Photonen mit der gleichen Wellenlänge wie die eingestrahlten Photonen aussenden. Dadurch scheint es so, als würden sie sich mit einer geringeren Geschwindigkeit im optisch dichten Medium bewegen. Die Geschwindigkeit der Photonen beträgt immer, egal in welchem Medium, 299.792.458 m/s. (Das entspricht etwa 7 1/2 mal um die Erde in 1 Sekunde)
So ist es möglich, dass andere Teilchen in diesem Medium schneller werden können als das Licht darin. Wenn es sich um geladene Teilchen handelt, z. B. Elektronen oder Protonen, tritt in einem solchen Fall der Tscherenkow-Effekt auf, der, vereinfacht betrachtet, eine Art elektromagnetischer ?Überschallknall? ist. Die Vakuumlichtgeschwindigkeit kann von diesen Teilchen allerdings nicht überschritten werden.
Im Marschkolonnen-Vergleich würde das bedeuten, dass es eine spezielle Art von Marschierenden gibt (massebehaftete Teilchen), die zwar nur langsamer als die anderen laufen können, sich aber nicht zu Gesprächen mit Passanten hinreissen lassen (nicht mit der Materie wechselwirken), und daher im Mittel schneller sind. Der Tscherenkow-Effekt kann in diesem vereinfachten Bild allerdings nicht erklärt werden.
In Kernreaktoren (z. B. dem Leichtwasserreaktor) wird häufig Wasser als Moderator zwischen den Brennstäben eingesetzt. In solchen Reaktoren entstehen sekundär Elektronen- bzw. negativ geladene Betastrahlung mit enorm hoher Energie. Die darin enthaltenen Elektronen haben fast Vakuumlichtgeschwindigkeit und sind damit im Wasser weit schneller als das Licht, das sich dort ?nur? mit etwa 225.000 km/s ausbreitet, weil es ständig wechselwirkt. Die somit auftretende Tscherenkow-Strahlung äußert sich als blaues Leuchten in diesen Reaktoren.
Siehe auch: ?Langsames Licht?
Teilchenphysik und Lichtgeschwindigkeit
Allgemein gilt, dass massetragende Teilchen keine Lichtgeschwindigkeit erreichen können, weil die in hohen Geschwindigkeitsbereichen für zusätzliche Beschleunigung benötigte Energie exponentiell anwächst und nahe der Konstante gegen unendlich geht. Fast alle bekannten Teilchen sind massetragend, darunter Protonen, Neutronen, aber auch Quarks, Elektronen oder Neutrinos. Je größer die Masse eines Teilchens vor seiner Beschleunigung ist, desto eher wächst die zu seiner Beschleunigung benötigte Energie auf Werte an, die nicht mehr erreicht werden können. Einige kosmologische Phänomene wie Pulsare oder Schwarze_Löcher, die von starken rotierenden Feldern umgeben sind, können massetragende Teilchen auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigen, aber auch dort wird die Lichtgeschwindigkeit nie erreicht. Solche hoch beschleunigte Teilchen geben sie ihre Energie wieder ab, sobald sie mit Materie wechselwirken und können dabei riesige Nebel oder ganze Galaxien zum Leuchten bringen. (Siehe Quasar)
Neben dem Photon, dem Träger der Elektromagnetischen_Kraft sind allerdings heute weitere Teilchen bekannt, die masselos sind und sich lichtschnell fortpflanzen. Das Gluon als Träger der Starken_Kraft gehört dazu. Dieses Teilchen legt in der Natur nur sehr kurze Strecken zurück und wechselwirkt sehr rasch mit Quarks oder anderen Gluonen, die im Atomkern vorhanden sind.
Für das hypothetische Teilchen Graviton gilt ebenfalls Masselosigkeit. Dieses Teilchen konnte bislang nicht entdeckt werden. Unabhängig davon ist aber die Lichtgeschwindigkeit des wahren Trägers der Gravitationsfelder mit der lichtschnellen Ausbreitungsgeschwindigkeit der Gravitation bereits belegt und somit muss dieser Träger selbst auch masselos sein. Siehe auch Gravitationswellen.
