Lichtgeschwindigkeit
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 Wertangegeben 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. Diese anerkannte wissenschaftliche Tatsache ist kein Produkt des Atomzeitalters oder gar der Renaissance, sondern wurde zum ersten Mal von dem antiken griechischen Gelehrten Euklid um 350 v. Chr. in seiner bahnbrechenden Abhandlung Optica beschrieben. Die Intensität von Licht (und anderer elektromagnetischer Strahlung) ist jedoch umgekehrt proportional zum Quadrat der zurückgelegten Strecke. Nachdem das Licht also das Zweifache einer bestimmten Strecke zurückgelegt hat, nimmt seine Intensität um den Faktor vier ab.
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 (siehe Abbildung 2), während die Frequenz unverändert bleibt. Im Vakuum, das einen Brechungsindex von 1,0 hat, breitet sich Licht mit etwa 300.000 Kilometern pro Sekunde aus, in Wasser (Brechungsindex 1,3; siehe Abbildung 2) verlangsamt es sich auf 225.000 Kilometer pro Sekunde und in Glas (Brechungsindex 1,5) auf 200.000 Kilometer pro Sekunde. In einem Diamanten mit einem relativ hohen Brechungsindex von 2,4 wird die Lichtgeschwindigkeit auf etwa 60 Prozent der Höchstgeschwindigkeit im Vakuum verlangsamt (125.000 Kilometer pro Sekunde).
Aufgrund der enormen Entfernungen, die Licht im Weltraum zwischen Galaxien (siehe Abbildung 1) und innerhalb der Milchstraße zurücklegt, wird die Ausdehnung zwischen den Sternen nicht in Kilometern, sondern in Lichtjahren gemessen, d. h. der Entfernung, die Licht in einem Jahr zurücklegen würde. Ein Lichtjahr entspricht 9,5 Billionen Kilometern oder etwa 5,9 Billionen Meilen. Die Entfernung zwischen der Erde und dem nächstgelegenen Stern jenseits unseres Sonnensystems, Proxima Centauri, beträgt etwa 4,24 Lichtjahre. Zum Vergleich: Die Milchstraße hat einen geschätzten Durchmesser von etwa 150.000 Lichtjahren, und die Entfernung zur Andromeda-Galaxie beträgt etwa 2,21 Millionen Lichtjahre. Das bedeutet, dass Licht, das gerade auf der Erde ankommt, die Andromeda-Galaxie vor 2,21 Millionen Jahren verlassen hat, es sei denn, es wurde von reflektierenden Himmelskörpern oder durch die Brechwirkung von Trümmern aufgehalten.
Wenn Astronomen in den Nachthimmel blicken, beobachten sie eine Mischung aus Echtzeit, jüngster Vergangenheit und uralter Geschichte. Zu der Zeit, als die ersten Babylonier, arabischen Astrologen und griechischen Astronomen die Sternbilder beschrieben, hatte Scorpius (Sternbild Skorpion) beispielsweise noch den Schwanz eines Skorpions. Der Schwanzstern und andere Sterne in diesem Sternbild waren zwischen 500 und 1000 v. Chr. als Novae am Himmel erschienen, sind aber für heutige Sternbeobachter nicht mehr sichtbar. Obwohl einige der Sterne, die am Nachthimmel der Erde zu sehen sind, längst erloschen sind, erreichen die Lichtwellen, die ihre Bilder transportieren, das menschliche Auge und Teleskope noch immer. Das Licht ihrer Zerstörung (und die Dunkelheit nach ihrem Verlöschen) hat die enormen Entfernungen des Weltraums noch nicht überwunden, weil die Zeit zu kurz war.
Von den Anfängen der Lichtgeschwindigkeit
Empedokles von Akragas, der um 450 v. Chr. lebte, war einer der ersten Philosophen, die darüber spekulierten, dass sich Licht mit einer endlichen Geschwindigkeit ausbreitet. Fast ein Jahrtausend später, um 525 n. Chr., versuchte der römische Gelehrte und Mathematiker Anicius Boethius, die Lichtgeschwindigkeit zu dokumentieren, wurde aber wegen seiner wissenschaftlichen Bemühungen enthauptet, nachdem er des Verrats und der Zauberei angeklagt worden war. Seit der frühesten Verwendung von Schwarzpulver für Feuerwerk und Signale durch die Chinesen hat sich der Mensch über die Lichtgeschwindigkeit Gedanken gemacht. Da der Licht- und Farbblitz dem explosiven Geräusch um einige Sekunden vorausging, brauchte man nicht lange zu rechnen, um zu erkennen, dass die Lichtgeschwindigkeit offensichtlich schneller ist als die Schallgeschwindigkeit.
