WAS IST DIE LICHTGESCHWINDIGKEIT?

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Seit der Antike haben Philosophen und Gelehrte versucht, Licht zu verstehen. Zusätzlich zu dem Versuch, seine grundlegenden Eigenschaften zu erkennen (d. H. Woraus es besteht - Teilchen oder Welle usw.), haben sie auch versucht, endliche Messungen darüber durchzuführen, wie schnell es sich bewegt. Seit dem späten 17. Jahrhundert tun Wissenschaftler genau das mit zunehmender Genauigkeit.

Auf diese Weise haben sie ein besseres Verständnis der Lichtmechanik und ihrer wichtigen Rolle in der Physik, Astronomie und Kosmologie gewonnen. Einfach ausgedrückt, Licht bewegt sich mit unglaublicher Geschwindigkeit und ist das sich am schnellsten bewegende Ding im Universum. Seine Geschwindigkeit wird als konstante und unzerbrechliche Barriere angesehen und dient als Mittel zur Entfernungsmessung. Aber wie schnell fährt es?

Lichtgeschwindigkeit (c):

Das Licht bewegt sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1.079.252.848,8 (1,07 Milliarden) km / h. Das entspricht 299.792.458 m / s oder etwa 670.616.629 mph (Meilen pro Stunde). Wenn Sie sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen könnten, könnten Sie den Globus ungefähr siebeneinhalb Mal in einer Sekunde umrunden. In der Zwischenzeit würde eine Person, die mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von etwa 800 km / h fliegt, mehr als 50 Stunden brauchen, um den Planeten nur einmal zu umkreisen.

Um dies in eine astronomische Perspektive zu bringen, beträgt die durchschnittliche Entfernung von der Erde zum Mond 384.398,25 km (238.854 Meilen). Das Licht überquert diese Entfernung in etwa einer Sekunde. In der Zwischenzeit beträgt die durchschnittliche Entfernung von der Sonne zur Erde ~ 149.597.886 km (92.955.817 Meilen), was bedeutet, dass das Licht für diese Reise nur etwa 8 Minuten benötigt.

Kein Wunder also, warum die Lichtgeschwindigkeit die Metrik ist, mit der astronomische Entfernungen bestimmt werden. Wenn wir sagen, dass ein Stern wie Proxima Centauri 4,25 Lichtjahre entfernt ist, sagen wir, dass es - mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1,07 Milliarden km / h - ungefähr 4 Jahre und 3 Monate dauern würde, um dorthin zu gelangen. Aber wie sind wir zu dieser hochspezifischen Messung für „Lichtgeschwindigkeit“ gekommen?

Studiengeschichte:

Bis zum 17. Jahrhundert waren sich die Gelehrten nicht sicher, ob sich das Licht mit endlicher Geschwindigkeit oder augenblicklich ausbreitete. Von den Tagen der alten Griechen bis zu mittelalterlichen islamischen Gelehrten und Wissenschaftlern der frühen Neuzeit ging die Debatte hin und her. Erst mit der Arbeit des dänischen Astronomen Øle Rømer (1644-1710) wurde die erste quantitative Messung durchgeführt.

1676 beobachtete Rømer, dass die Perioden von Jupiters innerstem Mond Io kürzer zu sein schienen, als sich die Erde dem Jupiter näherte, als wenn sie sich von ihm zurückzog. Daraus schloss er, dass sich das Licht mit einer endlichen Geschwindigkeit fortbewegt, und schätzte, dass es ungefähr 22 Minuten dauert, um den Durchmesser der Erdumlaufbahn zu überqueren.

Christiaan Huygens verwendete diese Schätzung und kombinierte sie mit einer Schätzung des Durchmessers der Erdumlaufbahn, um eine Schätzung von 220.000 km / s zu erhalten. Isaac Newton sprach in seiner wegweisenden Arbeit auch über Rømers Berechnungen Opticks (1706). Bereinigt um den Abstand zwischen Erde und Sonne rechnete er damit, dass es sieben oder acht Minuten dauern würde, bis das Licht von einem zum anderen gelangt. In beiden Fällen waren sie relativ klein.

