Lichtgeschwindigkeit
Etwa 300 Tausend km/s
Basiswissen
Im Vakuum legt Licht etwa 2,997925 mal 10 hoch 8 Meter in jeder Sekunde zurück. Das sind fast 300 Tausend Kilometer in jeder Sekunde. Interassenterweise wird Licht aber sehr viel langsamer wenn es sich durch Materie, etwa in Glas oder Wasser bewegt.
Schreibweisen für die Lichtgeschwindigkeit
- Die Lichtgeschwindigkeit wird - wie in Einsteins berühmter Formel E=mc² - mit einem kleinen c abgekürzt.
- Für die Vakuumlichtgeschwindigkeit schreibt man auch c₀ ↗
- Man sieht auch oft Schreibweien wie 0,98c oder 0,99c.
- Das meint: das 0,99fache der Lichtgeschwindigkeit.
- Oder: 99 % der Lichtgeschwindigkeit
- Siehe auch Dezimalzahl als Vielfaches ↗
Die Lichtgeschwindigkeit je nach Medium
- Als Medium bezeichnet man die Umgebung, in der Licht sich bewegt.
- Je nach Medium ist Licht unterschiedliche schnell.[9]
- Mit fast 300 Tausend Kilometer pro Sekunde ist Licht am schnellsten in einem Vakuum ↗
- In Wasser sind es nur 225 Tausend km/s und in Diamant sogar nur 125 Tausend km/s.
- Für weitere Beispiele siehe unter Lichtgeschwindigkeiten ↗
Die Lichtgeschwindigkeit je nach Lichtfarbe
- Im Vakuum sind alle Farben des Lichts gleich schnell.
- In allen anderen Medien aber ändert sich die Lichtgeschwindigkeit mit der Farbe ↗
- Rotes Licht ist dann am schnellsten, blaues Licht am langsamsten.
- Diesen Effekt nennt man Dispersion ↗
Einstein und die Lichtgeschwindigkeit
- Einsteins Relativitätstheorie baut auf der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit auf:
- Egal wie schnell man sich selbst bewegt, relativ zu Licht misst man immer c.
- Um die Tiefe dieses Problemes zu verstehen, muss man Licht als Welle verstehen.
- Die Hinführung zur mathematischen Modellierung steht unter Photonenwelle ↗
- Die grundlegende Vorstellung dazu ist beschrieben unter Lichtäther ↗
Wie fand man heraus, dass Licht überhaupt Zeit benötigt?
Dass Licht nicht unendlich schnell war um 1676 keineswegs offensichtlich. Es gab die konkurrierenden Theorien, dass Licht sofort den Raum erfüllt (Aristoteles) oder aber Zeit für seine Ausbreitung im Raum benötigt. Im Jahr 1676 zeigte der Däne Ole Römer anhand astronomischer Daten über die Bewegung der Jupitermonde dass Licht tatsächlich Zeit benötigt, ums ich auszubreiten[1]: die Erde und auch der Planet Jupiter bewegen sich in etwa auf einer Kreisbahn um die Sonne. Die Erde ist dabei der Sonne sehr viel näher als der Jupiter. Um den Jupiter kreisen nun vier kleine Monde, erstmals entdeckt von Galilei[2]. Man konnte beobachten, dass ein Mond irgendwann auf seiner Bahn um den Jupitermond von der Erde aus gesehen hinter dem Jupiter verschwindet, also in seinen Schatten eintritt. Einige Zeit später tritt er dann aus diesem Schatten wieder aus. Nimmt man an, dass der Mond immer mit derselben Geschwindigkeit um den Jupiter wandert, dann müsste die Zeit im Schatten immer gleich groß sein. Das war sie aber nicht. Bewegte sich die Erde vom Jupiter weg war die Zeit im Schatten viele Minuten länger als bei einer Bewegung der Erde auf den Jupiter zu. Römer führt diese Sonderbarkeit darauf zurück, dass bei einer Bewegung der Erde weg vom Jupiter das Licht des aus dem Jupiterschatten austretenden Mondes etwas länger für seinen Weg zur Erde benötigt, als wenn sie sich auf den Jupiter zu bewegt. Kennt man den Radius der Erdbahn um die Sonne, kann man aus den geometrischen Beobachtungsdaten die Geschwindigkeit des Lichts berechnen. Diesen Vorschlag machte Römer im Jahr 1676.
Was was die erste Abschätzung der Lichtgeschwindigkeit?
Da Ole Römer den Radius der Erdbahn um die Sonne nicht kannt, konnte er auch Geschwindigkeit des Lichts nicht berechnen. Der Italiener Cassini hatte 1673 diesen Radius näherungsweise korrekt abgeschätzt. Der Niederlände Christiaan Huygens verband dann Cassinis Zahlenwert für die Erdbahn mit Römers Idee und kam damit auf etwa 213 Kilometer pro Sekunde für die Lichtgeschwindigkeit. Der tatsächliche Wert liegt bei etwa 300 Tausend Kilometer pro Sekunde. Eine ausführliche Erklärung zur Lichtgeschwindigkeit findet sich in Newtons Opticks aus dem Jahr 1704. Er beschreibt Beobachtungszeiten der Jupitermonde und schlussfolgert daraus: Licht braucht sieben bis acht Minuten von der Sonne bis zur Erde. Mehr unter Newtons Lichtgeschwindigkeit ↗
c als tiefere Eigenschaft der Physik
Den Wert für c mit 3·10^8 m/s leitete der Physiker Franz Serafin Exner aus einem Zusammenhang her, der zunächst für die Geschwindigkeit keine Rolle spielte: "Wir können eine Elektrizitätsmenge nach verschiedenen Einheiten messen, nach der sogenannten elektrostatischen, die aus den statischen Wirkungen abgeleitet ist, oder nach der elektromagnetischen, die aus der magnetischen Wirkung eines Stromes resultiert. Bezeichnen wir die erste Einheit mit E.E., die zweite Mit M.E., so ist unter c das Verhältnis E.E/M.E zu verstehen, welches nach elektrischen Messungen den Wert 3·10^10 cm/sec hat."
