Wie wurde die Lichtgeschwindigkeit gemessen und was ist ihr tatsächlicher Wert? Was ist die Lichtgeschwindigkeit?

Künstlerische Darstellung Raumschiff, den Sprung auf die „Lichtgeschwindigkeit“ schaffend. Bildnachweis: NASA/Glenn Research Center.

Seit der Antike versuchen Philosophen und Wissenschaftler, Licht zu verstehen. Neben dem Versuch, seine grundlegenden Eigenschaften zu bestimmen (z. B. ob es sich um ein Teilchen oder eine Welle usw. handelt), versuchten sie auch, endliche Messungen der Geschwindigkeit durchzuführen, mit der es sich bewegt. Seit dem späten 17. Jahrhundert tun Wissenschaftler genau das, und zwar mit zunehmender Präzision.

Dadurch erlangten sie ein besseres Verständnis der Lichtmechanik und ihrer Funktionsweise wichtige Rolle er beschäftigt sich mit Physik, Astronomie und Kosmologie. Einfach ausgedrückt: Licht bewegt sich mit unglaublicher Geschwindigkeit und ist das sich am schnellsten bewegende Objekt im Universum. Seine Geschwindigkeit stellt eine konstante und undurchdringliche Barriere dar und dient als Maß für die Entfernung. Aber wie schnell bewegt es sich?

Lichtgeschwindigkeit (s):

Licht bewegt sich mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1.079.252.848,8 km/h (1,07 Milliarden). Das sind 299.792.458 m/s. Bringen wir alles an seinen Platz. Wenn man sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen könnte, könnte man etwa siebeneinhalb Mal pro Sekunde den Globus umkreisen. Inzwischen fliegt der Mann ab Durchschnittsgeschwindigkeit Bei einer Geschwindigkeit von 800 km/h würde die Umrundung des Planeten mehr als 50 Stunden dauern.

Eine Illustration, die die Entfernung zeigt, die das Licht zwischen der Erde und der Sonne zurücklegt. Bildnachweis: LucasVB/Public Domain.

Betrachten wir dies aus astronomischer Sicht, die durchschnittliche Entfernung beträgt 384.398,25 km. Daher legt Licht diese Strecke in etwa einer Sekunde zurück. Mittlerweile liegt der Durchschnitt bei 149.597.886 km, was bedeutet, dass das Licht für diese Reise nur etwa 8 Minuten benötigt.

Kein Wunder also, dass die Lichtgeschwindigkeit das Maß für die Bestimmung astronomischer Entfernungen ist. Wenn wir sagen, dass ein Stern wie , 4,25 Lichtjahre entfernt ist, meinen wir, dass eine Reise mit einer konstanten Geschwindigkeit von 1,07 Milliarden km/h etwa 4 Jahre und 3 Monate dauern würde, um dorthin zu gelangen. Aber wie sind wir dazu gekommen? spezifische Bedeutung Lichtgeschwindigkeit?

Studiengeschichte:

Bis zum 17. Jahrhundert waren Wissenschaftler davon überzeugt, dass sich Licht mit endlicher Geschwindigkeit, also augenblicklich, ausbreitet. Von der Zeit der alten Griechen bis hin zu mittelalterlichen islamischen Theologen und modernen Gelehrten gab es Debatten. Doch bis das Werk des dänischen Astronomen Ole Roemer (1644-1710) erschien, in dem die ersten quantitativen Messungen durchgeführt wurden.

Im Jahr 1676 beobachtete Römer, dass die Perioden des innersten Jupitermondes Io kürzer erschienen, wenn sich die Erde dem Jupiter näherte, als wenn sie sich davon entfernte. Daraus schloss er, dass sich Licht mit endlicher Geschwindigkeit ausbreitet und schätzungsweise etwa 22 Minuten braucht, um den Durchmesser der Erdumlaufbahn zu durchqueren.

Professor Albert Einstein bei der 11. Josiah Willard Gibbs Lecture am Carnegie Institute of Technology am 28. Dezember 1934, in der er seine Theorie erläutert, dass Materie und Energie dasselbe sind verschiedene Formen. Bildnachweis: AP-Foto

Christiaan Huygens nutzte diese Schätzung und kombinierte sie mit einer Schätzung des Durchmessers der Erdumlaufbahn, um zu einer Schätzung von 220.000 km/s zu gelangen. Auch Isaac Newton berichtete in seinem bahnbrechenden Werk Optics aus dem Jahr 1706 über Roemers Berechnungen. Indem er den Abstand zwischen der Erde und der Sonne berücksichtigte, berechnete er, dass das Licht sieben bis acht Minuten brauchen würde, um von einem zum anderen zu gelangen. In beiden Fällen lag ein relativ kleiner Fehler vor.

Spätere Messungen der französischen Physiker Hippolyte Fizeau (1819–1896) und Léon Foucault (1819–1868) verfeinerten diese Zahlen und führten zu einem Wert von 315.000 km/s. Und in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts erkannten Wissenschaftler den Zusammenhang zwischen Licht und Elektromagnetismus.