Historische Hintergründe
Spekulationen über Endlichkeit
Ole Rømer im Jahr 1676. Er untersuchte die Bewegung des Jupitermonds Io mit seinem Teleskop. Aus dem Ein- bzw. 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 sich der Mond systematisch verspätete, wenn er aus dem Schatten austrat. Die Zeitpunkte für den Eintritt in den Jupiter-Schatten waren dagegen immer früher als vorausberechnet. Dieser Wechsel geschah im Laufe eines Jahres und wiederholte sich danach. Er deutete diese Zeitverschiebung durch eine unterschiedliche Laufzeit des Lichtes abhängig vom jeweiligen Abstand zwischen Mond Io und der Erde. Rømer schloss daraus, dass das Licht sich nicht augenblicklich sondern mit einer endlichen aber sehr hohen Geschwindigkeit ausbreitet. Er gab für den Erdbahndurchmesser eine Laufzeit des Lichtes von 22 min an (heutiger Mittelwert: 16 min 38 s). Weil der Jupiter von der Erde aus nicht ein volles Jahr lang beobachtbar ist, musste Rømer eine kürzere Zeit beobachten und dann extrapolieren. Die dazu notwendige Rechnung gab er nicht an. Rømer selbst hat die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes niemals angegeben. Zwei Jahre später berechnete Christiaan Huygens als Erster die Lichtgeschwindigkeit zu 213.000 km/s. Er verwendete dazu die Laufzeitangabe von Rømer (22 min = 1320 s) und den Erdbahndurchmesser von etwa 280 Millionen Kilometer, den Cassini 1673 zufällig richtig angegeben hatte. Weil beide Werte ungenau waren, wich die berechnete Geschwindigkeit um etwa ein Viertel vom heutigen Wert ab.James Bradley fand 1728 eine andere astronomische Methode, indem er die scheinbare Abweichung eines Fixsternortes am Himmel vom realen Ort bestimmte, die durch den Umlauf der Erde hervorgerufen wird. Bei dem Versuch, die Parallaxe von Fixsternen zu beobachten, stellte er fest, dass die Sternposition bei jedem Umlauf der Erde um die Sonne um einen Winkel von 20? schwankte (Aberration). Daraus berechnete Bradley, dass das Licht 10.210-mal schneller als die Erde bei ihrem Umlauf ist (Messfehler 20 %). Seine Messung (veröffentlicht im Jahr 1729) wurde damals als weiteren Beweis für eine endliche Lichtgeschwindigkeit und ? gleichzeitig ? für das kopernikanische Weltsystem angesehen. Aus seinen Beobachtungen resultierte ein Wert von 301.000 km/s. Um diesen zu berechnen, benötigte man die Bahngeschwindigkeit der Erde und für sie wieder den Erdbahnradius.
Cassini hatte den Erdbahnradius die Astronomische Einheit, aus der Marsparallaxe ermittelt. Dieses wurde damals von Edmund Halley kritisiert. Er schlug stattdessen vor, die Venusdurchgänge 1761 und 1769 dafür zu benutzen.
Durch die Auswertung wusste man erstmalig die absolute Größe des Planetensystems und konnte über bekannte ?Lichtentfernungen? die Lichtgeschwindigkeit auf etwa 5 % Genauigkeit berechnen.Die erste irdische Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit gelang Armand Hippolyte Louis Fizeau mit der Zahnradmethode. Er sandte 1849 Licht durch ein sich drehendes 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 gelangt wieder durch eine Lücke ? und nur im letzteren Fall 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. Im Experiment fällt Licht auf einen rotierenden Spiegel. Von diesem wird es auf einen festen Spiegel abgelenkt, wo es zurück auf den rotierenden Spiegel reflektiert wird. Da sich der Drehspiegel aber in der Zwischenzeit weiter gedreht hat, wird der Lichtstrahl nun nicht mehr auf den Ausgangspunkt reflektiert. Durch Messung der Verschiebung des Punktes ist es möglich, bei bekannter Drehfrequenz und bekannten Abständen, die Lichtgeschwindigkeit zu bestimmen. Foucault veröffentlichte sein Ergebnis 1862 und gab c zu 298.000 Kilometern pro Sekunde an.
