Dette er en fremragende vare.

Lysets hastighed

fra Wikipedia, den gratis encyklopædi
Spring til navigation Spring til søgning
Fysisk konstant
Efternavn Lysets hastighed (i vakuum)
Formelsymbol
Størrelses Type fart
værdi
SI 299 792 458
Usikkerhed (rel.) (Nemlig)
Gauss 2 . 997 924 58 e 10
Planck enheder 1
Forholdet til andre konstanter
(i SI og Planck)
- Elektrisk felt konstant
- Magnetisk feltkonstant
Kilder og noter
Kilde til SI -værdien: CODATA 2014 ( direkte link )

Under lysets hastighed ( fra latinske celeritas: hastighed) man sædvanligvis forstår udbredelseshastigheden af lys i et vakuum . Ud over lys formerer alle andre elektromagnetiske bølger sig og gravitationsbølger sig ved denne hastighed. Det er en grundlæggende naturlig konstant , hvis betydning i den særlige og generelle relativitetsteori går langt ud over beskrivelsen af ​​elektromagnetisk bølgeudbredelse.

Længdenheden, måleren, defineres af lysets hastighed i et vakuum. Lysets hastighed var for at dette skulle være præcist 299 792 458 m / s fast.

I et materialemedium som f.eks. Luft eller glas er hastigheden for lysets udbredelse langsommere. Hvis det ikke skyldes konteksten, gør yderligere ord det klart, om lysets hastighed er ment i et vakuum eller i et materiale. Formelsymbolet bruges i begge tilfælde ; lejlighedsvis bruges indeksnullen til lysets hastighed i et vakuum ( ).

Ifølge Maxwells ligninger for elektrodynamik afhænger lysets hastighed ikke af lyskildens hastighed. Af denne erklæring, sammen med relativitetsprincippet, følger det, at lysets hastighed ikke afhænger af modtagerens bevægelsestilstand, der bruges til at måle det. Herfra udviklede Albert Einstein relativitetsteorien . Der står blandt andet, at lysets hastighed i et vakuum repræsenterer en uoverstigelig hastighedsgrænse for bevægelse af masse og for transmission af energi og information i universet. Partikler uden masse, såsom fotoner , bevæger sig altid ved denne grænsehastighed, alle partikler med masse bevæger sig altid langsommere. Som en konsekvens af den særlige relativitetsteori (SRT) forbinder den naturlige konstant de tidligere uafhængige begreber om energi og masse i ækvivalensen af ​​masse og energi . Sted og tid er forbi opsummeret til rumtid og med fire-vektoren beskrevet i et fire-dimensionelt rum.

værdi

Rettidig fremstilling af en lysstråle, der rejser fra jorden til månen; Varighed: ca. 1,3 sekunder

Værdien af ​​lysets hastighed i et vakuum er

så ca. H 300.000 km / s eller 1.080.000.000 km /. Denne værdi gælder nøjagtigt, fordi måleenheden " meter " implicit er blevet defineret siden 1983 ved at tildele denne værdi lysets hastighed. [1]

Tidligere var måleren blevet defineret som et multiplum af bølgelængden for en bestemt atomovergang , og lysets hastighed var en mængde, der skulle bestemmes eksperimentelt. Med fremskridt inden for måleteknologi kunne lysets hastighed imidlertid bestemmes mere præcist end denne bølgelængde og dermed selve måleren. Derfor blev der i 1983 besluttet en ny definition af måleren .

Naturlige enheder

Mange repræsentationer af relativistisk fysik giver længder med hensyn til tidspunkter for lysets flyvning eller omvendt gange med hensyn til længden af ​​den vej, lyset krydser i løbet af denne tid. Et lysår er da kortere end et år. I disse måleenheder (se Planck -enheder ) gælder følgende

og lys har den dimensionsløse hastighed på et sekund i sekundet

.

Formlen for fysiske relationer forenkles ved dette valg af enheder, for eksempel forholdet mellem energi og impuls af en massepartikel så ikke mere , Hvad så .

Hvis du vil gendanne ligningen i International System of Units (SI) fra en ligning i naturlige enheder, skal du have hver summen med så mange faktorer multiplicere, så begge sider af ligningen og hver summand har de samme SI -enheder. For eksempel har energi i SI måleenheden for en masse gange kvadratet for en hastighed, og en impuls har måleenheden for en masse gange en hastighed. Så i formlen på højre side i SI er der mængder af den samme måleenhed, energi gange energi, som på venstre side, så kvadratet af massen skal også inkluderes og kvadratet af momentum med blive multipliceret. Sådan opnås ligningen, der er gyldig i SI

Teknisk betydning

Information i telekommunikationssystemer spredes med 70 procent (glasfibre) til 100 procent (vakuum, rum, praktisk talt også luft) af lysets hastighed. Dette skaber forsinkelsestider, der ikke kan undgås. Den maksimale afstand mellem to steder langs jordens overflade er omkring 20.000 km. Ved lysets hastighed i et vakuum ville dette svare til en driftstid på 67 ms. Den faktiske overførselstid er altid længere. I tilfælde af atmosfærisk transmission reflekteres bølgen i de forskellige lag i atmosfæren og på jorden og skal derfor tilbagelægge en længere afstand.

