Lichtgeschwindigkeit

Das Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine wichtige physikalische Konstante, die mit dem Buchstaben bezeichnet wird c zum Konstante oder der Latein Wort Geschwindigkeit bedeutet 'Schnelligkeit'. Es ist die Geschwindigkeit aller elektromagnetischen Strahlung im Vakuum, nicht nur des sichtbaren Lichts.

In metrischen Einheiten, c ist exakt 299.792.458 Meter pro Sekunde (1.079.252.848,8 km/h). Beachten Sie, dass diese Geschwindigkeit a ist Definition , kein Messung , da die grundlegende SI-Längeneinheit Meter seit dem 21. Oktober 1983 in Bezug auf die Lichtgeschwindigkeit definiert ist: Ein Meter ist die Strecke, die Licht im Vakuum in 1/299.792.458 Sekunde zurücklegt. Umgerechnet in imperiale Einheiten beträgt die Lichtgeschwindigkeit ungefähr 186.282,397 Meilen pro Sekunde oder 670.616.629,384 Meilen pro Stunde oder fast einen Fuß pro Nanosekunde.

Durch jedes transparente oder durchscheinende materielle Medium, wie Glas oder Luft, hat es eine geringere Geschwindigkeit als im Vakuum; Das Verhältnis von c zu dieser langsameren Geschwindigkeit wird der Brechungsindex des Mediums genannt. Änderungen der Schwerkraft verzerren jedoch den Raum, den das Licht durchqueren muss, sodass es den Anschein hat, als würde es sich um massive Objekte krümmen. Dies führt zu dem Phänomen des Gravitationslinseneffekts, bei dem große Materieansammlungen Licht von weit entfernten Quellen brechen können, um mehrere Bilder und ähnliche optische Verzerrungen zu erzeugen.

Überblick

Eine Folge der Gesetze des Elektromagnetismus (wie z Maxwellsche Gleichungen ) ist das die Geschwindigkeit c von elektromagnetische Strahlung hängt nicht von der Geschwindigkeit des die Strahlung emittierenden Objekts ab; so würde sich zum Beispiel das von einer sich schnell bewegenden Lichtquelle emittierte Licht mit der gleichen Geschwindigkeit ausbreiten wie das Licht, das von einer stationären Lichtquelle kommt (obwohl Farbe, Frequenz, Energie und Impuls des Lichts verschoben werden, was als relativistisch bezeichnet wird Doppler-Effekt). Kombiniert man diese Beobachtung mit dem Relativitätsprinzip, kommt man zu dem Schluss, dass alle Beobachter die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum als gleich messen, unabhängig vom Bezugssystem des Beobachters oder der Geschwindigkeit des lichtemittierenden Objekts. Aus diesem Grund kann man sehen c als grundlegende physikalische Konstante. Diese Tatsache kann dann als Grundlage für die Theorie von verwendet werden Spezielle Relativität . Es ist erwähnenswert, dass es sich um die konstante Geschwindigkeit handelt c , eher als Licht selbst, das für die spezielle Relativitätstheorie von grundlegender Bedeutung ist; also, wenn Licht irgendwie manipuliert wird, um sich mit weniger als zu bewegen c , wird dies die spezielle Relativitätstheorie nicht direkt beeinflussen.

Beobachter, die mit großer Geschwindigkeit reisen, werden feststellen, dass Entfernungen und Zeiten gemäß den Lorentz-Transformationen verzerrt ('gedehnt') werden; Die Transformationen verzerren jedoch Zeiten und Entfernungen so, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant bleibt. Eine Person, die mit annähernd Lichtgeschwindigkeit reist, würde auch feststellen, dass die Farben der Lichter vor ihnen in Richtung des violetten Endes des Spektrums verschoben sind und die der Lichter dahinter rotverschoben , so dass Lorentztransformationen und klassische Verschiebungserklärungen im Einklang stehen.

Wenn Informationen schneller reisen könnten als c In einem Referenzrahmen würde die Kausalität verletzt: In einigen anderen Referenzrahmen würden die Informationen empfangen, bevor sie gesendet wurden, sodass die „Wirkung“ beobachtet werden könnte, bevor die „Ursache“ vorhanden ist. Aufgrund der Zeitdilatation der speziellen Relativitätstheorie nähert sich das Verhältnis zwischen der wahrgenommenen Zeit eines externen Beobachters und der Zeit, die von einem Beobachter wahrgenommen wird, der sich immer näher an die Lichtgeschwindigkeit annähert, gegen Null. Wenn sich etwas schneller als Licht bewegen könnte, wäre dieses Verhältnis keine reelle Zahl. Eine solche Verletzung der Kausalität wurde nie beobachtet.