Simon Newcomb und Albert Abraham Michelson bauten wiederum auf Foucaults Apparatur auf und verbesserten das Prinzip nochmals. 1926 benutzte Michelson in Kalifornien ebenfalls rotierende Prismenspiegel, um einen Lichtstrahl um Mount Wilson und Mount San Antonio und zurück zu schicken. Über eine Zeitmessung errechnete er die Lichtgeschwindigkeit. Diese präzise Messung lieferte als Ergebnis eine Geschwindigkeit von 299.796 km/s, was fast genau dem heutigen Wert entspricht; die Abweichung beträgt weniger als 0,002 %.
Lichtgeschwindigkeit und Elektrodynamik
Einen wichtigen Schritt zum Verständnis der Natur des Lichts waren die Arbeiten James Clerk Maxwells. Er veröffentlichte 1864 einen Satz von Gleichungen, aus denen sich die gesamten damals bekannten Gesetze der Elektrizität und des Magnetismus herleiten ließen. Aus diesen Formeln, später als maxwellsche Gleichungen bekannt geworden, folgte auch ein Phänomen, das bis dahin nicht bekannt war: Oszillierende elektrische und magnetische Felder können sich vom Ort ihrer Entstehung loslösen und sich durch den leeren Raum bewegen. Diese Felder gehorchen dann einer Wellengleichung, ähnlich der für mechanische Wellen. Somit sagte Maxwells Theorie die Existenz elektromagnetischer_Wellen voraus.
Gleichzeitig zeigten die Formeln, dass sich eine elektromagnetische Welle im Vakuum mit einer konstanten Geschwindigkeit ausbreitet, die durch die Permittivität und Permeabilität des Vakuums gegeben ist:
:
Mit den damals bekannten Werten für ?0 und µ0 erhielt man eine Ausbreitungsgeschwindigkeit von 310.740 km/s. Hierzu schrieb Maxwell 1865:
:Diese Geschwindigkeit ist so nahe an der Lichtgeschwindigkeit, so dass wir einen starken Grund zu der Annahme haben, dass das Licht selbst (einschließlich Wärmestrahlung und andere Strahlung, falls es sie gibt), eine elektromagnetische Welle ist.
s]]
Licht und andere elektromagnetische Strahlung wurde infolgedessen als Wellenphänomen verstanden. Die Analogie zwischen mechanischen Wellen und elektromagnetischen Wellen schloss auch die Vorstellung ein, dass sich Lichtwellen in einem gewissen Medium ausbreiten müssen, dem so genannten Äther ? genau wie sich Wasserwellen im Wasser ausbreiten. Der Äther sollte dabei den Bezugspunkt für ein absolutes Inertialsystem darstellen. 1887 führten Albert Abraham Michelson und Edward Morley ein bedeutsames Experiment durch, um die Erdgeschwindigkeit relativ zum Äther zu bestimmen. Dazu sollte die Lichtgeschwindigkeit relativ zur Erdbewegung gemessen werden. Das Experiment ergab überraschenderweise ein Nullresultat. Es wurde mehrmals wiederholt, auch zu verschiedenen Phasen des Erdumlaufs um die Sonne, aber jedes Mal mit demselben negativen Ergebnis. Die beiden Physiker zeigten auf diese Weise erstmals, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Wahl des Bezugssystems ist.
Ernst Mach erkannte als einer der Ersten, dass dieses Experiment die Ätherhypothese widerlegte. In der theoretischen_Physik wurden daraufhin Anstrengungen unternommen, um alternative Theorien zu entwickeln, die mit dem Resultat des Michelson-Morley-Experiments vereinbar waren. Die von FitzGerald und Lorentz vorgeschlagene Kontraktion konnte die experimentellen Ergebnisse erklären.
Die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Wahl des Bezugssystems ist heute ein grundlegendes physikalisches Prinzip, das auch Grundlage der Relativitätstheorie ist. Einstein hat seine Theorie nach eigenen Angaben jedoch ohne Kenntnis des Michelson-Morley-Experiments entwickelt.