Dies gelang den Physikern durch die Messung elektromagnetischer und elektrostatischer Ladungen. Sie entdeckten dann, dass der numerische Wert sehr nahe an der Lichtgeschwindigkeit lag (gemessen von Fizeau). Basierend auf seiner eigenen Arbeit, die das gezeigt hat Elektromagnetische Wellen Da sich Licht im leeren Raum ausbreitet, schlug der deutsche Physiker Wilhelm Eduard Weber vor, dass Licht eine elektromagnetische Welle sei.

Der nächste große Durchbruch erfolgte zu Beginn des 20. Jahrhunderts. In seiner Arbeit mit dem Titel „Über die Elektrodynamik bewegter Körper“ stellt Albert Einstein fest, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, gemessen von einem Beobachter mit konstanter Geschwindigkeit, in allen Inertialsystemen gleich und unabhängig von der Bewegung des Körpers ist Quelle oder Beobachter.

Ein Laserstrahl, der durch ein Glas Wasser scheint, zeigt, wie viele Veränderungen es durchläuft, wenn es von Luft über Glas zu Wasser und wieder zurück zur Luft gelangt. Bildnachweis: Bob King.

Ausgehend von dieser Aussage und dem Relativitätsprinzip von Galileo leitete Einstein die spezielle Relativitätstheorie ab, in der die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (c) eine Grundkonstante ist. Zuvor herrschte unter Wissenschaftlern Einigkeit darüber, dass der Weltraum mit einem „leuchtenden Äther“ gefüllt sei, der für seine Ausbreitung verantwortlich sei – also Licht, das sich durch ein sich bewegendes Medium bewegt, wird im Schweif des Mediums nachlaufen.

Dies bedeutet wiederum, dass die gemessene Lichtgeschwindigkeit die einfache Summe seiner Geschwindigkeit durch ein Medium plus der Geschwindigkeit dieses Mediums wäre. Einsteins Theorie machte jedoch das Konzept eines stationären Äthers überflüssig und veränderte das Konzept von Raum und Zeit.

Es förderte nicht nur die Idee, dass die Lichtgeschwindigkeit in allen Inertialsystemen gleich ist, sondern deutete auch darauf hin, dass große Änderungen auftreten, wenn sich Dinge nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. Dazu gehören der Raum-Zeit-Rahmen eines sich bewegenden Körpers, der scheinbar langsamer wird, und die Bewegungsrichtung, wenn die Messung aus der Sicht des Beobachters erfolgt (d. h. relativistische Zeitdilatation, bei der sich die Zeit verlangsamt, wenn sie sich der Lichtgeschwindigkeit nähert). .

Seine Beobachtungen stimmen auch mit Maxwells Gleichungen für Elektrizität und Magnetismus mit den Gesetzen der Mechanik überein, vereinfachen mathematische Berechnungen, indem sie die unabhängigen Argumente anderer Wissenschaftler vermeiden, und stimmen mit der direkten Beobachtung der Lichtgeschwindigkeit überein.

Wie ähnlich sind Materie und Energie?

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts führten immer präzisere Messungen mit Laserinterferometern und Resonanzhohlräumen zu einer weiteren Verfeinerung der Schätzungen der Lichtgeschwindigkeit. 1972 nutzte eine Gruppe des US-amerikanischen National Bureau of Standards in Boulder, Colorado, Laserinterferometrie, um den derzeit akzeptierten Wert von 299.792.458 m/s zu ermitteln.

Rolle in der modernen Astrophysik:

Einsteins Theorie, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum nicht von der Bewegung der Quelle und dem Trägheitsbezugssystem des Beobachters abhängt, wurde seitdem durch viele Experimente ausnahmslos bestätigt. Außerdem wird eine Obergrenze für die Geschwindigkeit festgelegt, mit der sich alle masselosen Teilchen und Wellen (einschließlich Licht) im Vakuum fortbewegen können.

Ein Ergebnis davon ist, dass Kosmologien Raum und Zeit heute als eine einzige Struktur betrachten, die als Raumzeit bekannt ist, in der die Lichtgeschwindigkeit verwendet werden kann, um den Wert beider zu bestimmen (d. h. Lichtjahre, Lichtminuten und Lichtsekunden). Die Messung der Lichtgeschwindigkeit kann auch ein wichtiger Faktor bei der Bestimmung der Beschleunigung der Expansion des Universums sein.

In den frühen 1920er Jahren wurde Wissenschaftlern und Astronomen durch die Beobachtungen von Lemaître und Hubble bewusst, dass sich das Universum von seinem Ursprungsort aus ausdehnte. Hubble bemerkte auch, dass sich eine Galaxie umso schneller bewegt, je weiter sie entfernt ist. Was heute als Hubble-Konstante bezeichnet wird, ist die Geschwindigkeit, mit der sich das Universum ausdehnt. Sie beträgt 68 km/s pro Megaparsec.

Wie schnell expandiert das Universum?