Ein Lichtkegel definiert Orte, die in kausalem Kontakt stehen und solche, die es nicht sind.

Anders ausgedrückt, Informationen breiten sich von Regionen, die durch einen Lichtkegel definiert sind, zu und von einem Punkt aus. Das Intervall AB im Diagramm rechts ist „zeitlich“ (d. h. es gibt einen Bezugsrahmen, in dem Ereignis A und Ereignis B an demselben Ort im Raum stattfinden, nur durch ihr Auftreten zu unterschiedlichen Zeiten getrennt, und wenn A in diesem Rahmen B vorangeht, dann geht A in allen Rahmen B voraus: es gibt keinen Referenzrahmen, in dem Ereignis A und Ereignis B gleichzeitig auftreten). Somit ist es hypothetisch möglich, dass Materie (oder Information) von A nach B wandert, sodass ein kausaler Zusammenhang bestehen kann (wobei A die „Ursache“ und B die „Wirkung“ ist).

Andererseits ist das Intervall AC im rechten Diagramm „raumartig“ (d. h. es gibt einen Bezugsrahmen, in dem Ereignis A und Ereignis C gleichzeitig auftreten, nur räumlich getrennt; (siehe Gleichzeitigkeit). Es gibt jedoch auch Frames, in denen A vor C (wie gezeigt) oder in denen C vor A steht. Abgesehen von einer Möglichkeit, schneller als Licht zu reisen, ist es für keine Materie (oder Information) möglich, von A nach C oder von A zu reisen C zu A. Es besteht also kein Kausalzusammenhang zwischen A und C.

Nach der derzeit gültigen Definition aus dem Jahr 1983 beträgt die Lichtgeschwindigkeit genau 299.792.458 Meter pro Sekunde (ungefähr 3 × 10 ⁸ Meter pro Sekunde oder ungefähr dreißig Zentimeter (ein Fuß) pro Nanosekunde). Der Wert von c definiert die Permittivität des freien Raums ( e ₀ ) in SI-Einheiten als:

Die Durchlässigkeit des freien Raums ( m ₀ ) ist nicht abhängig von c und ist in SI-Einheiten definiert als:

.

Diese Konstanten erscheinen in den Maxwell-Gleichungen, die den Elektromagnetismus beschreiben, und stehen in Beziehung zu:

Astronomisch Entfernungen werden manchmal in Lichtjahren gemessen (die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegen würde, ungefähr 9,46 × 10 ¹² Kilometer oder etwa 5,88 × 10 ¹² Meilen) vor allem in populären Texten. Da sich Licht mit einer großen, aber endlichen Geschwindigkeit fortbewegt, braucht Licht Zeit, um große Entfernungen zurückzulegen. Wenn wir also das Licht von sehr weit entfernten Objekten im Universum sehen, sehen wir tatsächlich Licht, das von ihnen vor langer Zeit ausgestrahlt wird: Wir sehen sie buchstäblich so, wie sie in der fernen Vergangenheit waren.

Mnemonik

Da eine neunstellige Folge etwas schwer zu merken ist, gibt es einige nützliche Mnemoniken dafür c in m/s, die die Buchstaben einer Telefontastatur verwenden:

• C ständig Im wie Im und R erinnern Im er B weil ich es ist L Recht IN elocity.
• EIN Im ist Im und R erinnern Im hat C ständig ich s L Recht IN elocity.

Für beide erhält man die Zahl 299.792.458, indem man die fettgedruckten Buchstaben in Ziffern umwandelt.

Kommunikation und GPS

Die Lichtgeschwindigkeit ist von Bedeutung für Kommunikation . Zum Beispiel, da der äquatoriale Umfang der Erde ist 40100 km und c = 300000 km/s beträgt die theoretisch kürzeste Zeitspanne, in der eine Information den halben Globus entlang der Oberfläche zurücklegt, 0,0668 s.

Die tatsächliche Laufzeit ist länger, zum Teil, weil die Lichtgeschwindigkeit in einer Glasfaser um etwa 30 % langsamer ist und gerade Linien in globalen Kommunikationssituationen selten auftreten, aber auch, weil Verzögerungen entstehen, wenn das Signal einen elektronischen Schalter oder ein Signal passiert Regenerator. Eine typische Zeit ab 2004 für eine Australien oder Japan zu UNS Der Computer-zu-Computer-Ping beträgt 0,18 s. Die Lichtgeschwindigkeit wirkt sich zusätzlich auf das Design der drahtlosen Kommunikation aus.