Phasengeschwindigkeit, Gruppengeschwindigkeit und Signalgeschwindigkeit
Die Phasengeschwindigkeit beschreibt die Ausbreitungsgeschwindigkeit einer monochromatischen_Welle. Werden viele dieser Wellen überlagert, so entsteht ein so genanntes Wellenpaket. Alle Teilwellen breiten sich dabei nach wie vor mit der Phasengeschwindigkeit aus, die entstandene Gruppe wird sich allerdings in einem dispersiven Medium mit einer anderen Geschwindigkeit, der so genannten Gruppengeschwindigkeit bewegen. Die Gruppengeschwindigkeit und die Phasengeschwindigkeit des Lichts sind im Vakuum gleich groß. Findet die Ausbreitung des Lichtes dagegen in einem verlustbehafteten Medium statt, so muss man weiterhin zwischen der Gruppengeschwindigkeit und der Signalgeschwindigkeit unterscheiden. Die Signalgeschwindigkeit gibt an, wie schnell sich die Information bzw. die Energie bewegt, die das Wellenpaket trägt. Sie kann gemäß der speziellen_Relativitätstheorie niemals größer sein als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Es ist aber durchaus möglich, dass sowohl die Phasengeschwindigkeit (starke Dispersion) als auch die Gruppengeschwindigkeit (zusätzlich starke Verluste) größer als die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum werden. Dieses stellt keinen Widerspruch zur Relativitätstheorie dar, da weder mit der Phasengeschwindigkeit, noch mit der Gruppengeschwindigkeit Informationen übertragen werden können.
Erreichen der Lichtgeschwindigkeit
Nach der Relativitätstheorie ist es wegen der erforderlichen Energie unmöglich, einen Körper mit einer von Null verschiedenen Ruhemasse auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen:
:
Nähert sich die Geschwindigkeit v eines materiellen Objektes der Lichtgeschwindigkeit c, so wächst die Energie des Körpers mit der Masse m (von einem nicht mit-beschleunigten Körper aus gesehen) über alle Grenzen. Zum Erreichen der Lichtgeschwindigkeit müsste daher eine unendliche Energie aufgewendet werden.
Die Photonen, also das Licht selbst, können sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, da sie keine Ruhemasse besitzen.
Überlichtgeschwindigkeit
Nach der Relativitätstheorie ist es nicht möglich, Informationen oder Materie mit Überlichtgeschwindigkeit zu transportieren. Wäre der Nachweis anderer Phänomene möglich, würde das weitreichende Konsequenzen haben. Daher erregten in den vergangenen Jahren Veröffentlichungen besonderes Aufsehen, in denen behauptet wurde, Informationen mit Hilfe des Tunneleffekts überlichtschnell transportiert zu haben (Superluminales Tunneln, siehe Literatur und Weblinks). Die Deutung dieser Experimente ist jedoch umstritten.
Vielfach werden Gruppengeschwindigkeiten gemessen, die größer sind als die Vakuumslichtgeschwindikeit. Dies ist aber kein Widerspruch zur Relativitätstheorie, denn die Relativitätstheorie geht nur von einer geschwindigkeitsbegrenzten Informationsübertragung aus (Signalgeschwindigkeit ? Gruppengeschwindigkeit). Bei diesen Experimenten werden keine Information mit Überlichtgeschwindigkeit übertragen.
Tachyonen
Die hypothetischen Tachyonen (Teilchen mit imaginärer Ruhemasse) sind immer überlichtschnell. Es ist für sie ebenso unmöglich, eine Geschwindigkeit gleich oder unterhalb der Lichtgeschwindigkeit einzunehmen, wie normale Materie nicht auf oder über Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden kann.
Allerdings kann man aus der Relativitätstheorie folgern, dass Tachyonen, selbst wenn es sie gäbe, nicht mit normaler Materie interagieren können. Aufgrund der Entwicklung der Wellenfunktion, sofern sie quantenmechanisch betrachtet wird, ergibt sich, dass Tachyonen Information bei Interaktion mit normaler Materie nur mit Unterlichtgeschwindigkeit austauschen können.
