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- Lichtgeschwindigkeit
Lichtgeschwindigkeit
Die Lichtgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Licht in einem Medium ausbreitet. Sie ist die größte mögliche Geschwindigkeit und nichts kann schneller als Licht sein. Die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist fast genauso groß wie im Vakuum. Andere Medien wie Wasser oder Glas verlangsamen das Licht. Wusstest du, dass die Kommunikation im Weltraum aufgrund der Lichtgeschwindigkeit verzögert ist? Lerne mehr!
- Lichtgeschwindigkeit – einfach erklärt
- Wie schnell ist die Lichtgeschwindigkeit?
- Lichtgeschwindigkeit $c$ im Vakuum
- Lichtgeschwindigkeit in Wasser
- Lichtgeschwindigkeit in Luft
- Lichtgeschwindigkeit in Glas
- Kommunikation im Weltraum
- Lichtgeschwindigkeit messen
- Lichtgeschwindigkeit – Formel
- Lichtgeschwindigkeit berechnen
- Aufgaben zur Lichtgeschwindigkeit
- Ausblick – das lernst du nach Lichtgeschwindigkeit
- Zusammenfassung der Lichtgeschwindikeit
- Häufig gestellte Fragen zum Thema Lichtgeschwindigkeit
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Grundlagen zum Thema Lichtgeschwindigkeit
Lichtgeschwindigkeit – einfach erklärt
Der Blick in den Sternenhimmel ist immer ein Blick in die Vergangenheit. Dass das so ist, hat mit der Lichtgeschwindigkeit zu tun.
Die Lichtgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Licht in einem Medium ausbreitet. Ihr Formelzeichen ist $c$. Sie hat ihren größtmöglichen Wert im Vakuum und beträgt $c=299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.
Bei einem Gewitter sieht man zuerst den Blitz und hört dann den Donner. Blitz und Donner entstehen gleichzeitig, denn der Donner ist das Geräusch des Blitzes. Dass man den Donner später hört, als man den Blitz sieht, liegt daran, dass sich der Schall des Donners viel langsamer ausbreitet als das Licht des Blitzes. Denn die Schallgeschwindigkeit ist viel kleiner als die Lichtgeschwindigkeit. Die Lichtgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Licht in der Luft oder im Vakuum ausbreitet.
Wusstest du schon?
Licht von der Sonne braucht ungefähr $8$ Minuten und $20$ Sekunden, um die Erde zu erreichen. Das bedeutet, dass du, wenn du jetzt zur Sonne blickst (bitte nicht direkt!), eigentlich in die Vergangenheit schaust und sie so siehst, wie sie vor über $8$ Minuten war. Faszinierend, oder?
Wie schnell ist die Lichtgeschwindigkeit?
Mit modernen Methoden kann man die Lichtgeschwindigkeit sehr genau messen. Die Lichtgeschwindigkeit ist abhängig von dem Medium, in dem sich das Licht bewegt. Die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist ungefähr das Gleiche wie im Vakuum. Sie beträgt
Die Lichtgeschwindigkeit in Wasser ist kleiner als im Vakuum, sie beträgt nur
In der folgenden Tabelle siehst du, wie viel schneller das Licht ist als viele andere Dinge, die du kennst.
Objekt | Geschwindigkeit in $\frac{\text{m}}{\text{s}}$ (gerundet) |
---|---|
Mensch im Vollsprint | $10$ |
Fußball (Rekord) | $58$ |
Formel-1-Wagen (Rekord) | $103$ |
Schall (in Luft) | $340$ |
Flugzeug (Weltrekord Kurzstrecke) | $980$ |
Licht (im Vakuum) | $300\,000\,000$ |
Lichtgeschwindigkeit $c$ im Vakuum
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine Naturkonstante. Sie ist die größtmögliche Geschwindigkeit. In der Physik gilt: Nichts ist schneller als Licht. Es gibt keine andere physikalische Antwort auf die Frage Was ist schneller als Licht?
Eine Überlichtgeschwindigkeit gibt es in der Physik nicht, sondern nur in der Science-Fiction.
Von einem weit entfernten Stern kann das Licht bis zur Erde Tausende oder sogar Millionen von Jahren unterwegs sein. Was wir am Nachthimmel sehen, ist also das Licht, das in der Vergangenheit von den Sternen ausging. Manche Sterne sind so weit von der Erde entfernt, dass das Licht mehrere Millionen Jahre von dem Stern bis zur Erde braucht. Wenn das Licht dieser Sterne auf der Erde ankommt, sind diese Sterne selbst wahrscheinlich bereits erloschen. Wir sehen also nur, wie sie in der Vergangenheit vor Tausenden oder Millionen Jahren weit entfernt geleuchtet haben. Solche Sterne kann man aber nur mit starken Teleskopen erkennen.
