Lichtgeschwindigkeit, die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtwellen (elektromagnetischen Wellen) im Vakuum.

Lange glaubte man, Licht breite sich unendlich schnell aus. Galileo Galilei bezweifelte dies als Erster und versuchte um 1600 die Lichtgeschwindigkeit zu bestimmen. Er postierte zwei Männer auf Hügeln, die sich mit Blendlaternen ein Lichtsignal hin und her schicken sollten. Eine theoretisch richtige Idee, die jedoch in der Praxis wegen der allzu großen Messungenauigkeit dieses Verfahrens zum Scheitern verurteilt war. Die erste halbwegs genaue Messung gelang dem dänischen Astronomen Ole Römer 1676. Er maß die Zeitspannen zwischen den Verfinsterungen der Jupitermonde bei verschiedenen Entfernungen der Erde vom Jupiter. Hierdurch ermittelte er eine Lichtgeschwindigkeit zwischen 200.000 und 300.000 km/s.

Versuchsaufbau von Fizeau

1849 maß Louis Fizeau die Lichtgeschwindigkeit nach Galileis Methode, ersetzte jedoch die Laternenmänner durch ein Zahnrad und einen Spiegel. Er führte den oben skizzierten Versuch am Standrand von Paris durch. Ein Strahl von einer Lichtquelle S passiert die Zähne des schnell rotierenden Zahnrads F und wird von dem knapp 9 Kilometer entfernten Spiegel M2 wieder zurück durch das Zahnrad in das Objektiv eines Fernrohrs L4 reflektiert. Ob der Lichtstrahl im Fernrohr sichtbar ist oder auf dem Rückweg durch einen Zahn blockiert wird, hängt davon ab, wie schnell sich das Zahnrad dreht und wie lange das Licht für seinen Weg hin und zurück braucht. Fizeau kam auf eine Lichtgeschwindigkeit von 313.000 km/s.

1887 führten Abraham Michelson und Edward Morley ihr berühmtes Äther-Experiment durch. Sie maßen mit einem Interferenzapparat die Lichtgeschwindigkeit in Bewegungsrichtung der Erde und quer dazu. Dabei stellten sie fest, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Richtungen gleich ist, also unabhängig von der Bewegung des Lichtempfängers. Da man durch Beobachtung von Doppelsternen schon vorher wusste, dass die gemessene Lichtgeschwindigkeit auch nicht von der Bewegung der Lichtquelle abhängt*, war dies ein unerwartetes und im Rahmen der damaligen Physik unerklärliches Ergebnis. Es führte zur Entwicklung der Speziellen Relativitätstheorie und zu der Erkenntnis, dass die Lichtgeschwindigkeit die Obergrenze für alle Geschwindigkeiten darstellt.

Der heutige Wert für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist 299.792,458 km/s; diese Geschwindigkeit ist eine Naturkonstante. Licht selbst hat eine Doppelnatur. Es ist zugleich eine elektromagnetische Welle, d.h. eine rhythmische Schwingung des elektrischen und magnetischen Feldes im Raum, und ein Strom von masselosen Teilchen, den Photonen. Je nach Art des Experiments, das man mit Licht anstellt, offenbart es seine Wellen- oder Teilchennatur. Die Energie eines Lichtteilchens entspricht dabei der Schwingungsfrequenz der betreffenden Lichtwelle, während die Anzahl der Teilchen der Stärke (Amplitude) der Welle entspricht. Das menschliche Auge ist in der Lage, einen einfallenden Schwarm ab etwa 200 Photonen bereits als schwachen Lichtblitz zu erkennen.


* Doppelsterne sind Sterne, die einander umkreisen, sich also mal auf die Erde zu und mal von ihr wegbewegen. Wäre die Lichtgeschwindigkeit von der Bewegung der Lichtquelle abhängig, würde Licht von einem sich auf uns zu bewegenden Stern früher eintreffen, was als 'Verschmierung' des Sternenlichts beobachtbar wäre.

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