Eine Ecke weiter, Teil 5 – Die Lichtgeschwindigkeit

Die Lichtgeschwindigkeit ist die obere Grenze. Schneller gehts einfach nicht. Je näher wir an die Geschwindigkeit rankommen, desto mehr Energie musst du verbrauchen. Heute geht es über sie.

Die Lichtgeschwindigkeit ist eine fundamentale Naturkonstante und alle Arten von EM-Wellen breiten sich mit mit dieser Geschwindigkeit im Vakuum aus. Die Bedeutung der Lichtgeschwindigkeit geht weit über Elektromagnetismus und in der theoretischen Physik hinaus.

Nach der Lichtgeschwindigkeit wurde seit 1983 der Meter definiert. Praktisch, denn nun gibt es keine Unsicherheit mehr in der Einheit selbst. Per Definition ist der Meter das 1/299’792’458tel der Strecke die das Licht im Vakuum in einer Sekunde zurücklegt. Also 299’792’458 Meter pro Sekunde ist Licht im Vakuum schnell. So wird die Geschwindigkeit immer dieselbe haben, bloß kann und wird der Meter durch genauere Messungen verbessert.

Nach den Maxwellschen Gleichungen und späteren Rechnungen sowie Tests musste man feststellen, dass das Licht nicht verschnellern oder verlangsamen lässt, indem man die Lichtquelle ebenfalls bewegen lässt. Das heißt, dass Licht nicht Licht überholen kann.
Später entwickelte Einstein aus solchen Erkenntnissen die Relativitätstheorie. So sagt sie, dass die Lichtgeschwindigkeit, abgekürzt mit „c“, die Grenze darstellt. Nichts sei nach seinen Ideen schneller als Licht, keine Materie, Masse oder Information. Also alles was irgendwie Masse besitzt ist nie schneller als Licht. Massebehaftet sagt man. In der SRT verbindet außerdem die Naturkonstante c erstmals die Masse m und die Energie E in der Äquivalenz von Masse und Energie E = mc². So werden durch c Zeit und Ort zur Raumzeit und mithilfe des Vierervektor (ct, x, y, z) beschrieben.

Die Lichtgeschwindigkeit ist also wahnsinnig hoch. Selbst die Erde bewegt sich um die Sonne mit knapp 30 km/s. Der Sonnenwind der bis zu 800 km/s schnell sein kann, erreicht die Lichtgeschwindigkeit ebenfalls nichtmal annäherungsweise.
Ole Roemer hat zum ersten Mal anhand der Bewegungen von Io vor Jupiter und des daraus resultierenden Schatten belegen, dass das Licht eine begrenzte Geschwindigkeit aufweist und nicht wie man gedacht hat, unendlich. Die Genauigkeit von Roemer war bei 30% Abweichung schon.

Armand Fizeau berechnete die Lichtgeschwindigkeit mit der Zahnradmethode. Er schickte knapp gesagt Licht durch ein rotierendes Zahnrad auf einem entfernten Spiegel und bestimmte so die Lichtgeschwindigkeit auf etwa 314’000 km/s. Léon Foucault verbesserte seine Methode, in dem er mit der Drehspiegelmethode die Distanz verkürzt. Auch konnte er die damit beweisen, dass Licht sich in verschiedenen Medien verschieden schnell ist. Er veröffentlichte 1862 seine Studie und kam auf eine Geschwindigkeit von 298’000 km/s. Maxwell berechnete 1865 die Geschwindigkeit mit e0 und µ0 und erhielt 310’740 km/s.

Während eine Lichtsekunde (c * s = cs / c) 299’792’458 m/s entspricht, ist

Lichtmillisekunde / cms c/1000 299’792,458 m
Lichtsekunde / cs c * s 299’792’458 m
Lichtminute / cmin cs * 60 17’987’547’480 m
Lichtstunde / ch cs * 3’600 = cs * 60 * 60 1’079’252’848’800 m
Lichttag / cd cs* 86’400 = cs * 1’440 * 60 25’902’068’371’200 m
Lichtwoche / cwo / cwe cs * 86’400 * 7 181’314’478’598’400 m
Lichtjahr / cy / ly / lj cs * 86’400 * 365,25 (365,25 Tage wurden für ein Lichtjahr bestimmt.) 9’460’730’472’580’800 m
Parsec / pc 648’000 / Pi * AE 30’856775’814’913’672 m = 3,2165377716743357 cy

 

Eine Animation eines Lichtstrahls von der Erde zum Mond. Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/60/Speed_of_light_from_Earth_to_Moon.gif

So ist die Sonne von der Erde bei genau 1 AE Distanz 8 Minuten und 19,00478 Sekunden mit c entfernt.

Bei der Kommunikation zwischen der Erde und einer Raumsonde im interplanetaren Raum kann diese bei den Lichtlaufzeiten lange Pausen haben. Wenn die Raumsonde gerade z.B. 3,5 AE weit weg ist, dann beträgt die Zeit vom Abschicken zum Empfangen dann 29 Minuten und fast 7 Sekunden. Die Bestätigung dauert nochmal solange, sodass das Licht insgesamt 58 Minuten und 13 Sekunden unterwegs ist. Und auf die Antwort einer Raumsonde weit draußen im Kuipergürtel kann ein Tag vergehen.

Weblinks:
(Erst ab 18:30/19.10.2019 aufrufbar)
https://youtu.be/Jnhsp9aDrAk

Quellen:
https://de.wikipedia.org/wiki/Lichtgeschwindigkeit

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