Mit welcher Geschwindigkeit breitet sich das Licht im Vakuum aus?

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine in der Physik weit verbreitete Kennzahl, mit der zahlreiche Entdeckungen gemacht und zahlreiche Phänomene erklärt werden konnten. Es gibt einige wichtige Punkte, die man lernen muss, um das Thema zu verstehen und um zu begreifen, wie und unter welchen Bedingungen es entdeckt wurde.

Wie hoch ist die Lichtgeschwindigkeit?

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum gilt als absolute Größe, die die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Strahlung angibt. Es ist in der Physik weit verbreitet und wird mit einem kleinen lateinischen Buchstaben "c" (ausgesprochen "Ce") bezeichnet.

Im Vakuum wird die Lichtgeschwindigkeit verwendet, um die Geschwindigkeit verschiedener Teilchen zu bestimmen.

Nach Ansicht der meisten Forscher und Wissenschaftler ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum die höchstmögliche Geschwindigkeit, mit der sich Teilchen und verschiedene Arten von Strahlung ausbreiten.

Was die Beispiele für die Phänomene betrifft, so sind diese wie folgt:

1. Sichtbares Licht, das von einem beliebigen Quelle.
2. Alle Arten von elektromagnetischer Strahlung (z. B. Röntgenstrahlen und Radiowellen).
3. Gravitationswellen (hier sind sich einige Experten nicht einig).

Viele Arten von Teilchen können sich mit annähernder Lichtgeschwindigkeit fortbewegen, erreichen diese aber nicht.

Der genaue Wert der Lichtgeschwindigkeit

Wissenschaftler versuchen schon seit vielen Jahren, die Lichtgeschwindigkeit zu bestimmen, aber genaue Messungen wurden erst in den 1970er Jahren durchgeführt. Am Ende 299.792.458 Meter pro Sekunde mit einer maximalen Abweichung von +/-1,2 Metern. Heute ist sie eine unveränderliche physische EinheitDa eine Entfernung von einem Meter 1/299 792 458 Sekunden beträgt, ist dies die Zeit, die das Licht im Vakuum benötigt, um 100 cm zurückzulegen.

Die wissenschaftliche Formel zur Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit.

Zur Vereinfachung der Berechnung, die Zahl wird vereinfacht auf 300.000.000 m/s (3×108 m/s). Jeder kennt sie aus der Schulphysik, wo die Geschwindigkeit in dieser Form gemessen wird.

Die grundlegende Rolle der Lichtgeschwindigkeit in der Physik

Dies ist einer der wichtigsten Indikatoren, unabhängig davon, welcher Bezugsrahmen in der Studie verwendet wird. Sie ist unabhängig von der Bewegung der Wellenquelle, was ebenfalls wichtig ist.

Die Invarianz wurde 1905 von Albert Einstein als Postulat angenommen. Dies geschah, nachdem ein anderer Wissenschaftler, Maxwell, die Theorie des Elektromagnetismus aufgestellt hatte, nachdem er keinen Beweis für die Existenz eines lichttragenden Äthers gefunden hatte.

Die Behauptung, dass kausale Effekte nicht schneller als mit Lichtgeschwindigkeit transportiert werden können, gilt heute als begründet.

Übrigens! Die Physiker bestreiten nicht, dass sich einige Teilchen mit einer Geschwindigkeit bewegen können, die größer ist als die betreffende Zahl. Sie können jedoch nicht zur Übertragung von Informationen verwendet werden.

Historische Referenzen

Um die Besonderheiten des Themas zu verstehen und herauszufinden, wie bestimmte Phänomene entdeckt wurden, sollte man die Experimente einiger Wissenschaftler studieren. Im 19. Jahrhundert wurden zahlreiche Entdeckungen gemacht, die den Wissenschaftlern in der Folgezeit zugute kamen, vor allem in Bezug auf den elektrischen Strom und die Phänomene der magnetischen und elektromagnetischen Induktion.

James Maxwells Experimente

Die Forschungen des Physikers bestätigten die Wechselwirkung von Teilchen in der Ferne. Dies ermöglichte es Wilhelm Weber, eine neue Theorie des Elektromagnetismus zu entwickeln. Maxwell hat auch das Phänomen der magnetischen und elektrischen Felder eindeutig nachgewiesen und festgestellt, dass sie sich gegenseitig zu elektromagnetischen Wellen erzeugen können. Dieser Wissenschaftler war der erste, der die Bezeichnung "c" verwendete, die auch heute noch von Physikern in aller Welt benutzt wird.

