Was ist die Lichtgeschwindigkeit und welche Bedeutung hat sie?

Das Licht, und damit sollen hier jetzt alle elektromagnetischen Wellen unabhängig von ihrer Wellenlänge angesprochen werden, ist nicht unendlich schnell unterwegs, sondern mit der „endlichen“ Geschwindigkeit von 299.792.458 Meter pro Sekunde. In den Physikbüchern wird sie in der Regel mit c oder c0 bezeichnet. Diese Zahl gilt für den luftleeren Weltraum, also für das Vakuum.

Sobald Licht in Materie wie Luft oder Wasser eindringt, finden Wechselwirkungen mit den Elektronen statt, die zu einer Reduzierung der Lichtgeschwindigkeit führen. Im Wasser liegt sie beispielsweise „nur“ bei circa 225.000.000 Meter pro Sekunde, je nach Temperatur oder Salzgehalt.

Entdeckung und Messung der Lichtgeschwindigkeit

Lichtgeschwindigkeit und Relativitätstheorie

Bereits im Altertum war der Gedankenaustausch über die Lichtgeschwindigkeit stets ein beliebtes Diskussionsthema für die Philosophen. Sie erstmalig zu messen, war um 1620 Galileo Galilei einen Versuch wert. Indem er den Schein von Laternen plötzlich mit der Hand abdecken ließ, stellte er fest, dass die Lichtgeschwindigkeit wohl einige Kilometer in der Sekunde ausmachen musste.

Ernst zu nehmender war die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit im Jahre 1676 durch Ole Rømer und Christiaan Huygens auf Basis der Beobachtung der Umlaufzeit des Jupitermondes Io. In Abhängigkeit von der Entfernung des Jupiters ergibt sich ein funktionaler Zusammenhang mit der Verzögerung des Erscheinens von Io. Daraus folgerte Rømer, dass sich das Licht mit circa 213.000.000 Meter pro Sekunde ausbreitet. Aus heutiger Sicht erscheint sein Ergebnis ziemlich fehlerhaft, aber er hat die richtige Größenordnung getroffen, was bei den damaligen technischen Möglichkeiten eine große Anerkennung verdient.

Der Experimente zur genauen Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit gab es danach von namhaften Wissenschaftlern noch viele, kurz erwähnt seien an dieser Stelle die Namen Alfred Cornu (1875) und Albert A. Michelson (1879), die beide mit einer Drehspiegelmethode schon recht genaue Ergebnisse erzielen konnten. Nicht zuletzt ebnete das berühmte Michelson-Morley-Experiment 1887 den Weg zur speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein (1905).

Die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit und ihre Bedeutung

Nachtaufnahme SternenhimmelFrançois Arago ging im Jahre 1810 ganz logisch davon aus, dass Sternenlicht dann schneller eintrifft, wenn sich die Erde auf den Stern zu bewegt, und etwas langsamer, wenn sich die Erde auf ihrer Umlaufbahn von dem Stern entfernt. Diese Tatsache hoffte er, mit einem leicht veränderten Winkel bei der Lichtbrechung in einem Prisma nachweisen zu können. Aber er konnte im Verlauf des Jahres keine Schwankung im Brechungswinkel messen. Aus der heutigen Sicht ist seine Messung ein erster experimenteller Nachweis für die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit.

Gemeint ist damit also, dass die Lichtgeschwindigkeit immer gleich ist, ganz egal, ob wir uns (schnell) auf eine Lichtquelle zu bewegen oder uns von ihr entfernen, das ist verblüffend und mit der klassischen Physik unvereinbar. Dieses Dilemma konnte nur aufgelöst werden, indem Hendrik Lorentz und Henri Poincaré die Hypothese der geschwindigkeitsabhängigen Zeitdilatation beziehungsweise Zeitkontraktion einführten. Das war eine bahnbrechende Arbeit, ohne die Einstein seine Relativitätstheorie nicht hätte formulieren können.

Selbstverständlich ist mit Bezug auf Konstanz auch die andere Frage berechtigt: Ist die Lichtgeschwindigkeit c für alle Zeiten eine feste Naturkonstante oder hatte sie vor vielleicht fünf Milliarden Jahren, als sich unser Sonnensystem bildete, einen etwas anderen Wert? Diese Art der philosophischen Fragestellung darf man als müßig empfinden, dennoch spielt die Antwort eine ganz entscheidende Rolle für unser kosmologisches Weltmodell, in dem noch immer nicht abschließend geklärt werden konnte, ob sich das Weltall ewig weiter ausdehnen wird, eines Tages in eine Kontraktionsbewegung umschwenken wird, um in einem einzigen Punkt zu implodieren oder, ob das Weltall eine ewige Schwingung von Ausdehnung und Zusammenziehung ausführt.

Konsequenzen aus der relativistischen Betrachtung des Lichts

Photonen sind zeitlich begrenzte, endlich lange Wellenzüge einer elektromagnetischen Welle und haben (theoretisch) keine Ruhemasse, allerdings sind Photonen ja niemals in Ruhe, sondern bewegen sich immer mit Lichtgeschwindigkeit. In diesem (realistischen) Fall wächst die Null-Ruhemasse auf einen (winzigen) endlichen Massewert für das einzelne Photon an. Licht hat also einen Impuls, mit dem man im Prinzip durch den Weltraum „segeln“ kann.

Anders verhält es sich mit einer massereichen Rakete (oder Raumschiff). Würde man diese immer weiter beschleunigen können, würde ihre ursprüngliche Masse anwachsen. Daraus ergibt sich das Dilemma, dass man zur Beschleunigung eines immer schwerer werdenden Raumschiffs immer mehr Energie braucht. Bei Lichtgeschwindigkeit wird die Masse des Raumschiffs (oder des Astronauten) theoretisch unendlich groß. Da aber nirgendwo und zu keiner Zeit unendlich viel Energie zur Verfügung steht, ist es prinzipiell niemals möglich, einen Gegenstand auf Lichtgeschwindigkeit zu bringen.

Denken wir in der Zusammenfassung noch über die Zeit nach

Oben wurde die notwendige Konsequenz der Zeitdilatation schon angesprochen. Praktisch bedeutet dies, dass die Zeit bei sehr hohen Geschwindigkeiten immer langsamer vergeht. Dies wurde in vergleichenden Experimenten mit extrem genauen Atomuhren, die in Erdumlaufbahnen mitgeführt wurden, übrigens bewiesen. In dem Moment, wenn man die Lichtgeschwindigkeit erreichen würde, würde die Zeit ganz stehen bleiben. Der Astronaut würde das wahrscheinlich nicht einmal bemerken, abgesehen davon, dass er nun unendlich schwer ist. Aber wenn er sich zur Rückkehr zur Erde entschließt, findet er seine Frau um Jahrzehnte gealtert vor oder vielleicht existiert die gesamte Menschheit dann gar nicht mehr.

Um noch einmal auf die Lichtgeschwindigkeit zurückzukommen, betrachten wir einmal ein einzelnes Photon und stellen uns vor, dass wir gemeinsam mit diesem Photon durch das Universum rasen. Wie sieht unsere Welt dort aus? Da es bei Lichtgeschwindigkeit keine Zeit mehr gibt, sind wir augenblicklich an unserem Ziel und bemerken den langen Weg des Photons über viele Milliarden Jahre durch das Universum gar nicht. Aber was und wo ist dann unser Ziel?