Mikroprocessorer arbejder i dag med urfrekvenser i størrelsesordenen 1 til 4 GHz . Under en cyklus, elektriske signaler i kredsløb med en lav-k dielektrisk vandring mellem 5 og 20 cm. Ved design af kredsløb er disse driftstider ikke ubetydelige.

Geostationære satellitter er placeret 35.786 km over ækvator. For at modtage et svar på telefon- eller fjernsynssignaler på denne måde skal signalet have kørt mindst 144.000 km: fra senderen til satellitten, derefter til modtageren og derefter samme vej tilbage. Denne spilletid er omkring 480 ms.

Rumsonder er ofte mange millioner eller milliarder af kilometer fra Jorden på deres målsteder. Selv med lysets hastighed rejser radiosignalerne til dem i flere minutter til timer. Svaret tilbage til jorden tager samme tid igen. Udenjordiske køretøjer som Mars rover Opportunity skal derfor være i stand til at styre automatisk og genkende farer, fordi jordstationen kun kan reagere på hændelser minutter senere.

Lysets hastighed og elektrodynamik

Af Maxwells ligninger følger, at elektriske og magnetiske felter kan svinge og transportere energi gennem tomt rum. Markerne adlyder en bølgeligning , der ligner den for mekaniske bølger og vandbølger. De elektromagnetiske bølger sender energi og information, som bruges i tekniske applikationer til radio, radar eller laser.

Flybølge eller sfærisk bølge i et vakuum

Ifølge Maxwells ligninger er hastigheden af ​​plane eller sfæriske elektromagnetiske bølger i et vakuum den gensidige af kvadratroden af ​​produktet af det elektriske felt konstant og magnetfeltkonstanten

Fra dette Maxwell beregnet i 1865 med de dengang kendte værdier for og værdien af og konkluderede:

"Denne hastighed er så tæt på lysets hastighed, at vi har stærk grund til at tro, at selve lyset (herunder termisk stråling og eventuel anden stråling) er en elektromagnetisk bølge."

Maxwells antagelse er blevet bekræftet i alle observationer af elektromagnetisk stråling.

Flybølge eller sfærisk bølge i et medium

I et medium ændres de to feltkonstanter af materialet, hvilket skyldes faktorerne relativ permittivitet og relativ permeabilitet tages i betragtning. Begge afhænger af frekvensen. Lysets hastighed i mediet er derfor

.

Forholdet mellem lysets hastighed i et vakuum og det i et medium er det ( frekvensafhængige ) brydningsindeks af mediet. Forholdet mellem brydningsindekset og den relative permittivitet og relative permeabilitet kaldes også Maxwells forhold:

Det røde punkt bevæger sig med (middel) fasehastighed, de grønne punkter med gruppehastigheden

På grund af den generelle afhængighed af og på bølgens frekvens skal det bemærkes, at betegner fasehastigheden i mediet, hvormed punkter i samme fase (f.eks. minima eller maksima) i en plan bølge går frem med konstant amplitude. Kuvertkurven for en rumligt begrænset bølgepakke , på den anden side, formerer sig med gruppehastigheden . I medier adskiller disse to hastigheder sig mere eller mindre fra hinanden. Specielt betyder et brydningsindeks kun at bølgetoppene bevæger sig hurtigere end spredning. Bølgepakker, der bruges til at transportere information og energi, er stadig langsommere end . [2]

Tværmoduleret bølge i et vakuum

Ifølge Maxwells ligninger er lysets hastighed uafhængig af bølgelængden for en plan bølge, der er uendeligt forlænget i et vakuum og har en veldefineret udbredelsesretning. I modsætning hertil har enhver praktisk realiserbar lysbølge altid en bestemt stråleprofil. Hvis dette er repræsenteret som en superposition af plane bølger med lidt ændrede udbredelsesretninger, har de enkelte planbølger alle lysets hastighed i et vakuum dette gælder imidlertid ikke nødvendigvis for den bølge, der frembringes af superpositionen. Resultatet er en let bremset bølge. Dette kunne også demonstreres med specielt formede Bessel -stråler fra mikrobølger og synligt lys, selv for hastigheden af ​​individuelle fotoner. [3] [4] Med alle praktisk realiserbare lysbølger, selv med skarpt bundne laserstråler, er denne effekt ubetydeligt lille.

Lysets hastighed i stof

I materie er lys langsommere end i et vakuum, og faktisk er der, som det blev udledt ovenfor, med brydningsindeks der er større end 1. [5]

I luft tæt på jorden er lysets hastighed omkring 0,28 ‰ lavere end i et vakuum (dvs. omkring 299.710 km / s), i vand er det omkring 225.000 km / s (- 25%) og i glas med et højt brydningsniveau indeks ned til 160.000 km / s (- 47%).

I nogle medier, såsom Bose-Einstein-kondensater eller fotoniske krystaller , er der en meget stor spredning for visse bølgelængder. Lys spredes i dem meget langsommere. [6] I 1999 kunne forskergruppen for den danske fysiker Lene Hau bringe lys til en gruppehastighed på omkring 17 m / s. [7]

Hvis to transparente medier grænser op til hinanden, får de forskellige lyshastigheder i begge medier lyset til at bryde ved grænsefladen. Da lysets hastighed i mediet også afhænger af lysets bølgelængde , brydes lys i forskellige farver forskelligt, og hvidt lys opdeles i dets forskellige farvekomponenter. Denne effekt kan være z. B. observere direkte ved hjælp af et prisme .

