Lichtgeschwindigkeit

Mit Lichtgeschwindigkeit bewegen sich Licht und alle andere elektromagnetische Strahlung. Im Allgemeinen wird mit der Lichtgeschwindigkeit diejenige im Vakuum bezeichnet; in anderen transparenten Medien ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit, abhängig von den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Mediums (Optische Dichte), geringer.

Die Lichtgeschwindigkeit ist eine Naturkonstante. Sie beträgt im Vakuum 299.792.458 Meter pro Sekunde. Das physikalische Symbol ist c (lat. celeritas), für Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c₀.

Licht in Materie

Wenn sich Licht in Materie ausbreitet, ist die Reduktion im Vergleich zur Vakuumlichtgeschwindigkeit durch den Brechungsindex gegeben.

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.

Die im Vakuum gültige Formel für die Lichtgeschwindigkeit

$c_{0}={\frac {1}{\sqrt {\epsilon _{0}\cdot \mu _{0}}}}$

($\epsilon _{0}$ die elektrische Feldkonstante und $\mu _{0}$ die magnetische Feldkonstante im Vakuum) wird in Materie durch

$c_{0}={\frac {1}{\sqrt {\epsilon _{Material}\cdot \mu _{Material}}}}$ , ersetzt; hier stehen $\epsilon _{Material}$ und $\mu _{Material}$ für die elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Materials.

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

Messung der Lichtgeschwindigkeit

Galileo Galilei vermutete als erster, das Licht eine endliche Geschwindigkeit haben könne. Sein Versuch, durch Verdunkeln von Laternen die Geschwindigkeit zu bestimmen, war von vorneherein zum Scheitern verurteilt.

Der dänische Astronom Ole Römer entdeckte bei Beobachtungen der Jupitermonde, dass der zeitliche Abstand zwischen den Verfinsterungen anwuchs, wenn sich die Erde vom Jupiter entfernte. Damit konnte Römer die Lichtgeschwindigkeit mit annähernd 300.000 km/s bestimmen.

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. Im folgenden Jahr fand Léon Foucault jedoch den korrekten Wert.

Michelson und Morley haben in ihrem berühmten Ätherversuch 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.

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.

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

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 synchroniesieren 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. Leider zeigt die Analyse dieses Vorgangs, 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. Überlichtgeschwindigkeit würde in Einsteins Interpretation Zeitreisen theoretisch möglich machen.

Überlichtgeschwindigkeit

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 Teilchen sich schneller bewegen als das Licht (aber nicht schneller als Licht im Vakuum!).

Manche Atomreaktoren nutzen Wasser zur Abschirmung der radioaktiven 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.

Gruppengeschwindigkeit

Die Gruppengeschwindigkeit von Lichtwellen kann sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Diese theoretische Möglichkeit wurde experimentell realisiert; in extrem kurzen Strecken (von der Dimension weniger Atome) konnte eine Gruppengeschwindigkeit von dem 300-fachen der Lichtgeschwindigkeit erreicht werden. Allerdings wird herbei keine Information oder Wirkung übertragen, so dass die Kausalität gewahrt bleibt.

Unterlichtgeschwindigkeit

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