Fragen Sie Ethan: Warum ist die Lichtgeschwindigkeit so hoch wie sie ist?

Unabhängig von Farbe, Wellenlänge oder Energie bleibt die Geschwindigkeit, mit der sich Licht im Vakuum bewegt, konstant. Es hängt nicht von Ort oder Richtung in Raum und Zeit ab.

Nichts im Universum kann sich schneller bewegen als Licht im Vakuum. 299 792 458 Meter pro Sekunde. Wenn es sich um ein massives Teilchen handelt, kann es sich dieser Geschwindigkeit nur nähern, sie aber nicht erreichen. Wenn es sich um ein masseloses Teilchen handelt, sollte es sich immer mit dieser Geschwindigkeit bewegen, wenn es im leeren Raum geschieht. Aber woher wissen wir das und warum? Diese Woche stellt uns unser Leser drei Fragen zur Lichtgeschwindigkeit:

Warum ist die Lichtgeschwindigkeit endlich? Warum ist sie so wie sie ist? Warum nicht schneller und langsamer?

Bis zum 19. Jahrhundert hatten wir nicht einmal eine Bestätigung dieser Daten.


Illustration des Lichts, das durch ein Prisma geht und sich in klare Farben teilt.

Wenn Licht durch Wasser, ein Prisma oder ein anderes Medium fällt, wird es in verschiedene Farben unterteilt. Die rote Farbe wird nicht in dem Winkel gebrochen, in dem sie blau ist, weshalb so etwas wie ein Regenbogen entsteht. Dies kann außerhalb des sichtbaren Spektrums beobachtet werden; Infrarot- und Ultraviolettlicht verhalten sich gleich. Dies wäre nur möglich, wenn die Lichtgeschwindigkeit im Medium für Licht unterschiedlicher Wellenlängen / Energien unterschiedlich ist. Aber in einem Vakuum außerhalb eines Mediums bewegt sich alles Licht mit der gleichen endlichen Geschwindigkeit.


Die Trennung von Licht in Farben erfolgt aufgrund unterschiedlicher Lichtgeschwindigkeiten, abhängig von der Wellenlänge, durch das Medium

Sie kamen erst Mitte des 19. Jahrhunderts auf diese Idee , als der Physiker James Clerk Maxwell zeigte, was Licht wirklich ist: eine elektromagnetische Welle. Maxwell brachte zunächst die unabhängigen Phänomene Elektrostatik (statische Ladungen), Elektrodynamik (bewegte Ladungen und Ströme), Magnetostatik (konstante Magnetfelder) und Magnetodynamik (induzierte Ströme und magnetische Wechselfelder) auf eine einzige einheitliche Plattform. Die Gleichungen, die es regeln - Maxwells Gleichungen - ermöglichen es uns, die Antwort auf eine scheinbar einfache Frage zu berechnen: Welche Arten von elektrischen und magnetischen Feldern können im leeren Raum außerhalb elektrischer oder magnetischer Quellen existieren? Ohne Ladungen und ohne Ströme könnte man entscheiden, dass keine - aber Maxwells Gleichungen beweisen überraschenderweise das Gegenteil.


Maxwell-Gleichungsplatte auf der Rückseite seines Denkmals

Nichts ist eine mögliche Lösung; aber auch eine andere Sache ist möglich - zueinander senkrechte elektrische und magnetische Felder, die in einer Phase schwingen. Sie haben bestimmte Amplituden. Ihre Energie wird durch die Frequenz der Feldschwingungen bestimmt. Sie bewegen sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit, die durch zwei Konstanten bestimmt wird: ε ₀ und μ ₀ . Diese Konstanten bestimmen die Größe der elektrischen und magnetischen Wechselwirkungen in unserem Universum. Die resultierende Gleichung beschreibt eine Welle. Und wie jede Welle hat sie eine Geschwindigkeit von 1 / √ε ₀ µ ₀ , die sich als gleich c, der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, herausstellt.


Zueinander senkrechte elektrische und magnetische Felder, die in einer Phase schwingen und sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, bestimmen die elektromagnetische Strahlung

Aus theoretischer Sicht ist Licht masselose elektromagnetische Strahlung. Nach den Gesetzen des Elektromagnetismus muss er sich mit einer Geschwindigkeit von 1 / √ ε ₀ µ ₀ bewegen, die gleich c ist - unabhängig von seinen anderen Eigenschaften (Energie, Impuls, Wellenlänge). ε ₀ kann gemessen werden, indem der Kondensator hergestellt und gemessen wird; µ _{0 wird} genau aus Ampere bestimmt, Einheiten des elektrischen Stroms, was uns c gibt. Dieselbe fundamentale Konstante, die erstmals 1865 von Maxwell abgeleitet wurde, ist seitdem an vielen anderen Orten aufgetreten:

• Dies ist die Geschwindigkeit aller masselosen Partikel oder Wellen, einschließlich der Gravitation.
• Dies ist eine grundlegende Konstante, die Ihre Bewegung im Raum mit Ihrer Bewegung in der Zeit in der Relativitätstheorie korreliert.
• Und dies ist eine grundlegende Konstante, die Energie mit der Ruhemasse verbindet, E = mc ²


Römers Beobachtungen lieferten uns die ersten Messungen der Lichtgeschwindigkeit, die unter Verwendung der Geometrie erhalten wurden, und die Messung der Zeit, die das Licht benötigt, um eine Strecke zurückzulegen, die dem Durchmesser der Erdumlaufbahn entspricht.

Die ersten Messungen dieser Größe wurden während astronomischer Beobachtungen durchgeführt. Wenn die Jupitermonde in die Sonnenfinsternisposition eintreten und aus dieser austreten, erscheinen sie je nach Lichtgeschwindigkeit in einer bestimmten Reihenfolge von der Erde aus sichtbar oder unsichtbar. Dies führte zur ersten quantitativen Messung von s im 17. Jahrhundert, die mit 2,2 × 10 ⁸ m / s bestimmt wurde. Die Abweichung des Sternenlichts - aufgrund der Bewegung des Sterns und der Erde, auf der das Teleskop montiert ist - kann auch numerisch geschätzt werden. 1729 zeigte diese Messmethode mit einen Wert, der sich von der modernen nur um 1,4% unterscheidet. In den 1970er Jahren wurden 299 792 458 m / s mit einem Fehler von nur 0,0000002% festgestellt, was größtenteils auf die Unfähigkeit zurückzuführen war, den Zähler oder die Sekunde genau zu bestimmen. Bis 1983 wurden der zweite und der Meter durch c und die universellen Eigenschaften der Atomstrahlung neu definiert. Jetzt beträgt die Lichtgeschwindigkeit genau 299 792 458 m / s.


Der atomare Übergang vom 6S-Orbital δf ₁ bestimmt den Meter, die Sekunde und die Lichtgeschwindigkeit

Warum ist die Lichtgeschwindigkeit nicht mehr und nicht weniger? Die Erklärung ist so einfach wie in Abb. Höheres Atom. Atomübergänge treten aufgrund der grundlegenden Quanteneigenschaften der Bausteine ​​der Natur so auf, wie sie auftreten. Wechselwirkungen des Atomkerns mit den elektrischen und magnetischen Feldern, die von Elektronen und anderen Teilen des Atoms erzeugt werden, führen dazu, dass unterschiedliche Energieniveaus extrem nahe beieinander liegen, sich aber immer noch geringfügig unterscheiden: Dies wird als Hyperfeinspaltung bezeichnet . Insbesondere emittiert die Übergangsfrequenz der Hyperfeinstruktur von Cäsium-133 Licht mit einer sehr spezifischen Frequenz. Die Zeit, die für 9.192.631.770 solcher Zyklen benötigt wird, ist Sekunde; Die Entfernung, die das Licht während dieser Zeit zurücklegt, beträgt 299 792 458 Meter. Die Geschwindigkeit, mit der sich dieses Licht ausbreitet, bestimmt s.


Ein lila Photon trägt eine Million Mal mehr Energie als gelb. Das Fermi-Weltraum-Gammateleskop zeigt keine Verzögerungen der Photonen, die durch den Gammastrahlenausbruch zu uns gekommen sind, was die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit für alle Energien bestätigt

Um diese Definition zu ändern, muss mit diesem atomaren Übergang oder mit dem von ihm kommenden Licht etwas geschehen, das sich grundlegend von seiner gegenwärtigen Natur unterscheidet. Dieses Beispiel gibt uns auch eine wertvolle Lektion: Wenn Atomphysik und Atomübergänge in der Vergangenheit oder über große Entfernungen unterschiedlich funktionierten, wäre dies ein Beweis für eine Änderung der Lichtgeschwindigkeit im Laufe der Zeit. Bisher legen alle unsere Messungen nur zusätzliche Einschränkungen für die Konstanz der Lichtgeschwindigkeit fest, und diese Einschränkungen sind sehr streng: Die Änderung überschreitet 7% des aktuellen Werts in den letzten 13,7 Milliarden Jahren nicht. Wenn für einige dieser Metriken die Lichtgeschwindigkeit nicht konstant wäre oder wenn sie für verschiedene Lichtarten unterschiedlich wäre, würde dies zur größten wissenschaftlichen Revolution seit Einstein führen. Stattdessen sprechen alle Beweise für das Universum, in dem alle Gesetze der Physik immer, überall, in alle Richtungen und zu jeder Zeit gleich bleiben, einschließlich der Physik des Lichts selbst. In gewissem Sinne ist dies auch eine ziemlich revolutionäre Information.

Ethan Siegel - Astrophysiker, Wissenschafts-Popularisierer, Autor von Starts With A Bang! Er schrieb die Bücher „Beyond the Galaxy“ ( Jenseits der Galaxie ) und „Tracknology: the science of Star Trek“ ( Treknology ).