Partikler i et medium kan være hurtigere end lys i det samme medium. Når de er elektrisk ladede, såsom elektroner eller protoner , opstår Cherenkov -effekten : partiklerne udsender lys, ligesom et supersonisk fly trækker et lydbom bag sig. Dette kan for eksempel observeres i svømmebassinreaktorer . I dem er der vand mellem brændstofelementerne . Betastrålingen fra fissionsprodukterne består af elektroner, der er hurtigere end lysets hastighed i vand. Cherenkov -lyset, de udsender, får vandet til at lyse blåt.

Cherenkov -effekten bruges i partikeldetektorer til at detektere hurtigere ladede partikler.

Lysets hastighed og partikelfysik

Lysets vakuumhastighed som grænsehastigheden for massive partikler: Hvis deres hastighed går imod lysets hastighed, stiger energien, så , på tværs af alle grænser.

Partikler uden masse bevæger sig altid med lysets hastighed i hvert inertisystem . Den mest kendte masseløse partikel, der viser denne egenskab, er fotonet . Det formidler den elektromagnetiske interaktion, der bestemmer en stor del af dagligdagens fysik. Yderligere masseløse partikler i standardmodellen for partikelfysik er gluonerne , mediatorpartiklerne i den stærke interaktion . Partikler med en anden masse end nul er altid langsommere end lys. Hvis du fremskynder det, vokser dets energi på grund af det relativistiske energimomentforhold ifølge

det er partikelhastigheden i forhold til det inertielle system, der er valgt til at beskrive processen. Jo tættere størrelsen af ​​partikelhastigheden er ved lysets hastighed er, jo tættere nærmer kvotienten sig værdien 1, og jo mindre roden af ​​nævneren bliver. Jo tættere partikelhastigheden nærmer sig lysets hastighed, jo større energi kræves der til. Med endelig høj energi kan du accelerere en partikel så tæt som du vil på lysets hastighed, men du kan ikke nå den.

Forholdet mellem energi og hastighed forudsagt af relativitetsteorien er blevet bevist i forskellige forsøg .

Det har blandt andet indflydelse på teknikken til partikelacceleratorer . Rotationsperioden for en z. B. i en synkrotron -kredsende pakke af elektroner ændrer sig næppe med yderligere acceleration; synkroniseringen af ​​de enkelte accelererende skiftefelter kan derfor være konstant. På den anden side, for tungere partikler, der fodres med en lavere hastighed, skal den løbende tilpasses den stigende hastighed.

Hurtigere end lys

Der er spekulationer om partikler, der bevæger sig hurtigere end lysets hastighed. Et eksempel er hypotetiske partikler kaldet tachyoner . Ifølge relativitetsteorien kunne tachyoner ikke interagere med normalt stof: Ellers ville man ikke kunne skelne mellem årsag og virkning, det samme for alle observatører. Det teoretiske grundlag for tachyon -konceptet er kontroversielt. Et eksperimentelt bevis på tachyoner har hidtil ikke været vellykket.

Derudover har publikationer i de senere år, der hævder, at lysets hastighed er blevet observeret, tiltrukket særlig opmærksomhed. Imidlertid kunne det enten vises, at den tilsyneladende hurtigere end lyset signaltransmission skyldtes en fejlagtig fortolkning af data (hurtigere end lette jets , overlystunnel tunneling), eller målingerne kunne ikke reproduceres og i sidste ende viste sig at være defekt (jf f.eks. målinger af neutrinohastighed ).

Historisk baggrund

Spekulationer om endelig

Historisk antaget højde på lysets hastighed
År (cirka) Forsker Lysets hastighed
450 f.Kr. Chr. Empedokles Endelig
350 f.Kr. Chr. Aristoteles uendelig
100 Hejre af Alexandria uendelig
1000 Avicenna / Alhazen Endelig
1350 Sayana Endelig
1600 Johannes Kepler uendelig
1620 René Descartes uendelig
1620 Galileo Galilei Endelig

Spørgsmålet om, hvorvidt lyset spredes uendeligt hurtigt, eller om det har en begrænset hastighed, havde allerede interesse i gammel filosofi. Lys kører en kilometer på kun tre mikrosekunder. Med antikkens observationsmuligheder er en lysstråle uundgåeligt allerede på sin destination på tidspunktet for dens fremkomst.

Ikke desto mindre troede Empedokles allerede (omkring 450 f.Kr. ), at lys var noget, der var i bevægelse og derfor havde brug for tid til at tilbagelægge afstande. Aristoteles sagde på den anden side, at lys kommer fra den blotte tilstedeværelse af objekter, men at det ikke er i bevægelse. Han argumenterede for, at hastigheden ellers skulle være så enorm, at den ville være hinsides den menneskelige fantasi. På grund af hans ry og indflydelse fandt Aristoteles teori generel accept.

