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Alles über die Lichtgeschwindigkeit und was sie misst

Licht bewegt sich mit der schnellsten Geschwindigkeit, die Astronomen messen können, durch das Universum. Tatsächlich ist die Lichtgeschwindigkeit eine kosmische Geschwindigkeitsbegrenzung, und es ist nicht bekannt, dass sich etwas schneller bewegt. Wie schnell bewegt sich das Licht? Diese Grenze kann gemessen werden und hilft auch dabei, unser Verständnis der Größe und des Alters des Universums zu definieren.

 

Was ist Licht: Welle oder Teilchen?

Licht bewegt sich schnell mit einer Geschwindigkeit von 299, 792, 458 Metern pro Sekunde. Wie kann es das machen? Um das zu verstehen, ist es hilfreich zu wissen, was Licht tatsächlich ist, und das ist größtenteils eine Entdeckung des 20. Jahrhunderts.

Die Natur des Lichts war jahrhundertelang ein großes Rätsel. Wissenschaftler hatten Probleme, das Konzept seiner Wellen- und Teilchennatur zu verstehen. Wenn es eine Welle war, durch was hat sie sich ausgebreitet? Warum schien es in alle Richtungen mit der gleichen Geschwindigkeit zu fahren? Und was kann uns die Lichtgeschwindigkeit über den Kosmos sagen? Erst als Albert Einstein 1905 diese spezielle Relativitätstheorie beschrieb. wurde alles in den Mittelpunkt gerückt. Einstein argumentierte, dass Raum und Zeit relativ seien und dass die Lichtgeschwindigkeit die Konstante sei, die die beiden verbinde.

 

Was ist die Lichtgeschwindigkeit?

Es wird oft behauptet, dass die Lichtgeschwindigkeit konstant ist und dass sich nichts schneller als die Lichtgeschwindigkeit fortbewegen kann. Das ist nicht ganz richtig. Der Wert von 299.792.458 Metern pro Sekunde (186.282 Meilen pro Sekunde) ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Das Licht verlangsamt sich jedoch tatsächlich, wenn es durch verschiedene Medien geht. Wenn es sich beispielsweise durch Glas bewegt, verlangsamt es sich im Vakuum auf etwa zwei Drittel seiner Geschwindigkeit. Selbst in Luft, die fast ein Vakuum ist, verlangsamt sich das Licht leicht. Während es sich durch den Weltraum bewegt, trifft es auf Gas- und Staubwolken sowie auf Gravitationsfelder, die die Geschwindigkeit geringfügig verändern können. Die Gas- und Staubwolken absorbieren auch einen Teil des Lichts, wenn es hindurchgeht.

Dieses Phänomen hat mit der Natur des Lichts zu tun, das eine elektromagnetische Welle ist. Während es sich durch ein Material ausbreitet, „stören“ seine elektrischen und magnetischen Felder die geladenen Teilchen, mit denen es in Kontakt kommt. Diese Störungen bewirken dann, dass die Teilchen Licht mit derselben Frequenz, jedoch mit einer Phasenverschiebung, ausstrahlen. Die Summe all dieser Wellen, die durch die „Störungen“ erzeugt werden, führt zu einer elektromagnetischen Welle mit der gleichen Frequenz wie das ursprüngliche Licht, jedoch mit einer kürzeren Wellenlänge und damit einer langsameren Geschwindigkeit.

Interessanterweise kann sein Weg, so schnell sich das Licht bewegt, gebogen werden, wenn es an Regionen im Weltraum mit intensiven Gravitationsfeldern vorbeiführt. Dies ist in Galaxienhaufen, die viel Materie (einschließlich dunkler Materie) enthalten und den Lichtweg von weiter entfernten Objekten wie Quasaren verzerren, ziemlich leicht zu erkennen.

Gravitationslinsen und wie es funktioniert. Licht von einem entfernten Objekt geht an einem näheren Objekt mit starker Anziehungskraft vorbei. Das Licht ist gebogen und verzerrt und das erzeugt „Bilder“ des weiter entfernten Objekts.  NASA

 

Lichtgeschwindigkeit und Gravitationswellen

Aktuelle Theorien der Physik sagen voraus, dass sich Gravitationswellen auch mit Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Dies wird jedoch noch bestätigt, da Wissenschaftler das Phänomen der Gravitationswellen von kollidierenden Schwarzen Löchern und Neutronensternen untersuchen. Ansonsten gibt es keine anderen Objekte, die sich so schnell fortbewegen. Theoretisch können sie bekommen, nahe an die Lichtgeschwindigkeit, aber nicht schneller.

Eine Ausnahme kann die Raumzeit selbst sein. Es scheint, dass sich entfernte Galaxien schneller als mit Lichtgeschwindigkeit von uns entfernen. Dies ist ein „Problem“, das Wissenschaftler immer noch zu verstehen versuchen. Eine interessante Folge davon ist jedoch, dass ein Reisesystem auf der Idee eines Warpantriebs basiert . Bei einer solchen Technologie ruht ein Raumschiff relativ zum Weltraum und es ist tatsächlich der Raum , der sich bewegt, wie ein Surfer, der eine Welle auf dem Ozean reitet. Theoretisch könnte dies eine superluminale Bewegung ermöglichen. Natürlich gibt es andere praktische und technologische Einschränkungen, die im Weg stehen, aber es ist eine interessante Science-Fiction-Idee, die wissenschaftliches Interesse findet.

 

Reisezeiten für Licht

Eine der Fragen, die Astronomen von Mitgliedern der Öffentlichkeit erhalten, lautet: „Wie lange würde es dauern, bis Licht von Objekt X zu Objekt Y gelangt?“ Licht gibt ihnen eine sehr genaue Möglichkeit, die Größe des Universums durch Definieren von Entfernungen zu messen. Hier sind einige der gebräuchlichsten Entfernungsmessungen:

  • Die Erde zum Mond : 1,255 Sekunden
  • Die Sonne zur Erde : 8,3 Minuten
  • Unsere Sonne zum nächstgelegenen Stern : 4,24 Jahre
  • Quer durch unsere Milchstraße  Galaxie : 100.000 Jahre
  • Zur nächsten  Spiralgalaxie (Andromeda) : 2,5 Millionen Jahre
  • Grenze des beobachtbaren Universums zur Erde : 13,8 Milliarden Jahre

Interessanterweise gibt es Objekte, die wir nicht sehen können, nur weil sich das Universum ausdehnt, und einige befinden sich „über dem Horizont“, jenseits dessen wir nicht sehen können. Sie werden niemals in unsere Sicht kommen, egal wie schnell sich ihr Licht ausbreitet. Dies ist eine der faszinierenden Auswirkungen des Lebens in einem expandierenden Universum.

Herausgegeben von Carolyn Collins Petersen

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