Eine weitere Folge der endlichen Lichtgeschwindigkeit ist, dass die Kommunikation mit Raumfahrzeugen nicht sofort erfolgt, insbesondere wenn die Entfernungen zunehmen. Diese Verzögerung war für die Kommunikation der Houstoner Bodenkontrolle und erheblich Apoll 8 als es das erste Raumschiff wurde, das die Erde umkreiste Mond : Für jede Frage musste Houston fast 3 Sekunden auf die Antwort warten, selbst wenn die Astronauten sofort antworteten.

Dieser Effekt bildet die Grundlage des Global Positioning System (GPS) und ähnlicher Navigationssysteme. Die eigene Position kann anhand der Verzögerungen von Lichtsignalen bestimmt werden, die von einer Reihe von Satelliten empfangen werden, von denen jeder eine sehr genaue Atomuhr trägt und sehr sorgfältig synchronisiert ist. Es ist bemerkenswert, dass diese Methode, um richtig zu funktionieren, (neben vielen anderen Effekten) die Berücksichtigung der relativen Bewegung von Satellit und Empfänger erfordert, wodurch (im interplanetaren Maßstab) ursprünglich die endliche Lichtgeschwindigkeit entdeckt wurde (siehe die folgende).

Eine Linie, die die Lichtgeschwindigkeit auf einem maßstabsgetreuen Modell der Erde und des Mondes zeigt

In ähnlicher Weise ist eine sofortige Fernsteuerung eines interplanetaren Raumfahrzeugs unmöglich, da es einige Zeit dauert, bis die erdgestützten Steuerungen Informationen von dem Fahrzeug erhalten. Es kann Stunden dauern, bis die Lotsen auf ein Problem aufmerksam werden, mit Anweisungen reagieren und das Raumfahrzeug die Anweisungen erhalten.

Auch die Lichtgeschwindigkeit kann auf kurze Distanzen ein Problem darstellen. In Supercomputern setzt die Lichtgeschwindigkeit eine Grenze dafür, wie schnell Daten zwischen ihnen gesendet werden können Prozessoren . Wenn ein Prozessor mit 1 GHz arbeitet, kann ein Signal in einem einzigen Zyklus nur maximal 300 mm zurücklegen. Prozessoren müssen daher nahe beieinander platziert werden, um Kommunikationslatenzen zu minimieren. Wenn die Taktfrequenzen weiter steigen, wird die Lichtgeschwindigkeit schließlich zu einem limitierenden Faktor für das interne Design von Single Chips .

Physik

Interaktion mit transparenten Materialien

Der Brechungsindex eines Materials gibt an, wie viel langsamer die Lichtgeschwindigkeit in diesem Medium ist als im Vakuum. Die langsamere Lichtgeschwindigkeit in Materialien kann Brechung verursachen, wie dieses Prisma zeigt (im Fall eines Prismas, das weißes Licht in ein Farbspektrum aufteilt, wird die Brechung als Dispersion bezeichnet).

Beim Durchgang durch Materialien wird Licht auf weniger als verlangsamt c durch das Verhältnis, das als Brechungsindex des Materials bezeichnet wird. Die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist nur etwas kleiner als c . Dichtere Medien, wie z Wasser und Glas , kann Licht viel mehr verlangsamen, auf Bruchteile wie ¾ und 2/3 von c . Diese Verringerung der Geschwindigkeit ist auch für die Lichtbeugung an einer Grenzfläche zwischen zwei Materialien mit unterschiedlichen Indizes verantwortlich, ein Phänomen, das als Brechung bekannt ist.

Da die Lichtgeschwindigkeit in einem Material vom Brechungsindex abhängt und der Brechungsindex von der Frequenz des Lichts abhängt, bewegt sich Licht mit unterschiedlichen Frequenzen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch dasselbe Material. Dies kann zu einer Verzerrung elektromagnetischer Wellen führen, die aus mehreren Frequenzen bestehen, was als Dispersion bezeichnet wird.

Beachten Sie, dass die genannte Lichtgeschwindigkeit die ist beobachtete oder gemessene Geschwindigkeit in einem Medium und nicht die wahre Lichtgeschwindigkeit (wie im Vakuum beobachtet). Es sei darauf hingewiesen, dass das Licht, sobald es aus dem Medium ausgetreten ist, auf seine ursprüngliche Geschwindigkeit zurückkehrt und diese ist ohne zu gewinnen jede Energie. Das kann nur eines bedeuten – dass die Geschwindigkeit des Lichts selbst nie verändert wurde.

Es wird manchmal behauptet, dass Licht bei seinem Durchgang durch einen Medienblock verlangsamt wird, indem es von den Atomen absorbiert und wieder emittiert wird und sich nur mit voller Geschwindigkeit durch das Vakuum zwischen den Atomen bewegt. Diese Erklärung ist falsch und stößt auf Probleme, wenn Sie versuchen, sie zu verwenden, um die Details der Refraktion über die einfache Verlangsamung des Signals hinaus zu erklären.

Klassischerweise, wenn man elektromagnetische Strahlung wie eine Welle betrachtet, sind die Ladungen jedes Atoms (vor allem die Elektronen ) stören die elektrischen und magnetischen Felder der Strahlung und verlangsamen ihren Fortschritt.

Die vollständige quantenmechanische Erklärung ist im Wesentlichen die gleiche, muss aber mit der diskreten Teilchennatur fertig werden (siehe Photonen in Materie): Das E-Feld erzeugt Phononen in den Medien und die Photonen mischen mit den Phononen. Die resultierende Mischung, Polariton genannt, bewegt sich mit einer Geschwindigkeit, die langsamer als das Licht ist.

'Schneller als Licht'-Beobachtungen und Experimente

Das blaue Leuchten in diesem 'Schwimmbad'-Kernreaktor ist Tscherenkow-Strahlung, die als Folge davon emittiert wird Elektronen schneller als die Lichtgeschwindigkeit im Wasser reisen.

Theoretisch ist seit langem bekannt, dass es möglich ist, die „Phasengeschwindigkeit“ des Lichts zu überschreiten c . Ein kürzlich durchgeführtes Experiment ließ die Gruppengeschwindigkeit von Laserstrahlen über extrem kurze Entfernungen zurücklegen Cäsium Atome 300 mal c . Es ist jedoch nicht möglich, diese Technik zum Übertragen zu verwenden Information schneller als c : Die Geschwindigkeit der Informationsübertragung hängt von der Frontgeschwindigkeit ab (der Geschwindigkeit, mit der sich der erste Anstieg eines Impulses über Null vorwärts bewegt) und das Produkt aus der Gruppengeschwindigkeit und der Frontgeschwindigkeit ist gleich dem Quadrat der normalen Lichtgeschwindigkeit in das Material.

Das Überschreiten der Gruppenlichtgeschwindigkeit auf diese Weise ist vergleichbar mit dem Überschreiten der Schallgeschwindigkeit, indem Menschen in weitem Abstand in einer Reihe angeordnet und sie alle aufgefordert werden, nacheinander in kurzen Intervallen zu rufen, jeweils mit einem eigenen Timing indem sie auf ihre eigene Armbanduhr schauen, damit sie nicht warten müssen, bis sie die vorherige Person rufen hören. Ein weiteres Beispiel kann man sehen, wenn man Meereswellen beobachtet, die an die Küste gespült werden. Bei einem ausreichend engen Winkel zwischen der Welle und der Küstenlinie bewegen sich die Brecher entlang der Welle viel schneller als die Bewegung der Welle landeinwärts.

Die Lichtgeschwindigkeit scheint auch bei einigen Phänomenen mit evaneszenten Wellen überschritten zu werden, wie z. B. beim Tunneln. Experimente zeigen, dass die Phasengeschwindigkeit von evaneszenten Wellen überschritten werden kann c ; es scheint jedoch, dass weder die Gruppengeschwindigkeit noch die Frontgeschwindigkeit überschritten werden c , also ist es wiederum nicht möglich, Informationen schneller als zu übertragen c .

Im Quantenmechanik , können bestimmte Quanteneffekte bei Geschwindigkeiten größer als übertragen werden c (Tatsächlich wird Fernwirkung von einigen seit langem als Problem der Quantenmechanik wahrgenommen: siehe EPR-Paradoxon, Interpretationen der Quantenmechanik). Beispielsweise können die Quantenzustände zweier Teilchen verschränkt werden, sodass der Zustand eines Teilchens den Zustand des anderen Teilchens festlegt (sagen wir, eines muss Spin +½ haben und das andere muss Spin –½ haben). Bis die Teilchen beobachtet werden, existieren sie in einer Überlagerung von zwei Quantenzuständen (+½, −½) und (−½, +½). Wenn die Teilchen getrennt werden und eines von ihnen beobachtet wird, um seinen Quantenzustand zu bestimmen, dann wird der Quantenzustand des zweiten Teilchens automatisch bestimmt. Wenn man, wie in manchen Interpretationen der Quantenmechanik, davon ausgeht, dass die Information über den Quantenzustand lokal für ein Teilchen ist, dann muss man schließen, dass das zweite Teilchen seinen Quantenzustand augenblicklich einnimmt, sobald die erste Beobachtung durchgeführt wird. Allerdings lässt sich nicht kontrollieren, welchen Quantenzustand das erste Teilchen bei der Beobachtung annimmt, sodass auf diese Weise keine Information übermittelt werden kann. Die Gesetze der Physik scheinen auch zu verhindern, dass Informationen auf cleverere Weise übertragen werden, und dies hat zur Formulierung von Regeln wie dem No-Cloning-Theorem und dem No-Communication-Theorem geführt.

Sogenannte superluminale Bewegung wird auch in bestimmten astronomischen Objekten beobachtet, wie den Jets von Radiogalaxien und Quasaren. Diese Jets bewegen sich jedoch nicht wirklich schneller als Lichtgeschwindigkeit: Die scheinbare superluminale Bewegung ist ein Projektionseffekt, der von Objekten verursacht wird, die sich nahe der Lichtgeschwindigkeit und in einem kleinen Winkel zur Sichtlinie bewegen.

Auch wenn es paradox klingen mag, es ist möglich, dass sich mit elektromagnetischer Strahlung Stoßwellen bilden. Wenn sich ein geladenes Teilchen durch ein isolierendes Medium bewegt, stört es das lokale elektromagnetische Feld im Medium. Elektronen in den Atomen des Mediums werden durch das Durchgangsfeld des geladenen Teilchens verschoben und polarisiert, und Photonen werden emittiert, wenn die Elektronen im Medium sich selbst wieder ins Gleichgewicht bringen, nachdem die Störung vorüber ist. (In einem Leiter kann die Störung wiederhergestellt werden, ohne ein Photon zu emittieren.) Unter normalen Umständen interferieren diese Photonen destruktiv miteinander und es wird keine Strahlung festgestellt. Wenn sich die Störung jedoch schneller bewegt als die Photonen selbst, stören die Photonen konstruktiv und intensivieren die beobachtete Strahlung. Das Ergebnis (analog zu einem Überschallknall) ist als Cherenkov-Strahlung bekannt.

Die Fähigkeit, schneller als Licht zu kommunizieren oder zu reisen, ist ein beliebtes Thema in der Science-Fiction. Teilchen, die sich schneller als Licht fortbewegen, sogenannte Tachyonen, wurden von Teilchenphysikern vorgeschlagen, müssen aber noch beobachtet werden.

Einige Physiker, insbesondere João Magueijo und John Moffat, haben vorgeschlagen, dass sich das Licht in der Vergangenheit viel schneller fortbewegt hat als die aktuelle Lichtgeschwindigkeit. Diese Theorie wird Variable Speed ​​of Light (VSL) genannt und ihre Befürworter behaupten, dass sie in der Lage ist, viele kosmologische Rätsel besser zu erklären als ihr Rivale, der Inflation Modell der Universum . Es muss sich jedoch noch eine breite Akzeptanz erarbeiten.

Im Jahr 2002 schrieben die Physiker Alain Haché und Louis Poirier Geschichte, indem sie zum ersten Mal Pulse mit einer Gruppengeschwindigkeit von dreifacher Lichtgeschwindigkeit über eine große Entfernung sendeten, übertragen durch ein 120 Meter langes Kabel aus einem koaxialen photonischen Kristall.

'Slow Light'-Experimente

Brechungsphänomene wie diese Regenbogen , sind auf die langsamere Lichtgeschwindigkeit in einem Medium (in diesem Fall Wasser) zurückzuführen.

Jedes Licht, das durch ein anderes Medium als ein Vakuum wandert, wandert nach unten c als Ergebnis der Zeitverzögerung zwischen der Polarisationsantwort des Mediums und dem einfallenden Licht. Bestimmte Materialien haben jedoch eine außergewöhnlich hohe Gruppenindex und eine entsprechend niedrige Gruppengeschwindigkeit. 1999 gelang es einem Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Lene Hau, die Geschwindigkeit eines Lichtimpulses auf etwa 17 Meter pro Sekunde zu verlangsamen, und 2001 konnten sie einen Strahl vorübergehend stoppen.

2003 stellte Mikhail Lukin zusammen mit Wissenschaftlern der Harvard University und des Lebedev Institute in Moskau , gelang es, das Licht vollständig zu stoppen, indem es in eine heiße Masse geleitet wurde Rubidium Gas, dessen Atome sich, in Lukins Worten, aufgrund eines Interferenzmusters in zwei 'Kontroll'-Strahlen 'wie winzige Spiegel' verhielten.

Geschichte

Bis vor relativ kurzer Zeit war die Lichtgeschwindigkeit weitgehend eine Frage der Vermutung. Empedokles behauptete, Licht sei etwas in Bewegung, und daher müsse beim Reisen einige Zeit vergehen. Aristoteles sagte, dass im Gegenteil 'Licht auf die Anwesenheit von etwas zurückzuführen ist, aber es ist keine Bewegung'. Außerdem müsste Licht, wenn es eine endliche Geschwindigkeit hätte, sehr groß sein; Aristoteles behauptete, 'die Belastung unserer Glaubenskraft ist zu groß', um dies zu glauben.

Eine der alten Theorien des Sehens besagt, dass Licht vom Auge emittiert wird, anstatt von einer anderen Quelle in das Auge reflektiert zu werden. Auf dieser Theorie brachte Heron von Alexandria das Argument vor, dass die Lichtgeschwindigkeit unendlich sein muss, da entfernte Objekte wie Sterne sofort erscheinen, wenn man die Augen öffnet.

Mittelalterliche und frühneuzeitliche Theorien

Das islamisch Philosophen Avicenna und Alhazen glaubten, dass Licht eine endliche Geschwindigkeit hat, obwohl die meisten Philosophen dem zustimmten Aristoteles An diesem Punkt.

Auch die Philosophen des alten Indien hielten die Lichtgeschwindigkeit für endlich. Der Gelehrte Sayana aus dem 14. Jahrhundert schrieb in einem Kommentar zu Vers 1.50 des Rig Veda:

'So wird erinnert: [O Sonne] du, der du 2202 Yojanas in einem halben Nimesa durchquerst.'

Sayanas Aussage kommt der tatsächlichen Lichtgeschwindigkeit sehr nahe und wurde als der erstaunlichste „Blindtreffer“ in der Geschichte der Wissenschaft bezeichnet.

Johannes Kepler glaubten, dass die Lichtgeschwindigkeit unendlich ist, da der leere Raum ihr kein Hindernis darstellt. Francis Bacon argumentierte, dass die Lichtgeschwindigkeit nicht unbedingt unendlich ist, da sich etwas zu schnell fortbewegen kann, um wahrgenommen zu werden. René Descartes argumentierte, dass, wenn die Lichtgeschwindigkeit endlich wäre, die Sonne , Erde , und Mond während a merklich aus der Ausrichtung geraten würde Mondfinsternis . Da eine solche Fehlausrichtung nicht beobachtet worden war, schloss Descartes, dass die Lichtgeschwindigkeit unendlich ist. Tatsächlich war Descartes davon überzeugt, dass sein gesamtes philosophisches System zerstört würde, wenn die Lichtgeschwindigkeit endlich wäre.

Messung der Lichtgeschwindigkeit

Isaac Beeckman schlug ein Experiment vor (1629), bei dem eine Person den Blitz einer Kanone beobachten würde, der von einem etwa eine Meile entfernten Spiegel reflektiert wird. Galilei schlugen 1638 ein Experiment vor, mit dem offensichtlichen Anspruch, es einige Jahre früher durchgeführt zu haben, um die Lichtgeschwindigkeit zu messen, indem sie die Verzögerung zwischen dem Aufdecken einer Laterne und ihrer Wahrnehmung in einiger Entfernung beobachteten. Dieses Experiment wurde 1667 von der Accademia del Cimento in Florenz durchgeführt, wobei die Laternen etwa eine Meile voneinander entfernt waren. Es wurde keine Verzögerung beobachtet. Robert Hooke erklärte die negativen Ergebnisse wie Galileo: indem er darauf hinwies, dass solche Beobachtungen nicht die unendliche Lichtgeschwindigkeit feststellten, sondern nur, dass die Geschwindigkeit sehr groß sein muss. Descartes kritisierte dieses Experiment als überflüssig, da die Beobachtung von Sonnenfinsternissen, die mehr Kraft hatten, eine endliche Geschwindigkeit zu erkennen, ein negatives Ergebnis lieferte.

Rømers Beobachtungen der Bedeckungen von Io von der Erde.