Kontrovers diskutiert:
Expertinnen und Experten streiten darüber, ob die Lichtgeschwindigkeit wirklich die absolute Grenze im Universum darstellt. Manche Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler meinen, dass es Phänomene wie Wurmlöcher oder spezielle Partikel gibt, die schneller als Licht reisen könnten. Andere argumentieren, dass die Relativitätstheorie derartige Möglichkeiten ausschließt. Was denkst du?
Wenn das Licht nun aber nicht durchs Vakuum des Weltalls reist, sondern durch ein anderes durchsichtiges Medium wie Luft, Glas, Wasser oder Ähnliches, bewegt es sich, wie alle elektromagnetischen Wellen, langsamer als mit Vakuumlichtgeschwindigkeit.
Der Brechungsindex $n$ ist das Verhältnis aus der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum $c_\text{Vakuum}$ und der Lichtgeschwindigkeit im Medium $c_\text{Medium}$.
$n_\text{Medium}=\dfrac{c_\text{Vakuum}}{c_\text{Medium}}$
Lichtgeschwindigkeit in Wasser
Der Brechungsindex von Wasser ist etwa $n_\text{Wasser}=1{,}333$.
Damit können wir die Lichtgeschwindigkeit in Wasser ausrechnen.
$n_\text{Medium}=\dfrac{c_\text{Vakuum}}{c_\text{Medium}}~~\big\vert \cdot \dfrac{c_\text{Medium}}{n_\text{Medium}}$
$c_\text{Medium}=\dfrac{c_\text{Vakuum}}{n_\text{Medium}}$
$c_\text{Wasser}=\dfrac{299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}{1{,}333}$
$c_\text{Wasser}=224\,900\,569\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$
Lichtgeschwindigkeit in Luft
Der Brechungsindex für Luft ist bei sichtbarem Licht unter Normalbedingungen $n_\text{Luft}=1{,}0003.$
Wie oben können wir also die Lichtgeschwindigkeit ausrechnen:
$c_\text{Luft}=\dfrac{299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}{1{,}0003}$
$c_\text{Luft}=299\,702\,547\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$
Lichtgeschwindigkeit in Glas
Der Brechungsindex variiert für verschiedene Sorten Glas. Ein guter Mittelwert ist $n_\text{Glas}=1{,}5$.
Dann gilt also:
$c_\text{Glas}=\dfrac{299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}{1{,}5}$
$c_\text{Glas}=199\,861\,639\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$
Du siehst also, der Betrag der Lichtgeschwindigkeit ist in einem Medium stets geringer als im Vakuum. Die Lichtgeschwindigkeit in Luft ist dabei beinahe genauso groß wie im Vakuum.
Kommunikation im Weltraum
Kein Signal bewegt sich schneller als Licht. Daher kann man im Weltraum nicht gut zwischen entfernten Planeten telefonieren. Ein Signal braucht vom Mars zur Erde und zurück mindestens
Wann erreicht ein Lichtsignal von der Erde die folgenden Himmelskörper (und umgekehrt)? Der folgende tabellarische Steckbrief zeigt eine Übersicht dieser Lichtlaufzeiten
Himmelskörper | Lichtlaufzeit |
---|---|
Mond | etwas mehr als eine Sekunde |
Sonne | etwa $8$ Minuten |
Mars | zwischen $3$ und $22$ Minuten |
nächster Stern Proxima Centauri | etwa $4{,}24$ Jahre |
Zentrum der Milchstraße | etwa $26\,000$ Jahre |
Galaxie M81 | etwa $12$ Millionen Jahre |
Kennst du das?
Hast du auch schonmal einen Film online gestreamt oder einen Videoanruf geführt? Diese Technologien sind nur möglich, weil Lichtsignale durch Glasfaserkabel gesendet werden, um Daten blitzschnell zu übertragen. In den Glasfasern wird die Lichtgeschwindigkeit genutzt, um Informationen nahezu sofort von einem Punkt zum anderen zu bringen, auch wenn sie über Kontinente hinweg gesendet werden. So kannst du mit Menschen weltweit praktisch in Echtzeit kommunizieren!
Lichtgeschwindigkeit messen
Um die Lichtgeschwindigkeit in Kilometer pro Sekunde zu messen, erfand Hippolyte Fizeau im Jahr 1848 ein Experiment bestehend aus einer Lichtquelle, einem halb durchlässigen Spiegel, einem rotierenden Zahnrad und einem entfernten Spiegel. Trifft ein Lichtstrahl beim Rückweg von dem entfernten Spiegel nicht auf eine Lücke im Zahnrad, sondern auf einen Zahn, ist der reflektierte Lichtstrahl nicht zu sehen. Indem er die Rotationsgeschwindigkeit des Zahnrads auf genau diese Bedingung einstellte, gelang es Fizeau, die Lichtgeschwindigkeit zu messen bzw. mithilfe der Geschwindigkeit des Zahnrads zu berechnen. Der Aufbau des Experiments ist in der folgenden Abbildung vereinfacht dargestellt.
Lichtgeschwindigkeit – Formel
Die Lichtgeschwindigkeit in Fizeaus Messung ergibt sich aus dem Verhältnis der Weglänge zur Laufzeit des Lichtstrahls:
$\text{Lichtgeschwindigkeit} = \dfrac{\text{Weglänge}}{\text{Laufzeit}}$
Der gemessene Wert für die Lichtgeschwindigkeit $c$ ist:
$c \approx 300\,000\,\frac{\text{km}}{\text{s}}$
In einer Sekunde könnte das Licht demzufolge mehr als siebenmal um die Erde kreisen. Die Lichtgeschwindigkeit kann man auch mit einem Spiegel auf dem Mond messen. Das Licht braucht von der Erde bis zum Mond und zurück fast drei Sekunden. Bei der Apollo-11-Mission wurde ein Spiegel auf dem Mond platziert, um Fizeaus Experiment zu wiederholen. Das Ziel war hierbei aber nicht die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit, sondern gemessen hat man mit diesem Experiment den Abstand von Erde und Mond.
Lichtgeschwindigkeit berechnen
Die Lichtgeschwindigkeit lässt sich, neben der rechnerischen Auswertung von Laufzeitexperimenten wie dem Experiment von Herrn Fizeau, auch noch auf andere Weise berechnen.
Denn für die Vakuumlichtgeschwindigkeit gilt die grundlegende Aussage aus der Theorie der elektromagnetischen Wellen über den Zusammenhang zwischen
$c=\dfrac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \cdot \mu_0}}$
Innerhalb eines Mediums müssen zudem die relative
$c=\dfrac{1}{\sqrt{\varepsilon_0 \cdot \varepsilon_\text{r} \cdot \mu_0 \cdot \mu_\text{r}}}$
Da Licht eine elektromagnetische Welle ist, gilt außerdem der Zusammenhang zwischen Ausbreitungsgeschwindigkeit, d. h. der Lichtgeschwindigkeit $c$, Frequenz $f$ und Wellenlänge $\lambda$ des Lichts:
$c=\lambda \cdot f$
Die Lichtgeschwindigkeit hängt also einerseits direkt mit zwei anderen Naturkonstanten zusammen
Aufgaben zur Lichtgeschwindigkeit
Wir verwenden den gerundeten Wert der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum von $c=300\,000\,\frac{\text{km}}{\text{s}}$.
Dies entspricht $300\,000\,000\,\frac{\text{m}}{\text{s}}=3 \cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.
Da das Licht eine konstante Geschwindigkeit hat, können wir die Formel $v=\frac{s}{t}$ verwenden, diese nach $s$ umstellen und für $v$ die Lichtgeschwindigkeit $c$ in die Formel einsetzen.
$s=v \cdot t = c \cdot t$
Nun rechnen wir noch die gegebene Zeit in Minuten um und setzen ein. $t=43{,}3~\text{min}=43{,}3 \cdot 60~\text{s}=2\,598~\text{s}$
Die gesuchte Strecke ist damit:
$s=3 \cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}} \cdot 2\,598~\text{s} \approx 780\,\text{Millionen~km}$
Wir verwenden einen möglichst genauen Wert für $c$, nämlich $c=299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.
Ein Jahr sind genau $365{,}25~\text{Tage}$.
Die gegebene Zeit ist also $t=1~\text{a}=365{,}25~\text{d}=365{,}25 \cdot 86\,400~\text{s}=31\,557\,600~\text{s}$.
Dann ist die in dieser Zeit zurückgelegte Strecke:
$s=c \cdot t= 299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}} \cdot 31\,557\,600~\text{s} \approx 9{,}46 \cdot 10^{15}~\text{m}$
Es dürfte genügen, hier den gerundeten Wert für die Lichtgeschwindigkeit zu verwenden, also $c=3\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.
Wir sollten aber noch die Entfernung zum Mond in Meter umrechnen:
$s=384\,400~\text{km}=3{,}84\cdot10^{8}~\text{m}$
Dann gilt: $t=\dfrac{s}{c}=\dfrac{3{,}84\cdot10^{8}~\text{m}}{3\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}=1{,}28~\text{s}$
Für die Wellenlänge $\lambda$ gilt: $\lambda=\dfrac{c}{f}$
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum beträgt etwa $c=3\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$,
in Wasser gilt etwa $c=2{,}25\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.
