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Lichtgeschwindigkeit



Die Lichtgeschwindigkeit ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes und anderer elektromagnetischer Wellen. Mit dieser Geschwindigkeit breitet sich die Lichtenergie aus. Das physikalische Symbol ist c (lat. celeritas »Geschwindigkeit«).

Table of contents
1 Messung der Lichtgeschwindigkeit
2 Theoretische Betrachtungen
3 Überlichtgeschwindigkeit von Materiewellen
4 Unterlichtgeschwindigkeit
5 Gruppengeschwindigkeit

Messung der Lichtgeschwindigkeit

Astronomische Methoden

Der
dänische Astronom Ole Römer entdeckte bereits 1676 bei Beobachtungen der Jupitermondemonde, dass der zeitliche Abstand zwischen den Verfinsterungen anwuchs, wenn sich die Erde vom Jupiter entfernte. Damit konnte Römer die Lichtgeschwindigkeit mit annähernd 230.000 km/s bestimmen.

James Bradley wählte 1728 eine andere astronomische Methode, in dem er die scheinbare Abweichung eines Fixsternortes am Himmel vom realen Ort bestimmte, der durch die Bewegung der Erde hervorgerufen wird. Aus der Winkeldifferenz und der Erdgeschwindigkeit bestimmte er die Lichtgeschwindigkeit zu ungefähr 295.000 km/s. Damit kam er dem heute gültigen Wert schon mit einer Genauigkeit von ca. 1% nahe.

"Labormethoden"

Galileo Galilei versuchte um 1600 als erster, die Geschwindigkeit des Lichts zu messen, indem er zwei Männer mit Blendlaternen auf zwei Hügeln postierte. Da die Lichtlaufzeit jedoch deutlich niedriger lag als die benötigten Reaktionszeiten, war der Versuch von vorneherein zum Scheitern verurteilt.

Die erste irdische Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit gelang Armand Hippolyte Louis Fizeau. 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. 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.

Michelson und Morley haben in ihrem berühmten Ätherversuch mit Hilfe des später nach Michelson benannten Michelson-Interferometers nachgewiesen, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Bewegung der Erde ist, dass also eine Bewegung der Erde durch den damals angenommenen Äther nicht nachweisbar ist.

In der Astronomie werden Entfernungen oft in Lichtjahren, der Strecke, die das Licht innerhalb eines Jahres zurücklegt, angegeben.

Vakuumlichtgeschwindigkeit

Im Allgemeinen wird mit dem Begriff Lichtgeschwindigkeit die Vakuumlichtgeschwindigkeit gemeint. Sie ist eine grundlegende physikalische Konstante:

Dadurch kann man ein "Lichtjahr" in eine Strecke von 9,5 Billionen km umrechnen. Seit 1983 wird die SI-Basiseinheit Meter anhand der Lichtgeschwindigkeit definiert:

1 Meter ist die Strecke, die das Licht bei c0 in 1 / 299.792.458 Sekunden zurücklegt.
Der Grund für diese Neudefinition ist rein praktischer Natur: mittlerweile sind Zeit und Lichtgeschwindigkeit viel genauer messbar als Strecken.

Licht in Materie

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 (Optische Dichte) als auch von der Frequenz des Lichtes (siehe auch Dispersion).

Die im Vakuum gültige Formel für die Lichtgeschwindigkeit

0 die elektrische Feldkonstante und μ0 die magnetische Feldkonstante im Vakuum)

wird in Materie durch

ersetzt. Die Permittivitätszahl εr und die relativen Permeabilität μr stehen für die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Materials.

In Luft ist die Lichtgeschwindigkeit weniger als ein Promille geringer als im Vakuum. In Wasser oder Glas wird die Lichtgeschwindigkeit auf 3/4 bis 2/3 der Vakuumlichtgeschwindigkeit reduziert.

Das Verhältnis der Geschwindigkeiten c0 zu c wird als Brechungsindex bezeichnet.

Mikroskopisch gesehen werden die Photonen des Lichts ständig von den Atomen oder Molekülen des Materials absorbiert und wieder emittiert.

Theoretische Betrachtungen

Konkret gemessen wird immer die so genannte Zweiweg-Lichtgeschwindigkeit: Das Licht wird von einem Punkt A zu einem Punkt B geschickt und von diesem wieder zurück zu A. Es ist unmöglich die Einweg-Lichtgeschwindigkeit (von A zu B) zu messen, weil man dazu zuerst zwei Uhren bei A und B synchronisieren müsste. Dies könnte zwar mit Lichtsignalen erreicht werden. Dazu müsste man aber wissen, wie schnell das Licht sich bewegt. Man könnte auch die Uhren bei A gleich richten und dann die eine nach B verschieben. Die Analyse dieses Vorgangs zeigt, dass Uhren, die relativ zueinander bewegt werden, im Allgemeinen nicht gleich schnell laufen.

Albert Einstein hat in seiner speziellen Relativitätstheorie vorausgesetzt, dass das Licht von A nach B gleich viel Zeit braucht wie von B nach A. Mit dieser Voraussetzung gelang es ihm, die Uhren zu synchronisieren (Einsteinsche Uhrensynchronisation). Obwohl Einsteins Annahme plausibel ist und zu einer einfachen Theorie führt, wären auch andere Annahmen möglich. Z. B. ging Hendrik Antoon Lorentz von einem absoluten Raum aus, der sich allerdings in Messungen nicht von bewegten Systemen unterscheidet. Das Licht bewegt sich relativ zu diesem Raum mit der konstanten Lichtgeschwindigkeit c. So kommt Lorentz zwar wie Einstein auf die von den Experimenten bestätigten Voraussagen. Der Lorentzianischen Interpretation der speziellen Relativitätstheorie liegt aber eine andere Philosophie zugrunde, die insbesondere theoretisch auch Überlichtgeschwindigkeit zulässt.

In Einsteins Interpretation dagegen stellt die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum eine unüberschreitbare Grenze dar, wie dies in allen Experimenten bisher auch bestätigt wurde. Sogar wenn ein Beobachter sich mit hoher Geschwindigkeit auf eine Lichtquelle zu oder von ihr weg bewegt, misst er immer die gleiche Geschwindigkeit des einfallenden Lichtes. Dies mag verrückt klingen, ist aber eine logische Folgerung aus realen Messergebnissen sowie der Relativitätstheorie. Überlichtgeschwindigkeit würde in Einsteins Interpretation Zeitreisen theoretisch möglich machen.

Überlichtgeschwindigkeit von Materiewellen

Überlichtgeschwindigkeit in optisch dichten Medien

Die Geschwindigkeit des Lichts hängt vom Medium ab, in dem sich das Licht bewegt. Im Vakuum ist sie am höchsten, je größer die optische Dichte ist, desto langsamer breitet sich das Licht aus. (siehe auch Lichtbrechung) Im Wasser beträgt die Lichtgeschwindigkeit rund 225.000.000 m/s. In einem solchen, optisch dichten Medium können sich Materiewellen (Teilchen)schneller bewegen als das Licht (aber nicht schneller als Licht im Vakuum!).

Manche Atomreaktoren nutzen Wasser zur Abschirmung der radioaktivenen Strahlung. Die im Reaktor entstehenden Teilchen sind mit mehr als 225.000.000 m/s schneller als Licht im Wasser. Durch diese Überlichtgeschwindigkeit entsteht das blaue Leuchten solcher Atomreaktoren (Tscherenkow-Strahlung).

Tachyonen

Die hypothetischen überlichtschnellen Tachyonen sind immer überlichtschnell (wenn es sie gibt), eine Geschwindigkeit unterhalb der Lichtgeschwindigkeit ist ihnen so wenig möglich wie "normaler" Materie eine höhere als diese.

Unterlichtgeschwindigkeit

Es gibt auch Experimente, in denen Licht 'künstlich' abgebremst wird. Dazu werden optische Eigenschaften makroskopischer Quantensysteme (Bose-Einstein Kondensat) genutzt.

Gruppengeschwindigkeit

Mit der Gruppengeschwindigkeit bezeichnet man die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der Energie. Die Gruppengeschwindigkeit und die Phasengeschwindigkeit des Lichts sind im Vakuum gleich groß. Die Geschwindigkeiten sind in einem Stoff, der Dispersion zeigt, verschieden groß.

Nach der speziellen Relativitätstheorie ist die Vakuumlichtgeschwindigkeit die obere Grenze der Gruppengeschwindigkeit.




     
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