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Lichtgeschwindigkeit und deren Bedeutung


 

Allgemeines zum Thema Lichtausbreitung

In anderen Kapiteln haben wir uns mit der Erzeugung von Licht und der Lichtausbreitung beschäftigt. Dabei ist Lichtquelle ein Objekt, das selbständig Licht erzeugt und in alle Richtungen aussendet. Solange das Licht auf kein Hindernis trifft, breitet sich das Licht gradlinig in alle Richtungen aus. In diesem Kapitel befassen wir uns nun mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht im Vakuum. Diese Ausbreitungsgeschwindigkeit ist die Lichtgeschwindigkeit, die nun nachfolgend näher vorgestellt wird. 


Lichtgeschwindigkeit

Wie eingangs erwähnt, ist die Lichtgeschwindigkeit die (Ausbreitungs-)geschwindigkeit, mit der sich Licht im Vakuum "bewegt" bzw. ausbreitet. Als Richtwert (die Lichtgeschwindigkeit sollte jeder kennen) für die Lichtgeschwindigkeit wird im Alltag und im Unterricht (wenn es nicht genau sein muss) ungefähr eine Geschwindigkeit von 300.000 Kilometer pro Sekunde verwendet.

Die Lichtgeschwindigkeit gilt aber streng nur für die Ausbreitung im Vakuum, in anderen Medien (z.B. Luft oder Wasser) ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts kleiner. Dies liegt daran, dass sich in diesen Medien Materie befindet (Atome bzw. Moleküle), die das Licht beim Durchgang abbremsen, blockieren oder gar reflektieren. Warum wir dennoch die Lichtgeschwindigkeit, die eigentlich nur im Weltraum gilt, auch bei Berechnungen auf der Erde verwenden, dazu gleich.

Die eigentliche Frage ist, wie man die Lichtgeschwindigkeit messen bzw. bestimmen konnte, denn eine Geschwindigkeit von knapp 300.000 km/s ist auch schwer vorstellbar. Bis ins späte Mittelalter war man auch überzeugt, dass die Lichtgeschwindigkeit unendlich groß ist. Erst im 17. Jahrhundert gelang es Wissenschaftler die Lichtgeschwindigkeit zu bestimmen. Allerdings beruhten diese Methoden auf astronomischen Berechnungen, kamen dem Wert für die Lichtgeschwindigkeit ziemlich nah.

Heute kann man die Lichtgeschwindigkeit deutlich genauer bestimmen, wobei auch einige physikalische Messmethoden zur Verfügung stehen. Die in der Schule am häufigsten verwendete Methode ist die Bestimmung der Lichtgeschwindigkeit über die Wellenlänge und Frequenz des betrachteten Lichts. Licht ist (aufgrund des Welle-Teilchen-Dualismus) auch als (elektromagnetische) Welle anzusehen. Daher kann man die Ausbreitungsgeschwindigkeit (die bei Licht der Lichtgeschwindigkeit entspricht) über die Messung der Wellenlänge und Frequenz der Welle berechnen. Hierbei kann man folgende Gleichung verwenden:

Lichtgeschwindigkeit = Wellenlänge · Frequenz


Dass die Lichtgeschwindigkeit (fast) jeder kennt, liegt daran, dass die Lichtgeschwindigkeit eine (Natur)konstante ist und in viele Rechenoperationen (=> Formeln) in der Physik und Chemie eingeht. Die allgemeine Relativitätstheorie (E = m ·c²), die einen Zusammenhang von Masse und Energie herleitet, verwendet die Lichtgeschwindigkeit als "Bezugsgröße" bzw. Konstante, ebenso wie Frequenzbestimmung oder Bestimmung der Wellenlänge von Licht. Auf die Lichtgeschwindigkeit als Konstante treffen wir also regelmäßig, nicht nur im Themengebiet Optik.

Nun aber zurück zur Frage, warum wir bei Berechnungen immer die Lichtgeschwindigkeit mit knapp 300.000 km/s verwenden und beispielsweise nicht die Lichtgeschwindigkeit von Licht in Luft (was eigentlich "logisch" wäre, da sich das Licht auf der Erde nicht im Vakuum ausbreitet). Ohne nun die in die sogenannte spezielle Relativitätstheorie einzusteigen (siehe hierzu die entsprechenden Kapitel) - die Lichtgeschwindigkeit ist nicht nur eine Naturkonstante, sondern auch eine sogenannte universelle Konstante. Eine universelle (Geschwindigkeits)konstante bedeutet, dass sich die Bezugsgröße in allen Bezugssystemen gleich schnell ausbreitet. D.h. diese Geschwindigkeit ist eine absolute Bezugsgröße, denn nichts kann sich schneller bewegen bzw. ausbreiten, als die Lichtgeschwindigkeit. Auch Energie (also Elektronen) kann man nicht schneller übertragen, also den Betrag der Lichtgeschwindigkeit. Daher ist es in der Schule und in den allermeisten Fällen an der Universität "erlaubt", bei Berechnungen mit der Lichtgeschwindigkeit den Wert für die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum zu verwenden.


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