Dieses als Theorie dargestellte Phänomen bedeutet, dass sich einige Galaxien möglicherweise tatsächlich schneller als die Lichtgeschwindigkeit bewegen, was eine Grenze für das darstellen könnte, was wir in unserem Universum beobachten. Im Wesentlichen würden Galaxien, die sich schneller als das Licht bewegen, den „kosmologischen Ereignishorizont“ überschreiten, wo sie für uns nicht mehr sichtbar sind.

Darüber hinaus zeigten Messungen der Rotverschiebung entfernter Galaxien in den 1990er Jahren, dass sich die Expansion des Universums in den letzten paar Milliarden Jahren beschleunigt hat. Dies führte zur Theorie der „Dunklen Energie“, bei der eine unsichtbare Kraft die Ausdehnung des Raums selbst antreibt und nicht die Bewegung von Objekten durch ihn (ohne die Lichtgeschwindigkeit zu begrenzen oder die Relativitätstheorie zu brechen).

Zusammen mit Sonder- und allgemeine Theorie Die Relativitätstheorie, der moderne Wert der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, wurde aus Kosmologie, Quantenmechanik usw. gebildet Standardmodell Physiker Elementarteilchen. Sie bleibt konstant, wenn es um die Obergrenze geht, an der sich masselose Teilchen bewegen können, und stellt für Teilchen mit Masse eine unerreichbare Barriere dar.

Wahrscheinlich werden wir eines Tages einen Weg finden, die Lichtgeschwindigkeit zu überschreiten. Obwohl wir keine praktischen Vorstellungen davon haben, wie dies passieren könnte, scheint es, dass das „intelligente Geld“ in der Technologie es uns ermöglichen wird, die Gesetze der Raumzeit zu umgehen, indem wir entweder Warpblasen erzeugen (auch bekannt als Alcubierre-Warpantrieb) oder einen Tunnel durch sie hindurch bauen (auch bekannt als Wurmlöcher).

Was sind Wurmlöcher?

Bis dahin müssen wir uns einfach mit dem Universum begnügen, das wir sehen, und uns darauf beschränken, den Teil zu erforschen, der mit herkömmlichen Methoden erreichbar ist.

Titel des Artikels, den Sie gelesen haben „Wie groß ist die Lichtgeschwindigkeit?“.

Im Jahr 1676 führte der dänische Astronom Ole Römer die erste grobe Schätzung der Lichtgeschwindigkeit durch. Roemer bemerkte eine leichte Diskrepanz in der Dauer der Verfinsterungen der Jupitermonde und kam zu dem Schluss, dass die Bewegung der Erde, sei es die Annäherung oder Entfernung von Jupiter, die Distanz veränderte, die das von den Monden reflektierte Licht zurücklegen musste.

Durch Messung des Ausmaßes dieser Diskrepanz berechnete Roemer, dass die Lichtgeschwindigkeit 219.911 Kilometer pro Sekunde beträgt. In einem späteren Experiment im Jahr 1849 ermittelte der französische Physiker Armand Fizeau, dass die Lichtgeschwindigkeit 312.873 Kilometer pro Sekunde beträgt.

Wie in der Abbildung oben gezeigt, bestand Fizeaus Versuchsaufbau aus einer Lichtquelle, einem durchscheinenden Spiegel, der nur die Hälfte des auf ihn fallenden Lichts reflektiert, während der Rest durch ein rotierendes Zahnrad und einen stationären Spiegel fällt. Wenn Licht auf den durchscheinenden Spiegel traf, wurde es auf ein Zahnrad reflektiert, das das Licht in Strahlen aufteilte. Nachdem er ein System von Fokussierungslinsen durchlaufen hatte, wurde jeder Lichtstrahl von einem stationären Spiegel reflektiert und zum Zahnrad zurückgeführt. Durch genaue Messungen der Geschwindigkeit, mit der das Zahnrad die reflektierten Strahlen blockierte, konnte Fizeau die Lichtgeschwindigkeit berechnen. Sein Kollege Jean Foucault verbesserte diese Methode ein Jahr später und stellte fest, dass die Lichtgeschwindigkeit 297.878 Kilometer pro Sekunde beträgt. Dieser Wert unterscheidet sich kaum vom modernen Wert von 299.792 Kilometern pro Sekunde, der durch Multiplikation von Wellenlänge und Frequenz der Laserstrahlung berechnet wird.

Fizeaus Experiment

Wie in den Bildern oben gezeigt, bewegt sich Licht vorwärts und kehrt durch denselben Spalt zwischen den Zähnen des Rades zurück, wenn sich das Rad langsam dreht (unteres Bild). Dreht sich das Rad schnell (Bild oben), blockiert ein benachbartes Zahnrad das zurückkehrende Licht.

Fizeaus Ergebnisse

Indem er den Spiegel 8,64 Kilometer vom Zahnrad entfernt platzierte, ermittelte Fizeau, dass die Rotationsgeschwindigkeit des Zahnrads, die zum Blockieren des zurückkehrenden Lichtstrahls erforderlich war, 12,6 Umdrehungen pro Sekunde betrug. Da er diese Zahlen sowie die vom Licht zurückgelegte Strecke und die Strecke kannte, die das Zahnrad zurücklegen musste, um den Lichtstrahl zu blockieren (entspricht der Breite der Lücke zwischen den Zähnen des Rads), berechnete er, dass der Lichtstrahl benötigte 0,000055 Sekunden für die Strecke vom Zahnrad zum Spiegel und zurück. Dividiert man die vom Licht zurückgelegte Gesamtstrecke von 17,28 Kilometern durch diese Zeit, erhält Fizeau einen Wert für seine Geschwindigkeit von 312873 Kilometern pro Sekunde.

Foucaults Experiment

Im Jahr 1850 verbesserte der französische Physiker Jean Foucault Fizeaus Technik, indem er das Zahnrad durch einen rotierenden Spiegel ersetzte. Licht von der Quelle erreichte den Beobachter erst, wenn der Spiegel während des Zeitintervalls zwischen dem Austritt und der Rückkehr des Lichtstrahls eine vollständige 360°-Drehung vollzog. Mit dieser Methode ermittelte Foucault einen Wert für die Lichtgeschwindigkeit von 297878 Kilometern pro Sekunde.

Der Schlussakkord bei der Messung der Lichtgeschwindigkeit.

Die Erfindung des Lasers hat es Physikern ermöglicht, die Lichtgeschwindigkeit viel genauer als je zuvor zu messen. Im Jahr 1972 maßen Wissenschaftler am National Institute of Standards and Technology sorgfältig die Wellenlänge und Frequenz eines Laserstrahls und ermittelten die Lichtgeschwindigkeit, das Produkt dieser beiden Variablen, mit 299.792.458 Metern pro Sekunde (186.282 Meilen pro Sekunde). Eine der Konsequenzen dieser neuen Messung war die Entscheidung der Generalkonferenz für Maß und Gewicht, die Entfernung, die Licht in 1/299.792.458 Sekunde zurücklegt, als Standardmeter (3,3 Fuß) zu übernehmen. Damit wird die Lichtgeschwindigkeit, die wichtigste Grundkonstante der Physik, nun mit sehr hoher Sicherheit berechnet und der Referenzmeter kann viel genauer als je zuvor bestimmt werden.

Im 19. Jahrhundert gab es mehrere wissenschaftliche Experimente, die zur Entdeckung einer Reihe neuer Phänomene führten. Zu diesen Phänomenen gehört Hans Oersteds Entdeckung der Erzeugung magnetischer Induktion elektrischer Schock. Später entdeckte Michael Faraday den gegenteiligen Effekt, der elektromagnetische Induktion genannt wurde.

James Maxwells Gleichungen – die elektromagnetische Natur des Lichts

Als Ergebnis dieser Entdeckungen wurde die sogenannte „Interaktion aus der Ferne“ festgestellt, was zu Folgendem führte: neue Theorie Der von Wilhelm Weber formulierte Elektromagnetismus basierte auf einer Wirkung über große Entfernungen. Später definierte Maxwell das Konzept elektrischer und magnetischer Felder, die sich gegenseitig erzeugen können, also eine elektromagnetische Welle. Anschließend verwendete Maxwell in seinen Gleichungen die sogenannte „elektromagnetische Konstante“ – Mit.

Zu diesem Zeitpunkt waren Wissenschaftler bereits der Tatsache nahe gekommen, dass Licht elektromagnetischer Natur ist. Die physikalische Bedeutung der elektromagnetischen Konstante ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Erregungen. Zur Überraschung von James Maxwell selbst stellte sich heraus, dass der gemessene Wert dieser Konstante in Experimenten mit Einheitsladungen und -strömen war gleich der Geschwindigkeit Licht im Vakuum.

Vor dieser Entdeckung trennte die Menschheit Licht, Elektrizität und Magnetismus. Maxwells Verallgemeinerung ermöglichte uns einen neuen Blick auf die Natur des Lichts als ein bestimmtes Fragment elektrischer und magnetischer Felder, das sich unabhängig im Raum ausbreitet.

Die folgende Abbildung zeigt ein Diagramm der Ausbreitung einer elektromagnetischen Welle, bei der es sich ebenfalls um Licht handelt. Hier ist H der Spannungsvektor Magnetfeld, E ist der elektrische Feldstärkevektor. Beide Vektoren stehen senkrecht zueinander sowie zur Wellenausbreitungsrichtung.

Michelson-Experiment – ​​die Absolutheit der Lichtgeschwindigkeit

Die damalige Physik basierte weitgehend auf Galileis Relativitätsprinzip, wonach die Gesetze der Mechanik in jedem gewählten Trägheitsbezugssystem gleich aussehen. Gleichzeitig sollte die Ausbreitungsgeschwindigkeit durch Addition der Geschwindigkeiten von der Geschwindigkeit der Quelle abhängen. Allerdings würde sich die elektromagnetische Welle in diesem Fall je nach Wahl des Bezugssystems unterschiedlich verhalten, was gegen das Relativitätsprinzip von Galileo verstößt. Daher befand sich Maxwells scheinbar wohlgeformte Theorie in einem wackeligen Zustand.