En gammel synsteori antog, at det lys, der skulle ses, udsendes af øjet. Et objekt skal derfor være synligt, når lysstrålerne fra øjet rammer det. Baseret på denne idé godkendte Hejre fra Alexandria også den aristoteliske teori. Han erklærede, at lysets hastighed skal være uendelig, da man kan se selv de fjerne stjerner, så snart man åbner øjnene.

I den orientalske verden var ideen om en begrænset lyshastighed derimod også udbredt. Især mente de persiske filosoffer og forskere Avicenna og Alhazen (begge omkring år 1000), at lyset har en begrænset hastighed. Imidlertid var deres tilhængere i mindretal sammenlignet med tilhængerne af den aristoteliske teori.

I begyndelsen af ​​1600 -tallet mente astronomen Johannes Kepler , at lysets hastighed var uendelig, i det mindste i et vakuum, da det tomme rum ikke var en hindring for lys. Her dukker ideen allerede op, at hastigheden af ​​en lysstråle kan afhænge af det medium, den krydser.

Francis Bacon hævdede, at lys ikke nødvendigvis behøver at være uendeligt hurtigt, men måske bare hurtigere end synligt.

René Descartes antog en uendelig stor lyshastighed. Solen, månen og jorden er i en linje under en solformørkelse . Descartes hævdede, at hvis lysets hastighed var begrænset, ville disse himmellegemer synes at være ude af linje med en observatør på dette tidspunkt. Da en sådan effekt aldrig blev observeret, blev hans antagelse bekræftet. Descartes troede på en uendelig stor lyshastighed så stærkt, at han var overbevist om, at hans verdensbillede ville bryde sammen, når det var begrænset.

Dette står i kontrast til teorierne om Isaac Newton og Christiaan Huygens med begrænset lyshastighed omkring år 1700. Newton så lys som en strøm af partikler, mens Huygens så lys som en bølge. Begge var i stand til at forklare brydningsloven ved at anvende lysets hastighed proportionelt (Newton) eller omvendt proportional (Huygens) til brydningsindekset. Newtons idé er blevet modbevist siden 1800 -tallet, da interferens og diffraktion kunne observeres og hastigheden måles i medier.

Siden den første måling af lysets hastighed fandt sted i Huygens -tiden, som efter hans mening var alt for høj til at kroppe med masse kunne nå den, foreslog han ether, et elastisk (hverken synligt eller målbart) baggrundsmedium, der ville muliggøre forplantning af bølger, der ligner lyd i luften.

Måling af lysets hastighed

Eksperimentel opsætning af Fizeaus eksperiment
Eksperimentel opsætning til Foucaults eksperiment

Omkring 1600 var Galileo Galilei den første, der forsøgte at måle lysets hastighed ved hjælp af videnskabelige metoder ved at placere sig selv og en assistent med en signallygte på to bakker i en kendt afstand. Assistenten skal straks returnere Galileos signal. Han havde allerede med succes bestemt lydens hastighed ved hjælp af en sammenlignelig metode. Til hans forbløffelse, efter at have trukket assistentens reaktionstid, var der ingen gentagelig, målbar tid. Dette ændrede sig ikke, da afstanden blev øget til lanternernes maksimalt mulige synsfelt. Isaac Beeckman foreslog en ændret version af forsøget i 1629, hvor lyset skulle reflekteres af et spejl. Descartes kritiserede sådanne forsøg som overflødige, da mere præcise observationer ved hjælp af solformørkelser allerede var blevet udført og havde givet et negativt resultat. Ikke desto mindre gentog Accademia del Cimento forsøget i Firenze i 1667. Lysene var omkring en kilometer fra hinanden. Igen kunne der ikke observeres nogen forsinkelse. Descartes bekræftede dette i sin antagelse om en uendelig hurtig spredning af lys. Galileo og Robert Hooke fortolkede imidlertid resultatet på en sådan måde, at lysets hastighed er så høj, at det ikke kunne bestemmes med dette eksperiment.

Det første bevis på, at lysets hastighed er begrænset, kom fra den danske astronom Ole Rømer i 1676. Han fandt sæsonudsving for ursignaler fra Jupiter (indføring af Jupiters måne Io i Jupiters skygge), mens jordens rotation tjente som en stabil tidsreference på denne side. Han angav en transittid for lyset på 22 minutter for jordens bane -diameter. Den korrekte værdi er kortere (16 min. 38 s). Da Rømer ikke kendte diameteren på jordens bane, gav han ikke en værdi for lysets hastighed. Christiaan Huygens gjorde det to år senere. Han relaterede den rejsetid, Rømer gav, til den næsten korrekte diameter af jordens bane omkring solen, som Cassini ved et uheld gav i 1673 (se solparallaks for den gradvise forbedring af denne værdi) og kom til en lyshastighed på .

James Bradley fandt en anden astronomisk metode i 1728 ved at bestemme udsvingene i stjernernes positioner med en vinkel på 20 ″ under jordens kredsløb omkring solen ( aberration ). Hans målinger var et forsøg på at observere parallakserne for faste stjerner for at bestemme deres afstande. Fra dette beregnede Bradley, at lyset - gange hurtigere end jorden er i sin bane (målefejl 2%). Dens måling (udgivet i 1729) blev derefter betragtet som yderligere bevis på en begrænset lyshastighed og - på samme tid - af det kopernikanske verdenssystem . For at beregne lysets hastighed havde han dog også brug for Jordens kredsløbsradius.