Also ist die Wellenlänge im Vakuum:
$\lambda=\dfrac{c}{f}=\dfrac{3\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}{5\cdot10^{14}~\text{Hz}}=6\cdot10^{-7}~\text{m}=600~\text{nm}$
In Wasser gilt dann:
$\lambda=\dfrac{c}{f}=\dfrac{2{,}25\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}}{5\cdot10^{14}~\text{Hz}}=4{,}5\cdot10^{-7}~\text{m}=450~\text{nm}$
Ausblick – das lernst du nach Lichtgeschwindigkeit
Tauche tiefer ein in das Universum und seine Geheimnisse! Das Wissen über die Grundprinzipien der Speziellen Relativitätstheorie und der Allgemeinen Relativitätstheorie leiten die nächste Stufe deiner Entdeckungsreise ein. Sei bereit, die Welt des Unvorstellbaren zu erforschen!
Zusammenfassung der Lichtgeschwindikeit
- Die Lichtgeschwindigkeit ist die Geschwindigkeit, mit der sich Licht im Raum ausbreitet. Licht ist eine elektromagnetische Welle.
- Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine Naturkonstante. Sie hat stets den gleichen Wert $c=299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$.
- Tritt Licht durch ein Medium hindurch, verringert sich seine Ausbreitungsgeschwindigkeit. Demnach unterscheidet man verschiedene Lichtgeschwindigkeiten in unterschiedlichen Medien.
- Ein Lichtjahr bezeichnet die Entfernung, die Licht im Vakuum in der Zeitspanne eines Jahrs zurücklegen kann.
Häufig gestellte Fragen zum Thema Lichtgeschwindigkeit
Im Vakuum beträgt die Lichtgeschwindigkeit $c=299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$. In anderen Medien ist sie geringer.
So gut wie alle Methoden, die Lichtgeschwindigkeit zu messen, funktionieren mithilfe einer Laufzeitmessung, d. h., für eine festgelegte Strecke wird bestimmt, welche Zeit das Licht benötigt, um diese Strecke zurückzulegen.
Es ist richtig, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum konstant ist. Sie lässt sich aus zwei Naturkonstanten bestimmen und ist auch selbst eine Naturkonstante. In anderen Medien ist die Aussage gar nicht ohne Weiteres richtig. Zum einen ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts in verschiedenen Medien unterschiedlich groß, zum anderen ist die Lichtgeschwindigkeit von der Frequenz des Lichts bzw. der elektromagnetischen Welle abhängig.
Um den Äquator herum bräuchte man mit Lichtgeschwindigkeit ca. $134~\text{ms}$, also etwas mehr als eine Zehntelsekunde. Das ergibt sich aus dem Betrag der Lichtgeschwindigkeit und dem Umfang der Erde.
Nach der speziellen Relativitätstheorie von Albert Einstein nimmt die Masse eines Teilchens (mit Ruhemasse ungleich null) abhängig von der Geschwindigkeit zu.
Es gilt dabei für die bewegte Masse $m$:
$m=\dfrac{m_{0}}{\sqrt{1-\frac{v^{2}}{c^{2}}}}$
Dabei ist $m_0$ die Ruhemasse des Teilchens und $v$ seine Geschwindigkeit.
Die bewegte Masse würde demnach unendlich groß werden, wenn das Teilchen Lichtgeschwindigkeit erreichen würde. Daher ist es für Teilchen, die eine Ruhemasse ungleich null haben, unmöglich, sich mit Lichtgeschwindigkeit zu bewegen.
Die Schallgeschwindigkeit beträgt bei Raumtemperatur ca. $343\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$, die Lichtgeschwindigkeit in Luft ca. $3\cdot 10^{8}\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$. Die Lichtgeschwindigkeit ist also etwa $875\,000$-mal größer als die Schallgeschwindigkeit.
Das Licht benötigt im Vakuum etwa $3{,}33~\text{ns}=3{,}33 \cdot 10^{-9}~\text{s}$, um eine Strecke der Länge $1~\text{m}$ zurückzulegen.
Die vermutlich korrekte Antwort darauf ist: nichts. Auch wenn es Theorien über Teilchen gibt, die sich mit Überlichtgeschwindigkeit bewegen, gibt es keine experimentellen Hinweise darauf, dass diese sogenannten Tachyonen tatsächlich existieren.
Wäre die Lichtgeschwindigkeit unendlich, hätte das ernsthafte und verwirrende Konsequenzen für unsere Wirklichkeit. Konzepte wie Gleichzeitigkeit oder vorher/nachher müssten vollkommen überdacht werden.
Das Licht benötigt im Mittel etwa $8{,}3$ Minuten von der Sonne zur Erde. Das ergibt sich aus dem Betrag der Lichtgeschwindigkeit und dem mittleren Abstand zwischen Erde und Sonne.
Aufgrund wesentlich genauerer Messmöglichkeiten muss heute nicht mehr die Laufzeit des Lichts auf einer möglichst langen Strecke gemessen werden. In modernen Anordnungen verwendet man stattdessen Messungen der Frequenz $f$ und der Wellenlänge $\lambda$ des Lichts zu Berechnung der Lichtgeschwindigkeit.
Es gilt: $c=\lambda \cdot f$
Der dänische Astronom Ole Roemer konnte 1676 als erster Wissenschaftler experimentell bestätigen, dass die Lichtgeschwindigkeit einen endlichen Wert hat. Später konnte sein Ergebnis mit genaueren Messungen, u. a. von Hippolyte Fizeau, korrigiert werden.
Der Buchstabe $c$ wurde als Abkürzung für das lateinische Wort celeritas gewählt, das übersetzt Schnelligkeit heißt. Sicher kennst du das übliche Formelzeichen für Geschwindigkeit, den Buchstaben $v$. Dieser kommt von einem anderen Wort aus dem Lateinischen für Schnelligkeit (oder Geschwindigkeit): velocitas.
Obwohl aufgrund der ungeheuer schnellen Ausbreitung des Lichts Menschen lange glaubten, Licht breite sich ohne Zeitverzögerung aus, konnte schließlich doch nachgewiesen werden, dass Licht eine endliche Geschwindigkeit hat: die Lichtgeschwindigkeit.
Wenn sich ein Körper (mit einer von null verschiedenen Ruhemasse) mit Lichtgeschwindigkeit bewegen würde, würde seine Masse unendlich groß werden und es wäre eine unendliche Energie nötig, um ihn auf diese Geschwindigkeit zu beschleunigen. Nur Lichtteilchen, sogenannte Photonen, können sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, weil sie keine Ruhemasse haben.
Ja, die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum hat immer den gleichen Wert: $c=299\,792\,458\,\frac{\text{m}}{\text{s}}$. Allerdings tritt Licht mit geringeren Geschwindigkeiten durch verschiedene Medien hindurch. Demnach werden für verschiedene Medien unterschiedlich große Lichtgeschwindigkeiten, genauer gesagt Ausbreitungsgeschwindigkeiten, angegeben.
Nur für Licht. Für jeden anderen Körper ist es unmöglich, mit Lichtgeschwindigkeit zu reisen. Man hätte auch nicht so wahnsinnig viel davon, da für einen keine Zeit vergehen würde – was ja doch irgendwie zum Reisen dazugehört.
Sämtliche Experimente bestätigen stets den gleichen Wert für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
Mit genügend hoher Energie können wir theoretisch einen nahezu beliebigen Prozentsatz der Lichtgeschwindigkeit erreichen (allerdings niemals $100\,\%$). In der Realität betrug die größte bisher erreichte Geschwindigkeit eines Flugkörpers, nämlich die der Sonde Parker Solar Probe, ca. $0{,}7\,\%$ der Lichtgeschwindigkeit.
Man kann Licht nicht abbremsen. Licht wird zwar beim Übergang vom Vakuum in ein anderes Medium langsamer, aber das liegt daran, dass das Licht zwischen den Teilchen des Mediums gestreut wird und sich dadurch die Länge des zurückgelegten Wegs vergrößert.
Licht ist eine elektromagnetische Welle und benötigt, anders zum Beispiel als Schall, kein Medium, um sich auszubreiten. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lichtwelle entspricht der Lichtgeschwindigkeit. Dabei stehen elektrische Feldstärke und magnetische Flussdichte senkrecht zueinander.
Aufgrund der Definition des Lichtjahrs benötigt das Licht genau ein Jahr, um die Strecke ein Lichtjahr zurückzulegen. Natürlich ist damit ein Erdjahr gemeint, also rund $31\,536\,000$ Sekunden.
Licht kann, anders als geladene Teilchen, nicht durch elektrische Felder beschleunigt werden. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist unveränderlich. Dennoch ändert das Licht beim Übergang von einem Medium zu einem anderen Medium seine Geschwindigkeit. Die gemessene Geschwindigkeit des Lichts würde sich also beispielsweise beim Übergang von Wasser zu Luft erhöhen. Dies stellt allerdings keine Beschleunigung dar, sondern eine Verkürzung des Wegs, denn in Wasser muss das Licht aufgrund von Lichtstreuung einen längeren Weg zurücklegen als in Luft.
Zunächst muss festgestellt werden, dass kein Körper mit einer von null verschiedenen Ruhemasse Lichtgeschwindigkeit erreichen kann. Nur Licht kann dies. Für die Energieportionen, aus denen Licht im Teilchenmodell besteht, die sogenannten Photonen, vergeht gar keine Zeit. Sie sind sozusagen zeitlos. Dass sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, ist nur möglich, weil sie keine Ruhemasse haben. In dieser Vorstellung würde für einen bewegten Körper, der sich der Lichtgeschwindigkeit immer weiter annähert, die Zeit relativ zu einem äußeren Beobachter immer langsamer vergehen.
Dies ist eine Folge der speziellen Relativitätstheorie Albert Einsteins. Ihr Grundprinzip ist, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Inertialsystemen gleich ist. Dies bedeutet zum Beispiel, dass sich auch das Licht einer Taschenlampe, die sich ihrerseits mit halber Lichtgeschwindigkeit bewegt, aus der Sicht jedes Beobachters nur mit Lichtgeschwindigkeit bewegt. Damit dies möglich ist, müssen Längen und Zeiten dafür vom Beobachter abhängig sein. Das führt dazu, dass aus der Sicht des Beobachters die Zeit für andere Körper, die sich schneller bewegen, langsamer vergeht. Aus der Sicht der sich schnell bewegenden Körper vergeht die Zeit jedoch genauso schnell, also ob sie sich nicht bewegen würden. Die Zeit ist in diesem Sinne relativ – abhängig vom Beobachter.
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In einer klaren Nacht kannst du eine Unmenge an Sternen am Himmel entdecken. Stellst du dir manchmal, vor in einem Raumschiff zu ihnen zu reisen und neue Welten zu entdecken? Wusstest du aber, dass viele der Sterne, die du am Himmel siehst, schon erloschen sind: Wenn wir zum Sternenhimmel schauen, schauen wir in die Vergangenheit. Warum das so ist, erfährst du in diesem Video zur Lichtgeschwindigkeit.
Videoübersicht
Dafür sprechen wir zunächst über Blitz und Donner und über die Messung der Lichtgeschwindigkeit. Dann erkläre ich dir das Phänomen der erloschenen Sterne, die wir aber noch leuchten sehen. Zum Abschluss klären wir, weshalb ein Weltraumtelefonat schwierig ist.
Die Lichtgeschwindigkeit
Das kennst du sicherlich: Bei einem Gewitter, siehst du erst den Blitz und dann hörst du den Donner. Vielleicht kennst du auch den Grund dafür: Der Schall muss sich erst bis zu uns ausbreiten. Beim Licht ist es genau so. Die Lichtgeschwindigkeit ist nur viel größer als die Schallgeschwindigkeit.
Wie kann man so eine große Lichtgeschwindigkeit messen? Hier sind wir im Arbeitszimmer von Hippolyte Fizeau. Es ist das Jahr 1848. Fizeau ist gerade dabei, seine neue Erfindung auszuprobieren: Eine Apparatur für die Messung der Lichtgeschwindigkeit. Um diese Apparatur zu verstehen, nutzen wir das Lichtstrahlenmodell.
Das Lichtstrahlenmodell
Von Fizeau’s Lichtquelle aus trifft ein Lichtstrahl auf einen halb durchlässigen Spiegel und wird umgelenkt. Dann läuft er durch ein Zahnrad. Je nachdem ob ein Zahn im Weg ist oder nicht, kann das Licht hindurch laufen. Dann läuft der Strahl durch das Fenster zu einem 9 Kilometer entfernten Spiegel. Vom Spiegel wird das Licht zurück geworfen. Beim Rückweg muss es auch wieder durch das Zahnrad laufen und landet erst dann in Fizeau’s Auge.
Fizeau´s Zahnrad
Während das Licht zum Spiegel und zurück läuft, dreht sich das Zahnrad weiter. Wenn Fizeau die Drehgeschwindigkeit des Zahnrads nun hoch genug wählt, trifft das Licht beim Rückweg auf einen Zahn. Es kommt dann also kein Licht bei Fizeau an. Aus dem Verhältnis von Weglänge und Laufzeit zwischen Lücke und Zahn des Zahnrads kann man die Geschwindigkeit des Lichtes bestimmen.
Man kommt zu dem Ergebnis, dass sich Licht mit einer Geschwindigkeit von etwa 300.000 Kilometern pro Sekunde ausbreitet. Das bedeutet, dass das Licht in einer Sekunde mehr als sieben mal um die Erde kreisen könnte.Wenn Fizeau seinen Spiegel auf dem Mond platziert hätte, könnte sich sein Zahnrad sehr langsam drehen. Für die Strecke hin zum Mond und zurück braucht das Licht schon fast drei Sekunden.
Die Apollo 11 Mission
Tatsächlich haben Wissenschaftler diesen Versuch gemacht. Dafür hat ein Raumschiff der Apollo 11 Mission einen Spiegel zum Mond gebracht. Mit einem Laser haben die Wissenschaftler einen Lichtpuls ausgesendet und die Zeit bis zu seiner Rückkehr gemessen. Das Ziel des Experimentes war aber nicht die Messung der Lichtgeschwindigkeit, sondern die genaue Bestimmung des Abstands zwischen Erde und Mond.
Die Lichtgeschwindigkeit können wir heute mit moderneren Methoden viel genauer als mit Fizeaus Methode bestimmen. Dadurch kann man auch die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium wie Wasser relativ genau bestimmen. Die Lichtgeschwindigkeit ist nämlich abhängig vom Medium, in dem sich das Licht bewegt. In Luft beträgt sie etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde. In Wasser nur etwa 225.000 Kilometer pro Sekunde.
Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist die größte mögliche Geschwindigkeit und eine Naturkonstante. Gerundet entspricht der Wert etwa dem Wert für die Lichtgeschwindigkeit in Luft. Kommen wir damit zurück zum Sternenhimmel und den erloschenen Sternen. Obwohl die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum so groß ist, kann das Licht von einem weit entfernten Stern Tausende oder sogar Millionen von Jahren unterwegs sein. Deshalb sind manche Sterne, die wir am Nachthimmel sehen, eigentlich schon längst erloschen. Licht und somit auch Signale können sich also nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten.
Zusammenfassung zur Lichtgeschwindigkeit
Wenn man zum Beispiel vom Mars eine Nachricht zur Erde schicken würde, müsste man deshalb mindestens 6 Minuten auf eine Antwort warten. Solche Verzögerungen machen jedes Weltraumtelefonat mit der Erde extrem nervenaufreibend. Fassen wir also noch einmal zusammen: Licht breitet sich mit Lichtgeschwindigkeit aus.
Diese ist vom Medium abhängig. In Wasser beträgt sie etwa 225.000 Kilometer pro Sekunde. In Luft und im Vakuum beträgt sie etwa 300.000 Kilometer pro Sekunde. Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist die größte bisher beobachtete Geschwindigkeit und eine Naturkonstante. Wenn du zum Sternenhimmel schaust, schaust du also in die Vergangenheit. Würden wir einen großen Spiegel irgendwo im Weltraum entdecken, könntest du vielleicht mit einem sehr guten Teleskop deine eigene Geburt beobachten. Eine interessante Vorstellung, oder?
Lichtgeschwindigkeit Übung
-
Fasse dein Wissen über die Lichtgeschwindigkeit zusammen.
TippsDie Lichtgeschwindigkeit und ihre Eigenschaften liegen außerhalb unserer Erfahrungswelt.
Im Vakuum bewegt sich Licht völlig unbeeinflusst fort.
LösungDie Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine Naturkonstante und mit rund $300~000\frac {km} {s}$ die größte Geschwindigkeit, die je gemessen wurde. In einer Sekunde legt das Licht damit eine Strecke zurück, die siebenmal länger ist als der Umfang unserer Erde. Diese Geschwindigkeiten kann man sich nicht mehr wirklich vorstellen.
Sämtliche Informationen, die wir erhalten, können maximal mit dieser Geschwindigkeit übertragen werden. Das spielt in unserer Erfahrungswelt keine große Rolle, da die Zeit, die das Licht für normale Entfernungen benötigt, unfassbar klein ist. Daher kann man den Eindruck bekommen, das Licht breitet sich mit unendlicher Geschwindigkeit aus. In größeren Maßstäben muss aber die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit technisch berücksichtigt werden, beispielsweise bei der Informationsübertragung mit Satelliten.
In Stoffen breitet sich das Licht immer noch unvorstellbar schnell, aber mit geringeren Geschwindigkeiten als im Vakuum aus.
-
Beschreibe die Ursachen der gezeigten Phänomene beim Licht.
TippsBei geringen Entfernungen ist die Zeit, die das Licht zum Zurücklegen benötigt, nicht wahrnehmbar.
Bei Entfernungen im astronomischen Maßstab sind die Zeiten, die das Licht zum Zurücklegen der Entfernungen benötigt, sehr groß.
LösungIn unserer eigenen Erfahrungswelt spielt die Endlichkeit der Lichtgeschwindigkeit aufgrund ihres hohen Wertes keine Rolle. Normale Entfernungen legt das Licht in Bruchteilen von Sekunden zurück. Das fällt uns dann auf, wenn bei Phänomenen auch geringere Geschwindigkeiten wie die Schallgeschwindigkeit auftreten.
Betrachtet man die astronomischen Größenordnungen, so sieht man, dass die Lichtgeschwindigkeit dort vergleichsweise gering erscheint. Um die Entfernung vom nächstgelegenen Stern zur Erde zurückzulegen, benötigt das Licht über vier Jahre. Entfernungen im Weltall werden daher häufig in Lichtjahren angegeben. Ein Lichtjahr ist dabei die Entfernung, die das Licht in einem Jahr zurücklegt! Unsere Galaxie, die Milchstraße, besitzt einen Durchmesser von 100 000 Lichtjahren.
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Ermittle die Geschwindigkeit, mit der Lichtsignale in Glasfasern übertragen werden.
TippsErmittle 70 % der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
Beachte die richtige Einheit.
LösungIn Glasfaserkabeln werden die Informationen mit einer Geschwindigkeit von etwa 210 000 Kilometern pro Sekunde übertragen. Dies entspricht 70 % der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.
Durch den Einsatz von Glasfaserkabeln können die enormen Mengen an Daten weltweit übertragen werden. Die Informationen werden dabei nicht mehr elektrisch (über Kupferkabel) übermittelt, sondern optisch mittels Licht, weil der Transport der Daten so effektiver ist.
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Bestimme die Zeit, die das Licht für die Strecke von der Sonne zur Erde benötigt.
TippsDas Licht bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit durch das Vakuum.
Zur Bestimmung der Zeit t benötigst du den Weg s und die Geschwindigkeit v des Lichtes.
Verwende zur Berechnung die Formel für die gleichförmige Bewegung.
Es gilt: $s=v\cdot t$.
Umgestellt nach t ergibt sich: $t=\frac {s} {v}$.
LösungDas Licht benötigt rund 8 Minuten für den Weg von der Sonne zur Erde. Das heißt, das Licht, dass wir in dem Moment wahrnehmen, wenn wir zur Sonne schauen, ist bereits 8 Minuten alt.
Auch bei unserer Sonne schauen wir also schon ein kleines Stück in die Vergangenheit. Aber bei Weitem nicht so stark, wie bei Sternen, die Tausende oder noch mehr Lichtjahre von uns entfernt sind.
-
Setze die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum mit der in anderen Medien ins Verhältnis.
TippsJe stärker die Wechselwirkung des Lichtes mit den Teilchen in einem Stoff ist, also je dichter ein Stoff, desto geringer ist die Lichtgeschwindigkeit.
LösungIn einem Stoff bewegt sich das Licht zwischen den einzelnen Teilchen mit der Lichtgeschwindigkeit, mit der es sich auch im Vakuum fortbewegt. Dazwischen kommt es jedoch immer wieder zu Wechselwirkungen mit den Teilchen des Stoffes, was die Ausbreitung des Lichtes verzögert.
In Luft, einem gasförmigen Stoff, ist die Teilchendichte gering. Die Wechselwirkungen treten selten auf. Darum bewegt sich das Licht durch Luft fast mit derselben Geschwindigkeit wie im Vakuum. In der Flüssigkeit Wasser beträgt die Lichtgeschwindigkeit nur noch rund 225 000 Kilometer pro Sekunde. In einem Feststoff wie Glas ist sie noch geringer, sie beträgt dort etwa 160 000 Kilometer pro Sekunde. Im Feststoff Diamant ist sie noch kleiner: lediglich 125 000 Kilometer pro Sekunde.
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Schätze ab, in welcher Entfernung man eine Verzögerung des Lichtsignals feststellen könnte.
TippsWelche Strecke legt das Licht in einer Zehntelsekunde zurück?
LösungDie Strecke, die für diese Messmethode mit einem Menschen als Zeitnehmer notwendig wäre, ist auf der Erde nicht realisierbar.
Die Lichtgeschwindigkeit kann also entweder über größere Entfernungen bestimmt werden wie bei der Messung eines Laserpulses zwischen Erdoberfläche und Mondspiegel. Moderne Verfahren nutzen aber die technischen Möglichkeiten aus, sehr kurze Zeitspannen messen zu können. Damit entfällt die Notwendigkeit, lange Strecken zur Messung der Lichtgeschwindigkeit zu verwenden.
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- Schwarzes Loch
- Frequenz Wellenlänge
- Elektrische Energie
- Parallelschaltung
- Dopplereffekt, Akustischer Dopplereffekt
leider zu viel und zu schnell erklärt.
Danke ;)
Hallo Diana,
die Lichtgeschwindigkeit liegt definitiv bei etwa 300.000 km/s.
Satelliten befinden sich häufig in der geostationären Umlaufbahn, diese befindet sich in etwa 36.000 km Höhe. Für den Hin- und Rückweg bräuchte das Licht also etwa 0,25 s.
Liebe Grüße aus der Redaktion.
Super Video! 😉👍👌
Wie lange brauchen dann Sateliten um etwas auf der Erde wahrzunehmen und wieder zurückzuschicken.
Und meine Physik-Lehrerin sagte die Lichtgeschwindigkeit beträgt 800.000 km/s.
Trotzdem Danke.
LG 🤗🦄
Bombastisch super gut galaktisch erklärt 👍