Experimente haben gezeigt, dass die Lichtgeschwindigkeit tatsächlich nicht von der Geschwindigkeit der Quelle abhängt, was bedeutet, dass eine Theorie erforderlich ist, die dies erklären kann seltsame Tatsache. Die beste Theorie Damals gab es eine Theorie vom „Äther“ – einem bestimmten Medium, in dem sich Licht ausbreitet, so wie sich Schall in der Luft ausbreitet. Dann würde die Lichtgeschwindigkeit nicht durch die Bewegungsgeschwindigkeit der Quelle bestimmt, sondern durch die Eigenschaften des Mediums selbst – des Äthers.

Zur Entdeckung des Äthers wurden viele Experimente durchgeführt, das berühmteste davon ist das Experiment des amerikanischen Physikers Albert Michelson. Kurz gesagt, es ist bekannt, dass sich die Erde hineinbewegt Weltraum. Dann ist es logisch anzunehmen, dass es sich auch durch den Äther bewegt, da die vollständige Bindung des Äthers an die Erde nicht nur erfolgt Höchster Abschluss Egoismus, kann aber einfach durch nichts verursacht werden. Wenn sich die Erde durch ein bestimmtes Medium bewegt, in dem sich Licht ausbreitet, dann ist es logisch anzunehmen, dass hier die Addition der Geschwindigkeiten stattfindet. Das heißt, die Ausbreitung des Lichts muss von der Bewegungsrichtung der Erde abhängen, die durch den Äther fliegt. Als Ergebnis seiner Experimente entdeckte Michelson keinen Unterschied zwischen der Lichtausbreitungsgeschwindigkeit in beide Richtungen von der Erde aus.

Der niederländische Physiker Hendrik Lorentz versuchte, dieses Problem zu lösen. Seiner Annahme zufolge beeinflusste der „ätherische Wind“ Körper in der Weise, dass sie ihre Größe in Richtung ihrer Bewegung verringerten. Basierend auf dieser Annahme erlebten sowohl die Erde als auch Michelsons Gerät diese Lorentz-Kontraktion, wodurch Albert Michelson die gleiche Geschwindigkeit für die Lichtausbreitung in beide Richtungen erhielt. Und obwohl es Lorentz einigermaßen gelang, den Tod der Äther-Theorie hinauszuzögern, hielten Wissenschaftler diese Theorie immer noch für „weit hergeholt“. So soll der Äther eine Reihe „märchenhafter“ Eigenschaften haben, darunter Schwerelosigkeit und die Abwesenheit von Widerstand gegenüber sich bewegenden Körpern.

Das Ende der Geschichte des Äthers kam 1905 mit der Veröffentlichung des Artikels „Über die Elektrodynamik bewegter Körper“ des damals wenig bekannten Albert Einstein.

Albert Einsteins spezielle Relativitätstheorie

Der 26-jährige Albert Einstein vertrat eine völlig neue, andere Sicht auf die Natur von Raum und Zeit, die im Widerspruch zu den damaligen Vorstellungen stand und insbesondere gegen Galileis Relativitätsprinzip grob verstieß. Laut Einstein lieferte Michelsons Experiment keine positiven Ergebnisse, da Raum und Zeit solche Eigenschaften haben wie die Lichtgeschwindigkeit Absolutwert. Das heißt, egal in welchem ​​Bezugssystem sich der Beobachter befindet, die Lichtgeschwindigkeit relativ zu ihm ist immer gleich, 300.000 km/s. Daraus folgte die Unmöglichkeit, Geschwindigkeiten relativ zum Licht zu addieren – egal wie schnell sich die Lichtquelle bewegt, die Lichtgeschwindigkeit ändert sich nicht (addiert oder subtrahiert).

Einstein nutzte die Lorentz-Kontraktion, um Änderungen in den Parametern von Körpern zu beschreiben, die sich mit Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit bewegen. So nimmt beispielsweise die Länge solcher Körper ab und ihre eigene Zeit- verlangsamen. Der Koeffizient solcher Änderungen wird Lorentz-Faktor genannt. Einsteins berühmte Formel E=mc 2 beinhaltet eigentlich auch den Lorentz-Faktor ( E= ymc 2), was im Allgemeinen gleich Eins ist, wenn die Körpergeschwindigkeit vorliegt v gleich Null. Wenn sich die Körpergeschwindigkeit nähert v zur Lichtgeschwindigkeit C Lorentz-Faktor j eilt der Unendlichkeit entgegen. Daraus folgt, dass, um einen Körper auf Lichtgeschwindigkeit zu beschleunigen, unendlich viel Energie benötigt wird und es daher unmöglich ist, diese Geschwindigkeitsbegrenzung zu überschreiten.

Für diese Aussage gibt es auch ein Argument namens „Relativität der Gleichzeitigkeit“.

Paradoxon der Relativität der Gleichzeitigkeit von SRT

Kurz gesagt, das Phänomen der Relativität der Gleichzeitigkeit besteht darin, dass Uhren, die sich in befinden verschiedene Punkte Raum, können nur dann „zur gleichen Zeit“ gehen, wenn sie sich im gleichen Trägheitsbezugssystem befinden. Das heißt, die Uhrzeit hängt von der Wahl des Referenzsystems ab.