Lichtgeschwindigkeit in transparenten Materialien
Entdecken Sie, wie sich die Lichtgeschwindigkeit im Verhältnis zum Brechungsindex eines Materials verringert, wenn Licht in ein neues transparentes Medium wie Luft, Wasser oder Glas eintritt.
Die Geheimnisse hinter dem Schwarzpulver der Chinesen gelangten Mitte des 13. Jahrhunderts in die westliche Welt und warfen Fragen zur Lichtgeschwindigkeit auf. Davor hatten andere Forscher zwar gewusst, dass der Donner erst nach dem für ein Gewitter typischen Blitz zu hören ist, aber keine plausiblen wissenschaftlichen Erklärungen für die Art der Verzögerung parat. Der arabische Gelehrte Alhazen war der erste ernstzunehmende Optikwissenschaftler, der (um 1000 n. Chr.) die Ansicht vertrat, dass das Licht eine endliche Geschwindigkeit hat, und um 1250 n. Chr. schrieb der britische Optikpionier Roger Bacon, dass die Lichtgeschwindigkeit endlich sei, wenn auch sehr schnell. Dennoch war die Mehrheit der Wissenschaftler zu dieser Zeit der Meinung, dass die Lichtgeschwindigkeit unendlich ist und nicht gemessen werden kann.
Im Jahr 1572 beschrieb der berühmte dänische Astronom Tycho Brahe als erster eine Supernova, die sich im Sternbild Kassiopeia ereignete. Der Astronom hatte verblüfft und fasziniert beobachtet, wie ein „neuer Stern“ plötzlich am Himmel erschien, langsam an Helligkeit zunahm und dann über einen Zeitraum von 18 Monaten aus dem Blickfeld verschwand. Diese neuartigen Erscheinungen am Himmel veranlassten Brahe und seine Zeitgenossen, die weit verbreitete Vorstellung von einem perfekten und unveränderlichen Universum mit unendlicher Lichtgeschwindigkeit in Frage zu stellen. Der Glaube, dass Licht eine unendliche Geschwindigkeit hat, war schwer zu verdrängen, obwohl einige Wissenschaftler im 16. Jahrhundert anfangen, die bisher angenommene Lichtgeschwindigkeit zu hinterfragen. Noch im Jahr 1604 vermutete der deutsche Physiker Johannes Kepler, dass die Lichtgeschwindigkeit augenblicklich sei. Er ergänzte in seinen veröffentlichten Notizen, dass das Vakuum des Weltraums die Lichtgeschwindigkeit nicht verlangsamt, was die Suche seiner Zeitgenossen nach dem Äther, der angeblich den Raum ausfüllt und das Licht trägt, etwas erschwerte.
Ole Roemers Schätzungen der Lichtgeschwindigkeit
Kurz nach der Erfindung und einigen relativ simplen Verfeinerungen des Fernrohrs unternahm der dänische Astronom Ole Roemer (1676) als erster Wissenschaftler einen rigorosen Versuch, die Lichtgeschwindigkeit zu schätzen. Durch das Studium des Jupitermondes Io und seiner häufigen Verfinsterungen konnte Roemer die Periodizität einer Mondfinsternis vorhersagen (Abbildung 3). Nach einigen Monaten stellte er jedoch fest, dass seine Vorhersagen in immer größeren Zeitabständen immer ungenauer wurden und schließlich eine maximale Abweichung von etwa 22 Minuten erreichten (eine ziemlich große Diskrepanz, wenn man bedenkt, wie weit sich Licht in dieser Zeitspanne ausbreitet). Dann wurden seine Vorhersagen merkwürdigerweise über mehrere Monate hinweg immer genauer, und der Zyklus wiederholte sich. Bei seiner Arbeit am Pariser Observatorium erkannte Roemer bald, dass die beobachteten Unterschiede auf Schwankungen in der Entfernung zwischen Erde und Jupiter zurückzuführen waren, die durch die Umlaufbahnen der Planeten bedingt waren. Da sich Jupiter von der Erde entfernte, musste das Licht eine längere Strecke zurücklegen und benötigte mehr Zeit, um die Erde zu erreichen. Unter Anwendung der relativ ungenauen Berechnungen für die Entfernungen zwischen Erde und Jupiter, die zu dieser Zeit verfügbar waren, konnte Roemer die Lichtgeschwindigkeit auf etwa 220.000 Kilometer (oder 137.000 Meilen) pro Sekunde schätzen. Abbildung 3 zeigt eine Reproduktion der Originalzeichnungen von Roemer, die seine Methodik zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit beschreiben.