Andere Theorien
Gemäß der Schleifenquantengravitation, einem spekulativen Ansatz für die Vereinigung der allgemeinen Relativitätstheorie mit der Quantenmechanik, soll auch im Vakuum die Lichtgeschwindigkeit von der Wellenlänge des Lichtes abhängen. Allerdings wäre dieser Effekt extrem schwach: selbst für hochenergetische Strahlung würde der Unterschied weniger als ein Millionstel Prozent betragen. Der Effekt könnte aber u.U. bei intensiven Gammastrahlenausbrüchen im Weltall registriert werden. Für 2007 ist der Satellit GLAST geplant, der in der Lage wäre, Laufzeitunterschiede bei Ausbrüchen in einer Entfernung von mehreren Milliarden Lichtjahren nachzuweisen.
Die Masselosigkeit der Photonen lässt sich nicht exakt zeigen, die verbesserten Experimente senken nur die höchste Masse, die mit Beobachtungen vereinbar wäre. Hätte das Photon, wie die Neutrinos, eine sehr kleine aber von Null verschiedene Masse, ergäben sich auch Ausbreitungsgeschwindigkeiten unterhalb der Lichtgeschwindigkeit. Oder c wäre dann nicht mehr die maximale mögliche Ausbreitungsgeschwindigkeit, sofern es Teilchen mit weniger Masse als einem Photon geben würde. Außer als Testtheorie hat diese Annahme aber keine Bedeutung, da sie zu erheblichen Inkonsistenzen der durch sie modifizierten Quantenelektrodynamik führen würde.
Die Hypothese der Variablen_Vakuum-Lichtgeschwindigkeit geht davon aus, dass sich die Vakuumlichtgeschwindigkeit mit der Zeit ändert.
Bedeutung
Physikalische Bedeutung
In der gesamten Physik ist die Vakuumlichtgeschwindigkeit eine der wichtigsten Konstanten. Von besonderer Bedeutung ist die Konstanz vor allem dort, wo relativistische Effekte auftreten. Insbesondere ist die Beobachterunabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit eine der Grundlagen von Einsteins Relativitätstheorie. Bei den natürlichen_Einheiten in der Hochenergiephysik setzt man die Lichtgeschwindigkeit gleich 1. Andere Geschwindigkeiten werden im Verhältnis zur Lichtgeschwindigkeit angegeben. Eine Geschwindigkeit von 0,5 bedeutet demnach, dass sich das Objekt mit der Hälfte der Lichtgeschwindigkeit, also mit knapp 150.000 km/s bewegt. Die Einführung eines solchen Maßsystems hat den Vorteil, dass sich Energien, Impulse und Massen ohne Aufwand ineinander überführen lassen; man kann sie als völlig äquivalent behandeln. Dasselbe gilt für Raum und Zeit.
In der Elektrodynamik verwendet man häufig das Gaußsche_Einheitensystem. Hier tritt die Lichtgeschwindigkeit als Konstante explizit in den Maxwellgleichungen auf. Dafür entfallen die Konstanten und . Viele Formeln lassen sich in diesem Einheitensystem ohne komplizierte Konstanten schreiben.
Technische Bedeutung
Da die Lichtgeschwindigkeit die Ausbreitungsgeschwindigkeit für alle elektromagnetischen Wellen ist, ist sie besonders in der Telekommunikation von großer Bedeutung. Auf der Erde beträgt der maximale Abstand zweier Orte etwa 20.000 km (halber Erdumfang). Die prinzipiell kürzeste Zeit für ein elektromagnetisches Signal, um in der Atmosphäre von einem dieser Orte zum anderen zu gelangen, ist etwa 0,067 Sekunden. Anders ausgedrückt heißt das, dass das Licht in einer Sekunde fast achtmal die Erde umrunden kann. Die tatsächliche Übertragungszeit ist allerdings länger. Bei atmosphärischer Übertragung wird die Welle in den verschiedenen Schichten der Atmosphäre sowie am Erdboden reflektiert und hat so einen sehr viel längeren Weg zurückzulegen. Bei der Übertragung in Glasfaserkabeln ist die Lichtgeschwindigkeit etwa 30 % kleiner als im Vakuum. In sämtlichen Fällen treten in der Praxis zusätzlich Verzögerungen durch die elektronischen Schaltelemente auf.Geostationäre Satelliten befinden sich 35.786 Kilometer über dem Äquator. Um bei Telefon- oder Fernsehsignalen also eine Antwort zu erhalten, muss das Signal mindestens 144.000 Kilometer zurückgelegt haben: vom Sender zum Satelliten, dann zum Empfänger, anschließend erfolgt die Antwort, und das Signal läuft den gleichen Weg zurück. Das Licht braucht dazu etwa ½ Sekunde. Diese Verzögerung wird bei Fernsehberichten besonders deutlich, z. B. bei Live-Interviews über große Distanzen.