Daraus folgt das Paradoxon, dass Ereignis B, das eine Folge von Ereignis A ist, gleichzeitig mit diesem eintreten kann. Darüber hinaus ist es möglich, Referenzsysteme so zu wählen, dass Ereignis B früher eintritt als das Ereignis A, das es verursacht hat. Ein solches Phänomen verstößt gegen das in der Wissenschaft fest verankerte und nie in Frage gestellte Kausalitätsprinzip. Diese hypothetische Situation wird jedoch nur dann beobachtet, wenn der Abstand zwischen den Ereignissen A und B größer ist als das Zeitintervall zwischen ihnen multipliziert mit der „elektromagnetischen Konstante“ – Mit. Also die Konstante C, die der Lichtgeschwindigkeit entspricht, ist die maximale Geschwindigkeit der Informationsübertragung. Andernfalls würde das Kausalitätsprinzip verletzt.

Wie wird die Lichtgeschwindigkeit gemessen?

Beobachtungen von Olaf Roemer

Wissenschaftler der Antike glaubten größtenteils, dass sich Licht mit unendlicher Geschwindigkeit bewegt, und die erste Schätzung der Lichtgeschwindigkeit wurde bereits 1676 erhalten. Der dänische Astronom Olaf Roemer beobachtete Jupiter und seine Monde. In dem Moment, als sich Erde und Jupiter auf gegenüberliegenden Seiten der Sonne befanden, verzögerte sich die Sonnenfinsternis des Jupitermondes Io um 22 Minuten gegenüber der berechneten Zeit. Einzige Entscheidung, was Olaf Roemer herausgefunden hat – die Lichtgeschwindigkeit ist limitierend. Aus diesem Grund verzögern sich die Informationen über das beobachtete Ereignis um 22 Minuten, da der Weg vom Io-Satelliten zum Teleskop des Astronomen einige Zeit in Anspruch nimmt. Nach Roemers Berechnungen betrug die Lichtgeschwindigkeit 220.000 km/s.

Beobachtungen von James Bradley

Im Jahr 1727 entdeckte der englische Astronom James Bradley das Phänomen der Lichtaberration. Der Kern dieses Phänomens besteht darin, dass bei der Bewegung der Erde um die Sonne sowie während der Erdrotation eine Verschiebung der Sterne am Nachthimmel beobachtet wird. Da der Erdbeobachter und die Erde selbst ständig ihre Bewegungsrichtung relativ zum beobachteten Stern ändern, legt das vom Stern emittierte Licht mit der Zeit unterschiedliche Entfernungen zurück und fällt in unterschiedlichen Winkeln auf den Beobachter. Die begrenzte Lichtgeschwindigkeit führt dazu, dass die Sterne am Himmel das ganze Jahr über eine Ellipse beschreiben. Dieses Experiment ermöglichte es James Bradley, die Lichtgeschwindigkeit zu schätzen – 308.000 km/s.

Das Louis-Fizeau-Erlebnis

Im Jahr 1849 führte der französische Physiker Louis Fizeau ein Laborexperiment zur Messung der Lichtgeschwindigkeit durch. Der Physiker installierte in Paris einen Spiegel in einer Entfernung von 8.633 Metern von der Quelle, doch nach Roemers Berechnungen wird das Licht diese Strecke in Hunderttausendstelsekunden zurücklegen. Eine solche Genauigkeit der Uhr war damals unerreichbar. Fizeau verwendete dann ein Zahnrad, das sich auf dem Weg von der Quelle zum Spiegel und vom Spiegel zum Beobachter drehte und dessen Zähne das Licht periodisch blockierten. Für den Fall, dass ein Lichtstrahl von der Quelle zum Spiegel zwischen den Zähnen hindurchging und auf dem Rückweg auf einen Zahn traf, verdoppelte der Physiker die Rotationsgeschwindigkeit des Rades. Als die Rotationsgeschwindigkeit des Rades zunahm, hörte das Licht fast auf zu verschwinden, bis die Rotationsgeschwindigkeit 12,67 Umdrehungen pro Sekunde erreichte. In diesem Moment verschwand das Licht wieder.

Eine solche Beobachtung führte dazu, dass das Licht ständig auf die Zähne „prallte“ und keine Zeit hatte, zwischen ihnen „zu schlüpfen“. Fizeau kannte die Rotationsgeschwindigkeit des Rades, die Anzahl der Zähne und den doppelten Abstand von der Quelle zum Spiegel und berechnete die Lichtgeschwindigkeit, die sich als 315.000 km/s herausstellte.

Ein Jahr später führte ein anderer französischer Physiker, Leon Foucault, ein ähnliches Experiment durch, bei dem er einen rotierenden Spiegel anstelle eines Zahnrads verwendete. Für die Lichtgeschwindigkeit in der Luft ermittelte er einen Wert von 298.000 km/s.

Ein Jahrhundert später wurde Fizeaus Methode so weit verbessert, dass ein ähnliches Experiment, das 1950 von E. Bergstrand durchgeführt wurde, einen Geschwindigkeitswert von 299.793,1 km/s ergab. Diese Zahl weicht nur um 1 km/s vom aktuellen Wert der Lichtgeschwindigkeit ab.

