Seit der Antike haben Philosophen und Gelehrte versucht, das Licht zu verstehen. Sie versuchten nicht nur, seine grundlegenden Eigenschaften zu erkennen (d. h. woraus es besteht – Teilchen oder Welle usw.) Seit dem späten 17. Jahrhundert tun Wissenschaftler genau dies, und zwar mit zunehmender Genauigkeit.
Dabei haben sie die Mechanik des Lichts und die wichtige Rolle, die es in Physik, Astronomie und Kosmologie spielt, besser verstanden. Einfach ausgedrückt bewegt sich Licht mit unglaublicher Geschwindigkeit und ist das sich am schnellsten bewegende Ding im Universum. Seine Geschwindigkeit gilt als konstante und unzerbrechliche Barriere und dient zur Entfernungsmessung. Aber wie schnell reist es?
Lichtgeschwindigkeit (C):
Licht bewegt sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1.079.252.848,8 (1,07 Milliarden) km pro Stunde. Das entspricht 299.792.458 m/s oder etwa 670.616.629 mph (Meilen pro Stunde). Um dies in die richtige Perspektive zu rücken: Wenn Sie mit Lichtgeschwindigkeit reisen könnten, könnten Sie den Globus in einer Sekunde ungefähr siebeneinhalb Mal umrunden. In der Zwischenzeit würde eine Person, die mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von etwa 800 km/h (500 mph) fliegt, über 50 Stunden brauchen, um den Planeten nur einmal zu umrunden.
Abbildung, die die Entfernung zeigt, die das Licht zwischen Erde und Sonne zurücklegt. Bildnachweis: LucasVB/Public Domain
Um dies in eine astronomische Perspektive zu setzen, beträgt die durchschnittliche Entfernung von der Erde zum Mond 384.398,25 km (238.854 Meilen). Licht überquert diese Distanz also in etwa einer Sekunde. Inzwischen beträgt die durchschnittliche Entfernung von der Sonne zur Erde ~149.597.886 km (92.955.817 Meilen), was bedeutet, dass Licht für diese Reise nur etwa 8 Minuten braucht.
Kein Wunder also, warum die Lichtgeschwindigkeit das Maß für die Bestimmung astronomischer Entfernungen ist. Wenn wir sagen, dass ein Stern wie Proxima Centauri 4,25 Lichtjahre entfernt ist, sagen wir, dass es bei einer konstanten Geschwindigkeit von 1,07 Milliarden km pro Stunde (670.616.629 mph) ungefähr 4 Jahre und 3 Monate dauern würde, um dorthin zu gelangen. Aber wie sind wir zu dieser hochspezifischen Messung der „Lichtgeschwindigkeit“ gekommen?
Geschichte des Studiums:
Bis zum 17. Jahrhundert waren sich die Gelehrten nicht sicher, ob sich das Licht mit endlicher Geschwindigkeit oder augenblicklich ausbreitete. Von den Tagen der alten Griechen bis hin zu mittelalterlichen islamischen Gelehrten und Wissenschaftlern der frühen Neuzeit ging die Debatte hin und her. Erst durch die Arbeit des dänischen Astronomen Øle Rømer (1644-1710) wurde die erste quantitative Messung vorgenommen.
Im Jahr 1676 beobachtete Rømer, dass die Perioden von Jupiters innerstem Mond Io kürzer zu sein schienen, wenn sich die Erde Jupiter näherte, als wenn sie sich davon entfernte. Daraus schloss er, dass sich Licht mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet und schätzte, dass es etwa 22 Minuten dauert, um den Durchmesser der Erdumlaufbahn zu durchqueren.
Prof. Albert Einstein hielt am 28. Dezember 1934 die 11. Josiah Willard Gibbs-Vorlesung am Carnegie Institute of Technology, in der er seine Theorie darlegte, dass Materie und Energie in unterschiedlichen Formen dasselbe sind. Bildnachweis: AP Photo
Christian Huygens verwendete diese Schätzung und kombinierte sie mit einer Schätzung des Durchmessers der Erdbahn, um eine Schätzung von 220.000 km/s zu erhalten. Isaac Newton sprach auch über Rømers Berechnungen in seinem bahnbrechenden Werk Optik (1706). Unter Berücksichtigung der Entfernung zwischen Erde und Sonne berechnete er, dass das Licht sieben oder acht Minuten brauchen würde, um von einem zum anderen zu gelangen. In beiden Fällen lagen sie relativ knapp daneben.
Spätere Messungen der französischen Physiker Hippolyte Fizeau (1819 – 1896) und Léon Foucault (1819 – 1868) verfeinerten diese Messungen weiter – mit einem Wert von 315.000 km/s (192.625 mi/s). Und in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurde den Wissenschaftlern der Zusammenhang zwischen Licht und Elektromagnetismus bewusst.
Dies wurde von Physikern erreicht, die elektromagnetische und elektrostatische Ladungen maßen, die dann fanden, dass der Zahlenwert sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit lag (wie von Fizeau gemessen). Basierend auf seiner eigenen Arbeit, die zeigte, dass sich elektromagnetische Wellen im leeren Raum ausbreiten, schlug der deutsche Physiker Wilhelm Eduard Weber vor, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist.
Der nächste große Durchbruch kam zu Beginn des 20. Jahrhunderts. In seinem Aufsatz von 1905 mit dem Titel „Zur Elektrodynamik bewegter Körper“, Albert Einstein behaupteten, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, gemessen von einem nicht beschleunigenden Beobachter, in allen Trägheitsbezugssystemen gleich und unabhängig von der Bewegung der Quelle oder des Beobachters ist.
Ein Laser, der durch ein Wasserglas scheint, zeigt, wie viele Geschwindigkeitsänderungen (in mph) er erfährt, wenn er von Luft zu Glas, zu Wasser und wieder zurück geht. Bildnachweis: Bob King
Verwenden Sie dies und Galileis Relativitätsprinzip als Grundlage leitete Einstein die Spezielle Relativitätstheorie , bei der die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (C) war eine fundamentale Konstante. Zuvor war der Arbeitskonsens unter Wissenschaftlern der Meinung, dass der Weltraum mit einem „leuchtenden Äther“ gefüllt ist, der für seine Ausbreitung verantwortlich ist – d. h. dass Licht, das sich durch ein bewegtes Medium bewegt, vom Medium mitgerissen wird.
Dies wiederum bedeutete, dass die gemessene Geschwindigkeit des Lichts eine einfache Summe seiner Geschwindigkeit wäredurchdas mittel plus die geschwindigkeitvondieses Mittel. Einsteins Theorie machte das Konzept des stationären Äthers jedoch effektiv nutzlos und revolutionierte die Konzepte von Raum und Zeit.
Es brachte nicht nur die Idee voran, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Trägheitsbezugssystemen gleich ist, sondern führte auch die Idee ein, dass große Veränderungen auftreten, wenn sich Dinge nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Dazu gehört der Zeit-Raum-Rahmen eines sich bewegenden Körpers, der sich in Bewegungsrichtung zu verlangsamen und zusammenzuziehen scheint, wenn er im Rahmen des Beobachters gemessen wird (d. h. Zeitdilatation, bei der sich die Zeit verlangsamt, wenn sich die Lichtgeschwindigkeit nähert).
Seine Beobachtungen brachten auch die Maxwellschen Gleichungen für Elektrizität und Magnetismus mit den Gesetzen der Mechanik in Einklang, vereinfachten die mathematischen Berechnungen durch Verzicht auf überflüssige Erklärungen anderer Wissenschaftler und stimmten mit der direkt beobachteten Lichtgeschwindigkeit überein.
In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts würden immer genauere Messungen mit Laserinferometern und Hohlraumresonanztechniken die Schätzungen der Lichtgeschwindigkeit weiter verfeinern. 1972 verwendete eine Gruppe des US-amerikanischen National Bureau of Standards in Boulder, Colorado, die Laser-Inferometer-Technik, um den derzeit anerkannten Wert von 299.792.458 m/s zu erhalten.