Aus diesem Grund sprachen die meisten Forscher bereits von der elektromagnetischen Natur des Lichts. Als Maxwell die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Erregungen untersuchte, kam er zu dem Schluss, dass sie gleich der Lichtgeschwindigkeit war, was ihn damals überraschte.

Maxwells Forschung machte deutlich, dass Licht, Magnetismus und Elektrizität keine getrennten Konzepte sind. Zusammen bestimmen diese Faktoren die Natur des Lichts, denn es ist eine Kombination aus einem magnetischen und einem elektrischen Feld, das sich im Raum ausbreitet.

Schema der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen.

Michelson und sein Experiment zum Nachweis der Absolutheit der Lichtgeschwindigkeit

Zu Beginn des letzten Jahrhunderts stützten sich die meisten Wissenschaftler auf das Relativitätsprinzip von Galilei, das besagte, dass die Gesetze der Mechanik unabhängig vom verwendeten Bezugsrahmen gleich sind. Nach der Theorie muss sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen jedoch ändern, wenn sich die Quelle bewegt. Dies widersprach sowohl den Postulaten von Galilei als auch der Maxwellschen Theorie, die der Grund für die Forschung war.

Damals neigten die meisten Wissenschaftler zur "Äthertheorie", bei der die Indikatoren nicht von der Geschwindigkeit ihrer Quelle abhingen, sondern die Eigenschaften des Mediums als der entscheidende Faktor angesehen wurden.

Michelson entdeckte, dass die Lichtgeschwindigkeit unabhängig von der Richtung der Messung ist.

Da sich die Erde im Weltraum in einer bestimmten Richtung bewegt, unterscheidet sich die Lichtgeschwindigkeit nach dem Gesetz der Addition der Geschwindigkeiten, wenn sie in verschiedenen Richtungen gemessen wird. Michelson stellte jedoch keinen Unterschied in der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen fest, unabhängig davon, in welcher Richtung die Messungen vorgenommen wurden.

Die Äthertheorie konnte die Existenz der absoluten Größenordnung nicht erklären, was ihren Irrtum noch deutlicher machte.

Die spezielle Relativitätstheorie von Albert Einstein

Der damals junge Wissenschaftler stellte eine Theorie auf, die den Annahmen der meisten Forscher widersprach. Demnach haben Zeit und Raum Eigenschaften, die dafür sorgen, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum unabhängig vom gewählten Bezugsrahmen konstant bleibt. Dies erklärt die erfolglosen Experimente von Michelson, da die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts nicht von der Bewegung seiner Quelle abhängt.

[tds_council]Eine indirekte Bestätigung für die Richtigkeit der Einsteinschen Theorie war die "Relativität der Gleichzeitigkeit", deren Wesen in der Abbildung dargestellt ist.

Ein Beispiel dafür, wie der eigene Standort die Wahrnehmung der Lichtausbreitung beeinflusst.

Wie die Lichtgeschwindigkeit früher gemessen wurde

Es hat viele Versuche gegeben, diesen Indikator zu bestimmen, aber aufgrund des geringen Entwicklungsstandes der Wissenschaft war es bisher problematisch, dies zu tun. So glaubten die Wissenschaftler in der Antike, dass die Lichtgeschwindigkeit unendlich sei, doch später stellten viele Forscher dies in Frage, was zu einer Reihe von Versuchen führte, sie zu bestimmen:

1. Galilei benutzte Fackeln. Um die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Lichtwellen zu berechnen, befanden er und sein Assistent sich auf Hügeln, wobei der Abstand zwischen ihnen genau bestimmt wurde. Dann öffnete einer der Teilnehmer die Laterne, der andere tat dasselbe, sobald er das Licht sah. Diese Methode war jedoch aufgrund der hohen Geschwindigkeit der Wellenausbreitung und der Unmöglichkeit, das genaue Zeitintervall zu bestimmen, erfolglos.
2. Olaf Remer, ein Astronom aus Dänemark, bemerkte bei der Beobachtung des Jupiters eine Besonderheit. Als sich die Erde und Jupiter an entgegengesetzten Punkten ihrer Umlaufbahn befanden, lag die Verfinsterung von Io (Jupiters Satellit) 22 Minuten hinter dem Planeten selbst. Auf dieser Grundlage kam er zu dem Schluss, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Lichtwellen nicht unendlich ist und eine Grenze hat. Nach seinen Berechnungen betrug der Index etwa 220.000 km pro Sekunde.
   Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit nach Rehmer.
3. Etwa zur gleichen Zeit entdeckte der englische Astronom James Bradley das Phänomen der Lichtabweichung, bei dem sich die Position der Sterne am Himmel und die Entfernung zu ihnen aufgrund der Bewegung der Erde um die Sonne und ihrer Drehung um die eigene Achse ständig ändern. Aufgrund dieser Merkmale beschreiben die Sterne in jedem Jahr eine Ellipse. Anhand von Berechnungen und Beobachtungen ermittelte der Astronom die Geschwindigkeit, die 308 000 km pro Sekunde betrug.
   Die Aberration des Lichts
4. Louis Fizeau war der erste, der den genauen Index in einem Laborexperiment ermittelte. Er stellte ein Glas mit spiegelnder Oberfläche in einer Entfernung von 8633 m von der Quelle auf, aber da die Entfernung kurz ist, war es unmöglich, genaue Zeitberechnungen durchzuführen. Der Wissenschaftler stellte dann ein Zahnrad auf, das mit seinen Zahnrädern das Licht periodisch verdeckte. Indem er die Geschwindigkeit des Rades variierte, stellte Fizeau fest, bei welcher Geschwindigkeit das Licht keine Zeit mehr hatte, zwischen den Zahnrädern hindurchzugehen und zurückzukehren. Er errechnete eine Geschwindigkeit von 315.000 Kilometern pro Sekunde.
   Das Experiment von Louis Fizeau.

Messung der Lichtgeschwindigkeit

Dies kann auf verschiedene Weise geschehen. Es ist nicht notwendig, sie im Einzelnen aufzuschlüsseln, da für jede einzelne eine eigene Übersicht erforderlich wäre. Daher ist es am einfachsten, die Sorten zu sortieren:

1. Astronomische Messungen. Hier werden am häufigsten die Remer- und Bradley-Methoden eingesetzt, da sie sich als wirksam erwiesen haben und nicht durch Luft, Wasser oder andere Umweltbedingungen beeinträchtigt werden. In einem kosmischen Vakuum erhöht sich die Genauigkeit der Messungen.
2. Hohlraumresonanz oder Hohlraumeffekt - ist die Bezeichnung für das Phänomen der niederfrequenten stehenden magnetischen Wellen zwischen der Erdoberfläche und der Ionosphäre. Mit Hilfe spezieller Formeln und Messgeräte lässt sich die Geschwindigkeit von Partikeln in der Luft leicht berechnen.
3. Interferometrie - Eine Reihe von Untersuchungstechniken, bei denen mehrere Arten von Wellen zusammengeführt werden. Dadurch entsteht ein Interferenzeffekt, durch den zahlreiche Messungen sowohl von elektromagnetischen als auch von akustischen Schwingungen vorgenommen werden können.

Mit speziellen Geräten können Messungen ohne besondere Techniken durchgeführt werden.

Ist FTL möglich?

Nach der Relativitätstheorie verstößt die Überschreitung der Geschwindigkeit eines physikalischen Teilchens gegen das Kausalitätsprinzip. Dadurch ist die Übertragung von Signalen aus der Zukunft in die Vergangenheit und umgekehrt möglich. Gleichzeitig bestreitet die Theorie aber nicht, dass es Teilchen geben kann, die sich schneller bewegen, während sie mit gewöhnlichen Substanzen interagieren.

Diese Art von Teilchen wird als Tachyon bezeichnet. Je schneller sie sich bewegen, desto weniger Energie transportieren sie.

Video-Lektion: Fizeau-Experiment. Messung der Lichtgeschwindigkeit. Physik 11. Klasse.

Die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum ist eine Konstante, und viele physikalische Phänomene beruhen auf ihr. Seine Definition war ein neuer Meilenstein in der Entwicklung der Wissenschaft, denn sie erklärte viele Prozesse und vereinfachte eine Reihe von Berechnungen.