Weitere Messungen

Mit dem Aufkommen von Lasern und zunehmender Präzision Messgeräte Der Messfehler konnte auf bis zu 1 m/s reduziert werden. Deshalb verwendeten amerikanische Wissenschaftler 1972 einen Laser für ihre Experimente. Durch Messung der Frequenz und Wellenlänge des Laserstrahls konnten sie einen Wert von 299.792.458 m/s ermitteln. Bemerkenswert ist, dass eine weitere Erhöhung der Genauigkeit der Messung der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum nicht aufgrund technischer Unvollkommenheiten der Instrumente, sondern aufgrund des Fehlers des Messgerätnormals selbst unmöglich war. Aus diesem Grund definierte die XVII. Generalkonferenz für Maß und Gewicht 1983 den Meter als die Entfernung, die Licht im Vakuum in einer Zeit von 1/299.792.458 Sekunden zurücklegt.

Fassen wir es zusammen

Aus all dem oben Gesagten folgt also, dass die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum eine grundlegende physikalische Konstante ist, die in vielen grundlegenden Theorien vorkommt. Diese Geschwindigkeit ist absolut, das heißt unabhängig von der Wahl des Referenzsystems, und entspricht auch der maximalen Geschwindigkeit der Informationsübertragung. Mit dieser Geschwindigkeit bewegen sich nicht nur elektromagnetische Wellen (Licht), sondern auch alle masselosen Teilchen. Darunter vermutlich auch das Graviton, ein Teilchen aus Gravitationswellen. Unter anderem aufgrund relativistischer Effekte steht die eigene Zeit des Lichts buchstäblich still.

Solche Eigenschaften des Lichts, insbesondere die Unanwendbarkeit des Prinzips der Addition von Geschwindigkeiten, passen nicht in den Kopf. Viele Experimente bestätigen jedoch die oben aufgeführten Eigenschaften, und eine Reihe grundlegender Theorien basieren genau auf dieser Natur des Lichts.

Die Lichtgeschwindigkeit ist die ungewöhnlichste bisher bekannte Messgröße. Der erste Mensch, der versuchte, das Phänomen der Lichtausbreitung zu erklären, war Albert Einstein. Er war es, der die bekannte Formel erfunden hat E = mc² , Wo E ist die Gesamtenergie des Körpers, M- Masse und C— Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

Die Formel wurde erstmals 1905 in der Zeitschrift Annalen der Physik veröffentlicht. Etwa zur gleichen Zeit stellte Einstein eine Theorie darüber auf, was mit einem Körper geschehen würde, der sich mit absoluter Geschwindigkeit bewegt. Aufgrund der Tatsache, dass die Lichtgeschwindigkeit eine konstante Größe ist, kam er zu dem Schluss, dass sich Raum und Zeit ändern müssen.

Bei Lichtgeschwindigkeit schrumpft ein Objekt also endlos, seine Masse nimmt endlos zu und die Zeit bleibt praktisch stehen.

Im Jahr 1977 konnte die Lichtgeschwindigkeit berechnet werden; sie wurde mit 299.792.458 ± 1,2 Metern pro Sekunde angegeben. Für grobere Berechnungen wird immer von einem Wert von 300.000 km/s ausgegangen. Auf diesem Wert basieren alle anderen kosmischen Dimensionen. So entstand das Konzept von „Lichtjahr“ und „Parsec“ (3,26 Lichtjahre).

Es ist unmöglich, sich mit Lichtgeschwindigkeit fortzubewegen, geschweige denn, sie zu überwinden. Zumindest in diesem Stadium der menschlichen Entwicklung. Andererseits versuchen Science-Fiction-Autoren seit etwa 100 Jahren, dieses Problem auf den Seiten ihrer Romane zu lösen. Vielleicht wird Science-Fiction eines Tages Realität, denn im 19. Jahrhundert sagte Jules Verne das Erscheinen eines Hubschraubers, eines Flugzeugs und des elektrischen Stuhls voraus, und dann war es reine Science-Fiction!

Das Thema, wie man die Lichtgeschwindigkeit misst und wie hoch es ist, beschäftigt Wissenschaftler seit der Antike. Dies ist ein sehr faszinierendes Thema, das seit jeher Gegenstand wissenschaftlicher Debatten ist. Es wird angenommen, dass eine solche Geschwindigkeit endlich, unerreichbar und konstant ist. Es ist unerreichbar und beständig, wie die Unendlichkeit. Gleichzeitig ist es endlich. Es stellt sich heraus, dass es sich um ein interessantes physikalisches und mathematisches Rätsel handelt. Es gibt eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen. Schließlich wurde noch die Lichtgeschwindigkeit gemessen.

In der Antike glaubten die Denker daran Lichtgeschwindigkeit- das ist eine unendliche Menge. Die erste Schätzung dieses Indikators erfolgte im Jahr 1676. Olaf Römer. Nach seinen Berechnungen betrug die Lichtgeschwindigkeit etwa 220.000 km/s. Es war nicht ganz genauer Wert, aber nah an der wahren.