Raumsonden befinden sich an ihren Zielorten oft viele Millionen oder Milliarden Kilometer von der Erde entfernt. Selbst mit Vakuumlichtgeschwindigkeit sind die Funksignale mehrere Minuten bis Stunden zu ihnen unterwegs. Die Antwort braucht nochmal genausolange zurück zur Erde. Dadurch ist es nicht möglich, sie verzögerungslos zu steuern. Extraterrestrische Fahrzeuge wie z. B. der Mars-Rover Opportunity müssen daher in der Lage sein, sich in Grenzen autonom fortzubewegen und Gefahren zu erkennen, da die Bodenstation erst Minuten später auf Zwischenfälle reagieren kann.
Literatur
Historische Arbeiten:
*Ole Rømer: [http://hermes.ffn.ub.es/luisnavarro/nuevo_maletin/Roemer_1676.pdf Démonstration touchant le mouvement de la lumière.] in: Journal des Sçavans. de Boccard, Paris 1676 (franz.). ([http://dbhs.wvusd.k12.ca.us/webdocs/Chem-History/Roemer-1677/Roemer-1677.html engl. Version])
*S. Debarbat, C. Wilson: The galilean satellites of Jupiter from Galileo to Cassini, Roemer and Bradley. in: René Taton (Hrsg.): The planetary astronomy from renaissance. Teil A. Univ. Press, Cambridge 1989, 144?157. ISBN 0-521-24254-1
*G. Sarton: Discovery of the aberration of light (with facsimile of Bradley´s letter to Halley 1729). in: ISIS. Univ. Press, Chicago 16.1931, 233?248.
*Edmund Halley: Monsieur Cassini, his New and Exact Tables for the Eclipses of the First Satellite of Jupiter, reduced to the Julian Stile and Meridian of London. in: Philosophical Transactions. London 28.1694,214 (Nov.?Dez.).
*H. L. Fizeau: Sur une experience relative a la vitesse de propogation de la lumiere. in: Comptes Rendus. Gauthier-Villars, Paris 29.1849.
* J. L. Foucault: Determination experimentale de la vitesse de la lumiere, parallaxe du Soleil. in: Comptes Rendus. Gauthier-Villars, Paris 55.1862.
* A. A. Michelson: [http://www.gutenberg.org/etext/11753 Experimental Determination of the LanVelocity of Light.] in: Proceedings of the American Association for the Advancement of Science. Philadelphia Pa 27.1878 (online).
*Simon Newcomb: The Velocity of Light. in: Bestimmung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in einem Glasprisma
• [http://www.dradio.de/dlf/sendungen/forschak/352029/ Einstein und die Lichtbremse
• Fast lichtschnell durch die Stadt ? Eine Spritztour durch die Tübinger Altstadt bei simulierter Beinahe-Lichtgeschwindigkeit
• Abbremsen von Licht bis zum Stillstand
• FAQ der deutschsprachigen Physik-Newsgroup zum Superluminalen Tunneln
• Übersicht über Arbeiten von Nimtz und anderen zum angeblichen Superluminalen Tunneln.''
• Alltags-Physik: Messen der Lichtgeschwindigkeit mit Marshmallows und Mikrowelle - engl.
Videos aus der Fernsehsendung [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=050105.rm Kann man mit Lichtgeschwindigkeit reisen?
• [http://www.br-online.de/cgi-bin/ravi?v=alpha/centauri/v/&g2=1&f=040707.rm Gibt es Überlichtgeschwindigkeit?
be-x-old:????????? ???????
sw:Kasi ya nuru