Det lykkedes Armand Fizeau for første gang at bestemme lysets hastighed ved hjælp af tandhjulsmetoden . I 1849 sendte han lys gennem et roterende gear til et spejl flere kilometer væk, hvilket reflekterede det tilbage gennem gearet. Afhængigt af hvor hurtigt gearet roterer, falder det reflekterede lys, der har passeret et hul i gearet på vejen dertil, enten på en tand, eller det passerer gennem et hul igen, og først da kan det ses. På det tidspunkt kom Fizeau med en værdi, der var 5% for høj.

Léon Foucault forbedrede metoden yderligere i 1850 ved at forkorte måleafstandene markant med den roterende spejlmetode . Dette gjorde ham i stand til for første gang at demonstrere den materielle afhængighed af lysets hastighed: lys spredes langsommere i andre medier end i luften . I forsøget falder lys på et roterende spejl. Fra dette afbøjes det til et fast spejl, hvor det reflekteres tilbage på det roterende spejl. Men da det roterende spejl er fortsat med at rotere i mellemtiden, reflekteres lysstrålen ikke længere på startpunktet. Ved at måle forskydningen af ​​punktet, med en kendt rotationsfrekvens og kendte afstande, er det muligt at bestemme lysets hastighed. Foucault offentliggjorde sit resultat i 1862 og gav til Kilometer i sekundet.

Simon Newcomb og Albert A. Michelson byggede igen på Foucaults apparat og forbedrede princippet igen. I 1926, i Californien , brugte Michelson også roterende prisme -spejle til at sende en lysstråle fra Mount Wilson til Mount San Antonio og tilbage. Han fik , nur 12 ppm über dem heutigen Wert.

Historische Werte für die Lichtgeschwindigkeit
Jahr Forscher Methode Lichtgeschwindigkeit in km/s
etwa 1620 Galileo Galilei Zeitverzögerung der Beobachtung von Laternen, die mit der Hand abgedeckt wurden Mindestens mehrere km/s
1676/78 Ole Rømer / Christiaan Huygens Zeitverzögerung bei astronomischen Beobachtungen
1728 James Bradley Aberration
etwa 1775 ? Venus-Transit 1769
1834 Charles Wheatstone Drehspiegelmethode zur Messung der Geschwindigkeit von elektrischem Strom
1849 Armand Fizeau Zahnradmethode
1851 Léon Foucault Drehspiegelmethode
1865 James Clerk Maxwell Maxwellgleichungen
1875 Alfred Cornu Drehspiegelmethode
1879 Albert A. Michelson Drehspiegelmethode
1888 Heinrich Hertz Frequenz- und Wellenlängenmessung von stehenden Radiowellen
1926 Albert A. Michelson Drehspiegelmethode
1947 Louis Essen , Albert Gordon-Smith Elektrischer Hohlraumresonator
1958 Keith Froome Interferometer
1973 Boulder-Gruppe am NBS Lasermessung
1983 Definition der CGPM Festlegung der Lichtgeschwindigkeit durch Neudefinition des Meters

Zur Konstanz der Lichtgeschwindigkeit

Erste Überlegungen

James Bradley konnte mit seinen Untersuchungen zur Aberration von 1728 nicht nur die Lichtgeschwindigkeit selbst bestimmen, sondern auch erstmals Aussagen über ihre Konstanz treffen. Er beobachtete, dass die Aberration für alle Sterne in der gleichen Blickrichtung während eines Jahres in identischer Weise variiert. Daraus schloss er, dass die Geschwindigkeit, mit der Sternenlicht auf der Erde eintrifft, im Rahmen seiner Messgenauigkeit von etwa einem Prozent für alle Sterne gleich ist.

Um zu klären, ob diese Eintreffgeschwindigkeit davon abhängt, ob sich die Erde auf ihrem Weg um die Sonne auf einen Stern zu oder von ihm weg bewegt, reichte diese Messgenauigkeit allerdings nicht aus. Diese Frage untersuchte zuerst François Arago 1810 anhand der Messung des Ablenkwinkels von Sternenlicht in einem Glasprisma. Nach der damals akzeptierten Korpuskulartheorie des Lichtes erwartete er eine Veränderung dieses Winkels in einer messbaren Größenordnung, da sich die Geschwindigkeit des einfallenden Sternenlichts zu der Geschwindigkeit der Erde auf ihrem Weg um die Sonne addieren sollte. Es zeigten sich jedoch im Jahresverlauf keine messbaren Schwankungen des Ablenkwinkels. Arago erklärte dieses Ergebnis mit der These, dass Sternenlicht ein Gemisch aus verschiedenen Geschwindigkeiten sei, während das menschliche Auge daraus nur eine einzige wahrnehmen könne. Aus heutiger Sicht kann seine Messung jedoch als erster experimenteller Nachweis der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit betrachtet werden.

