- Kapitel 4 -
Lichtgeschwindigkeit ist absolut

Sie haben jetzt schon viele wichtige Eigenschaften des Lichtes kennen gelernt, ein Thema habe ich bis jetzt jedoch ausgespart: Die Lichtgeschwindigkeit. Heute wissen wir, dass Licht eine Sekunde benötigt um eine Strecke von 300.000 km (genau: 299.729,5 km) zurückzulegen, oder anders ausgedrückt: Licht hat eine Geschwindigkeit von 300.000 km/s bzw. 1.080.000.000 km/h (das sind über eine Milliarde Kilometer in der Stunde!). Die Vorstellung, dass Licht eine Geschwindigkeit hat, erscheint uns heute selbstverständliche, war es zunächst aber keineswegs. Man ging erst davon aus, dass Licht überhaupt keine Zeit benötigt um von seinem Ausgangsort zu irgend einem anderen Ort zu kommen. Kaum wird es ausgesendet so ist es auch schon am Ziel angekommen ohne dafür Zeit zu benötigen – die Lichtgeschwindigkeit war so zusagen unendlich groß. Erst der dänische Astronom Olaf Rømer (1644-1710) änderte 1675 diese Vorstellung. Ihm fiel ein himmlisches Phänomen auf, welches er über eine nicht unendliche Lichtgeschwindigkeit erklären konnte. Mit Hilfe von Teleskopen war es ihm möglich zu beobachten, wie einer der Jupitermonde aus dem Schatten des Jupiters trat. Um so weiter die Erde von dem Jupiter entfernt war, um so länger dauerte es bis man ihn sehen konnte. Dies ließ sich damit erklären, dass das Licht des Jupitermondes schlicht und ergreifend länger zur Erde unterwegs war. Heute wissen wir, dass das Licht von der Sonne zur Erde etwa acht Minuten braucht, vom Mond zur Erde ca. eine Sekunde. Knipst ein mächtiger Gott das Licht der Sonne aus, so würde uns das auf der Erde erst acht Minuten später auffallen.
Schauen wir in den Himmel, so blicken wir immer in die Vergangenheit. Um so weiter eine Lichtquelle entfernt ist, um so weiter können wir in die Vergangenheit schauen. Ein Beispiel: Das Licht des Sterns Alpha Centauri benötigt, auf Grund der großen Distanz, vier Jahre bis es auf der Erde eintrifft. Wir sehen also den Stern, wie er vor vier Jahren ausgesehen hat - ist er in der Zwischenzeit vielleicht sogar schon explodiert? Um mit den unglaublich großen Entfernungen im Weltall umgehen zu können hat man neue Maßeinheiten eingeführt. So ist eine Lichtsekunde die Strecke, die das Licht in einer Sekunde zurücklegt (300.000 km). Ein Lichtjahr hingegen ist die Strecke, die Licht in einem Jahr durch das All reist (das sind 300.000 km x 60 Sekunden x 60 Minuten x 24 Stunden x 365 Tagen = 9.460.800.000.000 km, also fast 10 Billionen Kilometer!). Da das Licht von Alpha Centaurie ca. vier Jahre zu uns unterwegs ist bedeutet dies eine Entfernung von vier Lichtjahren, also knapp 40 Billionen Kilometern.

 
Wenn Flugzeuge vom Winde verweht werden...

Wie im vorangegangenen Kapitel bereits beschrieben dachte man noch am Ende des 19. Jahrhunderts, dass der Weltall von einer „Substanz“ mit dem Namen Äther gefüllt ist. Diese war u.a. nötig, um als Trägermedium für Lichtwellen zu dienen. Der Äther stehe still, während alle  Planeten durch diesen Äther wandern. Kann man diesen Äther nachweisen? Die beiden Physiker Albert Abraham Michelson(1852-1931) und Edward Williams Morley (1838-1923) hatten sich dazu Gedanken gemacht, die auf folgender Grundvorstellung fußten.
Man nehme ein Flugzeug und lasse es zunächst gegen den Wind fliegen, dann soll es wenden und mit dem Wind zurückfliegen. Die Zeit, welche das Flugzeug für Hin- und Rückflug benötigt hat hält man fest. Nun lässt man das Flugzeug die gleiche Entfernung senkrecht zur Windrichtung zurücklegen – bei gleichem Einsatz der Motoren. Auch hier wird die Zeit gestoppt. Wenn man nun die beiden gemessenen Zeiten vergleicht, so wird man feststellen, dass das Flugzeug, welches Senkrecht zur Windrichtung geflogen ist, für die gleiche Strecke weniger Zeit benötigt hat als das Flugzeug, welches mit Front- und Rückenwind geflogen ist.
Dieses Experiment übertrugen die beiden Wissenschaftler Michelson und Morley 1887 auf den Äther, der Ihnen als „Windquelle“ diente.


Das Interferometerexperiment nach Michelson und Morley

Wie schon erwähnt stellte man sich den Äther als ruhiges Irgendwas vor (man verzeihe mir diese Ausdruckweise), was selber keinerlei Bewegung vollzog. Nun ist aber bekannt, dass die Erde in Bewegung ist: sie umkreist innerhalb eines Jahres die Sonne und somit legt sie eine Strecke zurück. Nun stellen Sie sich vor, sie laufen an einem windigen Tag sportlich durch den Wald und halten an. Es ist klar, dass Sie den Wind auf ihrer Haut spüren. Nun stellen Sie sich die gleiche Situation an einem völlig windstillen Tag vor. Halten Sie an, so können Sie natürlich keinerlei Luft auf Ihrer Haut spüren, beginnen Sie jedoch wieder zu laufen, so verspüren Sie sehr wohl eine kühlende Wirkung auf Ihrer Haut. Es ist so, als ob es windig wäre, dabei bewegen Sie sich und nicht die Luft, das Ergebnis ist jedoch das gleiche.
Ähnlich dachte man beim Ätherwind: Der Äther an sich steht still, aber die Erde bewegt sich in ihm, so dass es in Bewegungsrichtung der Erde eine Art Wind geben müsste und quer zur Bewegungsrichtung natürlich kaum Wind zu verzeichnen sein dürfte.
Michelson und Morley nahmen jetzt jedoch keine Flugzeuge um diesen Wind nachzuweisen, sondern Licht. Wenn Licht in Bewegungsrichtung der Erde fliegt und dann zurück, dann wäre es so als würde ein Flugzeug mit Rückenwind und Frontwind fliegen. Ein zweites Lichtteilchen, welches Senkrecht zum ersten fliegt, bräuchte dem zufolge weniger Zeit, ähnlich wie bei demFlugzeug.
Die beiden Wissenschaftler machten nun folgendes Experiment: Sie nahmen ein Platte und installierten darauf ein Gerät, welches in der Lage war,einzelne Lichtteilchen (ja, sie haben schon richtig gelesen: es gibt nicht nur Lichtwellen, sondern auch Lichtteilchen, aber dazu später mehr) zu emittieren. Eines ließen sie mit dem Ätherwind fliegen und eines senkrecht dazu.Über Spiegel wurden die Lichtteilchen reflektiert, so dass sie die Strecke einmal hin und zurück flogen. Zum Schluss wurden beide in einen Detektor (Teleskop) geleitet. Was hoffte man in diesem Teleskopzu sehen? Wenn wirklich eines der beiden Lichtteilchen schneller gewesen wäre als das andere, so hätten beiden Teilchen auch leicht zeitversetzt an dem Teleskop ankommen müssen. Dies hätte aber auch bedeutet, dass Wellenberg und Wellental leicht versetzt angekommen wären und Sie wissen  ja bereits was das bedeutet: Wellenberge und Täler verstärken sich oder löschen sich aus. Man hätte also ein Hell-Dunkel-Muster angezeigt bekommen, ähnlich wie ich es im vorhergehenden Kapitel bereits erklärt habe. Doch es zeigte sich nicht! Man wiederholte den Versuchsaufbau sogar noch einmal auf einer Art Quecksilbersee um jegliche Außenbeeinflussung auszuschließen, aber das Experiment schlug abermals fehl. George Francis Fitzgerald (1851-1901) schlug daher vor, dass der Ätherwind schlicht und ergreifend so stark ist, dass er die Länge in Bewegungsrichtung des Windes zusammenstaucht. Dadurch müsste das Lichtteilchen eine geringere Strecke zurücklegen und wäre dadurch gleichzeitig mit dem anderen Lichtteilchen am Ziel. Später sollte ein niederländischer Physiker die hierzu passenden und nach ihm benannten Lorentz-Transformationen aufstellen, welche ich im nächsten Abschnitt genauer untersuchen möchte. Spätere Überlegungen des Physikers Albert Einstein ließen ihn jedoch zu der Schlussfolgerung kommen, dass der Äther als nicht Existent abgeschrieben werden muss. Prinzipiell sollte der Äther ein Medium sein, in welchem sich Licht ausbreiten konnte. Sie haben jedoch bereits erfahren, dass dieses Trägermedium nicht mehr benötigt wurde, als die Theorie der elektromagnetischenWelle aufgestellt worden war. Einen direkten Einfluss des Äthers auf Materie konnte nicht nachgewiesen werden (die Kontraktion der Länge war ja nicht direkt messbar, sondern nur eine mögliche Erklärung für die kürze Laufzeit des Lichts!), ebenso wenig ein Einfluss auf Lichtteilchen. Albert Einstein sagte daher, dass der Äther keinerlei Existenzberechtigung mehr habe. Für das Phänomen der gleichen Laufzeitder Lichtteilchen hatte er bereits eine andere Erklärung in der Schublade...     



Raum und Zeit sind nicht absolut – Die Lorentz-Transformationen

Es verwunderte sehr, dass Licht, egal wie es fliegt, immer gleiche Zeit benötigt. Der niederländische Physiker Hendrik Antoon Lorentz (1853-1928) und der schon erwähnte  George Francis Fitzgerald  kamen auf die Idee, dass sich die Strecke in Bewegungsrichtung verkürzt. So wäre zu erklären gewesen, warum die eigentlich langsameren Lichtteilchen, welche dem Ätherwind ausgesetzt waren genauso schnell sind, wie die schnelleren Teilchen senkrecht zum Ätherwind. Erstere hatten einfach eine kürzere Strecke zurückzulegen. Dies klingt nicht nur für unsere Ohren eigentümlich, sondern auch für die Ohren der damaligen Forscher. Aber es sollte die Grundlage für Einsteins Relativitätstheorie bilden. Lorentz ging noch viel weiter: Es erfolgt nicht nur eine Streckenverkürzung, sondern auch eine Verlangsamung der Zeit! Wenn Sie selber mal ausrechnen möchten, um wie viel langsamer Sie altern, wenn Sie über eine Straße fahren, dann können Sie folgende Formeln anwenden:

Es gilt immer:
v = Geschwindigkeit des Objektes in km/s (beispielsweise eines Autos)
c = Lichtgeschwindigkeit (= 300.000 km/s)

1. Streckenveränderung:
Wobei:
srelativ = Länge der Strecke, wenn das Objekt in Bewegung ist
s = Länge der Strecke, wenn das Objekt still steht


2. Zeitveränderung:
Wobei:
trelativ = Zeit, wenn das Objekt in Bewegung ist
t = Zeit, wenn das Objekt still steht


3. Masseveränderung:
Wobei:
mrelativ = Masse, wenn das Objekt in Bewegung ist
m = Masse, wenn das Objekt still steht

Die Masseveränderung gehört nicht direkt zu den Lorenztransformationen, sie passt jedoch gut in das Konzept. Es ist nämlich bei zunehmender Geschwindigkeit tatsächlich Massezunahme festzustellen.

Ein Beispiel soll die Anwendung der Formeln verdeutlichen: Sie fahren mit 100 km/h über die Bundesstraße. Dies entspricht einer Geschwindigkeit in Kilometern je Sekunde von:.
Während für einen Beobachter, welcher am Straßenrand steht 1 Stunde (=60 Minuten = 3600 Sekunden) vergeht, ist für Sie gerade mal eine Zeit von

vergangen. Die Zeit vergeht für Sie also um 0.0000000000146 Sekunden langsamer. Sie sehen: Ein Quell ewiger Jugend ist die Relativitätstheorie nicht gerade.
Eine weitere Tatsache resultiert aus den Lorentztransformationen: Das Verkürzen einer Strecke, das Langsamergehen der Zeit, die Zunahme der Masse, all dies gilt nur in Bewegungsrichtung des Objektes, soll heißen: Objekte, die sich rechts oder links von der bewegten Materie befinden sind von der Transformation nicht betroffen!

Aus diesen Erkenntnissen resultiert Einsteins Relativitätstheorie, welche im nächsten Kapitel genauer erläutert werden soll. Grundlage bildet auch hier die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit.
             
Applet zur Veranschaulichung der Längenveränderung bei hohen Geschwindigkeiten
 
 
Zusammenfassung

Lichtgeschwindigkeit ist nicht unendlich, jedoch sehr groß: ca. 300.000 km/s. Die Strecke, welche Licht in einem Jahr zurücklegt wird Lichtjahr genannt. Um den Äther nachzuweisen, führten Michelson und Morley das nach ihnen benannte Interferometerexperiment durch. Dies baut auf der Tatsache auf, dass Teilchen, welche mit Front- und Rückenwind zu kämpfen haben für die gleiche Strecke länger brauchen, als wenn sie nur mit Seitenwind zurechtkommen müssen. Als das erwartete Interferenzmuster nicht erschien, begannen Hendrik Antoon Lorentz und George Francis Fitzgerald darüber nachzudenken, ob die Strecke in Windrichtung nicht einfach verkürzt wird, so dass ein gleichzeitiges Eintreffen der Teilchen wieder zu erklären wäre. Das Ergebnis dieser Überlegungen waren die Lorentztransformationen.