Roemers Arbeit rüttelte die wissenschaftliche Gemeinschaft auf, und viele Forscher begannen, ihre Spekulationen über die unendliche Geschwindigkeit des Lichts zu überdenken. So schrieb Sir Isaac Newton in seiner bahnbrechenden Abhandlung Philosophiae Naturalis Principia Mathematica (Mathematische Prinzipien der Naturphilosophie) aus dem Jahr 1687: „Aus den Erscheinungen der Jupitersatelliten, die durch die Beobachtungen verschiedener Astronomen bestätigt wurden, steht fest, dass sich das Licht nacheinander ausbreitet und etwa sieben oder acht Minuten braucht, um von der Sonne zur Erde zu gelangen“, was in der Tat eine bemerkenswert genaue Schätzung der korrekten Lichtgeschwindigkeit darstellt. Newtons geachtete Meinung und sein weitverbreitetes Ansehen trugen entscheidend dazu bei, die wissenschaftliche Revolution in Gang zu setzen, und halfen, neue Forschungen von Wissenschaftlern in Gang zu setzen, die nun die Lichtgeschwindigkeit als endlich anerkannten.
James Bradleys Schätzungen der Lichtgeschwindigkeit
Der nächste in der Reihe, der eine brauchbare Schätzung der Lichtgeschwindigkeit lieferte, war der britische Physiker James Bradley. Im Jahr 1728, ein Jahr nach Newtons Tod, schätzte Bradley die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum auf etwa 301.000 Kilometer pro Sekunde, wobei er stellare Aberrationen berücksichtigte. Diese Phänomene äußern sich in einer scheinbaren Veränderung der Position der Sterne aufgrund der Bewegung der Erde um die Sonne. Der Grad der stellaren Aberration lässt sich aus dem Verhältnis zwischen der Umlaufgeschwindigkeit der Erde und der Lichtgeschwindigkeit bestimmen. Durch Messung des stellaren Aberrationswinkels und Anwendung dieser Daten auf die Umlaufgeschwindigkeit der Erde konnte Bradley eine bemerkenswert genaue Schätzung vornehmen.
1834 versuchte Sir Charles Wheatstone, Erfinder des Kaleidoskops und Pionier in der Wissenschaft des Schalls, die Geschwindigkeit von Elektrizität zu messen. Wheatstone erfand ein Gerät, das mit Hilfe von rotierenden Spiegeln und kapazitiven Entladungen durch einen Flaschenkondensator die Ausbreitung von Funken durch fast acht Meilen Draht erzeugte und verfolgte. Leider waren seine Berechnungen (und vielleicht auch seine Messgeräte) so fehlerhaft, dass Wheatstone die Geschwindigkeit der Elektrizität auf 288.000 Meilen pro Sekunde schätzte, ein Fehler, der ihn zu der Annahme verleitete, dass Elektrizität schneller als das Licht sei. Wheatstones Forschungen wurden später von dem französischen Wissenschaftler Dominique François Jean Arago weitergeführt. Obwohl er seine Arbeit nicht abschließen konnte, bevor er 1850 erblindete, postulierte Arago richtig, dass sich Licht in Wasser langsamer ausbreitet als in der Luft.