Mit dem Aufkommen der Vorstellung von Licht als Wellenphänomen formulierte Augustin Fresnel 1818 eine andere Interpretation des Arago-Experiments. Danach schloss die Analogie zwischen mechanischen Wellen und Lichtwellen die Vorstellung ein, dass sich Lichtwellen in einem gewissen Medium ausbreiten müssen, dem sogenannten Äther , so wie sich auch Wasserwellen im Wasser ausbreiten. Der Äther sollte dabei den Bezugspunkt für ein bevorzugtes Inertialsystem darstellen. Fresnel erklärte das Ergebnis von Arago durch die Annahme, dass dieser Äther im Inneren von Materie teilweise mitgeführt werde, in diesem Fall im verwendeten Prisma. Dabei würde der Grad der Mitführung in geeigneter Weise vom Brechungsindex abhängen.

Michelson-Morley-Experiment

Schematischer Aufbau des Michelson-Morley-Experiments

1887 führten Albert A. Michelson und Edward W. Morley ein bedeutsames Experiment zur Bestimmung der Geschwindigkeit der Erde relativ zu diesem angenommenen Äther durch. Dazu wurde die Abhängigkeit der Lichtlaufzeiten vom Bewegungszustand des Äthers untersucht. Das Experiment ergab wider Erwarten stets die gleichen Laufzeiten. Auch Wiederholungen des Experiments zu verschiedenen Phasen des Erdumlaufs um die Sonne führten stets zu dem gleichen Ergebnis. Eine Erklärung anhand einer weiträumigen Äthermitführung durch die Erde als Ganzes scheiterte daran, dass es in diesem Fall keine Aberration bei Sternen senkrecht zur Bewegungsrichtung der Erde gäbe.

Eine mit der maxwellschen Elektrodynamik verträgliche Lösung wurde mit der von George FitzGerald und Hendrik Lorentz vorgeschlagenen Längenkontraktion erreicht. Lorentz und Henri Poincaré entwickelten diese Hypothese durch Einführung der Zeitdilatation weiter, wobei sie dies jedoch mit der Annahme eines hypothetischen Äthers kombinierten, dessen Bewegungszustand prinzipiell nicht ermittelbar gewesen wäre. Das bedeutet, dass in dieser Theorie die Lichtgeschwindigkeit „real“ nur im Äthersystem konstant ist, unabhängig von der Bewegung der Quelle und des Beobachters. Das heißt unter anderem, dass die maxwellschen Gleichungen nur im Äthersystem die gewohnte Form annehmen sollten. Dies wurde von Lorentz und Poincaré jedoch durch die Einführung der Lorentz-Transformation so berücksichtigt, dass die „scheinbare“ Lichtgeschwindigkeit auch in allen anderen Bezugssystemen konstant ist und somit jeder von sich behaupten kann, im Äther zu ruhen. (Die Lorentz-Transformation wurde also nur als mathematische Konstruktion interpretiert, während Einstein (1905) auf ihrer Grundlage alle bisherigen Vorstellungen über die Struktur der Raumzeit revolutionieren sollte, siehe unten). Poincaré stellte noch 1904 fest, das Hauptmerkmal der lorentzschen Theorie sei die Unüberschreitbarkeit der Lichtgeschwindigkeit für alle Beobachter, unabhängig von ihrem Bewegungszustand relativ zum Äther (siehe lorentzsche Äthertheorie ). Das bedeutet, auch für Poincaré existierte der Äther.

Jedoch war eine Theorie, in der das Äthersystem zwar als existent angenommen wurde, aber unentdeckbar blieb, sehr unbefriedigend. Eine Lösung des Dilemmas fand Einstein (1905) mit der Speziellen Relativitätstheorie , indem er die konventionellen Vorstellungen von Raum und Zeit aufgab und durch das Relativitätsprinzip und die Lichtkonstanz als Ausgangspunkte bzw. Postulate seiner Theorie ersetzte. Diese Lösung war formal identisch mit der Theorie von HA Lorentz, jedoch kam sie wie bei einer Emissionstheorie ganz ohne „Äther“ aus. Die Lichtkonstanz entnahm er dem lorentzschen Äther, wie er 1910 ausführte, wobei er im Gegensatz zu Poincaré und Lorentz erklärte, dass gerade wegen der Gleichberechtigung der Bezugssysteme und damit der Unentdeckbarkeit des Äthers der Ätherbegriff überhaupt sinnlos sei. [8] 1912 fasste er dies so zusammen: [9]

„Es ist allgemein bekannt, dass auf das Relativitätsprinzip allein eine Theorie der Transformationsgesetze von Raum und Zeit nicht gegründet werden kann. Es hängt dies bekanntlich mit der Relativität der Begriffe ‚Gleichzeitigkeit' und ‚Gestalt bewegter Körper' zusammen. Um diese Lücke auszufüllen, führte ich das der HA Lorentzschen Theorie des ruhenden Lichtäthers entlehnte Prinzip der Konstanz der Lichtgeschwindigkeit ein, das ebenso wie das Relativitätsprinzip eine physikalische Voraussetzung enthält, die nur durch die einschlägigen Erfahrungen gerechtfertigt erschien (Versuche von Fizeau, Rowland usw.).“

Die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Geschwindigkeit des gleichförmig bewegten Beobachters ist also Grundlage der Relativitätstheorie. Diese Theorie ist seit Jahrzehnten aufgrund vieler sehr genauer Experimente allgemein akzeptiert.

Unabhängigkeit von der Quelle

Mit dem Michelson-Morley-Experiment wurde zwar die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit für einen mit der Lichtquelle mitbewegten Beobachter bestätigt, jedoch keineswegs für einen nicht mit der Quelle mitbewegten Beobachter. Denn das Experiment kann auch mit einer Emissionstheorie erklärt werden, wonach die Lichtgeschwindigkeit in allen Bezugssystemen lediglich konstant relativ zur Emissionsquelle ist (das heißt, in Systemen, wo sich die Quelle mit ±v bewegt, würde sich das Licht folglich mit c ± v ausbreiten). Auch Albert Einstein zog vor 1905 eine solche Hypothese kurz in Betracht, [10] was auch der Grund war, dass er in seinen Schriften das MM-Experiment zwar immer als Bestätigung des Relativitätsprinzips, aber nicht als Bestätigung der Lichtkonstanz verwendete. [11]

Jedoch würde eine Emissionstheorie eine völlige Reformulierung der Elektrodynamik erfordern, wogegen der große Erfolg von Maxwells Theorie sprach. Die Emissionstheorie wurde auch experimentell widerlegt. Beispielsweise müssten die von der Erde aus beobachteten Bahnen von Doppelsternen bei unterschiedlichen Lichtgeschwindigkeiten verzerrt ausfallen, was jedoch nicht beobachtet wurde. Beim Zerfall von sich mit annähernd bewegenden π 0 - Mesonen hätten die dabei entstehenden Photonen die Geschwindigkeit der Mesonen übernehmen und sich annähernd mit doppelter Lichtgeschwindigkeit bewegen sollen, was jedoch nicht der Fall war. Auch der Sagnac-Effekt demonstriert die Unabhängigkeit der Lichtgeschwindigkeit von der Bewegung der Quelle. Alle diese Experimente finden ihre Erklärung in der Speziellen Relativitätstheorie, die ua aussagt: Licht überholt nicht Licht.

Variable Lichtgeschwindigkeit und Konstanz im beobachtbaren Universum

Obwohl die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit experimentell nachgewiesen wurde, gibt es bis jetzt keine ausreichend überzeugende Erklärung für ihre Konstanz und ihren speziellen Wert. Die Schleifenquantengravitation beispielsweise diktiert, dass die Geschwindigkeit eines Photons nicht als Konstante definiert werden kann, sondern dass ihr Wert von der Photonfrequenz abhängt. [12] Tatsächlich gibt es Theorien, dass die Lichtgeschwindigkeit sich mit dem Alter des Universums ändert und dass sie im frühen Universum nicht konstant war. Albrecht und Magueijo [13] zeigen, dass die kosmologischen Evolutionsgleichungen zusammen mit einer variablen Lichtgeschwindigkeit die Probleme des Horizonts, der Flachheit und der kosmologischen Konstante lösen können. Die Annahme einer Raumzeit mit drei Raum- und zwei Zeitdimensionen gibt eine natürliche Erklärung für die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit im beobachtbaren Universum und auch dafür, dass die Lichtgeschwindigkeit im frühen Universum variierte. [14]

Siehe auch

Literatur

Originalarbeiten:

  • Ole Rømer: Démonstration touchant le mouvement de la lumière . In: Journal des Sçavans . de Boccard, Paris 1676 ( PDFEngl. Version ( Memento vom 21. Dezember 2008 im Internet Archive )).
  • Edmund Halley: Monsieur Cassini, his New and Exact Tables for the Eclipses of the First Satellite of Jupiter, reduced to the Julian Stile and Meridian of London . In: Philosophical Transactions . Band   18 . London 1694, S.   237–256 ( archive.org ).
  • HL Fizeau: Sur une expérience relative à la vitesse de propagation de la lumière . In: Comptes rendus de l'Académie des sciences . Band   29 . Gauthier-Villars, Paris 1849 ( academie-sciences.fr [PDF]).
  • JL Foucault: Détermination expérimentale de la vitesse de la lumière, parallaxe du Soleil . In: Comptes Rendus . Band   55 . Gauthier-Villars, 1862, ISSN 0001-4036 .
  • AA Michelson: Experimental Determination of the Velocity of Light . In: Proceedings of the American Association for the Advancement of Science . Philadelphia 1878 ( Projekt Gutenberg ).
  • Simon Newcomb: The Velocity of Light . In: Nature . London 13. Mai 1886.
  • Joseph Perrotin: Sur la vitesse de la lumière . In: Comptes Rendus . Nr.   131 . Gauthier-Villars, 1900, ISSN 0001-4036 .
  • AA Michelson, FG Pease, F. Pearson: Measurement of the Velocity of Light In a Partial Vacuum . In: Astrophysical Journal . Band   81 . Univ. Press, 1935, ISSN 0004-637X , S.   100–101 .