Die erste quantitative Schätzung der Lichtgeschwindigkeit wurde 1676 von Ole Rømer gemacht, der die Lichtgeschwindigkeit studierte Bewegungen von Jupiters Trabant Io mit a Teleskop . Es ist möglich, die Umlaufbahn von Io zeitlich zu bestimmen, da sie in regelmäßigen Abständen (bei C oder D) in Jupiters Schatten eintritt und ihn verlässt. Rømer beobachtete, dass sich Io alle 42,5 Stunden einmal um Jupiter drehte Erde war Jupiter am nächsten. Er beobachtete auch, dass, als Erde und Jupiter sich voneinander entfernten (wie von L nach K), Ios Austritt aus dem Schatten immer später als vorhergesagt beginnen würde. Es war klar, dass diese Ausgangs-'Signale' länger brauchten, um die Erde zu erreichen, da sich Erde und Jupiter weiter voneinander entfernten. Als Ergebnis der zusätzlichen Zeit, die das Licht benötigte, um die zusätzliche Entfernung zwischen den Planeten zu überwinden, die sich im Intervall zwischen einem Signal und dem nächsten angesammelt hatte. Das Gegenteil ist der Fall, wenn sie sich nähern (wie von F (nicht gezeigt, aber gegenüber von K) zu G). Ganz wie beim bekannten Doppler-Effekt. Auf der Grundlage seiner Beobachtungen schätzte Rømer, dass das Licht 22 Minuten brauchen würde, um den Durchmesser der Erdumlaufbahn zu durchqueren (dh das Doppelte der astronomischen Einheit); Die moderne Schätzung liegt näher bei 16 Minuten und 40 Sekunden.

Etwa zur gleichen Zeit wurde die astronomische Einheit auf etwa 140 Millionen Kilometer geschätzt. Die astronomische Einheit und Rømers Zeitschätzung wurden von Christiaan Huygens kombiniert, der die Lichtgeschwindigkeit auf 1000 Erddurchmesser pro Minute schätzte. Das sind etwa 220.000 Kilometer pro Sekunde (136.000 Meilen pro Sekunde), weit unter dem derzeit akzeptierten Wert, aber immer noch sehr viel schneller als jedes damals bekannte physikalische Phänomen.

Isaac Newton akzeptierte auch die endliche Geschwindigkeit. In seinem Buch 'Opticks' gibt er tatsächlich den genaueren Wert von 16,6 Erddurchmessern pro Sekunde an, den er anscheinend für sich selbst abgeleitet hat (ob aus Rømers Daten oder aus anderen Gründen, ist nicht bekannt). Derselbe Effekt wurde später von Rømer für einen 'Fleck' beobachtet, der sich mit der Oberfläche des Jupiters drehte. Und spätere Beobachtungen zeigten den Effekt auch bei den drei anderen galiläischen Monden, wo er schwieriger zu beobachten war, und entkräfteten damit einige weitere erhobene Einwände.

Auch wenn durch diese Beobachtungen die endliche Lichtgeschwindigkeit nicht zur Zufriedenheit aller (insbesondere Jean-Dominique Cassinis) festgestellt werden konnte, galt die Hypothese der unendlichen Geschwindigkeit nach den Beobachtungen von James Bradley (1728) als diskreditiert. Bradley folgerte, dass Sternenlicht, das auf die Erde fällt, aus einem kleinen Winkel zu kommen scheint, der berechnet werden könnte, indem man die Geschwindigkeit der Erde in ihrer Umlaufbahn mit der Lichtgeschwindigkeit vergleicht. Dies ' Aberration des Lichts “, wie es genannt wird, wurde mit etwa 1/200 Grad beobachtet. Bradley berechnete die Lichtgeschwindigkeit mit etwa 298.000 Kilometern pro Sekunde (185.000 Meilen pro Sekunde). Dies ist nur geringfügig weniger als der derzeit akzeptierte Wert Der Aberrationseffekt wurde in den folgenden Jahrhunderten ausführlich untersucht, insbesondere von Friedrich Georg Wilhelm Struve und Magnus Nyren.

Diagramm des Fizeau-Foucault-Apparats.