Die Endlichkeit und die Schätzung der Lichtgeschwindigkeit wurden ein halbes Jahrhundert später bestätigt.

In Zukunft der Wissenschaftler Fizeau Aus der Zeit, die der Strahl brauchte, um eine bestimmte Distanz zurückzulegen, konnte die Geschwindigkeit des Lichts bestimmt werden.

Er führte ein Experiment durch (siehe Abbildung), bei dem ein Lichtstrahl von der Quelle S ausging, vom Spiegel 3 reflektiert, von der Zahnscheibe 2 unterbrochen wurde und die Basis passierte (8 km). Anschließend wurde es von Spiegel 1 reflektiert und auf die Scheibe zurückgeführt. Das Licht fiel in die Lücke zwischen den Zähnen und konnte durch Okular 4 beobachtet werden. Die Zeit, die der Strahl brauchte, um durch die Basis zu laufen, wurde in Abhängigkeit von der Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe bestimmt. Der von Fizeau ermittelte Wert war: c = 313300 km/s.

Die Geschwindigkeit der Strahlausbreitung in einem bestimmten Medium ist geringer als die Geschwindigkeit im Vakuum. Darüber hinaus z verschiedene Substanzen Dieser Indikator dauert unterschiedliche Bedeutungen. Nach ein paar Jahren Foucault ersetzte die Scheibe durch einen schnell rotierenden Spiegel. Die Anhänger dieser Wissenschaftler nutzten immer wieder deren Methoden und Forschungsdesigns.

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Wie groß ist die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum?

Die genaueste Messung der Lichtgeschwindigkeit ergibt den Wert 1.079.252.848,8 Kilometer pro Stunde bzw 299.792.458 m/s. Diese Zahl gilt nur für Bedingungen im Vakuum.

Aber um Probleme zu lösen, wird der Indikator normalerweise verwendet 300.000.000 m/s. Im Vakuum beträgt die Lichtgeschwindigkeit in Planck-Einheiten 1. Somit legt Lichtenergie in 1 Planck-Zeiteinheit 1 Planck-Längeneinheit zurück. Wenn ein Vakuum entsteht natürliche Bedingungen Dann können sich Röntgenstrahlen, Lichtwellen im sichtbaren Spektrum und Gravitationswellen mit dieser Geschwindigkeit ausbreiten.

Unter Wissenschaftlern besteht die klare Meinung, dass Teilchen mit Masse eine Geschwindigkeit annehmen können, die möglichst nahe an der Lichtgeschwindigkeit liegt. Sie sind jedoch nicht in der Lage, den Indikator zu erreichen und zu übertreffen. Die höchste Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit wurde bei der Untersuchung der kosmischen Strahlung und bei der Beschleunigung bestimmter Teilchen in Beschleunigern gemessen.

Die Lichtgeschwindigkeit in jedem Medium hängt vom Brechungsindex dieses Mediums ab.

Dieser Indikator kann für verschiedene Frequenzen unterschiedlich sein. Eine genaue Messung der Menge ist wichtig für die Berechnung anderer physikalischer Parameter. Zum Beispiel zur Bestimmung der Entfernung beim Durchgang von Licht- oder Funksignalen in der optischen Entfernungsmessung, Radar, Lichtentfernungsmessung und anderen Bereichen.

Moderne Wissenschaftler verwenden unterschiedliche Methoden, um die Lichtgeschwindigkeit zu bestimmen. Einige Experten verwenden astronomische Methoden sowie Messmethoden mit experimenteller Technologie. Die verbesserte Fizeau-Methode wird sehr häufig verwendet. Dabei wird das Zahnrad durch einen Lichtmodulator ersetzt, der den Lichtstrahl abschwächt oder unterbricht. Der Empfänger ist hier ein fotoelektrischer Vervielfacher oder eine Fotozelle. Die Lichtquelle kann ein Laser sein, was zur Reduzierung von Messfehlern beiträgt. Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit Abhängig von der Dauer des Basendurchgangs kann dies mit direkten oder indirekten Methoden erfolgen, die ebenfalls genaue Ergebnisse ermöglichen.

Mit welchen Formeln wird die Lichtgeschwindigkeit berechnet?

1. Die Geschwindigkeit der Lichtausbreitung im Vakuum ist ein absoluter Wert. Physiker bezeichnen es mit dem Buchstaben „c“. Das ist grundlegend und Konstante, das nicht von der Wahl des Berichtssystems abhängt und ein Merkmal von Zeit und Raum als Ganzes liefert. Wissenschaftler gehen davon aus, dass es sich bei dieser Geschwindigkeit um die maximale Geschwindigkeit der Teilchenbewegung handelt.

   Lichtgeschwindigkeitsformel In einem Vakuum:

   s = 3 * 10^8 = 299792458 m/s

   Dabei ist c ein Indikator für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum.

2. Das haben Wissenschaftler bewiesen Lichtgeschwindigkeit in der Luft entspricht fast der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum. Es kann mit der Formel berechnet werden: