Fragen Sie Ethan: Bewegt sich das Licht immer mit der gleichen Geschwindigkeit?

Das Bild des Zentrums der Galaxie in mehreren Wellenlängenbereichen zeigt Strahlungsquellen wie Sterne, Gas, Schwarze Löcher usw. Aber das Licht, das von all diesen Quellen ausgeht, von Gammastrahlung bis zu sichtbaren und Funkbereichen, bewegt sich immer mit der gleichen Geschwindigkeit durch den leeren Raum: der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum

Egal wie schnell Sie sich bewegen, eines können Sie nie fangen: Licht. Die Lichtgeschwindigkeit ist nicht nur die maximale Geschwindigkeit, mit der sich etwas im Universum bewegen kann, sondern wird auch als universelle Konstante betrachtet. Ob wir die Taschenlampe einschalten, den Mond oder die Sonne betrachten oder die Parameter einer Galaxie messen, die Milliarden von Lichtjahren von uns entfernt ist, die Lichtgeschwindigkeit ist das einzige, was unverändert bleibt. Aber ist das immer so? Genau das möchte unser Leser wissen:

Bewegt sich das Licht die ganze Zeit mit der gleichen Geschwindigkeit? Wenn ihn etwas verlangsamt, bleibt er dann verlangsamt, nachdem dieser Einfluss verschwunden ist? Wird es wieder auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigen?

Beginnen wir mit dem, was Licht auf einer fundamentalen Ebene ausmacht: Quanten.


In einer Phase oszillierend bestimmen elektrische und magnetische Felder, die sich mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten, die elektromagnetische Strahlung. Die kleinste Einheit elektromagnetischer Strahlung, ein Quanten, ist als Photon bekannt.

Licht kann anders sein als Partikel, wenn Sie eine Lichtquelle wie eine Glühbirne, eine Taschenlampe, einen Laserpointer oder die Sonne beobachten - aber das alles, weil wir die einzelnen Partikel nicht sehen können. Wenn wir anstelle unserer Augen elektronische Fotodetektoren verwenden, werden wir feststellen, dass das gesamte Licht des Universums aus denselben Teilchen oder Quantenphotonen besteht. Es hat mehrere Eigenschaften, die für alle Photonen gleich sind:

• Masse gleich 0;
• Geschwindigkeit immer gleich s, Lichtgeschwindigkeit;
• Spin, ein Maß für den inneren Drehimpuls, immer gleich 1;

und eine sehr wichtige Eigenschaft, die für verschiedene Photonen unterschiedlich ist: Energie. Von allen für das menschliche Auge sichtbaren Photonen hat violettes Licht die meiste Energie, während Rot die geringste hat. Die Photonen aus den Bereichen Infrarot, Mikrowelle und Radio haben noch weniger Energie und mehr - aus Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlung.


Größen-, Wellenlängen- und Temperatur- / Energieskalen, die verschiedenen Teilen des elektromagnetischen Spektrums entsprechen

Durch das Vakuum des Weltraums bewegen sie sich unabhängig von der Energie immer mit Lichtgeschwindigkeit. Und egal wie schnell Sie versuchen, sich nach dem Licht oder darauf zu bewegen: Die Geschwindigkeit der beobachteten Photonen ist immer gleich. Anstelle von Geschwindigkeit wird sich ihre Energie ändern. Bewegen Sie sich in Richtung des Lichts, und es wird blauer erscheinen und seine Energie wird mehr sein. Bewegen Sie sich von ihm weg, und er wird rot erscheinen, und seine Energie wird geringer sein. Aber egal wie Sie sich bewegen, wie sich Licht bewegt, wie Sie Energie ändern, die Lichtgeschwindigkeit wird sich nicht ändern. Das Photon der höchsten oder niedrigsten aller beobachteten Energien bewegt sich immer mit der gleichen Geschwindigkeit.


Alle masselosen Teilchen bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, einschließlich Photonen, Gluonen und Gravitationswellen, die elektromagnetische, starke Kern- bzw. Gravitationswechselwirkungen übertragen.

Wenn Sie jedoch von einem Vakuum zu einem bestimmten Material wechseln möchten, kann das Licht verlangsamt werden. Jedes Material, das für Licht transparent ist, ermöglicht es den Photonen, sich darin zu bewegen - sei es Wasser, Acrylharz, Kristalle, Glas und sogar Luft. Da diese Materialien jedoch geladene Teilchen enthalten - Elektronen -, interagieren sie mit Photonen und verlangsamen sie so. Obwohl Licht keine Ladung hat, verhält es sich wie eine Welle. Ein sich im Raum bewegendes Photon verursacht Schwingungen des elektrischen und magnetischen Feldes, wodurch es mit geladenen Teilchen interagieren kann. Diese Wechselwirkungen verlangsamen es und zwingen es, sich mit einer Geschwindigkeit zu bewegen, die unter der Lichtgeschwindigkeit liegt, während es sich im Medium bewegt.


Das Verhalten von weißem Licht, das durch ein Prisma fällt, zeigt, wie sich Licht unterschiedlicher Energien in einem Medium mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt - jedoch nicht im Vakuum

Unterschiedliche Photonen haben unterschiedliche Energien, was bedeutet, dass ihre elektrischen und magnetischen Felder bei unterschiedlichen Frequenzen schwingen. Im Vakuum ist die Geschwindigkeit verschiedener Lichtarten gleich, im Medium kann sie jedoch unterschiedlich sein. Erleuchten Sie mit einem weißen Licht, das aus allen Farben, einem Wassertropfen oder einem Prisma besteht, und hochenergetische Photonen verlangsamen sich stärker als niederenergetische Photonen, wodurch sich das Licht in Farben aufspaltet.


Der primäre (helle) und der sekundäre (dunkle) Regenbogen erscheinen aufgrund der Wechselwirkung von Sonnenlicht und Wassertropfen und zusätzliche aufgrund von Reflexionen im Wasser. Farben werden aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeit von Photonen unterschiedlicher Energie, die sich im Medium bewegen - in diesem Fall in Wasser - getrennt

Auf diese Weise erzeugt Licht, das durch Wassertropfen fällt, einen Regenbogen - Photonen unterschiedlicher Energien interagieren mit geladenen Teilchen des Mediums und verlangsamen sich auf unterschiedliche Weise.


Mehrfache Lichtreflexionen in einem Wassertropfen führen zu einer Lichttrennung in verschiedenen Winkeln, wenn sich rotes Licht in Gewässern schneller und violetter bewegt - langsamer.

Es ist wichtig zu beachten, dass sich in diesem Fall keine Eigenschaften des Lichts ändern. Er verliert keine Energie, verändert seine inneren Eigenschaften nicht, verwandelt sich in nichts. Nur der Raum um ihn herum ändert sich. Wenn dieses Licht das Medium verlässt und zum Vakuum zurückkehrt, bewegt es sich wieder mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum: 299 792 458 Meter pro Sekunde. Tatsächlich werden die Definitionen von Entfernungen und Zeit - Meter und Sekunden - durch die Lichtgeschwindigkeit berechnet. Atome können abhängig von den Übergängen der Elektronen in den Atomen Licht absorbieren oder emittieren.


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

Cäsium, das 55. Element des Periodensystems, hat 55 Elektronen in einem einzigen stabilen neutralen Atom. Die ersten 54 Elektronen existieren normalerweise in dem Zustand mit der niedrigsten Energie, aber das 55. hat zwei mögliche Energieniveaus, die es einnehmen kann und die extrem nahe beieinander liegen. Wenn er von einem etwas höheren zu einem etwas niedrigeren übergeht, geht die Übergangsenergie mit einer vollständig definierten Energie auf das Photon über. Wenn Sie 9 192 631 770 Zyklen dieses Photons nehmen, erhalten Sie 1 Sekunde. Wenn wir die Strecke nehmen, die es in 30,663319 Zyklen zurücklegen wird (9 192 631 770/299 792 458), erhalten wir 1 Meter.

Daraus folgt eine überraschend tiefe Sache: Bis die Atome im gesamten Universum genau gleich sind, wird sich unsere Definition von Zeit, Entfernung und Lichtgeschwindigkeit nicht ändern, unabhängig davon, wo im Universum wir sie verwenden.


Egal wie weit wir in das Universum schauen, die Physik, die die Atome steuert und die Länge, Zeit und Geschwindigkeit des Lichts bestimmt, bleibt unverändert.

Was haben wir als Ergebnis gelernt?

1. Licht, unabhängig davon, ob seine Energie hoch oder niedrig ist, bewegt sich immer mit Lichtgeschwindigkeit, während es sich in einem Vakuum des leeren Raums bewegt.
2. Keine Änderung Ihrer Bewegung oder der Bewegung des Lichts ändert diese Geschwindigkeit.
3. Indem Sie Licht an ein anderes Medium als Vakuum senden, können Sie dessen Geschwindigkeit ändern, während es sich in diesem Medium bewegt.
4. Licht mit unterschiedlichen Energien ändert die Geschwindigkeit je nach den Eigenschaften des Mediums unterschiedlich.
5. Wenn Sie das Medium verlassen und zum Vakuum zurückkehren, beginnt sich das Licht mit Lichtgeschwindigkeit wieder zu bewegen.
6. Nach unserem Wissen und den besten Messungen bleibt die Lichtgeschwindigkeit an allen Orten und zu allen Zeiten des Universums bei etwa 299 792 458 m / s.

Licht ist in vielerlei Hinsicht das einfachste Teilchen im Universum. Und obwohl es sich immer mit Lichtgeschwindigkeit bewegt, bewegt es sich nicht immer in einem absolut leeren Raum. Solange das transparente Material im Universum erhalten bleibt, können Sie die Mäßigung des Lichts darin nicht vermeiden. Sobald das Licht jedoch in den leeren Raum zurückkehrt, bewegt es sich wieder mit Lichtgeschwindigkeit, und jedes Photon bewegt sich so, als hätte es sich nie mit einer anderen Geschwindigkeit bewegt!

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 ).

FAQ: Wenn sich das Universum ausdehnt, warum erweitern wir uns dann nicht? warum das Alter des Universums nicht mit dem Radius seines beobachteten Teils übereinstimmt .