Die erste erfolgreiche Messung der Lichtgeschwindigkeit mit einem erdgebundenen Apparat wurde 1849 von Hippolyte Fizeau durchgeführt. Fizeaus Experiment war konzeptionell ähnlich dem von Beeckman und Galileo vorgeschlagenen. Ein Lichtstrahl wurde auf einen mehrere tausend Meter entfernten Spiegel gerichtet. Auf dem Weg von der Quelle zum Spiegel passierte der Strahl ein rotierendes Zahnrad. Bei einer bestimmten Rotationsgeschwindigkeit könnte der Strahl auf dem Hinweg einen Spalt und auf dem Rückweg einen anderen passieren. Aber bei etwas höheren oder niedrigeren Raten würde der Strahl auf einen Zahn treffen und nicht durch das Rad gehen. Aus der Entfernung zum Spiegel, der Anzahl der Zähne des Rades und der Rotationsgeschwindigkeit konnte die Lichtgeschwindigkeit berechnet werden. Fizeau gab die Lichtgeschwindigkeit mit 313.000 Kilometern pro Sekunde an. Fizeaus Methode wurde später von Marie Alfred Cornu (1872) und Joseph Perrotin (1900) verfeinert.

Leon Foucault verbesserte Fizeaus Methode, indem er das Zahnrad durch einen rotierenden Spiegel ersetzte. Foucaults Schätzung, die 1862 veröffentlicht wurde, betrug 298.000 Kilometer pro Sekunde. Foucaults Methode wurde auch von Simon Newcomb und Albert A. Michelson verwendet. Michelson begann seine lange Karriere, indem er Foucaults Methode wiederholte und verbesserte.

Im Jahr 1926 verwendete Michelson ein rotierendes Prisma, um die Zeit zu messen, die das Licht für eine Hin- und Rückfahrt vom Mount Wilson zum Mount San Antonio benötigte Kalifornien . Die genauen Messungen ergaben eine Geschwindigkeit von 186.285 Meilen pro Sekunde (299.796 Kilometer pro Sekunde).

Relativität

Aus der Arbeit von James Clerk Maxwell war bekannt, dass die Geschwindigkeit elektromagnetischer Strahlung eine Konstante ist, die durch die elektromagnetischen Eigenschaften des Vakuums (Permittivität und Permeabilität) definiert wird.

Eine schematische Darstellung eines Michelson-Interferometers, wie es für das Michelson-Morley-Experiment verwendet wird.

1887 führten die Physiker Albert Michelson und Edward Morley das einflussreiche Michelson-Morley-Experiment durch, um die Lichtgeschwindigkeit relativ zur Bewegung der Erde zu messen, mit dem Ziel, die Geschwindigkeit des Lichts zu messen Erde durch die ' leuchtender Äther “, das Medium, von dem man damals annahm, dass es für die Lichtübertragung notwendig sei. Wie im Diagramm eines Michelson-Interferometers gezeigt, wurde ein halbverspiegelter Spiegel verwendet, um einen monochromatischen Lichtstrahl in zwei Strahlen zu teilen, die sich im rechten Winkel zu einem bewegten Nach dem Verlassen des Teilers wurde jeder Strahl mehrmals zwischen Spiegeln hin und her reflektiert (die gleiche Anzahl für jeden Strahl, um eine lange, aber gleiche Weglänge zu ergeben; das eigentliche Michelson-Morley-Experiment verwendete mehr Spiegel als gezeigt) und dann wieder kombiniert, um zu produzieren ein Muster konstruktiver und destruktiver Interferenz. Jede geringfügige Änderung der Lichtgeschwindigkeit entlang jedes Arms des Interferometers (weil sich das Gerät mit der Erde durch den vorgeschlagenen 'Äther' bewegte) würde die Zeitdauer ändern, die der Strahl auf dem Weg verbracht hat. was dann als Änderung des Interferenzmusters beobachtet werden würde.In diesem Fall ergab das Experiment ein Nullergebnis.

Ernst Mach gehörte zu den ersten Physikern, die darauf hinwiesen, dass das Experiment tatsächlich auf eine Widerlegung der Theorie hinauslief Äther Theorie. Entwicklungen in der theoretischen Physik hatten bereits begonnen, eine alternative Theorie zu liefern, die Fitzgerald-Lorentz-Kontraktion, die das Nullergebnis des Experiments erklärte.

Es ist ungewiss, ob Albert Einstein kannte die Ergebnisse des Michelson-Morley-Experiments, aber das Nullergebnis des Experiments trug sehr zur Annahme seiner Relativitätstheorie bei. Einsteins Theorie benötigte keinen Äther und stimmte vollkommen mit dem Nullergebnis des Experiments überein: dem Äther existierte nicht und die Lichtgeschwindigkeit war in jeder Richtung gleich. Die konstante Lichtgeschwindigkeit ist eines der grundlegenden Postulate (zusammen mit der Kausalität und der Äquivalenz von Inertialsystemen) der speziellen Relativitätstheorie.