Was ist die Lichtgeschwindigkeit?

Irgendwo im Weltraum, Milliarden von Lichtjahren von der Erde entfernt, bahnt sich das erste Licht, das mit dem Urknall des Universums in Verbindung gebracht wird, seinen Weg. In krassem Gegensatz dazu wird eine andere Form elektromagnetischer Strahlung, die von der Erde ausgeht, nämlich die Radiowellen der ersten Live-Folge der „I love Lucy“-Serie, irgendwo im Weltraum ausgestrahlt, wenn auch mit stark reduzierter Amplitude.

Das grundlegende Konzept, das beiden Ereignissen zugrunde liegt, bezieht sich auf die Geschwindigkeit des Lichts (und aller anderen Formen elektromagnetischer Strahlung).

Wie schnell ist das Licht?

Die Lichtgeschwindigkeit, die Wissenschaftler gründlich untersucht haben, wird heute als konstanter Wert angegeben und in Gleichungen mit dem Symbol c bezeichnet. Die Lichtgeschwindigkeit, die keine wirkliche Konstante, sondern die Höchstgeschwindigkeit im Vakuum ist und fast 300.000 Kilometer pro Sekunde beträgt, kann durch einen Mediumwechsel oder durch Quanteninterferenz manipuliert werden.

Licht, das sich in einer gleichförmigen Substanz oder einem Medium ausbreitet, breitet sich in einer geraden Linie mit relativ konstanter Geschwindigkeit aus, es sei denn, es wird gebrochen, reflektiert, gebeugt oder in anderer Weise gestört.

Wie hoch ist die Lichtgeschwindigkeit in Luft und Wasser?

Wenn Licht, das sich durch die Luft ausbreitet, in ein anderes Medium, z. B. Glas oder Wasser, eintritt, verringern sich die Geschwindigkeit und die Wellenlänge des Lichts, während die Frequenz unverändert bleibt. Im Vakuum breitet sich Licht mit etwa 300.000 Kilometern pro Sekunde aus, in Wasser auf 225.000 Kilometer pro Sekunde und in Glas auf 200.000 Kilometer pro Sekunde.

Aufgrund der enormen Entfernungen, die Licht im Weltraum zwischen Galaxien und innerhalb der Milchstraße zurücklegt, wird die Ausdehnung zwischen den Sternen nicht in Kilometern, sondern in Lichtjahren gemessen. Ein Lichtjahr entspricht 9,5 Billionen Kilometern.

Von den Anfängen der Lichtgeschwindigkeit

Empedokles von Akragas war einer der ersten Philosophen, die darüber spekulierten, dass sich Licht mit einer endlichen Geschwindigkeit ausbreitet. Im Jahr 1572 beschrieb der dänische Astronom Tycho Brahe als erster eine Supernova, die sich im Sternbild Kassiopeia ereignete, was zur Infragestellung der unendlichen Lichtgeschwindigkeit führte.

Ole Roemers Schätzungen der Lichtgeschwindigkeit

Ole Roemer unternahm 1676 den ersten Versuch, die Lichtgeschwindigkeit zu schätzen, indem er die Verfinsterung des Jupitermondes Io beobachtete. Er schätzte die Lichtgeschwindigkeit auf etwa 220.000 Kilometer pro Sekunde.

Fizeaus und Foucaults Experimente zur Lichtgeschwindigkeit

In Frankreich versuchten die Wissenschaftler Armand Fizeau und Leon Foucault, die Lichtgeschwindigkeit mit verbesserten Geräten zu messen. Fizeau verwendete ein drehendes Rad, während Foucault einen rotierenden Spiegel einsetzte.

Der Lichtgeschwindigkeitsapparat von Michelson und Morley

Michelson und Morley führten Experimente durch, um die Existenz des Äthers zu überprüfen, indem sie ein Interferometer zur Messung der Lichtgeschwindigkeit einsetzten. Sie konnten keine Änderungen in der Lichtgeschwindigkeit nachweisen, was zur Ablehnung des Äthers führte.

Einsteins spezielle Relativitätstheorie und die Lichtgeschwindigkeit

Einsteins Relativitätstheorie zeigte, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist und sich im Vakuum nicht ändern kann. Diese Erkenntnis führte zu einer neuen Definition des Meters als die Strecke, die Licht in 1/299.792.458 Sekunden zurücklegt.

Messungen der Lichtgeschwindigkeit

Tabelle 1: Historische Messungen der Lichtgeschwindigkeit

Im späten neunzehnten Jahrhundert boten Fortschritte in der Radio- und Mikrowellentechnik neue Möglichkeiten zur Messung der Lichtgeschwindigkeit. 1888, mehr als 200 Jahre nach den bahnbrechenden Himmelsbeobachtungen von Roemer, bestimmte der deutsche Physiker Heinrich Rudolf Hertz die Geschwindigkeit von Radiowellen. Hertz kam auf einen Wert von fast 300.000 Kilometern pro Sekunde und bestätigte damit James Clerk Maxwells Theorie, dass sowohl Radiowellen als auch Licht Formen elektromagnetischer Strahlung sind. Weitere Beweise wurden in den 1940er und 1950er Jahren erbracht, als die britischen Physiker Keith Davy Froome und Louis Essen Radio- bzw. Mikrowellen einsetzten, um die Geschwindigkeit elektromagnetischer Strahlung genauer zu messen.

Maxwell war es auch, der die Lichtgeschwindigkeit und andere Formen der elektromagnetischen Strahlung nicht durch Messung bestimmte, sondern durch mathematische Schlussfolgerung berechnete. Bei seinen Versuchen, eine Verbindung zwischen Elektrizität und Magnetismus zu finden, stellte Maxwell die Theorie auf, dass ein sich veränderndes elektrisches Feld ein magnetisches Feld erzeugt, die umgekehrte Folge des Faraday'schen Gesetzes. Er stellte die Hypothese auf, dass elektromagnetische Wellen aus kombinierten oszillierenden elektrischen und magnetischen Wellen bestehen, und berechnete die Geschwindigkeit dieser Wellen im Raum wie folgt:

Geschwindigkeit (V) = 1/(ε • µ)1/2

wobei ε die Permittivität und µ die Permeabilität des freien Raums sind, zwei Konstanten, die mit relativ hoher Genauigkeit gemessen werden können. Das Ergebnis ist ein Wert, der der gemessenen Lichtgeschwindigkeit sehr nahe kommt.

1891 setzte Michelson seine Studien über die Lichtgeschwindigkeit und die Astronomie fort und baute mithilfe des Refraktors am Lick-Observatorium in Kalifornien ein großes Interferometer. Seine Beobachtungen basierten auf der Verzögerung der Ankunftszeit des Lichts bei der Betrachtung weit entfernter Objekte, z. B. von Sternen, die quantitativ analysiert werden können, um sowohl die Größe von Himmelskörpern als auch die Lichtgeschwindigkeit zu messen. Fast 30 Jahre später verlegte Michelson seine Experimente an das Mount Wilson Observatory und wandte die gleichen Techniken auf das 100-Zoll-Teleskop an, das damals das größte der Welt war.

Durch den Einbau eines achteckigen Drehspiegels in seinen Versuchsaufbau gelangte Michelson zu einem Wert von 299.845 Kilometern pro Sekunde für die Lichtgeschwindigkeit. Michelson starb, bevor er seine Experimente beenden konnte, aber sein Mitarbeiter am Mount Wilson, Francis G. Pease, setzte das innovative Verfahren bis in die 1930er Jahre für seine Forschungen ein. Mit Hilfe eines modifizierten Interferometers führte Pease über mehrere Jahre hinweg zahlreiche Messungen durch und stellte schließlich fest, dass der korrekte Wert für die Lichtgeschwindigkeit 299.774 Kilometer pro Sekunde beträgt, die bis zu diesem Zeitpunkt genaueste Messung. Einige Jahre später, im Jahr 1941, legte die wissenschaftliche Gemeinschaft einen Standard für die Lichtgeschwindigkeit fest. Dieser Wert, 299.773 Kilometer pro Sekunde, basiert auf einer Zusammenstellung der genauesten Messungen dieser Zeit. Abbildung 6 zeigt eine grafische Darstellung der Lichtgeschwindigkeitsmessungen der letzten 200 Jahre.

In den späten 1960er Jahren wurden Laser zu stabilen Forschungsinstrumenten mit genau definierten Frequenzen und Wellenlängen. Es wurde schnell klar, dass eine gleichzeitige Messung von Frequenz und Wellenlänge einen sehr genauen Wert für die Lichtgeschwindigkeit liefern würde, ähnlich wie ein experimenteller Ansatz, den Keith Davy Froome 1958 mit Mikrowellen durchführte. Mehrere Forschungsgruppen in den Vereinigten Staaten und in anderen Ländern haben die Frequenz der 633-Nanometer-Linie mit einem jodstabilisierten Helium-Neon-Laser gemessen und sehr genaue Ergebnisse erzielt. Im Jahr 1972 setzte das National Institute of Standards and Technology die Lasertechnologie ein, um die Geschwindigkeit mit 299.792.458 Metern pro Sekunde (186.282 Meilen pro Sekunde) zu messen, was letztendlich zur Neudefinition des Meters durch eine sehr genaue Schätzung der Lichtgeschwindigkeit führte.

Seit Roemers Durchbruch im Jahr 1676 wurde die Lichtgeschwindigkeit mindestens 163-mal mit einer Vielzahl unterschiedlicher Techniken von mehr als 100 Forschern gemessen (siehe Tabelle 1 für eine Zusammenstellung von Methoden, Forschern und Daten). Mit der Verfeinerung der wissenschaftlichen Methoden und Geräte verringerten sich die Fehlergrenzen der Schätzungen, wenngleich sich die Lichtgeschwindigkeit seit den Berechnungen von Roemer im 17. Jahrhundert nicht wesentlich geändert hatte. 1983, mehr als 300 Jahre nach dem ersten ernsthaften Messversuch, wurde die Lichtgeschwindigkeit auf der siebzehnten Generalkonferenz für Maß und Gewicht auf 299.792,458 Kilometer pro Sekunde festgelegt. Der Meter ist also definiert als die Strecke, die das Licht in einem Zeitintervall von 1/299.792.458 Sekunden zurücklegt. Im Allgemeinen (auch in vielen wissenschaftlichen Berechnungen) wird die Lichtgeschwindigkeit jedoch auf 300.000 Kilometer (oder 186.000 Meilen) pro Sekunde gerundet. Die Festlegung eines Standardwerts für die Lichtgeschwindigkeit war wichtig, um ein internationales Einheitensystem zu schaffen, damit Wissenschaftler aus aller Welt ihre Daten und Berechnungen vergleichen konnten.

Es besteht noch gewisse Uneinigkeit darüber, ob es Beweise dafür gibt, dass sich die Lichtgeschwindigkeit seit dem Urknall verlangsamt oder, wie einige Forscher behaupten, möglicherweise erheblich beschleunigt hat. Obwohl immer wieder neue Argumente vorgebracht werden, gehen die meisten Wissenschaftler nach wie vor davon aus, dass die Lichtgeschwindigkeit eine Konstante ist. Physiker weisen darauf hin, dass sich die tatsächliche Lichtgeschwindigkeit, wie sie von Roemer und seinen Nachfolgern gemessen wurde, nicht wesentlich verändert hat, sondern verweisen vielmehr auf eine Reihe von Verbesserungen der wissenschaftlichen Instrumente, die mit einer höheren Präzision der zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit verwendeten Messungen einhergehen. Heute kennt man die Entfernung zwischen Jupiter und Erde mit großer Genauigkeit, ebenso wie den Durchmesser des Sonnensystems und die Umlaufbahnen der Planeten. Wenn die Forscher diese Daten verwenden, um die Berechnungen der letzten Jahrhunderte zu überarbeiten, kommen sie zu Werten für die Lichtgeschwindigkeit, die mit denen vergleichbar sind, die mit moderneren und ausgefeilteren Instrumenten ermittelt wurden.