Rolle in der modernen Astrophysik:
Einsteins Theorie, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum unabhängig von der Bewegung der Quelle und dem Trägheitsbezugssystem des Beobachters ist, wurde seitdem durch viele Experimente konsequent bestätigt. Es setzt auch eine Obergrenze für die Geschwindigkeiten, mit denen sich alle masselosen Teilchen und Wellen (einschließlich Licht) im Vakuum fortbewegen können.
Eine Folge davon ist, dass Kosmologen Raum und Zeit heute als eine einzige, einheitliche Struktur behandeln, die als Raumzeit bekannt ist – in der die Lichtgeschwindigkeit verwendet werden kann, um Werte für beide (dh „Lichtjahre“, „Lichtminuten“ und .) zu definieren „Lichtsekunden“). Auch die Messung der Lichtgeschwindigkeit ist zu einem wichtigen Faktor bei der Bestimmung der kosmischen Expansionsgeschwindigkeit geworden.
Beginnend in den 1920er Jahren mit Beobachtungen von Lemaitre und Hubble wurde Wissenschaftlern und Astronomen bewusst, dass sich das Universum von einem Ursprungspunkt aus ausdehnt. Hubble beobachtete auch, dass sich eine Galaxie umso schneller zu bewegen scheint, je weiter sie entfernt ist. In dem, was jetzt als bezeichnet wird Hubble-Parameter , die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, wird mit 68 km/s pro Megaparsec berechnet.
Dieses Phänomen, von dem angenommen wurde, dass einige Galaxien könnten sich tatsächlich schneller als die Lichtgeschwindigkeit bewegen , kann eine Grenze für das Beobachtbare in unserem Universum setzen. Im Wesentlichen würden Galaxien, die sich schneller als Lichtgeschwindigkeit bewegen, einen „kosmologischen Ereignishorizont“ durchqueren, wo sie für uns nicht mehr sichtbar sind.
Auch in den 1990er Jahren zeigten Rotverschiebungsmessungen entfernter Galaxien, dass sich die Expansion des Universums in den letzten paar Milliarden Jahren beschleunigt hat. Dies hat zu Theorien geführt wie „ Dunkle Energie “, wo eine unsichtbare Kraft die Ausdehnung des Raums selbst antreibt, anstatt dass sich Objekte durch ihn hindurch bewegen (wodurch die Lichtgeschwindigkeit nicht eingeschränkt wird oder die Relativität verletzt wird).
Zusammen mit der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie hat der moderne Wert der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum die Kosmologie, die Quantenphysik und das Standardmodell der Teilchenphysik beeinflusst. Sie bleibt eine Konstante, wenn man über die Obergrenze spricht, an der sich masselose Teilchen fortbewegen können, und bleibt eine unerreichbare Barriere für Teilchen mit Masse.
Vielleicht finden wir eines Tages einen Weg, die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten. Obwohl wir keine praktischen Ideen dafür haben, wie dies geschehen könnte, scheint das intelligente Geld auf Technologien zu beruhen, die es uns ermöglichen, die Gesetze der Raumzeit zu umgehen, entweder durch die Erzeugung von Warp-Blasen (auch bekannt als die Alcubierre Warp Drive ) oder durchtunneln (aka. Wurmlöcher ).
Bis dahin müssen wir uns nur mit dem sichtbaren Universum zufrieden geben und dabei bleiben, den Teil davon zu erforschen, der mit herkömmlichen Methoden erreichbar ist.
Wir haben viele Artikel über die Lichtgeschwindigkeit für Universe Today geschrieben. Hier ist Wie hoch ist die Lichtgeschwindigkeit? , Wie bewegen sich Galaxien schneller als das Licht? , Wie kann die Raumfahrt schneller als Lichtgeschwindigkeit reisen? , und Die Lichtgeschwindigkeit brechen .
Hier ist ein cooler Rechner, mit dem Sie viele umrechnen können verschiedene Einheiten für die Lichtgeschwindigkeit , und hier ist ein Relativitätsrechner , falls Sie fast mit Lichtgeschwindigkeit reisen wollten.
Astronomy Cast hat auch eine Episode, die sich mit Fragen zur Lichtgeschwindigkeit befasst – Fragen zeigen: Relativität, Relativität und mehr Relativität .
Quellen:
