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Die Lichtgeschwindigkeit


(AK)  Endlich oder unendlich schnell, das ist hier die Frage! - Erste Versuche die Geschwindigkeit des Lichtes zu bestimmen unternahm Galileo Galilei um 1600, indem er zwei Männer mit Blendlaternen auf zwei Hügeln postierte. Da die Lichtlaufzeit (0,000003 Sekunden für einen Kilometer) jedoch deutlich niedriger lag als die benötigten Reaktionszeiten, war der Versuch von vorne herein zum Scheitern verurteilt.
Im Jahre 1676 bestimmte der Däne Ole Christensen Römer (* 25. September 1644 - 19 September 1710) an den 1610 von Galilei entdeckten Jupitermonden die Geschwindigkeit des Lichtes.  Der Jupitermond Io hat eine Umlaufzeit von 1,76 Tagen um den Planeten. Während des Umlaufs wird der Mond vom Jupiter bedeckt, um später an der anderen Seite wieder aufzutauchen. Die Bewegungen des Mondes Io lassen sich sehr zuverlässig vorausberechnen. Zu seiner Überraschung beobachtete Römer, dass der Mond nicht immer genau dann hinter dem Jupiter hervorkam, wenn er es erwartete. Zu bestimmten Zeiten im Jahr schien er ein bisschen zu spät zu sein, zu anderen Zeiten wiederum etwas zu früh. Aus den scheinbaren Veränderungen der Zeit des Erscheinens von Io und den Änderungen des Abstandes Erde - Jupiter im Jahresumlauf um die Sonne konnte Römer den Wert 300.000 km/ s für die Lichtgeschwindigkeit ermitteln. Der genaue Wert liegt bei 299.792 km/ s im Vakuum. Römer lag mit seiner Bestimmung rund 1% daneben.
Der Engländer James Clerk Maxwell (* 1831 -
1879) verfaßte im Jahre 1864 seine "Elektromagnetischen Lichttheorie" . Hiermit trug er dazu bei, die Lichtgeschwindigkeit  numerisch (in der mathematischen  Theorie) zu bestimmen.
Die Franzosen Foucault  (Pendelexperiment 1851) und Fizeau machten erdgebundene Experimente mit einem Hohl- und Drehspiegel. Sie verbesserten den von Römer ermittelten Wert.
Auf Basis dieses Grundgedankens gab es in der Folge viele Experimente, von denen eines besonders beachtenswert ist.:

Das Michelson-Morley-Experiment

Albert Abraham Michelson (* 19. Dezember 1852 in Strelno (Posen); † 9. Mai 1931 in Pasadena (Kalifornien)) war ein amerikanischer Physiker, der durch das nach ihm benannte Michelson-Interferometer bekannt wurde. 1907 erhielt er den Nobelpreis für Physik.
Edward Williams Morley (* 29. Januar 1838; † 24. Februar 1923) war ein amerikanischer Wissenschaftler. Morley arbeitete auch an der chemischen Zusammensetzung der Atmosphäre, thermischer Ausdehnung und der Lichtgeschwindigkeit in einem Magnetfeld.
Nichts ist schneller als das Licht: Mit rund 300.000 Kilometer pro Sekunde (der genaue Wert im Vakuum ist c = 299.792 Kilometer pro Sekunde, das entspricht 1.079.251.200 Kilometer pro Stunde.) ist die Lichtgeschwindigkeit das absolute Limit, sowohl für Materie als auch für Strahlung und Information. Das Erstaunliche ist jedoch nicht die Größe, sondern dass der Wert immer gleich bleibt, egal wie schnell sich die Lichtquelle oder der Beobachter bewegt.
Was das heißt, wird an folgendem Beispiel klar:  Man wirft aus dem Stand einen Apfel mit 30 Kilometern pro Stunde nach vorne. Der Apfel fliegt dann mit 30 Stundenkilometern. Jetzt setzt man sich ins Auto und fährt mit einer Geschwindigkeit von 50 Stundenkilometern. Wieder wirft man einen Apfel mit der Geschwindigkeit von 30 Stundenkilometern nach vorne. Der Apfel flitzt dann mit  50 + 30 = 80 Stundenkilometern über die Straße.
Leuchtet man aus dem Stand mit einer Taschenlampe nach vorne, bewegt sich das Licht mit 300.000 Kilometern pro Sekunde. Nun führt man dieses Experiment wie oben im Auto aus, fährt also mit einer Geschwindigkeit von 50 Stundenkilometern und leuchtet mit der Taschenlampe nach vorne. Das Licht rast jedoch nicht mit Lichtgeschwindigkeit +50 Stundenkilometern dahin, sondern nach wie vor mit 300.000 Kilometern pro Sekunde.
Es ist außerdem gleichgültig, ob die Lichtgeschwindigkeit vom Auto aus gemessen wird oder vom Straßenrand, der Wert bleibt immer gleich.
Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit wurde zuerst im Jahre 1887 im so genannten Michelson-Morley-Experiment nachgewiesen. Es war jedoch lange unklar, wie diese Tatsache zu deuten sei und welche Konsequenzen sich daraus ergaben. Erst Albert Einstein zeigte mit seiner Speziellen Relativitätstheorie einen Ausweg aus dem Dilemma. Und er machte deutlich, welche Auswirkungen diese Unveränderlichkeit hat: Sowohl die Zeit als auch der Raum verlieren ihre absolute Bedeutung. Die Zeit verläuft mit zunehmender Geschwindigkeit immer langsamer und ein Gegenstand der sich mit fast Lichtgeschwindigkeit bewegt erscheint einem ruhenden Beobachter verkürzt.
So wusste man bereits seit Beginn des 19. Jahrhunderts, dass Licht aus Wellen besteht. Alle anderen bekannten Wellen waren stets an ein Medium gebunden; Schall breitet sich z.B. in Luft aus, Wasserwellen im Wasser. Daher nahm man an, dass auch das Licht an irgendeine Form von Medium gebunden war, das offensichtlich unsichtbar war. Dieses Medium wurde Lichtäther genannt. Es wurde angenommen, dass sich der Äther selbst in absoluter Ruhe befindet und sich jeder Körper, also auch die Erde, mit einer bestimmten Geschwindigkeit relativ dazu bewegt. Die beiden Physiker Albert Abraham Michelson und Edward Williams Morley wollten 1887 die Geschwindigkeit der Erde in diesem Äther mit Hilfe von Lichtstrahlen bestimmen. Dafür bauten sie ein äußerst genaues Messinstrument, ein so genanntes Interferometer. Die Idee dahinter: Die Geschwindigkeit des Lichtes wird in zwei verschiedene Richtungen gemessen, einmal in Richtung der Erdbewegung und einmal senkrecht dazu. Anschließend sollten sich beide Wellen überlagern, wobei eine Interferenzerscheinung entsteht. Der prinzipielle Aufbau des Michelson-Interferomerters sieht folgendermaßen aus: Ein Lichtbündel wird von einer halbverspiegelten Glasplatte in zwei Teilbündel aufgespalten. Die beiden Teilbündel durchlaufen die beiden gleichlangen Arme des Interferometers, von denen der eine geradeaus (in Richtung der Erdbewegung), der andere orthogonal (senkrecht zur Erdbewegung) dazu abgelenkt wird. Am Ende der Arme werden die beiden Lichtbündel von Spiegeln reflektiert und gelangen durch das halbverspiegelte Glas in einem Fernrohr zur Überlagerung.
Wegen der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten sollten die beiden Teilbündel verschiedene Laufzeiten haben. Die Geschwindigkeit des Lichtes in Richtung der Erdbewegung beträgt  c -
ν  und in Gegenrichtung  c + ν. Senkrecht zur Erdbewegung erhält man dann durch die Vektoraddition von c und v die Geschwindigkeit  SQR (c2 - ν2).
Da die beiden Arme die gleiche Länge d haben, so lassen sich die Laufzeiten t  parallel und t senkrecht zur Bewegungsrichtung der Erde wie folgt berechnen:





Aus den beiden Gleichungen ergibt sich:



Das Licht, das sich in dieselbe Richtung bewegt wie die Erde, sollte schneller sein als das Licht senkrecht dazu, da die beiden Teilbündel unterschiedliche Laufzeiten haben; wegen  v/c = 30/300.000 = 10
-4  ist der Laufunterschied allerdings sehr klein, aber dennoch hätte es mit dem Interferometer nachweisbar sein müssen. Das Interferometer war auf einer Platte montiert, die auf Quecksilber schwamm. Das Spektrometer wurde in diesem Versuch um 90° gedreht, wodurch die beiden Spektrometerarme ihre Rollen vertauschen. Durch diese Drehung ändert sich die Phasenbeziehung der beiden Lichtbündel. Es sollte sich die Interferenzerscheinung ändern und je nach Phasenverschiebung eine Aufhellung oder Verdunkelung zu beobachten sein.
Doch so sorgfältig die beiden Forscher ihre Messungen auch ausführten, sie konnten keinen Unterschied in der Geschwindigkeit feststellen. Die Lichtgeschwindigkeit blieb konstant.
Die einzige mögliche Erklärung die auf der Hand lag war, dass sich die Erde in Bezug auf den Äther nicht bewegt, aber das wäre ein zu großer Zufall gewesen. Eine schlüssige Deutung wurde erst zwei Jahrzehnte später von Albert Einstein gefunden, die Spezielle Relativitätstheorie.

Das Michelson-Morley-Experiment ist wahrscheinlich das bedeutenste missglückte Experiment in der Geschichte der Wissenschaft.


Welche Strecke legt das Licht in welcher Zeit zurück?

  Lichtsekunde
299.792  km  
  299 Tausend ...
  Lichtminute
17.987.520  km  
  17 Millionen ...
  Lichtstunde
1.079.251.200  km  
  1 Milliarde ...
  Lichttag
25.902.028.800 km  
  25 Milliarden ...
  Lichtmonat
777.060.864.000  km  
  777 Milliarden ...
  Lichtjahr
9.460.716.019.200  km  
  9 Billionen ...



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