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Lichtgeschwindigkeit


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Die Lichtgeschwindigkeit ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichtes und anderer elektromagnetischer Wellen . Mit dieser Geschwindigkeit breitet sich die aus. Das physikalische Symbol ist c (lat. celeritas »Geschwindigkeit«).

Inhaltsverzeichnis

Messung der Lichtgeschwindigkeit

Astronomische Methoden

Der dänische Astronom Ole Römer entdeckte bereits 1676 bei Beobachtungen der Jupitermonde dass der zeitliche Abstand zwischen den anwuchs wenn sich die Erde vom Jupiter Damit konnte Römer die Lichtgeschwindigkeit mit annähernd km/s bestimmen.

James Bradley wählte 1728 eine andere Methode in dem er die scheinbare Abweichung Fixsternortes am Himmel vom realen Ort bestimmte durch die Bewegung der Erde hervorgerufen wird. der Winkeldifferenz und der Erdgeschwindigkeit bestimmte er Lichtgeschwindigkeit zu ungefähr 295.000 km/s. Damit kam dem heute gültigen Wert schon mit einer von ca. 1% nahe.

"Labormethoden"

Galileo Galilei versuchte um 1600 als erster die Geschwindigkeit des Lichts messen indem er zwei Männer mit Blendlaternen zwei Hügeln postierte. Da die Lichtlaufzeit jedoch niedriger lag als die benötigten Reaktionszeiten war Versuch von vorneherein zum Scheitern verurteilt.

Die erste irdische Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit Armand Hippolyte Louis Fizeau . Er sandte 1849 Licht durch ein sich drehendes Zahnrad einen mehrere Kilometer entfernten Spiegel der es zurück durch das Zahnrad reflektierte. Je nachdem schnell sich das Zahnrad dreht fällt das Licht das auf dem Hinweg eine Lücke Zahnrads passiert hat entweder auf einen Zahn gelangt wieder durch eine Lücke. Nur im Fall sieht man es. Fizeau kam damals einen um 5% zu großen Wert.

Léon Foucault verbesserte 1850 die Methode weiter indem mit der Drehspiegelmethode die Messstrecken deutlich verkürzte. Damit konnte erstmals die Materialabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit nachweisen: Licht sich in anderen Medien langsamer aus als Luft.

Michelson und Morley haben in ihrem berühmten Ätherversuch mit des später nach Michelson benannten Michelson-Interferometers nachgewiesen dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von Bewegung der Erde ist dass also eine der Erde durch den damals angenommenen Äther nachweisbar ist.

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

Vakuumlichtgeschwindigkeit

Im Allgemeinen wird mit dem Begriff die Vakuumlichtgeschwindigkeit gemeint. Sie ist eine grundlegende physikalische

<math>c_0=299\ 792\ 458\;\mathrm{\frac{m}{s}}</math>

Dadurch kann man ein " Lichtjahr " in eine Strecke von 9 5 Billionen km umrechnen. Seit 1983 wird die SI-Basiseinheit Meter anhand der Lichtgeschwindigkeit definiert:

1 Meter ist die Strecke die Licht bei c 0 in 1 / 299.792.458 Sekunden zurücklegt.
Der Grund für diese Neudefinition ist praktischer Natur: mittlerweile sind Zeit und Lichtgeschwindigkeit viel genauer messbar als

Licht in Materie

Da nur im Vakuum Phasengeschwindigkeit und Gruppengeschwindigkeit übereinstimmen weicht die Ausbreitungsgeschwindigkeit in anderen Medien von der Vakuumlichtgeschwindigkeit ab. In diesen ist die Lichtgeschwindigkeit sowohl abhängig von den und magnetischen Eigenschaften des Mediums (Optische Dichte) auch von der Frequenz des Lichtes (siehe auch Dispersion ).

Die im Vakuum gültige Formel für Lichtgeschwindigkeit

<math>c_0=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0\cdot\mu_0}}</math>

0 die elektrische Feldkonstante und μ 0 die magnetische Feldkonstante im Vakuum)

wird in Materie durch

<math> c=\frac{1}{\sqrt{\varepsilon_0\cdot\varepsilon_r\cdot\mu_0\cdot\mu_r}} =\frac{c_0}{\sqrt{\varepsilon_r\cdot\mu_r}} </math>

ersetzt. Die Permittivitätszahl ε r und die relativen Permeabilität μ r stehen für die elektrischen und magnetischen des Materials.

In Luft ist die Lichtgeschwindigkeit weniger ein Promille geringer als im Vakuum. In oder Glas wird die Lichtgeschwindigkeit auf 3/4 2/3 der Vakuumlichtgeschwindigkeit reduziert.

Das Verhältnis der Geschwindigkeiten c 0 zu c wird als Brechungsindex bezeichnet.

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

Theoretische Betrachtungen

Konkret gemessen wird immer die so Zweiweg-Lichtgeschwindigkeit : Das Licht wird von einem Punkt zu einem Punkt B geschickt und von wieder zurück zu A. Es ist unmöglich Einweg-Lichtgeschwindigkeit (von A zu B) zu messen man dazu zuerst zwei Uhren bei A B synchronisieren müsste. Dies könnte zwar mit erreicht werden. Dazu müsste man aber wissen schnell das Licht sich bewegt. Man könnte die Uhren bei A gleich richten und die eine nach B verschieben. Die Analyse Vorgangs zeigt dass Uhren die relativ zueinander werden im Allgemeinen nicht gleich schnell laufen.

Albert Einstein hat in seiner speziellen Relativitätstheorie vorausgesetzt dass das Licht von A B gleich viel Zeit braucht wie von nach A. Mit dieser Voraussetzung gelang es die Uhren zu synchronisieren (Einsteinsche Uhrensynchronisation). Obwohl Annahme plausibel ist und zu einer einfachen führt wären auch andere Annahmen möglich. Z. ging Hendrik Antoon Lorentz von einem absoluten Raum aus der allerdings in Messungen nicht von bewegten Systemen Das Licht bewegt sich relativ zu diesem mit der konstanten Lichtgeschwindigkeit c. So kommt zwar wie Einstein auf die von den bestätigten Voraussagen. Der Lorentzianischen Interpretation der speziellen liegt aber eine andere Philosophie zugrunde die theoretisch auch Überlichtgeschwindigkeit zulässt.

In Einsteins Interpretation dagegen stellt die im Vakuum eine unüberschreitbare Grenze dar wie dies in allen Experimenten auch bestätigt wurde. Sogar wenn ein Beobachter mit hoher Geschwindigkeit auf eine Lichtquelle zu von ihr weg bewegt misst er immer gleiche Geschwindigkeit des einfallenden Lichtes. Überlichtgeschwindigkeit würde in Einsteins Interpretation Zeitreisen theoretisch möglich machen.

Überlichtgeschwindigkeit von Materiewellen

Überlichtgeschwindigkeit in optisch dichten Medien

Die Geschwindigkeit des Lichts hängt vom Medium ab in dem sich das Licht Im Vakuum ist sie am höchsten je größer optische Dichte ist desto langsamer breitet sich Licht aus. (siehe auch Lichtbrechung ) Im Wasser beträgt die Lichtgeschwindigkeit rund 225.000.000 m/s. einem solchen optisch dichten Medium können sich (Teilchen)schneller bewegen als das Licht (aber nicht als Licht im Vakuum!).

Manche Atomreaktoren nutzen Wasser zur Abschirmung der radioaktiven Strahlung . Die im Reaktor entstehenden Teilchen sind mehr als 225.000.000 m/s schneller als Licht Wasser. Durch diese Überlichtgeschwindigkeit entsteht das blaue solcher Atomreaktoren ( Tscherenkow-Strahlung ).

Tachyonen

Die hypothetischen überlichtschnellen Tachyonen sind immer überlichtschnell ( wenn es sie gibt ) eine Geschwindigkeit unterhalb der Lichtgeschwindigkeit ist so wenig möglich wie "normaler" Materie eine als diese.

Unterlichtgeschwindigkeit

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

Gruppengeschwindigkeit

Mit der Gruppengeschwindigkeit bezeichnet man die der Energie. Die Gruppengeschwindigkeit und die Phasengeschwindigkeit Lichts sind im Vakuum gleich groß. Die sind in einem Stoff der Dispersion zeigt groß.

Nach der speziellen Relativitätstheorie ist die die obere Grenze der Gruppengeschwindigkeit.

  



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