Anschaulich gesprochen, spiegelt die Lichtgeschwindigkeit dann wieder, wie viel mal so stark die Elektrizität statisch wirkt wie magnetisch[8]. Moderne Darstellungen verwenden die Formel c=1/(√ε·√µ), mit ε als elektrische und µ als magnetische Feldkonstante. Exners E.E wäre dann rechnerisch dasselbe wie der Kehrwert von √ε und Exners M.E wäre √µ.
Gibt es einen „Sinn der Lichtgeschwindigkeit“?
Die sogenannte Simulationshypothese betrachtet die Möglichkeit, dass der gesamte Kosmos eine rechnerisch simulierte Wirklichkeit ist[3]. Der Gedanke wird auch von Physikern ernsthaft untersucht[4]. Geht man davon aus, der der Simulationsrechner eine begrenzte Rechenkapazität hat, dann könnte die Begrenzung der Lichtgeschwindigkeit vielleicht den Zweck haben, den Rechner vor einer Überforderung zu schützen. Die Lichtgeschwindigkeit begrenzt dann nämlich die Anzahl der Wirkungen, die eine lokale Ursache haben kann. Siehe mehr dazu im Artikel zur Simulationshypothese ↗
Fußnoten
- [1] O. Rømer: Démonstration touchant le mouvement de la lumière trouvé par M. Rømer de l'Académie royale des sciences. Le Journal des Sçavans. Paris 1676, 233–236.
- [2] Die Anordnung von Sonne, Erde, Jupiter und seinen Monden wie oben erklärt ist auf einem Bild aus dem Jahr 1738 dargestellt: F. M. Arouet de Voltaire: Elemens de la Philosophie de Neuton. Amsterdam. 1738. Dort findet sich das Bild auf Seite 20.
- [3] Nick Bostrom: Are We Living in a Computer Simulation? In: The Philosophical Quarterly. 53, 2003, S. 243–255, doi:10.1111/1467-9213.00309.
- [4] Silas Beane, Davoudi Zohreh, J. Savage Martin: Constraints on the Universe as a Numerical Simulation. 2012. doi:10.1140/epja/i2014-14148-0.
- [5] Isaac Newton über die Geschwindigkeit des Lichts: "But by an Argument taken from the Æquations of the times of the Eclipses of Jupiter's Satellites, it seems that Light is propagated in time, spending in its passage from the Sun to us about seven Minutes of time." In: Isaac Newton: OPTICKS: OR, A TREATISE OF THE Reflections, Refractions, Inflections and colours OF LIGHT. The_ FOURTH EDITION, corrected. By Sir ISAAC NEWTON, Knt. LONDON: Printed for WILLIAM INNYS at the West-End of St. Paul's. MDCCXXX (1730).
- [6] Die Jupiter-Mond-Methode von Rømer ist ausführlich erklärt in: TREATISE ON LIGHT In which are explained The causes of that which occurs In REFLEXION, & in REFRACTION And particularly In the strange REFRACTION OF ICELAND CRYSTAL. By CHRISTIAAN HUYGENS. Rendered into English By SILVANUS P. THOMPSON. Dort ab Seite 8. Online: https://www.gutenberg.org/cache/epub/14725/pg14725-images.html
- [7] Die Herleitung von c aus tieferen Eigenschaften der Elektrizität findet sich in: Franz Serafin Exner: Vorlesungen über die physikalischen Grundlagen der Naturwissenschaften. Deuticke, Wien 1919, OBV. Dort die "68. Vorlesung" über "Elektromagnetische Theorie, Strahlung eines Oszillators, Wellengeschwindigkeit, Doppelbrechung, Amperes Magnete". Seite 512.
- [8] Hier stellt sich die Frage nach dem größeren Sinn. Warum oder besser Wozu sollte es einen Zusammenhang der Lichtgeschwindigkeit mit der Ausprägung der elektrostatischen und der elektromagnetischen Wirkung von Ladungen geben? Verweist dieser Zusammenhang auf eine Feineinstellung zwischen der Möglichkeit lokaler und räumich sich ausbreitender Wirkung? Falls ja, wiederum, wozu? Hätte dieses So-Sein aber keinen tieferen Grund, so wäre es in der Sprache der Philosophie eine sogenannte Kontingenz ↗
- [9] "Daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit in Festkörpern nicht mit der Lichtgeschwindigkeit übereinstimmt, ist ein Effekt, der durch die ständige Absorption und zeitverzögerte Reemission der elektromagnetischen Wellen durch die Atome des Mediums erklärt werden kann." In: der Artikel "Welle". Spektrum Lexikon der Physik. Stand 24. August 2024. Online: https://www.spektrum.de/lexikon/physik/welle/15501