Die lichtgeschwindigkeit
Die Lichtgeschwindigkeit
1. Die frühe Vorstellung und erste Überlegungen Galileis
Galileo Galilei (1564-1642) vermutete auf Grund von Beobachtungen bei Gewittern, dass das Licht eine bestimmte Geschwindigkeit hat, und sich nicht, wie bis dahin angenommen, ohne Zeitverlust ausbreitet. (Was übrigens sehr praktisch wäre, da man so sofort herausfinden könnte ob es außerirdisches, intelligentes Leben gibt. Einfach ein Signal aussenden und es wäre sofort überall im Universum.) Er versuchte seine Überlegungen zu Beweisen, doch fehlten ihm die technischen Mittel.
2.
Der erste Beweis für die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit von Ole Römer (1644 - 1710)
Den ersten Beweis für die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit lieferte der Däne Ole Römer 1675. Durch Beobachtungen des Jupitermondes Io bemerkte er, dass der Jupitermond in größeren Abständen von der Erde aus zu sehen war, wenn diese durch ihre Rotation um die Sonne am weitesten vom Jupiter entfernt war. Daraus schloss er, dass das Licht durch die längere Distanz mehr Zeit benötigte, also eine endliche Geschwindigkeit hat. Er berechnete diese auf 225 000 km/s.
(Graphik)
Durch den längeren Lichtweg (S2), wurde der Jupitermond erst später als angenommen sichtbar.
3.
Der erste "irdische" Beweis von Hyppolyte Fizeau (1819 - 1896), Die Zahnradmethode und die Drehspiegelmethode von Jean Foucault
Den ersten Beweis "auf der Erde" lieferte 1849 der Franzose Fizeau. Er maß die Geschwindigkeit des Lichts mit Hilfe eines Lichtstrahls, den er durch ein schnell rotierendes Zahnrad schickte, in ca.10 km Entfernung auf einen Spiegel fallen lies und dieser dann das Licht exakt auf die selbe Stelle zurückspiegelte. Bei schneller Rotation des Zahnrads konnte der Lichtstrahl vom Auge nicht mehr wahrgenommen werden, er musste also auf den 1. "Zahn" nach der Lücke fallen. Durch die Drehzahl des Rades, die Entfernung zum Spiegel und die Anzahl der Zähne konnte er die Geschwindigkeit auf ca.
300 000km/s bestimmen.
(Graphik)
Foucault benutzte kurz darauf einen schnell rotierenden Spiegel zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit. Der Lichtstrahl wurde nicht wieder zum Laser zurückgeworfen, sondern daneben auf einen Leuchtschirm. Er berechnete die Lichtgeschwindigkeit aus der Drehfrequenz des Spiegels, dem Weg des Lichts und der Verschiebung auf 298 000 km/s.
4. Der Beweis: Die Lichtgeschwindigkeit ist konstant von Albert Michelson
Nach der Weiterentwicklung der Drehspiegelmethode von Foucault optimierte Michelson diese
mit Hilfe eines achteckigen Prismas, anstatt eines Spiegels und gelangte so auf eine Lichtgeschwindigkeit von 299 792 km/s.
Zusammen mit Edward Morley wollte er die Geschwindigkeit der Erde mit der sie sich durch das Äther bewegt (wie man dachte) bestimmen. Da sich das Licht im Äther wie Wellen im Wasser verhalten sollte, gingen Sie davon aus, dass das Licht durch den Ätherwind der Erde verlangsamt werden sollte (wie ein Schwimmer, der gegen die Strömung schwimmt). Doch das Experiment missglückte und das Ergebnis war, dass es keinen Ätherwind geben konnte.
(Graphik) Das Schwimmermodell
Die Lichtgeschwindigkeit war stets konstant.
Was dies allerdings genau bedeutete, wurde erst von Albert Einstein durch seine spezielle Relativitätstheorie gezeigt. Ferner war nun bewiesen, dass Licht als Welle nicht an ein Medium (wie das Äther) gebunden ist.
5. Eine moderne Methode
Eine moderne Methode ist die Messung der Lichtgeschwindigkeit durch Phasenverschiebung. Ein Lichtstrahl wird hierbei mit einem von einer Wechselspannung erzeugten Zeitmarke von einer Diode ausgesandt. Nach Durchlaufen einer gewissen Wegstrecke trifft das Licht auf eine Fotodiode, welche die Zeitmarke auch wieder in eine Wechselspannung umsetzt. Durch Vergleichen der beiden Spannungen mit Hilfe eines Oszilloskop erkennt man eine Phasenverschiebung, mit der man die Geschwindigkeit ermitteln kann.
6.
Sonstiges zur Lichtgeschwindigkeit
Mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit kann man zum Beispiel Entfernungen messen. Im Juli 1969 stellten die Astronauten der Apollo auf dem Mond ein Tripelprisma auf. Ein Laserimpuls wurde nun von der Erde auf dieses Prisma und von dort wieder zurückgesendet. Durch den Zeitunterschied lies sich nun der Abstand vom Mond zur Erde messen. Er beträgt ca. 384 000 km.
Um große Entfernungen zu messen wurde eine neue Einheit eingeführt, das Lichtjahr. Ein Lichtjahr ist die Entfernung, die das Licht innerhalb eines Jahres zurücklegt. Dies entspricht ungefähr
9.4608 * 10^12 km.
Beispielsweise ist der Stern Proxima Centauri 4,22 Lichtjahre entfernt. Wenn wir also sein Licht am Nachthimmel beobachten, blicken wir 4,22 Jahre in die Vergangenheit.
7. Was Einstein damit zu tun hat
Jeder kennt die Gleichung E=m*c² aus Einsteins Spezieller Relativitätstheorie. Das bedeutet in einfach: je schneller etwas wird, desto mehr Masse hat es. (Vorausgesetzt das zu beschleunigende Teilchen hat überhaupt eine Masse, denn masselose Teilchen bewegen sich stets mit Lichtgeschwindigkeit.) Natürlich geht man hier von sehr großen Geschwindigkeiten aus. Ist die Geschwindigkeit bei Lichtgeschwindigkeit angelangt, wird die Masse unendlich groß uns somit auch der Energieaufwand zur Beschleunigung.
Deshalb ist es auch unmöglich einen Körper auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen. So viel Energie gib es im gesamten Weltraum nicht.
Die zugehörige Formel lautet: (Graphik)
m rel ist die relativistische Masse, m0 die für kleine Geschwindigkeiten geltende Ruhemasse.
8. Zu guter Letzt: Überlichtgeschwindigkeit
Immer wieder tauchen Theorien zu Überlichtgeschwindigkeiten auf. Es scheint einigen Menschen unerträglich die Lichtgeschwindigkeit als größte aller möglichen Geschwindigkeiten zu akzeptieren.
Daher werden in diese Richtung immer wieder Forschungen betrieben.
Der Physiker Gerald Feinberg stellte 1967 Berechnungen über sogenannte "Tachyonen" an, hypothetische Teilchen, die sich nicht nur schneller als c bewegen können, sondern müssen.
Doch wurde die Existenz dieser Tachyonen (noch) nie nachgewiesen, und selbst wenn sie existierten, hätte man nicht die geringste Vorstellung davon, ob und welchen praktischen Nutzen sie hätten.
Doch gehören Tachyonen nicht zu den Dingen, über die man vernünftig spekulieren kann, sondern sind lediglich eine mathematische Kuriosität.
Doch ist es bewiesen, dass je nach Ausbreitungsmedium, Geschwindigkeiten in Lichtwellen die Mauer der Lichtgeschwindigkeit durchbrechen. Doch sind diese Effekte nach Erkenntnissen von Schweizer Physikern nicht für den Datentransport nutzbar.
Gemäß den Einstein'schen Theorien ist es damit niemals möglich, ein Signal mit Überlichtgeschwindigkeit in die eben vergangene Vergangenheit zurückzusenden. Dieser Umstand hätte zur Folge gehabt, dass sich Ursache und Folge eines Ereignisses vertauscht hätten, was unmöglich ist.
Quellen:
Harenberg Schlüsseldaten Astronomie, Harenberg Lexikon Verlag
Dorn Bader Physik Oberstufe Gesamtband 12/13, Schroedel Schulbuchverlag
Geo Ausgabe Nr. 01 Januar 2005
Internet (Bilder Titelseite)
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