Sonst:

  • JH Sanders (Hrsg. und Einleitung): Die Lichtgeschwindigkeit. Einführung und Originaltexte. Reihe WTB Wissenschaftliche Taschenbücher, Band 57, Akademie Verlag/Vieweg 1970.
  • Subhash Kak: The Speed of Light and Puranic Cosmology. Annals Bhandarkar Oriental Research Institute 80, 1999, S. 113–123, arxiv : physics/9804020 .
  • S. Débarbat, C. Wilson: The galilean satellites of Jupiter from Galileo to Cassini, Römer and Bradley . In: René Taton (Hrsg.): Planetary astronomy from the Renaissance to the rise of astrophysics. Part A: Tycho Brahe to Newton . Univ. Press, Cambridge 1989, ISBN 0-521-24254-1 , S.   144–157 .
  • G. Sarton: Discovery of the aberration of light (with facsimile of Bradley's letter to Halley 1729) . In: Isis . Band   16 , Nr.   2 . Univ. Press, November 1931, ISSN 0021-1753 , S.   233–248 .
  • George FR Ellis, Jean-Philippe Uzan: 'c' is the speed of light, isn't it? In: Am J Phys. 73, 2005, S. 240–247, doi:10.1119/1.1819929 , arxiv : gr-qc/0305099 .
  • Jürgen Bortfeldt: Units and fundamental constants in physics and chemistry, Subvolume B . In: B. Kramer, Werner Martienssen (Hrsg.): Numerical data and functional relationships in science and technology . Band   1 . Springer, Berlin 1992, ISBN 3-540-54258-2 .
  • John H. Spence: Lightspeed: The Ghostly Aether and the Race to Measure the Speed of Light. Oxford UP 2019.

Weblinks

Wiktionary: Lichtgeschwindigkeit – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons : Lichtgeschwindigkeit – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise und Anmerkungen

  1. Resolution 1 of the 17th CGPM. Definition of the metre. In: bipm.org. Bureau International des Poids et Mesures , 1983, abgerufen am 15. April 2021 (englisch). „The metre is the length of the path travelled by light in vacuum during a time interval of of a second.“
  2. Die Beziehungen für die Phasengeschwindigkeit bzw. die Gruppengeschwindigkeit werden mathematisch besonders einfach, wenn man statt der Frequenz die Kreisfrequenz und statt der Wellenlänge die reziproke Größe benutzt, die sogenannte „Wellenzahl“: Dann ist die Phasengeschwindigkeit durch den Quotienten gegeben, die Gruppengeschwindigkeit durch die Ableitung der Funktion
  3. D. Giovannini ua: Spatially structured photons that travel in free space slower than the speed of light. Auf: sciencemag.org. 22. Januar 2015. doi:10.1126/science.aaa3035 .
  4. Lichtquanten trödeln im Vakuum. Auf: pro-physik.de. 22. Januar 2015.
  5. Genau genommen wird dabei vorausgesetzt, dass Einschwingvorgänge bereits abgeklungen sind und man es mit stationären Verhältnissen zu tun hat. Interessanterweise gelten jedenfalls in Materie analoge Formeln für die sog. retardierten Potential- und Vektorpotentiale wie im Vakuum, dh, auch dort erfolgt die Retardierung mit der Vakuum-Lichtgeschwindigkeit: Die Polarisationseffekte der Materie stecken nur in den zweiten Termen der zu retardierenden effektiven Ladungs- und Stromdichten und Dies entspricht präzise dem folgenden Text.
  6. Langsames Licht in photonischen Resonanzen.
  7. Light speed reduction to 17 metres per second in an ultracold atomic gas. Artikel in Nature zur Verlangsamung von Licht in einem Bose-Einstein-Kondensat.
  8. A. Einstein: Über die Entwicklung unserer Anschauungen über das Wesen und die Konstitution der Strahlung . In: Physikalische Zeitschrift . Band   10 , Nr.   22 , 1909, S.   817–825 ( WikiSource (englisch) , PDF (deutsch) ).
  9. A. Einstein: Relativität und Gravitation. Erwiderung auf eine Bemerkung von M. Abraham . In: Annalen der Physik . Band   38 , 1912, S.   1059–1064 , doi : 10.1002/andp.19123431014 ( PDF (deutsch) ).
  10. JD Norton: Einstein's Investigations of Galilean Covariant Electrodynamics prior to 1905 . In: Archive for History of Exact Sciences . Band   59 , 2004, S.   45–105 , doi : 10.1007/s00407-004-0085-6 ( pitt.edu ).
  11. J. Stachel: Einstein and Michelson: the Context of Discovery and Context of Justification . In: Astronomische Nachrichten . Band   303 , Nr.   1 , 1982, S.   47–53 , doi : 10.1002/asna.2103030110 .
  12. G. Amelino-Camelia, John Ellis, NE Mavromatos, DV Nanopoulos, Subir Sarkar: Potential Sensitivity of Gamma-Ray Burster Observations to Wave Dispersion in Vacuo . In: Nature . Band   393 , 1998, S.   763–765 (englisch, Online [PDF; 247   kB ; abgerufen am 29. September 2018]).
  13. Andreas Albrecht, Joao Magueijo: A Time Varying Speed of Light as a Solution to Cosmological Puzzles . In: Physical Review D . Band   59 , Nr.   4 , 1999, doi : 10.1103/PhysRevD.59.043516 .
  14. Christoph Köhn: The Planck Length and the Constancy of the Speed of Light in Five Dimensional Spacetime Parametrized with Two Time Coordinates . In: J. High Energy Phys., Grav and Cosm. Band   3 , Nr.   4 , 2017, S.   635–650 , arxiv : 1612.01832 [abs] (englisch).