Fizeaus und Foucaults Experimente zur Lichtgeschwindigkeit
In Frankreich versuchten die rivalisierenden Wissenschaftler Armand Fizeau und Jean-Bernard-Leon Foucault unabhängig voneinander, die Lichtgeschwindigkeit zu messen, ohne sich auf Himmelsereignisse zu stützen, indem sie Aragos Entdeckungen nutzten und Wheatstones Konstruktion des Drehspiegels weiterentwickelten. 1849 entwickelte Fizeau ein Gerät, bei dem ein Lichtstrahl durch ein Zahnrad (anstelle eines rotierenden Spiegels) auf einen festen Spiegel in 5,5 Meilen Entfernung fiel. Durch das schnelle Drehen des Zahnrades konnte er den Strahl auf dem Hinweg durch eine Lücke zwischen zwei Zähnen lenken und auf dem Rückweg reflektierte Strahlen in der benachbarten Lücke auffangen. Mit der Geschwindigkeit des Rades und der Strecke, die das gepulste Licht zurücklegte, konnte Fizeau die Lichtgeschwindigkeit berechnen. Er entdeckte auch, dass sich Licht in der Luft schneller ausbreitet als in Wasser (und bestätigte damit die Hypothese von Arago), eine Tatsache, die sein Landsmann Foucault später experimentell bestätigte.
Foucault verwendete einen schnell rotierenden Spiegel, der von einer Druckluftturbine angetrieben wurde, um die Lichtgeschwindigkeit zu messen. In seiner Apparatur (siehe Abbildung 4) wird ein schmaler Lichtstrahl durch eine Blende und dann durch ein Glasfenster (das auch als Strahlteiler dient) mit einer fein abgestuften Skala geleitet, bevor er auf den sich schnell drehenden Spiegel trifft. Das von dem sich drehenden Spiegel reflektierte Licht wird in einem Zickzackmuster durch eine Batterie stationärer Spiegel geleitet, um die Weglänge des Instruments auf etwa 20 Meter zu erhöhen, ohne es entsprechend vergrößern zu müssen. In der Zeit, die das Licht brauchte, um durch die Spiegelreihe zu reflektieren und zum Drehspiegel zurückzukehren, hatte sich die Position des Spiegels leicht verschoben. Anschließend wird das von der verschobenen Position des Drehspiegels reflektierte Licht auf einem neuen Weg zurück zur Quelle und in ein Mikroskop geleitet, das auf dem Gerät montiert ist. Die winzige Lichtverschiebung konnte durch das Mikroskop gesehen und aufgezeichnet werden. Durch die Analyse der bei seinem Experiment gesammelten Daten konnte Foucault die Lichtgeschwindigkeit auf 298.000 Kilometer pro Sekunde (etwa 185.000 Meilen pro Sekunde) berechnen.
Der Lichtweg in Foucaults Gerät war kurz genug, um für die Messung von Lichtgeschwindigkeiten durch andere Medien als Luft verwendet zu werden. Er entdeckte, dass die Lichtgeschwindigkeit in Wasser oder Glas nur etwa zwei Drittel des Wertes in Luft beträgt, und er stellte fest, dass die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium umgekehrt proportional zum Brechungsindex ist. Dieses bemerkenswerte Ergebnis stimmt mit den Vorhersagen über das Lichtverhalten überein, die Hunderte von Jahren zuvor aus der Wellentheorie der Lichtausbreitung entwickelt wurden.
Der Lichtgeschwindigkeitsapparat von Michelson und Morley
Dem Beispiel Foucaults folgend, versuchte ein in Polen geborener amerikanischer Physiker namens Albert A. Michelson, die Genauigkeit der Methode zu erhöhen, und maß 1878 erfolgreich die Lichtgeschwindigkeit mit einer ausgefeilteren Version des Geräts entlang einer 2.000 Fuß (ca. 610 Meter) langen Mauer am Ufer des englischen Flusses Severn. Durch die Investition in hochwertige Linsen und Spiegel zur Fokussierung und Reflexion eines Lichtstrahls über einen viel längeren Weg als den von Foucault verwendeten, errechnete Michelson ein Endergebnis von 186.355 Meilen pro Sekunde (299.909 Kilometer pro Sekunde), wobei ein möglicher Fehler von etwa 30 Meilen pro Sekunde berücksichtigt wurde. Aufgrund des ausgefeilteren Versuchsaufbaus war die Genauigkeit von Michelsons Messung mehr als 20-mal höher als die von Foucault.
Ende des 19. Jahrhunderts glaubten die meisten Wissenschaftler noch, dass sich Licht mit Hilfe eines Trägermediums, des Äthers, durch den Raum ausbreitet. Gemeinsam mit dem Wissenschaftler Edward Morley entwickelte Michelson 1887 eine experimentelle Methode zum Nachweis des Äthers, indem er die relativen Veränderungen der Lichtgeschwindigkeit bei der Umrundung der Erde um die Sonne beobachtete. Dazu konstruierten sie ein Interferometer, das einen Lichtstrahl aufspaltet und die einzelnen Strahlen mit Hilfe einer komplexen Spiegelanordnung durch zwei verschiedene, jeweils über 10 Meter lange Bahnen umleitet. Michelson und Morley kamen zu dem Schluss, dass der Strahl, der senkrecht zum Ätherfluss hin und her reflektiert wird, eine längere Strecke zurücklegen muss als der Strahl, der parallel zum Äther reflektiert wird, wenn die Erde durch ein Äthermedium wandert. Das Ergebnis wäre eine Verzögerung in einem der Lichtstrahlen, die bei der Rekombination der Strahlen durch Interferenz festgestellt werden könnte.
Der von Michelson und Morley gebaute Versuchsapparat war massiv (siehe Abbildung 5). Das Instrument war auf einer sich langsam drehenden Steinplatte montiert, die größer als ein halber Quadratmeter und 35 Zentimeter dick war, und wurde zusätzlich durch ein darunter liegendes Quecksilberbecken geschützt, das als reibungsloser Stoßdämpfer fungierte, um die Vibrationen der Erde zu dämpfen. Nachdem sich die Platte in Bewegung gesetzt und eine Höchstgeschwindigkeit von 10 Umdrehungen pro Stunde erreicht hatte, dauerte es Stunden, bis sie wieder zum Stillstand kam. Licht, das durch einen Strahlteiler fällt und vom Spiegelsystem reflektiert wird, wurde mit einem Mikroskop auf Interferenzstreifen untersucht, aber es wurden nie welche beobachtet. Mithilfe seines Interferometers konnte Michelsen jedoch die Lichtgeschwindigkeit genau auf 186.320 Meilen pro Sekunde (299.853 Kilometer pro Sekunde) berechnen, ein Wert, der für die nächsten 25 Jahre als Standard galt. Die Tatsache, dass das Michelson-Morley-Experiment keine Änderung der Lichtgeschwindigkeit nachweisen konnte, leitete das Ende der Ätherkontroverse ein, die schließlich durch die Theorien Albert Einsteins zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts endgültig begraben wurde.
Einsteins spezielle Relativitätstheorie und die Lichtgeschwindigkeit
Im Jahr 1905 veröffentlichte Einstein seine spezielle Relativitätstheorie, gefolgt von der allgemeinen Relativitätstheorie im Jahr 1915. Die erste Theorie bezog sich auf die Bewegung von Objekten mit konstanter Geschwindigkeit im Verhältnis zueinander, während sich die zweite auf die Beschleunigung und ihre Verbindung zur Schwerkraft konzentrierte. Da sie viele seit langem bestehende Hypothesen, wie etwa das Bewegungsgesetz von Isaac Newton, in Frage stellten, waren Einsteins Theorien eine revolutionäre Kraft in der Physik. Die Relativitätstheorie beruht auf dem Konzept, dass die Geschwindigkeit eines Objekts nur relativ zur Position des Beobachters bestimmt werden kann. Ein Beispiel: Ein Mann, der in einem Flugzeug geht, scheint sich im Bezugssystem des Flugzeugs (das sich selbst mit 600 Meilen pro Stunde bewegt) mit etwa einer Meile pro Stunde zu bewegen. Für einen Beobachter am Boden scheint sich der Mann jedoch mit 601 Meilen pro Stunde zu bewegen.
Einstein ging in seinen Berechnungen davon aus, dass die Lichtgeschwindigkeit zwischen zwei Bezugssystemen für Beobachter an beiden Orten gleich ist. Da ein Beobachter in einem Bezugssystem Licht zur Bestimmung der Position und Geschwindigkeit von Objekten in einem anderen Bezugssystem verwendet, ändert sich die Art und Weise, wie der Beobachter die Position und Geschwindigkeit der Objekte in Beziehung setzen kann. Einstein nutzte dieses Konzept, um mehrere wichtige Formeln abzuleiten, die beschreiben, wie Objekte in einem Bezugsrahmen erscheinen, wenn sie von einem anderen Bezugssystem aus betrachtet werden, der sich relativ zum ersten in gleichmäßiger Bewegung befindet. Seine Ergebnisse führten zu einigen ungewöhnlichen Schlussfolgerungen, obwohl die Auswirkungen erst dann bemerkbar werden, wenn sich die Relativgeschwindigkeit eines Objekts der Lichtgeschwindigkeit nähert. Die wichtigsten Auswirkungen von Einsteins grundlegenden Theorien und seiner oft zitierten Relativitätsgleichung:
lassen sich wie folgt zusammenfassen:
Die Länge eines Objekts nimmt im Verhältnis zu einem Beobachter ab, wenn die Geschwindigkeit des Objekts zunimmt.
Wenn sich ein Bezugssystem bewegt, werden die Zeitintervalle kürzer. Mit anderen Worten: Ein Raumfahrer, der sich mit oder nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegt, könnte die Erde für viele Jahre verlassen und nach einer Zeitspanne von nur wenigen Monaten zurückkehren.
Die Masse eines sich bewegenden Objekts nimmt mit seiner Geschwindigkeit zu, und wenn sich die Geschwindigkeit der Lichtgeschwindigkeit nähert, nähert sich die Masse der Unendlichkeit. Aus diesem Grund wird allgemein angenommen, dass es unmöglich ist, sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortzubewegen, da eine unendliche Energiemenge erforderlich wäre, um eine unendliche Masse zu beschleunigen.
Obwohl Einsteins Theorie die gesamte Physik betraf, hatte sie besonders wichtige Auswirkungen auf die Wissenschaftler, die sich mit Licht beschäftigten. Diese Theorie erklärt, warum das Michelson-Morley-Experiment nicht die erwarteten Ergebnisse brachte und keine weiteren ernsthaften wissenschaftlichen Untersuchungen über die Natur des Äthers als Trägermedium nach sich zog. Sie zeigte auch, dass eine Bewegung im Vakuum maximal mit Lichtgeschwindigkeit möglich ist und dass diese Geschwindigkeit ein konstanter und unveränderlicher Wert ist. In der Zwischenzeit arbeiteten die experimentellen Wissenschaftler mit immer ausgefeilteren Instrumenten daran, den richtigen Wert für die Lichtgeschwindigkeit zu ermitteln und Messfehler zu verringern.
Messungen der Lichtgeschwindigkeit
Tabelle 1
| Datum | Forscher | Verfahren | Schätzung in Kilometer/Sekunde |
|---|---|---|---|
| 1667 | Galileo Galilei | Abgedeckte Laternen | 333,5 |
| 1676 | Ole Roemer | Jupitermonde | 220.000 |
| 1726 | James Bradley | Stellare Aberration | 301.000 |
| 1834 | Charles Wheatstone | Drehspiegel | 402.336 |
| 1838 | François Arago | Drehspiegel | |
| 1849 | Armand Fizeau | Drehendes Rad | 315.000 |
| 1862 | Leon Foucault | Drehspiegel | 298.000 |
| 1868 | James Clerk Maxwell | Theoretische Berechnungen | 284.000 |
| 1875 | Marie-Alfred Cornu | Drehspiegel | 299.990 |
| 1879 | Albert Michelson | Drehspiegel | 299.910 |
| 1888 | Heinrich Rudolf Hertz | Elektromagnetische Strahlung | 300.000 |
| 1889 | Edward Bennett Rosa | Elektrische Messungen | 300.000 |
| 1890er | Henry Rowland | Spektroskopie | 301.800 |
| 1907 | Edward Bennett Rosa und Noah Dorsey | Elektrische Messungen | 299.788 |
| 1923 | Andre Mercier | Elektrische Messungen | 299.795 |
| 1926 | Albert Michelson | Drehspiegel (Interferometer) | 299.798 |
| 1928 | August Karolus und Otto Mittelstaedt | Kerr Cell Shutter | 299.778 |
| 1932 bis 1935 | Michelson und Pease | Drehspiegel (Interferometer) | 299.774 |
| 1947 | Louis Essen | Hohlraumresonator | 299.792 |
| 1949 | Carl I. Aslakson | Shoran-Radar | 299.792,4 |
| 1951 | Keith Davy Froome | Radio-Interferometer | 299.792,75 |
| 1973 | Kenneth M. Evenson | Laser | 299.792,457 |
| 1978 | Peter Woods und Kollegen | Laser | 299.792,4588 |
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:
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.
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