Spätere Messungen der französischen Physiker Hippolyte Fizeau (1819 - 1896) und Léon Foucault (1819 - 1868) verfeinerten diese Messungen weiter - was zu einem Wert von 315.000 km / s (192.625 mi / s) führte. In der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts wurde den Wissenschaftlern der Zusammenhang zwischen Licht und Elektromagnetismus bewusst.

Dies wurde von Physikern erreicht, die elektromagnetische und elektrostatische Ladungen maßen und dann feststellten, dass der numerische Wert sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit lag (gemessen von Fizeau). Basierend auf seiner eigenen Arbeit, die zeigte, dass sich elektromagnetische Wellen im leeren Raum ausbreiten, schlug der deutsche Physiker Wilhelm Eduard Weber vor, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist.

Der nächste große Durchbruch gelang im frühen 20. Jahrhundert. In seiner Arbeit von 1905 mit dem Titel „Zur Elektrodynamik bewegter Körper “, Albert Einstein behauptete, dass die Lichtgeschwindigkeit in einem Vakuum, gemessen von einem nicht beschleunigenden Beobachter, in allen Trägheitsreferenzrahmen gleich und unabhängig von der Bewegung der Quelle oder des Beobachters sei.

Aus diesem und Galileos Relativitätsprinzip als Grundlage leitete Einstein die Theorie der Speziellen Relativitätstheorie ab, in der die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (c) war eine fundamentale Konstante. Zuvor war der Arbeitskonsens unter Wissenschaftlern der Ansicht, dass der Raum mit einem „leuchtenden Äther“ gefüllt war, der für seine Ausbreitung verantwortlich war - d. H. Dass Licht, das sich durch ein sich bewegendes Medium bewegt, vom Medium mitgerissen würde.

Dies bedeutete wiederum, dass die gemessene Geschwindigkeit des Lichts eine einfache Summe seiner Geschwindigkeit sein würde durch das Medium plus die Geschwindigkeit von dieses Medium. Einsteins Theorie machte jedoch das Konzept des stationären Äthers effektiv nutzlos und revolutionierte die Konzepte von Raum und Zeit.

Es hat nicht nur die Idee vorangetrieben, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Trägheitsreferenzrahmen gleich ist, sondern auch die Idee eingeführt, dass große Änderungen auftreten, wenn sich Dinge nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Dazu gehört der Zeit-Raum-Rahmen eines sich bewegenden Körpers, der sich zu verlangsamen und in Bewegungsrichtung zusammenzuziehen scheint, wenn er im Rahmen des Beobachters gemessen wird (d. H. Zeitdilatation, bei der sich die Zeit verlangsamt, wenn sich die Lichtgeschwindigkeit nähert).

Seine Beobachtungen versöhnten auch Maxwells Gleichungen für Elektrizität und Magnetismus mit den Gesetzen der Mechanik, vereinfachten die mathematischen Berechnungen, indem sie überflüssige Erklärungen anderer Wissenschaftler abschafften, und stimmten mit der direkt beobachteten Lichtgeschwindigkeit überein.

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts würden immer genauere Messungen mit Laser-Inferometern und Hohlraumresonanztechniken die Schätzungen der Lichtgeschwindigkeit weiter verfeinern. Bis 1972 verwendete eine Gruppe des US National Bureau of Standards in Boulder, Colorado, die Laser-Inferometer-Technik, um den derzeit anerkannten Wert von 299.792.458 m / s zu erhalten.

Rolle in der modernen Astrophysik:

Einsteins Theorie, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum unabhängig von der Bewegung der Quelle und dem Trägheitsreferenzrahmen des Beobachters ist, wurde seitdem durch viele Experimente konsequent bestätigt. Außerdem wird eine Obergrenze für die Geschwindigkeit festgelegt, mit der sich alle masselosen Partikel und Wellen (einschließlich Licht) im Vakuum fortbewegen können.

