Lichtgeschwindigkeit

Etwa 300 Tausend km/s

Basiswissen｜ Schreibweisen für die Lichtgeschwindigkeit｜ Die Lichtgeschwindigkeit in Materie｜ Die Lichtgeschwindigkeit je nach Lichtfarbe｜ Einstein und die Lichtgeschwindigkeit｜ Kurze Geschichte｜ Frühe Abschätzung｜ c als tiefere Eigenschaft der Physik｜ Ein wissenschaftshistorisches Kuriosum｜ Gibt es einen „Sinn der Lichtgeschwindigkeit“?｜ Fußnoten

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. Interessanterweise wird Licht aber sehr viel langsamer wenn es sich durch Materie, etwa in Glas oder Wasser bewegt.

Bildbeschreibung und Urheberrecht — 0,8fache oder 80 % der Lichtgeschwindigkeit: so würde ein Astronaut die Sternen sehen: sie sind zum Mittelpunkt hin des Sichtfeldes gezogen und gleichzeitig zur Farbe Blau verschoben. Anders als in vielen Filmen fliegen die Sterne dann aber immer nocht nicht in schneller Abfolge am Beobachter vorbei. Die Passage von einem zum nächsten Stern würde noch immer Monate bis Jahre dauern. © NASA Glenn ☛

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 Schreibweisen wie 0,98c oder 0,99c.

Das meint: das 0,99fache der Lichtgeschwindigkeit.

Oder: 99 % der Lichtgeschwindigkeit

Siehe auch 👉 Dezimalzahl als Vielfaches

Die Lichtgeschwindigkeit in Materie

Licht kann sich auch durch Materie bewegen. Dabei kann die Materie sogar so dicht und fest sein wie Stein! Das einfachste Beispiel ist Glas. Glas ist sehr fest. Und pro Kubikzentimeter Raum gibt es in vielen Sorten von Glas so viel Atome wie in machen Steinen. Und auch durch wild bewegtes Wasser pflanzt sich Licht erstaunlich gut fort. Halten wir zunächst einige interessante Fakten fest.

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

Warum aber ist Licht in einem mit Materie erfüllten Raum, einem Medium, langsamer als im Vakuum? Die Antwort geht dahin, dass sich das Licht in einem Medium nicht immer nur an den Atomen oder Molekülen der Materie vorbei bewegt. Vielmehr wird es immer wieder von den Teilchen der Materie geschluckt, man sagt absorbiert. Und dann wird ein neues Lichtteilchen ausgesendet. Dieser Prozess, ein sogenannte elektronischer Übergang, benötigt Zeit.

ZITAT:

"In einer lichtdurchlässigen Substanz wie Glas oder Wasser setzt sich jeder Lichtstrahl Schritt für Schritt fort. Er durchquert das Vakuum zwischen den Atomen, bis er auf ein Atom trifft. Dann wird er von diesem Atom absorbiert. Das Atom sendet einen neuen Strahl aus, der seinerseits das Vakuum durchquert, bis er wiederum auf ein Atom stößt. Von da ab wiederholt sich der Vorgang"^[12]

Dass Atome Licht absorbieren können wird oft im Zusammenhang mit dem Bohrschen Atommodell behandelt. Die Elektronen in der Schale oder Hülle der Atome nehmen die Energie eines Lichtteilchens, eines Photons auf. Damit sind sie angeregt und springen in einen energiereicheren Zustand. Fallen sie aus diesem Zustand wieder zurück in ihren ursprünglichen Zustand, senden sie die entsprechende Energie wieder nach außen aus. Dass einmal von Strahlen und einmal von Teilchen gesprochen wird, soll hier nicht weiter vertieft werden. Es ist für den Kern des Gedanken nicht wichtig.

ZITAT:

"Daher braucht das Licht, um sich durch eine Glasscheibe Fortbewegen, mehr Zeit als zur Überwindung derselben Entfernung im Vakuum."^[12]

Ja, aber man muss hier noch eine weitere Prämisse hinzufügen: das Einfangen (Absorbieren) und Aussenden (Emittieren) von Licht durch die Elektronen hülle eines Atoms benötigt Zeit. Und auch zwischen Einfange und Aussendung kann eine Zeit liegen. Typischerweise sind das Zeiten im Bereich von Attosekunden.^[13] Das ist näher behandelt im Artikel 👉 elektronischer Übergang

Ein gutes Beispiel aus der makroskopischen Welt des Alltags ist eine Flugreise mit mehreren Zwischenstopps. Wenn man mit Flugzeugen fliegt, die alle 600 km/h schnell sind aber umsteigen muss, dann braucht man für eine Reisestrecke von 1200 km mehr als zwei Stunden.^{[12, Seite 125]}

Eine weitere Frage tut sich auf: wenn das Licht beim Durchgang durch Materie ständig geschluckt und wieder neu (in irgendeine Richtung) ausgesandt wird, wie kann es dann seine ursprüngliche Richtung beibehalten? Sollte man nicht erwarten, dass das Licht mit jedem Schluck-und-Aussende-Prozess seine Richtung ändert und letztendlich wild gestreut in alle Richtungen geht? Genau so etwas passiert bei durchscheinenden aber nicht durchsichtigen Medien. Und warum gibt es überhaupt Feststoffe wie Glas, die auch mit viel Dicke durchsichtig sind, wohingegen schön dünnes Papier Licht völlig abblockt? Worauf es hier ankommt ist die geometrische Lage der beteiligten Atome zueinander. Siehe dazu den Artikel 👉 Bragg-Gleichung

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 Problems zu verstehen, muss man Licht als Welle verstehen.

Die Hinführung zur mathematischen Modellierung steht unter 👉 Photonenwelle

Die grundlegende Vorstellung dazu ist beschrieben unter 👉 Lichtäther

Kurze Geschichte

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.

Frühe Abschätzung

Da Ole Römer den Radius der Erdbahn um die Sonne nicht kannte, konnte er auch Geschwindigkeit des Lichts nicht berechnen. Der Italiener Cassini hatte 1673 diesen Radius näherungsweise korrekt abgeschätzt. Der Niederländer 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.

Ein wissenschaftshistorisches Kuriosum

Dass Licht Zeit für seinen Weg durch den Raum benötigt war schon seit Jahrhunderten vermutet und später auch bewiesen. Dass aber die Geschwindigkeit des Lichts eine unüberschreitbare Obergrenze, eine Art universeller Schallmauer, sein soll, diesen Gedanken verbindet man (zu Recht) mit Albert Einstein und seiner speziellen Relativitätstheorie aus dem Jahr 1905. Rechnerisch ist Einsteins Gedanke leicht nachzuvollziehen. In seinen Formeln taucht immer wieder ein ganz besonderer Term auf

√(1-v²/c²)

Dabei ist v die Geschwindigkeit von irgendetwas und c die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Wenn nun v aber nur größer als v ist, dann wird der Bruch v² durch c² auch größer als eins. Und dann ergibt die Differenz von 1 minus v²/c² eine negative Zahl. Und aus dieser negativen Zahl soll dann die Wurzel gezogen werden. Eine Wurzel aus einer negativen Zahl ist aber für reelle Zahlen nicht definiert. So legt die Mathematik zumindest nahe, dass dem Geschehen in der Natur hier eine Grenze gesetzt sein könnte. Aber Einstein war nicht der erste, der in c eine Obergrenze sah. Vier Jahre vor ihm schrieb Walter Kaufmann folgenden Satz.

ZITAT:

Walter Kaufmann, 1901: "Eine Ueberschreitung der Lichtgeschwindigkeit […] ist unmöglich, weil bei einer derartigen Bewegung so lange Energie ausgestrahlt wird, bis die Geschwindigkeit wieder auf den Wert der Lichtgeschwindigkeit gesunken ist."

Also auch Kaufmann setzt den Elektronen die Lichtgeschwindigkeit als obere Grenze. Wichtig ist hier aber weniger die Aussage an sich, als vielmehr die Begründung. Kaufmann argumentierte elektromagnetisch, mit unerfüllbar großen Energiemengen, die von einer elektrischen Ladung bei weiterer Beschleunigung über die Lichtgeschwindigkeit hinaus aufzubringen sein müssten. Kaufmanns Grenze würde dann auch nur für Ladungen, nicht aber für neutrale Teilchen gelten. Einsteins Argumentation hingegen ging von der Beobachtung aus, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht vom Beobachter abhängt, also immer denselben Wert hat. Siehe dazu mehr im Artikel zur 👉 Konstanz der Lichtgeschwindigkeit

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

[10] Relativistische Effekte würden sich schon im Alltag bemerkbar machen, wenn die Lichtgeschwindigkeit bei nur 4 m/s läge: Mr. Tompkins im Wunderland oder Träumereien von c, g und h, Paul Zsolnay, Wien 1954.

[11] Walter Kaufmann (1871 bis 1947): Die magnetische und elektrische Ablenkbarkeit der Bequerelstrahlen und die scheinbare Masse der Elektronen. 1901.

[12] James Trefil: Physik im Strandkorb. Von Wasser, Wind und Wellen. rororo science sachbuch. Ins Deutsche übersetzt von Helmut Mennicken. 4. Auflage. Juli 2025. ISBN: 3-499 19683 2. Dort im Abschnitt "Die Richtung der Brandung", Seite 125.

[13] Zum Zeitbedarf elektronischer Übergänge: "An important open question is the timescale associated with a quantum transition. Energy conservation dictates that such transitions cannot be instantaneous, and their timescale is expected to be in the attosecond (10 ^ -1⁸ s) range." Und in komplexeren Strukturen scheint die benötigte Zeit kürzer zu sein als in simplen Strukturen: "The quasi 2-dimensional transition metal dichalcogenides 1T-TiSe2 and 1T-TiTe2 show timescales around 150 as, whereas in quasi 1-dimensional CuTe, the transition takes more than 200 as. This is in stark contrast with the 26 as obtained for 3-dimensional pure Cu." In: Fei Guo et al.: Dependence of quantum timescales on symmetry. In: Netwton. Volume 2, Issue 4. April 06, 2026. Siehe auch 👉 elektronischer Übergang