Eines der Ergebnisse davon ist, dass Kosmologen Raum und Zeit jetzt als eine einzige, einheitliche Struktur behandeln, die als Raumzeit bekannt ist - in der die Lichtgeschwindigkeit verwendet werden kann, um Werte für beide zu definieren (dh „Lichtjahre“, „Lichtminuten“ und) "Lichtsekunden"). Die Messung der Lichtgeschwindigkeit ist auch ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Geschwindigkeit der kosmischen Expansion geworden.

Ab den 1920er Jahren wurde Wissenschaftlern und Astronomen mit Beobachtungen von Lemaitre und Hubble bewusst, dass sich das Universum von einem Ausgangspunkt aus ausdehnt. Hubble beobachtete auch, dass sich eine Galaxie umso schneller zu bewegen scheint, je weiter sie entfernt ist. In dem, was jetzt als Hubble-Parameter bezeichnet wird, wird die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt, auf 68 km / s pro Megaparsec berechnet.

Dieses Phänomen, von dem theoretisiert wurde, dass sich einige Galaxien tatsächlich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit bewegen könnten, könnte eine Grenze für das setzen, was in unserem Universum beobachtet werden kann. Im Wesentlichen würden Galaxien, die sich schneller als mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, einen „kosmologischen Ereignishorizont“ überqueren, in dem sie für uns nicht mehr sichtbar sind.

In den 90er Jahren zeigten Rotverschiebungsmessungen entfernter Galaxien, dass sich die Expansion des Universums in den letzten Milliarden Jahren beschleunigt hat. Dies hat zu Theorien wie „Dunkle Energie“ geführt, bei denen eine unsichtbare Kraft die Ausdehnung des Raums selbst antreibt, anstatt Objekte, die sich durch ihn bewegen (wodurch die Lichtgeschwindigkeit nicht eingeschränkt oder die Relativitätstheorie verletzt wird).

Neben der speziellen und allgemeinen Relativitätstheorie hat der moderne Wert der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum die Kosmologie, die Quantenphysik und das Standardmodell der Teilchenphysik beeinflusst. Es bleibt eine Konstante, wenn es um die Obergrenze geht, an der sich masselose Partikel bewegen können, und bleibt eine unerreichbare Barriere für Partikel mit Masse.

Vielleicht werden wir eines Tages einen Weg finden, die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten. Wir haben zwar keine praktischen Ideen, wie dies geschehen könnte, aber das kluge Geld scheint in Technologien zu stecken, die es uns ermöglichen, die Gesetze der Raumzeit zu umgehen, indem wir entweder Warp-Blasen (auch bekannt als Alcubierre Warp Drive) erzeugen oder durch diese tunneln ( aka. Wurmlöcher).

Bis dahin müssen wir uns nur mit dem Universum zufrieden geben, das wir sehen können, und uns daran halten, den Teil davon zu erforschen, der mit herkömmlichen Methoden erreichbar ist.

Wir haben viele Artikel über die Lichtgeschwindigkeit für das Space Magazine geschrieben. Hier erfahren Sie, wie schnell die Lichtgeschwindigkeit ist. Wie bewegen sich Galaxien schneller als das Licht? Wie kann die Raumfahrt schneller als die Lichtgeschwindigkeit sein und die Lichtgeschwindigkeit brechen?

Hier ist ein cooler Taschenrechner, mit dem Sie viele verschiedene Einheiten für die Lichtgeschwindigkeit umrechnen können, und hier ist ein Relativitätsrechner, falls Sie fast die Lichtgeschwindigkeit zurücklegen möchten.

Astronomy Cast hat auch eine Episode, die Fragen zur Lichtgeschwindigkeit behandelt - Fragen zeigen: Relativitätstheorie, Relativitätstheorie und mehr Relativitätstheorie.

Quellen: